Курсовая работа: Тахометрические датчики

Определение скорости по частоте сигнала. Частотное изме­рение представляет интерес, когда создаваемый синхронным генератором сигнал необходимо передать на расстояние; в этом случае потери в линии не влияют на измерение.

В качестве примера опишем тахометр с электрической пе­редачей, выпускаемый фирмой Jaeger. Его задающий генератор — трехфазный, причем каждая обмотка его ротора соединена с одной из обмоток синхронного мотора. Поэтому в моторе возникает поле, которое вращается с той же скоростью, что ротор генератора, и увлекает синхронно ротор мотора, представляющий собой магнит. Ротор мотора связан со вторым магнитом (измерительным), который вращается перед метал­лическим диском; в последнем возникают токи Фуко, пропор­циональные скорости вращения измерительного магнита, и вра­щающий момент Cm, пропорциональный скорости. Этот враща­ющий момент, согласно закону Ленца, стремится повернуть диск в сторону движения измерительного магнита; он уравновеши­вается противоположной парой сил спиральной пружины, так что отклонение а диска пропорционально скорости вращения.

Тахометрический асинхронный генератор. Его конструкция подобна конструкции двухфазного асинхронного мотора

Ротор состоит из тонкого немагнитного цилинд­ра, который вращается со ско­ростью (являющейся объек­том измерения; его масса и инерция очень малы. Статор из магнитного листового желе­за несет две расположенные квадрупольно обмотки: а) воз­буждающую обмотку, к кото­рой приложено напряжение v_e с амплитудой V_e и стабильной частотой). б)измерительную обмотку, в которой наводится э.д.с. Последняя Фоомипует-тахиметрический сигнал £ — постоянная данного прибора.

Разность фаз <р меняется на несколько градусов во всем диапазоне изменения скоростей генератора, но испытывает ска­чок на я при смене направления вращения. При нулевой ско­рости на клеммах измерительной обмотки возникает небольшое остаточное напряжение; оно вызвано несовершенством конст­рукции — асимметрией ротора, неоднородностью магнитного контура, неточной установкой обмоток по углу.

Порядок величин метрологических параметров прибора сле­дующий: диапазон измерений от 10 об/мин до 2-10* об/мин; из­меряемое напряжение при 1000 об/мин —от 1 до 10 В; откло­нение от линейности — от 0,1% до 0,2% диапазона измерений; остаточное напряжение — от 10 до 100 мВ; момент инерции ро­тора— несколько г-см² . За исключением очень малого момен­та инерции, характеристики генераторов этого типа не слишком примечательны; кроме того, их использование требует очень стабильного возбуждающего источника. Однако такие генера­торы представляют интерес, поскольку легко могут быть вклю­чены в регулирующие или командные комплексы, в которых информация передается амплитудой синусоидальных токов фик­сированной частоты, содержащие, к примеру, такие приборы, как двухфазный мотор с управляющей обмоткой, синхродетек-гор, резольвер, индуктивный потенциометр.

Электромагнитные тахометры линейной скорости

Когда перемещение изучаемой детали значительно (свыше иетра), ее линейную скорость можно определить путем измерения угловой скорости, например, с помощью ролика либо иной вращающейся детали, являющейся частью того же уст­ройства, скорость вращения которой пропорциональна линей­ной скорости перемещения; так, скорость стального листа на выходе прокатного стана определяется скоростью вращения валков.

В случае малых перемещений датчик скорости изготавли­вается из магнита и катушки. Поскольку один из этих элемен­тов фиксирован, а другой связан с движущейся деталью, их относительное перемещение наводит в катушке э.д.с, пропор­циональную скорости. Когда подвижна катушка, она переме­щается в радиальном поле индукции тороидального возникающая в ней э.д.с. описывается выражением

где г и л — соответственно радиус витков и их число, f—2ягп— длина проволоки катушки, В — величина индукции, v — ско­рость перемещения.

Максимальное перемещение для таких конструкций состав­ляет несколько миллиметров, чувствительность — порядка одно­го вольта на метр и секунду, а отклонение от линейности — около ±10%.

Для перемещений более значительных (достигающих 0,5 м) используют магнит, укрепленный на движущейся детали, ко­торый перемещается вдоль оси тандема из двух катушек.

Э.д.с, наведенная в катушке перемещением магнита, про­порциональна его скорости; э.д.с. катушек имеют противопо­ложный знак, поскольку в них перемещаются противополож­ные полюса; поэтому обе катушки соединены последовательно и встречно по знаку, так что в этом случае полу­чается ненулевая суммарная э.д.с.

Примером такого измерительного прибора может служить датчик линейной скорости 7L20VT.Z (фирма-изготовитель Schaevitz), имеющий максимальный ход 500 мм, чувствитель­ность 4,8 мВ/мм/с и линейность ±1% от выходного напряже­ния.

Импульсные тахометры угловой скорости

Часто приходится измерять скорость вращения диска на валу. Поверхность такого диска состоит из р равных секторов, каждый из которых имеет характерную отметку (отверстие,, щель, зуб). В качестве образца можно использовать любое вра­щающееся тело с периодической структурой: шестерню, ось с выемками, колесо с лопатками и т. д.

Соответствующий (например, оптический) датчик, помещен­ный напротив образца, обнаруживает прохождение отметок и каждый раз выдает импульсный сигнал. Частота импульсов датчика имеет величину /:

где N — число оборотов образца в секунду, р— число регуляр­ных меток, на него нанесенных. Выбор подходящего датчика связан с природой вращающе­гося тела и нанесенных на него меток; в зависимости от об­стоятельств используют или один из различных датчиков бли­зости или оптический датчик. Датчик изменяюще­гося магнитного сопротивления должен быть размещен вблизи вращающегося ферромагнитного тела, метки на котором пред­ставляют собой резкие изменения его магнитных свойств. Дат­чик на токах Фуко и индуктивный датчик чувствительны к из­менениям расстояния до проводящего тела вращения. Для датчиков, основанных на использовании эффекта Холла или магнитного сопротивления, требуется, чтобы на вращающемся теле находились в движении один или несколько магнитов и обеспечивалось периодическое экранирование датчика от маг­нитного поля. Оптический датчик и источник света позволяют регистрировать последовательность меток, образуемых разры­вами оптических свойств вследствие наличия отверстий, щелей, отражающих поверхностей. Достоинства импульсной тахометрии обусловлены, с одной стороны, ее простотой, надежностью, совместимостью с агрес­сивной средой (например, измерения при ядерном облучении) м, с другой стороны, тем фактом, что носителем информации является частота, что обеспечивает определенную защищен­ность от различного рода помех (шумов, паразитных сигналов, ослабления в линиях связи) и упрощает преобразование в циф­ровую форму. Устройством формирования сигнала служит либо цифровой частотомер, либо преобразователь частота — напряжение; по­следний состоит из а) каскада согласования импедансов и фор­мирования сигналов, например триггера Шмитта; б) односта-Зильной схемы, которая каждый импульс, поступивший с выхо­да предыдущей ступени, преобразует в импульс постоянной ам­плитуды и постоянной длительности Го (очевидно, величина Т_о должна быть меньше минимального периода повторений); в) низкочастотного фильтра, выходное напряжение которого дает постоянную составляющую сигнала, равную среднему зна­чению напряжения импульсов, сформированных одностабильной схемой, и пропорциональную То. Снижение граничной час­тоты фильтра уменьшает пульсации на выходе, но увеличивает постоянную времени и, следовательно, время измерения.

Датчики с переменным магнитным сопротивлением

Измерительная катушка снабжается магнитным сердечни­ком, на который воздействует поток индукции постоянного маг­нита; катушка помещена перед диском (полюсное колесо) или перед вращающимся ферромагнитным телом. Последователь­ность скачков магнитных свойств (зубья, щели, отверстия) дис­ка или вращающегося тела вызывает периодическое изменение

Магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, ко­торое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда этой э.д.с. за­висит:

а) от расстояния между ка­тушкой и вращающимся телом; она быстро падает с уве­личением этого расстояния ров); (которое обычно не ожет пре­вышать нескольких миллимет­

б) от скорости вращения (в принципе амплитуда э.д.с. про­порциональна этой скорости); при малых скоростях амплитуда может быть недостаточной для обнаружения, вследствие чего появляется «мертвая зона», в которой невозможны никакие из­мерения. Эта зона тем протяженнее, чем больше расстояние между катушкой и вращающимся телом. Увеличение потерь с повышением скорости ведет к ограничению амплитуды.

Диапазон измерений зависит от числа р скачкообразных из­менений магнитных свойств вращающегося тела, например, от числа зубьев колеса.

Минимальная измеряемая скорость тем меньше, чем больше р, тогда как максимальная измеряемая скорость тем выше, чем меньше р. Типичные диапазоны измерении составляют от 50 до 500 об/мин для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10 000 об/ мин для колеса с 15 зубьями.

Датчик рассматриваемого типа позволяет определять ско­рость диска, вращающегося внутри кожуха, при условии, стенка кожуха немагнитная и расстояние между катушкой и. диском остается небольшим.

Датчики на токах Фуко

Этот тип датчиков применим, когда вращающееся тело ме­таллическое, но не ферромагнитное. Катушка, представляющая собой чувствительный элемент, образует индуктивность резо­нансного контура синусоидального генератора. При приближе­нии металлического проводника изменяются характеристики L и R катушки, вследствие чего генерация прекра­щается. При прохождении каждого зуба вращающейся шестер­ни перед катушкой происходит прерывание колебаний, что об­наруживается, например, по изменению тока питания генерато­ра. Частота соответствующего сигнала пропорциональна ско­рости вращения, а его амплитуда не зависит от последней, по­скольку определяется в данном случае не законом Фарадея. Отсюда следует, что этот тип датчика не имеет «мертвой зоны» и поэтому применим к измерению очень малых скоростей.

Оптический тахометр