Тахометрические датчики (стр. 3 из 4)

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

В наиболее простой форме он состоит из источника света и. оптического приемника — фотодиода или фототранзистора.

Вращающееся тело либо снабжают отражающими метками расположенными регулярно по окружности, на которые направляется световой пучок, либо соединяют с диском, имеющим попеременно прозрачные и непрозрачные сектора, который располагают между источником и приемником света. Получая модулированный скачкообразными изменениями отражения или пропускания поток, фотоприемник выдает электрический сигнал с частотой, пропорциональной скорости вращения, и с амплитудой, не зависящей от этой скорости. Диапазон измеряемых скоростей зависит, с одной стороны, от числа скачков оптических свойств (риски, щели, прозрачные сектора, нанесенные на диск или на вращающееся тело), а с другой — от полосы пропускания приемника и связанных с ним электрических схем. Для измерений малых скоростей, например ОД об/мин, используются диски с большим числом щелей (от 500 до нескольких тысяч); в измерениях больших скоростей, например 10⁵-т--т-10⁶ об/мин в случае ультрацентрифуг, диск имеет только одну щель, и максимальная измеряемая скорость определяется верхней граничной частотой электрической цепи. Применение диска с двумя дорожками, сдвинутыми на четверть периода по пространству (оптический генератор приращений, позволяет определять направление вращения.