Електричен тахометър

Дефиниция и видове тахометри

Дефиниция

Тахометър е устройство, използвано за измерване на въртящата се скорост или ъгловата скорост на машина, която е свързана с него. Неговата работа е основана на принципа на относителното движение между магнитното поле и вала на свързаното устройство. Когато валът се върти, това относително движение индуцира електромоторна сила (ЕМС) в катушка, поставена в постоянното магнитно поле на постоянен магнит. Интензитетът на индуцираната ЕМС е директно пропорционаленна на въртящата се скорост на вала, което позволява измерването на скоростта на машината.

Видове тахометри

Тахометрите могат да бъдат обобщено класифицирани в две категории: механични и електрически.

• Механичен тахометър: Този тип тахометър измерва скоростта на вала в обизации на обороти в минута (ОБМ). Предоставя пряко механично указание за въртящата се скорост, често чрез механична връзка и показалец на калибрирана шкала.

• Електрически тахометър: Електрическият тахометър преобразува ъгловата скорост в електрическо напрежение. В сравнение с механичните тахометри, електрическите тахометри предлагат няколко предимства, като по-висока точност, по-лесна интеграция с електронни системи за управление и възможността за предаване на информация за скорост на по-голямо разстояние. В резултат, те са широко използвани за измерване на въртящата се скорост на валовете. В зависимост от природата на индуцираното напрежение, електрическите тахометри могат да бъдат подразделени на два подтипа:

• Генератор на АЦ тахометър

• Генератор на ДЦ тахометър

Генератор на ДЦ тахометър

Генераторът на ДЦ тахометър съдържа няколко ключови компонента: постоянен магнит, якор, комутатор, щетки, променлив резистор и волтметър с движеща се катушка. За да се измери скоростта на машина, нейният вал се свързва с вала на генератора на ДЦ тахометър.

Работният принцип на генератора на ДЦ тахометър е основан на електромагнитната индукция. Когато затворен проводник се движи в магнитно поле, в него се индуцира ЕМС. Интензитетът на индуцираната ЕМС се определя от два фактора: количеството магнитен поток, свързан с проводника, и въртящата се скорост на вала. Когато валът се върти, якорът в генератора на ДЦ тахометър се движи през магнитното поле на постоянния магнет, генерирайки ЕМС, която е пропорционална на скоростта на вала. Тази индуцирана ЕМС се преобразува в ДЦ напрежение чрез комутатора и щетките, което може да бъде измерено от волтметъра с движеща се катушка или да бъде допълнително обработено от електронни цепи за различни приложения.

Функциониране и действие на генератора на ДЦ тахометър

В генератора на ДЦ тахометър, якорът се върти в неизменното магнитно поле на постоянен магнит. Когато якорът се върти, се случва електромагнитна индукция, която индуцира електромоторна сила (ЕМС) в обвитите около него катушки. Значително, интензитетът на индуцираната ЕМС е директно пропорционален на въртящата се скорост на вала, който е свързан с якора; колкото по-бързо върти валът, толкова по-голяма е индуцираната ЕМС.

Комутаторът, в съчетание с щетките, играе важна роля в функционирането на генератора. Той преобразува чередицащото се напрежение (ЧСН), генерирано в катушките на якора, в постоянна чередица (ПЧ). Това преобразуване е важно, тъй като позволява по-просто и последователно измерване на електрическия сигнал. Волтметърът с движеща се катушка се използва за измерване на индуцираната ЕМС, предоставяйки измерим изход, който съответства на въртящата се скорост на вала.

Забележително, полярността на индуцираното напрежение носи важна информация. Тя определя посоката на движение на вала. Например, положителна полярност може да показва посока на часовниковата стрелка, докато отрицателна полярност може да означава противоположна посока. За да се защити волтметърът и да се осигури точни измервания, се свързва резистор в сериозна връзка с него. Този резистор ограничава протичането на потенциално високата ток, генериран от якора, предотвратявайки повреда на измервателното устройство и запазвайки целостта на процеса на измерване.

Индуктираната ЕМС в генератора на ДЦ тахометър може да бъде изразена със следната формула:

Където, E – генерирано напрежение
Φ – поток на полюси в вебери
P – брой полюси
N – скорост в обороти в минута
Z – брой проводници в обмотките на якора.
a – брой паралелни пътища в обмотките на якора.

Преимущества и недостатъци на генератора на ДЦ тахометър и въведение в генератора на АЦ тахометър
Преимущества на генератора на ДЦ тахометър

Генераторът на ДЦ тахометър предлага няколко забележителни предимства, които са изложени по-долу:

• Указание на посоката на въртене на вала: Полярността на индуцираните напрежения служи като ясен индикатор на посоката на въртене на вала. Тази функция предоставя ценна информация за въртящите се динамики на измерваната машина, позволявайки операторите да наблюдават и контролират системата по-ефективно.

• Използване на стандартен волтметър: Стандартен волтметър на ДЦ тип може да бъде използван за измерване на индуцираното напрежение. Тази простота в измервателното оборудване намалява сложността и разходите, свързани с установяването на измервателната система, правейки я достъпна и лесна за използване в широк диапазон от приложения.

Недостатъци на генератора на ДЦ тахометър

Въпреки своите преимущества, генераторът на ДЦ тахометър има и определени недостатъци, които трябва да се вземат предвид:

• Изисквания за поддръжка: Комутаторът и щетките, които са важни компоненти за преобразуване на чередицащото се напрежение, генерирано в якора, в постоянна чередица, изискват периодична поддръжка. С времето, тези компоненти могат да изпитат износ и деформация поради механично триене и електрически пробив, водещ до намалена производителност и потенциални повреди, ако не се поддържат правилно.

• Проблеми с изходното и входното съпротивление: Изходното съпротивление на генератора на ДЦ тахометър обикновено е по-високо в сравнение с входното съпротивление. В ситуации, когато се индуцира голям ток в проводника на якора, това може да причини деформация на постоянното магнитно поле на постоянния магнит. Такава деформация може да доведе до неточности в измерването на индуцираната ЕМС и, следователно, до грешки в определянето на въртящата се скорост на вала.

Генератор на АЦ тахометър

Зависимостта на генератора на ДЦ тахометър от комутатори и щетки дава възникване на няколко ограничения. За да се преодолеят тези проблеми, беше разработен генераторът на АЦ тахометър. Генераторът на АЦ тахометър разполага с неподвижен якор и вращащо се магнитно поле. Този дизайн елиминира необходимостта от комутатори и щетки, преодолявайки много от проблемите, свързани с поддръжката и производителността на генераторите на ДЦ тахометри.

Когато вращащото се магнитно поле взаимодейства с неподвижните катушки на статора, се индуцира електромоторна сила (ЕМС). И амплитудата, и честотата на индуцираната ЕМС са директно свързани със скоростта на вала. Това отношение позволява измерването на ъгловата скорост, анализирайки амплитудата или честотата на индуцирания електрически сигнал.

Следващата схема се използва за измерване на скоростта на ротора, фокусирайки се върху амплитудата на индуцираното напрежение. Първо, индуцираните напрежения се правоугълни, за да се преобразуват от чередицащо се напрежение в постоянна чередица. След това, правоугълните напрежения преминават през кондензаторен филтър, който ефективно глади извивките в правоугълната вълна на напрежението, предоставяйки по-стабилно и точно измерване на амплитудата на индуцираното напрежение, свързано с въртящата се скорост на вала.

Генератор на АЦ тахометър с тормозна чаша
АЦ тахометър с тормозна чаша е показан на фигурата по-долу.

• Структура и характеристики на генератора на АЦ тахометър
  Статорът на генератора на АЦ тахометър е оборудван с две различни обмотки: референтна обмотка и квадратна обмотка. Тези обмотки са разположени под ъгъл от 90 градуса един спрямо друг, което е ключов аспект от дизайна на генератора за точна работа. Роторът на тахометъра е изработен от тънка алюминиева чаша и е разположен във вътрешната структура на полето.
  Изработен от високоиндуктивен материал, роторът има ниска инерция, позволявайки му да реагира бързо на промени в въртящата се скорост. Електрически вход е подаван към референтната обмотка, докато изходният сигнал се извлича от квадратната обмотка. Когато роторът се върти в магнитното поле, той индуцира напрежение в чувствителната (квадратна) обмотка. Амплитудата на това индуцирано напрежение е директно пропорционална на въртящата се скорост на ротора, установявайки надежден механизъм за измерване на ъгловата скорост.
  Преимущества
  Напрежение без вълни: Генераторът на АЦ тахометър с тормозна чаша е известен с произвеждането на изходно напрежение, свободно от вълни. Този гладък изход осигурява по-точни и последователни измервания на скоростта, правейки го подходящ за приложения, в които точното наблюдение на скоростта е критично.
  Икономичен: Друго значително предимство е неговата относително ниска цена. Тази икономичност прави генератора на АЦ тахометър с тормозна чаша привлекателен вариант за широк диапазон приложения, особено там, където икономичността е приоритет, без да се жертва основната функционалност.
  Недостатък
  Обаче, генераторът на АЦ тахометър с тормозна чаша има значителен недостатък. Когато роторът се върти на висока скорост, се появява нелинейна връзка между изходното напрежение и входната скорост. Тази нелинейност може да доведе до неточности в измерването на скоростта, ако не се вземе под внимание, потенциално ограничавайки употребата на генератора в сценарии, изискващи висока скорост и висока точност на въртящата се скорост.