Тахометрические датчики
Тахометрические датчики
23 курсовыФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ) Тахометрические датчикиКурсовая работа по дисциплине «Приборы и датчики»студент гр.213_________Скакун Н.М.22.12.2005Руководитель _________Бакин Н.Н. ____________оценка2005Содержание1. Введение………………………………………………………………………………32. Электромагнитные тахометры угловой скорости………………………………….52.1 Тахометрический генератор постоянного тока……………………………………52.2 Тахометрические генераторы на переменном токе………………………………102.3 Электромагнитные тахометры линейной скорости……………………………....132.4 Импульсные тахометры угловой скорости………………………………………..142.5 Датчики с переменным магнитным сопротивлением…………………………….152.6 Датчики на токах Фуко……………………………………………………………..172.7 Оптический тахометр……………………………………………………………….173. Гирометры…………………………………………………………………………….183.1 Гироскопический измеритель скорости…………………………………………...193.2 Оптические тахометры ………………………………………………………….….204. Заключение……………………………………………………………………………215. Приложение…………………………………………………………………………...226. Список используемой тературы……………………………………………………..25Введение В промышленности измерение скорости сводится в большин-стве случаев к измерению скоростей вращения крутящихся де-талей и узлов, когда за ними приходится наблюдать в целях безопасности либо для создания условий их работы в жела-тельном режиме. В случае прямолинейного движения измере-ние скорости часто также может быть сведено к измерению скорости вращения. Поэтому тахометрические датчики являют-ся в своем большинстве датчиками угловой скорости. Промышленные датчики, предназначенные специально для измерения скорости, базируются на законе Фарадея где х -- переменная линейного или углового положения. Поэто-му всякое относительное перемещение между источником по-тока (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 перио-дическое движение, например вращение, определение его ско-рости может быть заменено измерением частоты: так, датчик близости, расположенный рядом с объектом, расстояние до которого изменяется периодически, выдает сигнал, частота ко-торого равна или кратна, в зависимости от конфигурации объ-екта, частоте движений. Так, для измерения угловой скорости вращающегося вала можно использовать насаженный на него диск, снабженный чередующимися прозрачными и непрозрач-ными частями, которые при вращении будут прерывать поток лучей, регистрируемый с помощью оптического детектора. Таким образом будет формироваться последовательность элек-трических импульсов с частотой, пропорциональной скорости. Тахометры этого типа называют импульсными. В случае очень медленного вращения, например, менее од-ного 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 распространяю-щихся в противоположных направлениях в одной и той же вра-щающейся среде. Эта разность хода, пропорциональная угло-вой 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 каж-дой из этих двух величин. Производная по времени сигнала аналогового датчика по-ложения определяет величину скорости. Однако этот метод связан с появлением помех (например, из-за дискретности про-волочного потенциометра) и увеличением высокочастотного шу-ма. 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 токаУстройство. Принцип действия. Элементами устройства ге-нератора являютсяа) статор (индуктор), представляющий собой ферромагнит-ный каркас, который несет 2 полюса, направляющих поле магнитной индукции, образуемое током че-рез катушки (электромагниты) или постоянными магнитами;б) ротор (якорь), который представляет собой многослой-ный цилиндр из листового железа, вращающийся между полю-сами статора, причем его ось совпадает с осью статора; на его периферии параллельно оси расположены в углублениях (па-зах) л=2 медных проводников; эти проводники, называемые активными, соединены попарно своими концами с другими, ко-торые расположены строго вдоль диаметра ротора к называ-ются 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 ак-тивным проводником;г) две щетки, связанные с клеммами генератора и прижи-маемые к коллектору, которые закрепляются на двух Диамет-рально 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 ин-тервал времени dt, dsc -- приращение площади поверхности, описываемой движу-щимся проводником, за время dt, и BIN - составляющая В, нормальная к dsc. Приращение площади описываемой поверхности определя-ется выражением Здесь / -- длина активного проводника, a v -- его линейная ско-рость, 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 ней-тральной линии наводится э.д.с. Eg: Идея намотки состоит в соединении между собой 2k про-водников так, чтобы образовать два одинаковых комплекта по k последовательно соединенных проводников, в каждом из ко-торых возникает э. д. с. Е, такая, что Эта э.д.с. поступает во внешнюю цепь через две щетки, расположенные на коллекторе вдоль нейтральной линии диа-метрально 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, индуцируе-мая э.д.с. имеет величину Именно на этой пропорциональности э.д.с. Е и угловой скоро-сти а основано использование генераторов постоянного тока в тахометрии, и одно из их преимуществ по сравнению с други-ми 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 про-водники по разные стороны от нейтральной линии в противо-положных направлениях. Сопоставляя попарно проводники, симметричные относи-тельно нейтральной линии, устанавливаем, что они создают индукцию, перпендикулярную линии полюсов и пропорцио-нальную I; эта поперечная индукция называется реакцией якоря. Реакция якоря вызывает искривление силовых линий поля к приводит к смещению нейтральной линии в направлении дви-жения. 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 па-раметры генератора. Когда генератор соединен с нагрузкой R, он отдает ток /, который вызывает внутреннее падение напряжения RJf где Ri -- сопротивление якоря, и реакцию якоря, которая уменьша-ет э.д.с. генератора тем больше, чем больше величина тока. Обозначая k, величину, характеризующую реакцию якоря, можно написать Падение напряжения на щетках описывается выражением или где еь и Rb зависят от материалов контактов щетка -- коллек-тор. Для совокупности генератора с нагрузкой получаем соотно-шение или откуда следуют выражения для тока в нагрузке и для напряжения на клеммах нагрузки Из полученного для V выражения можно заключить, что: генератор имеет «мертвую зону», а напряжение возника-ет только при скоростях выше еь1ке\ щетки должны быть уста-новлены таким образом, чтобы минимизировать контактную разность потенциалов eyt напряжение U не является строго линейной функцией от вследствие реакции якоря; при тахометрическом использо-вании в режиме генератора нелинейность может быть умень-шена путем: а) минимизации тока / за счет использования по-вышенного сопротивления нагрузки; б) ограничения скорости вращения; в) использования таких типов обмотки ротора, ко-торые дают малую реакцию якоря. Напряжение, получаемое в режиме генератора, обычно ха-рактеризуют величиной э.д.с. при скорости вращения 1000 об/ мин и обозначают через Ке. Линейность характеристики тахометра оценивают с исполь-зованием максимальной разницы при 3600 об/мин между на-пряжением, измеренным на холостом ходу UM, и напряжением Uс, вычисленным в предположении линейности генератора, т.е. Ј/с=3,6 Ке- Полагают, следовательно, что Реакция якоря зависит от направления вращения, посколь-ку она приводит к смещению нейтральной линии в направле-нии вращения; для равных, но противоположно направленных скоростей вращения потоки, действующие на ротор, не одина-ковы и, таким образом, соответствующие э.д.с. не точно сим-метричны. Пусть Ке и Ке--э.д.с. холостого хода при 1000 об/мин для каждого направления вращения; асимметрия кривой Ј/=/(о>) при этом характеризуется двусторонним допуском Напряжение U, вырабатываемое генератором, не является строго постоянным; оно содержит переменные составляющие, обусловленные а) возможным эксцентриситетом ротора и не-однородностью его магнитных свойств, что приводит к пульса-циям с частотой ш/2л; б) явлениями, связанными с коммутаци-ей 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 ско-ростях вращения может возникнуть проблема с составляю-щей 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 дополни-тельного источника питания обмотки возбуждения, индуктор выполняют на постоянных магнитах. Укажем обычно исполь-зуемые 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): Ј,=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 фер-ритов или редкоземельных металлов не размагничиваются при демонтаже; зато альнико и тиконал малочувствительны к тем-пературам. Классификация в порядке возрастания цены сле-дующая: феррит, альнико, тиконал, редкие земли. Роторы бывают трех видов -- катушечные, колоколообразные, дискоидальные. Генератор с катушечным ротором позволяет вы-рабатывать относительно большое напряжение в несколько десятков вольт. Однако реакция якоря может искажать линей-ность, а значительная индуктивность обмотки L ухудшает элек-трическое 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 конструк-ции обеспечивает значительное снижение реакции ротора, ин-дуктивности L и механической инерции. Дискоидальный ротор представляет собой изо-лированный диск, на котором закреплены пластинчатые про-водники; этот тип конструкции характеризуется, в частности, очень малой величиной индуктивного сопротивления, хорошей защищенностью от посторонних воздействий и допускает отно-сительно 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 щет-ках и подавлению паразитных сигналов при коммутациях. Од-нако схемы включения таких генераторов обычно более слож-ны, 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 Ј=&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 од-нофазный 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. Выходное напряжение выпрямляется и фильтруется для по-лучения постоянного пропорционального напряжения; оно не зависит от направления вращения. Эффективность фильтра па-дает с уменьшением частоты, поэтому степень биения напря-жения возрастает при малых скоростях вращения, определяя нижний предел применимости. Кроме того, наличие фильтра вносит постоянную времени, которая снижает быстродействие. Определение скорости по частоте сигнала. Частотное изме-рение 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 пе-редачей, 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 метал-лическим диском; в последнем возникают токи Фуко, пропор-циональные скорости вращения измерительного магнита, и вра-щающий момент Cm, пропорциональный скорости. Этот враща-ющий момент, согласно закону Ленца, стремится повернуть диск в сторону движения измерительного магнита; он уравновеши-вается противоположной парой сил спиральной пружины, так что отклонение а диска пропорционально скорости вращения.
Страницы: 1, 2
|