Tacòmetre elèctric

Definició i tipus de tacòmetres

Definició

El tacòmetre és un dispositiu utilitzat per mesurar la velocitat angular o la velocitat de rotació d'una màquina a la qual està acoblada. El seu funcionament es basa en el principi del moviment relatiu entre el camp magnètic i el voltant de l'aparell connectat. Quan el voltant gira, aquest moviment relatiu induix una força electromotriu (FEM) en una bobina situada dins del camp magnètic constant d'un imant permanent. La magnitud de la FEM induïda és directament proporcional a la velocitat de rotació del voltant, permetent la mesura de la velocitat de la màquina.

Tipus de tacòmetres

Els tacòmetres es poden classificar ampliament en dues categories: mecànics i elèctrics.

• Tacòmetre mecànic: Aquest tipus de tacòmetre mesura la velocitat del voltant en termes de revolucions per minut (RPM). Proporciona una indicació mecànica directa de la velocitat de rotació, sovint mitjançant un mecanisme d'enllaç mecànic i un punter en un disc calibrat.

• Tacòmetre elèctric: Un tacòmetre elèctric converteix la velocitat angular en un voltatge elèctric. En comparació amb els tacòmetres mecànics, els tacòmetres elèctrics oferixen diverses avantatges, com una precisió més alta, una integració més fàcil amb sistemes de control electrònics i la capacitat de transmetre informació de velocitat a distàncies més llargues. Com a resultat, s'utilitzen ampliament per mesurar la velocitat de rotació dels volants. Dependint de la naturalesa del voltatge induït, els tacòmetres elèctrics es poden dividir en dos subtipus:

• Generador de tacòmetre AC

• Generador de tacòmetre DC

Generador de tacòmetre DC

El generador de tacòmetre DC consta de diversos components clau: un imant permanent, un armatori, un comutador, escovilles, un resistor variable i un voltímetre de bobina mòbil. Per mesurar la velocitat d'una màquina, el seu voltant s'acopla amb el voltant del generador de tacòmetre DC.

El principi de funcionament del generador de tacòmetre DC es basa en la inducció electromagnètica. Quan un conductor tancat es mou dins d'un camp magnètic, s'indueix una FEM en el conductor. La magnitud de la FEM induïda es determina per dos factors: la quantitat de flux magnètic enllaçat amb el conductor i la velocitat de rotació del voltant. Quan el voltant gira, l'armatori dins del generador de tacòmetre DC es mou a través del camp magnètic de l'imant permanent, generant una FEM que és proporcional a la velocitat del voltant. Aquesta FEM induïda es converteix en un voltatge DC pel comutador i les escovilles, que pot ser mesurat pel voltímetre de bobina mòbil o processat per circuits electrònics per a diverses aplicacions.

Funcionament i operació del generador de tacòmetre DC

En un generador de tacòmetre DC, l'armatori gira dins del camp magnètic inalterable d'un imant permanent. A mesura que l'armatori gira, es produeix una inducció electromagnètica, induint una força electromotriu (FEM) en les bobines enrerejades al voltant seu. Significativament, la magnitud d'aquesta FEM induïda és directament proporcional a la velocitat de rotació del voltant al qual l'armatori està acoblada; més ràpid gira el voltant, més gran és la FEM induïda.

El comutador, en conjunció amb les escovilles, joca un paper crucial en el funcionament del generador. Transforma la corrent alternada (CA) generada en les bobines de l'armatori en corrent contínua (CC). Aquesta conversió és essencial ja que permet una mesura més simple i consistent del senyal elèctric. El voltímetre de bobina mòbil s'utilitza llavors per mesurar la FEM induïda, proporcionant una sortida quantificable que correspon a la velocitat de rotació del voltant.

Notablement, la polaritat del voltatge induït porta informació important. Determina la direcció de moviment del voltant. Per exemple, una polaritat positiva podria indicar una rotació en sentit horari, mentre que una polaritat negativa podria significar una rotació en sentit antihorari. Per protegir el voltímetre i assegurar mesures precises, es connecta una resistència en sèrie amb aquest. Aquest resistor limita el flux de la corrent potencialment elevada generada per l'armatori, prevenint danys al dispositiu de mesura i mantenint la integritat del procés de mesura.

La FEM induïda en el generador de tacòmetre DC es pot expressar amb la següent fórmula:

On, E – voltatge generat
Φ – flux per pols en Weber
P- nombre de pols
N – velocitat en revolucions per minut
Z – el nombre de conductors en les bobines de l'armatori.
a – nombre de camins paral·lels en les bobines de l'armatori.

Avantatges i desavantatges del generador de tacòmetre DC i introducció al generador de tacòmetre AC
Avantatges del generador de tacòmetre DC

El generador de tacòmetre DC ofereix diversos beneficis notables, que es detallen a continuació:

• Indicació de la direcció de rotació del voltant: La polaritat dels voltatges induïts serveix com a indicador clar de la direcció de rotació del voltant. Aquesta característica proporciona informació valiosa sobre la dinàmica rotacional de la màquina que s'està mesurant, permetent als operadors monitorar i controlar el sistema de manera més efectiva.

• Ús de voltímetre convencional: Es pot utilitzar un voltímetre de tipus DC convencional per mesurar el voltatge induït. Aquesta simplicitat en l'equip de mesura redueix la complexitat i el cost associats a l'establiment del sistema de mesura, fent-ho accessible i fàcil d'utilitzar per a una àmplia gamma d'aplicacions.

Desavantatges del generador de tacòmetre DC

Malgrat els seus avantatges, el generador de tacòmetre DC també té certs inconvenients que cal tenir en compte:

• Requisits de manteniment: El comutador i les escovilles, que són components essencials per convertir la corrent alternada generada en l'armatori en corrent contínua, requereixen manteniment periòdic. Amb el temps, aquests components poden experimentar desgast i deteriorament degut a la fricció mecànica i l'arc elèctric, conduint a una reducció del rendiment i possibles fallades si no es mantenen correctament.

• Problemes de resistència d'entrada i sortida: La resistència de sortida del tacòmetre DC és típicament més alta en comparació amb la seva resistència d'entrada. En situacions on es genera una corrent gran en el conductor de l'armatori, això pot causar la distorsió del camp magnètic constant de l'imant permanent. Aquesta distorsió pot portar a inexactituds en la mesura de la FEM induïda i, en conseqüència, errors en la determinació de la velocitat de rotació del voltant.

Generador de tacòmetre AC

La dependència del generador de tacòmetre DC en comutadors i escovilles dóna lloc a diverses limitacions. Per abordar aquests problemes, es va desenvolupar el generador de tacòmetre AC. Un generador de tacòmetre AC disposa d'un armatori estacionari i un camp magnètic rotatori. Aquest disseny elimina la necessitat de comutadors i escovilles, superant així molts dels problemes de manteniment i rendiment associats als tacòmetres DC.

Quan el camp magnètic rotatori interacciona amb les bobines estacionàries del stator, s'indueix una força electromotriu (FEM). Tanto l'amplitud com la freqüència de la FEM induïda estan directament relacionades amb la velocitat del voltant. Aquesta relació permet la mesura de la velocitat angular analitzant l'amplitud o la freqüència del senyal elèctric induït.

El següent circuit es utilitza per mesurar la velocitat del rotor centrant-se en l'amplitud del voltatge induït. Primer, els voltatges induïts es rectifiquen per convertir-los de corrent alternada a corrent contínua. Posteriorment, els voltatges rectificats passen a través d'un filtre de condensador, que suavitza eficientment les oscil·lacions en la forma d'ona del voltatge rectificat, proporcionant una mesura més estable i precisa de l'amplitud del voltatge induït relacionada amb la velocitat de rotació del voltant.

Generador de tacòmetre AC amb rotor de copa de retenció
El tacòmetre AC de tipus copa de retenció es mostra en la figura següent.

• Estructura i característiques del generador de tacòmetre AC
  El stator del generador de tacòmetre AC està equipat amb dos enrolaments diferents: l'enrolament de referència i l'enrolament quadrature. Aquests enrolaments estan posicionats a un angle de 90 graus entre ells, aspecte clau del disseny del generador per a una operació precisa. El rotor del tacòmetre està fabricat a partir d'una capsa d'alumini fina i està situat dins de l'estructura del camp.
  Construït amb un material altament inductiu, el rotor presenta baixa inèrcia, permetent-li respondre ràpidament a canvis en la velocitat de rotació. S'aporta una entrada elèctrica a l'enrolament de referència, mentre que el senyal de sortida es recull de l'enrolament quadrature. Quan el rotor gira dins del camp magnètic, induix un voltatge en l'enrolament de detecció (quadrature). La magnitud d'aquest voltatge induït és directament proporcional a la velocitat de rotació del rotor, establint un mecanisme fiable per a la mesura de la velocitat angular.
  Avantatges
  Sortida sense oscil·lacions: El generador de tacòmetre de copa de retenció és notable per produir un voltatge de sortida lliure d'oscil·lacions. Aquesta sortida suau assegura mesures de velocitat més precises i consistents, fent-lo ben adaptat per a aplicacions on el monitoratge de velocitat precís és crucial.
  Cost-effective: Un altre benefici significatiu és el seu cost relativament baix. Aquesta afordabilitat fa que el generador de tacòmetre de copa de retenció sigui una opció atractiva per a una àmplia gamma d'aplicacions, especialment aquelles on l'eficiència en costos és prioritària sense sacrificar la funcionalitat bàsica.
  Desavantatge
  No obstant això, el generador de tacòmetre de copa de retenció té una limitació notable. Quan el rotor gira a velocitats altes, surt una relació no lineal entre el voltatge de sortida i la velocitat d'entrada. Aquesta no linealitat pot portar a inexactituds en la mesura de la velocitat si no es compensa adequadament, potencialment restringint l'ús del generador en escenaris que requereixen mesures de velocitat angular de alta velocitat i alta precisió.