Тахометрические датчики

курсовыФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга

(РЭТЭМ)

Тахометрические датчики

Курсовая работа по дисциплине «Приборы и датчики»

студент гр.213

_________Скакун Н.М.

22.12.2005

Руководитель

_________Бакин Н.Н.

                                                                                                ____________оценка

2005

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………………3

2. Электромагнитные тахометры угловой скорости………………………………….5

2.1 Тахометрический генератор постоянного тока……………………………………5

2.2 Тахометрические генераторы на переменном токе………………………………10

2.3 Электромагнитные тахометры линейной скорости……………………………....13

2.4 Импульсные тахометры угловой скорости………………………………………..14

2.5 Датчики с переменным магнитным сопротивлением…………………………….15

2.6 Датчики на токах Фуко……………………………………………………………..17

2.7 Оптический тахометр……………………………………………………………….17

3. Гирометры…………………………………………………………………………….18

3.1 Гироскопический измеритель скорости…………………………………………...19

3.2 Оптические тахометры ………………………………………………………….….20

4. Заключение……………………………………………………………………………21

5. Приложение…………………………………………………………………………...22

6. Список используемой тературы……………………………………………………..25

Введение

В промышленности измерение скорости сводится в большин­стве случаев к измерению скоростей вращения крутящихся де­талей и узлов, когда за ними приходится наблюдать в целях безопасности либо для создания условий их работы в жела­тельном режиме. В случае прямолинейного движения измере­ние скорости часто также может быть сведено к измерению скорости вращения. Поэтому тахометрические датчики являют­ся в своем большинстве датчиками угловой скорости.

Промышленные датчики, предназначенные специально для измерения скорости, базируются на законе Фарадея

где х — переменная линейного или углового положения. Поэто­му всякое относительное перемещение между источником по­тока (индуктором) и контуром наводит в этом последнем э. д. с, амплитуда которой пропорциональна скорости перемещения, вследствие чего на выходе такого датчика формируется сигнал

Этот вид тахометрии  называется электродинамическим.

Когда исследуемое движущееся тело осуществляет перио­дическое движение, например вращение, определение его ско­рости может быть заменено измерением частоты: так, датчик близости, расположенный рядом с объектом, расстояние до которого изменяется периодически, выдает сигнал, частота ко­торого равна или кратна, в зависимости от конфигурации объ­екта, частоте движений. Так, для измерения угловой скорости вращающегося вала можно использовать насаженный на него диск, снабженный чередующимися прозрачными и непрозрач­ными частями, которые при вращении будут прерывать поток лучей, регистрируемый с помощью оптического детектора. Таким образом будет формироваться последовательность элек­трических импульсов с частотой, пропорциональной скорости.

Тахометры этого типа называют импульсными.

В случае очень медленного вращения, например, менее од­ного градуса в час, описанные выше методы становятся непригодными, и в этом случае измерение скорости может быть j эффективно  осуществлено  с помощью  лазерного гигрометра.

Принцип его действия основан на существовании разности i хода двух волн, излучаемых одним лазером и распространяю­щихся в противоположных направлениях в одной и той же вра­щающейся среде. Эта разность хода, пропорциональная угло­вой скорости, выявляется с помощью интерферометра.

Отношения, которые связывают скорость и положение, с одной стороны, и скорость и ускорение, с другой, позволяют определять скорость путем обработки сигналов датчиков каж­дой из этих двух величин.

Производная по времени сигнала аналогового датчика по­ложения определяет величину скорости. Однако этот метод связан с появлением помех (например, из-за дискретности про­волочного потенциометра) и увеличением высокочастотного шу­ма.

Интегрирование сигнала датчика ускорения представляет другой метод определения скорости; используемый в навигации, он требует сложного оборудования (инерциальная платформа).

Электромагнитные тахометры угловой скорости

Тахометрический генератор постоянного тока

Устройство. Принцип действия. Элементами устройства ге­нератора являются

а) статор  (индуктор), представляющий собой ферромагнит­ный каркас, который несет 2 полюса, направляющих поле магнитной индукции, образуемое током че­рез  катушки   (электромагниты)   или  постоянными  магнитами;

б) ротор   (якорь), который  представляет собой  многослой­ный цилиндр  из листового железа, вращающийся  между полю­сами статора, причем его ось совпадает с осью статора; на его периферии параллельно оси расположены в углублениях  (па­зах) л=2 медных проводников;  эти проводники, называемые активными, соединены попарно своими концами с другими, ко­торые расположены строго вдоль диаметра ротора  к называ­ются пассивными;

в) коллектор — цилиндр с той же осью, что к у ротора, но значительно меньшего диаметра, несущий изолированные между собой медные пластинки, каждая из которых связана с ак­тивным проводником;

г) две щетки, связанные с клеммами генератора и прижи­маемые к коллектору, которые закрепляются на двух Диамет­рально противоположных пластинках; щетки расположены вдоль средней линии перпендикулярно направлению индукции, так, чтобы снимать максимальную э.д.с.

Расчет э.д.с, наводимой в активных проводниках. В /-м проводнике (0^/<2fe-l) вследствие вращения возникает э.д.с, величина которой определяется выражением

где dtp/ —магнитный поток, пересекаемый проводником за ин­тервал времени dt,

dsc — приращение площади  поверхности,  описываемой  движу­щимся проводником,   за время  dt, и BIN - составляющая В,

нормальная к dsc.

Приращение  площади  описываемой  поверхности  определя­ется выражением

Здесь / — длина активного проводника, a v — его линейная ско­рость, равная t)=wr, где to —угловая скорость ротора, г —его радиус. Окончательно получаем

В  диаметрально    противоположном активном  проводнике вследствие симметрии имеем

Расчет э. д, с. совокупности проводников, расположенных одну сторону от нейтральной линии. В совокупности k проводников   справа   от   нейтральной линии    наводится    суммарная

где s=2nrt/n — площадь поверхности между двумя соседними проводниками, и   2J sB/*—Фо— поток,   исходящий из полюса индуктора.

Для этих условий можно написать

где N — частота вращения ротора (число оборотов в секунду); таким же образом в совокупности проводников слева от ней­тральной линии наводится э.д.с. Eg:

Идея намотки состоит в соединении между собой 2k про­водников так, чтобы образовать два одинаковых комплекта по k последовательно соединенных проводников, в каждом из ко­торых возникает э. д. с. Е, такая, что

Эта э.д.с. поступает во внешнюю цепь через две щетки, расположенные на коллекторе вдоль нейтральной линии диа­метрально противоположно друг другу.

В более общем случае, когда генератор имеет 2/7 полюсов индукторов (каждый с потоком Фо), п\проводников ротора, соединенных параллельно по 2о ветвям обмотки, индуцируе­мая э.д.с. имеет величину

Именно на этой пропорциональности э.д.с. Е и угловой скоро­сти а основано использование генераторов постоянного тока в тахометрии, и одно из их преимуществ по сравнению с други­ми тахометрическими датчиками состоит в том, что получаемый сигнал изменяет знак одновременно с изменением направления вращения.

Реакция якоря. Если якорь связан с внешним контуром, то э.д.с. вызывает в нем ток , проходящий через активные про­водники по разные стороны от нейтральной линии в противо­положных направлениях.

Сопоставляя попарно проводники, симметричные относи­тельно нейтральной линии, устанавливаем, что они создают индукцию, перпендикулярную линии полюсов и пропорцио­нальную I; эта поперечная индукция называется реакцией якоря.

Реакция якоря вызывает искривление силовых линий поля к приводит к смещению нейтральной линии в направлении дви­жения. Поскольку э.д.с. снимается с неподвижных щеток, установленных на первоначально нейтральной линии (/=0), ее величина ускоренно убывает с ростом тока .

Эксплуатационные параметры. На холостом ходу (/=0) э. д. с. генератора определяется общим выражением

где фо — поток, вызванный индукцией, ke и km — постоянные па­раметры генератора.

Когда генератор соединен с нагрузкой R, он отдает ток /, который вызывает внутреннее падение напряжения RJf где Ri — сопротивление якоря, и реакцию якоря, которая уменьша­ет э.д.с. генератора тем больше, чем больше величина тока. Обозначая k, величину, характеризующую реакцию якоря, можно написать

или

где еь и Rb зависят от материалов контактов щетка — коллек­тор.

Для совокупности генератора с нагрузкой получаем соотно­шение

или

откуда следуют выражения для тока в нагрузке

Из полученного для V выражения можно заключить, что:

—генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возника­ет только при скоростях выше еь1ке\ щетки должны быть уста­новлены таким образом,    чтобы   минимизировать   контактную разность потенциалов eyt напряжение U не является строго линейной функцией от  вследствие реакции якоря;   при тахометрическом использо­вании в режиме генератора нелинейность может быть умень­шена путем: а) минимизации тока / за счет использования по­вышенного сопротивления нагрузки;  б)  ограничения скорости вращения; в)  использования таких типов обмотки ротора, ко­торые дают малую реакцию якоря. Напряжение, получаемое в режиме генератора, обычно ха­рактеризуют величиной э.д.с. при скорости вращения 1000 об/ мин и обозначают через Ке.

Линейность характеристики тахометра оценивают с исполь­зованием максимальной разницы при 3600 об/мин между на­пряжением, измеренным на холостом ходу UM, и напряжением Uс, вычисленным в предположении линейности генератора, т.е. £/с=3,6 Ке- Полагают, следовательно, что

Реакция якоря зависит от направления вращения, посколь­ку она приводит к смещению нейтральной линии в направле­нии вращения; для равных, но противоположно направленных скоростей вращения потоки, действующие на ротор, не одина­ковы и, таким образом, соответствующие э.д.с. не точно сим­метричны.

Пусть Ке и Ке—э.д.с. холостого хода при 1000 об/мин для каждого направления вращения; асимметрия кривой £/=/(о>) при этом характеризуется двусторонним допуском

Напряжение U, вырабатываемое генератором, не является строго постоянным; оно содержит переменные составляющие, обусловленные а) возможным эксцентриситетом ротора и не­однородностью его магнитных свойств, что приводит к пульса­циям с частотой ш/2л; б) явлениями, связанными с коммутаци­ей пластин коллектора и вызывающими биение частоты лс<о/2я, где Uс — число пластин.    Такие пульсации можно в принципе ослабить с помощью фильтров LC или RC, хотя на малых ско­ростях вращения может возникнуть проблема с составляю­щей и. Степень модуляции напряжения на выходе генератора вследствие биения характеризуется величиной В для данной скорости вращения:

где Аи — размах колебаний напряжения U.

Типы конструкций. Чтобы избежать использования дополни­тельного источника питания обмотки возбуждения, индуктор выполняют на постоянных магнитах. Укажем обычно исполь­зуемые материалы и порядок величин их остаточной индукции Вг и коэрцитивного поля Не. Твердые ферриты из смеси металлических оксидов: Вг— =0,2-5-0,4 Тл; Яс= ЮО-г-250 кА/м; альнико (сплав железо — никель — кобальт — алюминий — медь): £,=0,8-М,3 Тл; с=504-80 кА/м; тиконал (сплав типа альнико с добавкой титана): Br=0,7-f--т-0,8 Тл; #с=120-г160 кА/м; кобальт—самарий (редкоземельный элемент): Вг=0,8-г-4-1,0 Тл; Яс=600н-700 кА/м. В противоположность альнико и тиконалу магниты из фер­ритов или редкоземельных металлов не размагничиваются при демонтаже; зато альнико и тиконал малочувствительны к тем­пературам. Классификация в порядке возрастания цены сле­дующая: феррит, альнико, тиконал, редкие земли.

Роторы бывают трех видов — катушечные, колоколообразные, дискоидальные.

Генератор с катушечным ротором позволяет вы­рабатывать относительно большое напряжение в несколько десятков вольт.  Однако реакция якоря может искажать линей­ность, а значительная индуктивность обмотки L ухудшает элек­трическое быстродействие, определяемое постоянной времени L/R; значительной является и механическая инерция. Колоколообразный ротор образуется проволочной обмоткой на пустотельном немагнитном цилиндре, вращающемся вокруг фиксированного сердечника. Такой тип конструк­ции обеспечивает значительное снижение реакции ротора, ин­дуктивности L и механической инерции. Дискоидальный ротор представляет собой изо­лированный диск, на котором закреплены пластинчатые про­водники; этот тип конструкции характеризуется, в частности, очень малой величиной индуктивного сопротивления, хорошей защищенностью от посторонних воздействий и допускает отно­сительно большие токи без искажения линейности.

Тахометрические генераторы на переменном токе

Такой тип генераторов интересен отсутствием коллектора и щеток, что способствует заметному увеличению срока службы, а также отсутствию флуктуации падения напряжения на щет­ках и подавлению паразитных сигналов при коммутациях. Од­нако схемы включения таких генераторов обычно более слож­ны, так как измерение амплитуды требует выпрямления и фильтрации выходного напряжения.

Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку    (одно-   или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора, т. е.

где £=&iO), Q—k2<i), k\, Аг —константы генератора. Таким об-; разом, величина w может быть определена по амплитуде э.д.с,' или по ее частоте.

Примерами таких тахометров могут служить генераторы с магнето (фирма-изготовитель Chauvin — Arnoux), имеющие од­нофазный статор и ротор в виде постоянного магнита с тремяпарами полюсов. Тахометр типа 64 имеет максимальную скорость 3000 об/мин, напряжение 24В±1% и частоту 50 Гц при1000 об/мин.    У тахометра типа 64GV максимальная скорость составляет 6000 об/мин, напряжение 24В±1%, частота 200 Гц при 4000 об/мин.

Определение скорости по величине э.д.с. Импеданс якоря определяется выражением Zi=Ri+jLiQ, где Ri и U — соответственно его сопротивление и индуктивность.

Напряжение на клеммах ротора, нагруженного сопротивлением R, по абсолютной величине равно I

Как видно, напряжение U в общем случае не является линейной функцией. Использование  генератора  в тахометрии требует,    чтобы сопротивление нагрузки R   оставалось   много больше импеданса обмотки даже при максимальных скоростях u; при этом U практически равно Е.

Страницы: 1, 2