Elektrický tacometr

Definice a typy tacometrů

Definice

Tacometr je zařízení používané k měření otáček nebo úhlové rychlosti stroje, s nímž je spojen. Jeho fungování je založeno na principu relativního pohybu mezi magnetickým polem a hřídelem spojeného zařízení. Když se hřídel otáčí, tento relativní pohyb indukuje elektromotorickou sílu (EMF) v cívi umístěné v konstantním magnetickém poli trvalého magnetu. Velikost indukované EMF je přímo úměrná otáčkám hřídele, což umožňuje měření rychlosti stroje.

Typy tacometrů

Tacometry lze obecně rozdělit do dvou kategorií: mechanické a elektrické.

• Mechanický tacometr: Tento typ tacometru měří rychlost hřídele v otáčkách za minutu (RPM). Poskytuje přímou mechanickou indikaci otáčkové rychlosti, často prostřednictvím mechanického spojení a ukazatele na kalibrovaném ciferníku.

• Elektrický tacometr: Elektrický tacometr převádí úhlovou rychlost na elektrické napětí. V porovnání s mechanickými tacometry nabízí elektrické tacometry několik výhod, jako je vyšší přesnost, snadnější integrace s elektronickými řídicími systémy a možnost přenosu informací o rychlosti na delší vzdálenosti. Proto jsou široce používány pro měření otáček hřídelů. Podle povahy indukovaného napětí lze elektrické tacometry dále rozdělit do dvou podtypů:

• AC tacometr - generátor

• DC tacometr - generátor

DC tacometr - generátor

DC tacometr - generátor obsahuje několik klíčových komponent: trvalý magnet, stator, sběrač, kartáče, proměnný odpor a voltmeter s pohyblivou cívkou. Pro měření rychlosti stroje je jeho hřídel spojena s hřídelem DC tacometru - generátoru.

Princip fungování DC tacometru - generátoru je založen na elektromagnetické indukci. Když se uzavřený vodič pohybuje v magnetickém poli, v něm je indukována EMF. Velikost indukované EMF je určena dvěma faktory: množstvím magnetického toku spojeného s vodičem a otáčkovou rychlostí hřídele. Když se hřídel otáčí, stator uvnitř DC tacometru - generátoru se pohybuje v magnetickém poli trvalého magnetu, generující EMF, která je úměrná rychlosti hřídele. Tato indukovaná EMF je pak převedena na stejnosměrné napětí pomocí sběrače a kartáčů, které mohou být změřeny voltmeterem s pohyblivou cívkou nebo dále zpracovány elektronickými obvody pro různé aplikace.

Funkce a fungování DC tacometru - generátoru

V DC tacometru - generátoru se stator otáčí v nezměnném magnetickém poli trvalého magnetu. Když se stator otáčí, probíhá elektromagnetická indukce, indukující elektromotorickou sílu (emf) v cívkách navinutých kolem něj. Zásadně velikost této indukované emf je přímo úměrná otáčkové rychlosti hřídele, ke kterému je stator spojen; čím rychleji se hřídel otáčí, tím větší je indukovaná emf.

Sběrač spolu s kartáči hraje klíčovou roli v fungování generátoru. Převádí střídavý proud (AC) generovaný v cívkách statoru na stejnosměrný proud (DC). Tento převod je nezbytný, protože umožňuje jednodušší a konzistentnější měření elektrického signálu. Voltmeter s pohyblivou cívkou je pak použit k měření indukované emf, poskytující kvantifikovatelný výstup, který odpovídá otáčkové rychlosti hřídele.

Zásluhou polaritu indukovaného napětí nese důležité informace. Určuje směr pohybu hřídele. Například kladná polarita může naznačovat otáčení ve směru hodinových ručiček, zatímco záporná polarita může signalizovat otáčení proti směru hodinových ručiček. Aby byl chráněn voltmeter a zajistil přesné měření, je sériově připojen odpor. Tento odpor omezí tok potenciálně vysokého proudu generovaného státorem, bráníc poškození měřicího zařízení a udržujíc integritu měřicího procesu.

Emf indukovaná v DC tacometru - generátoru lze vyjádřit následujícím vzorcem:

Kde, E – vygenerované napětí
Φ – tok per póly v Weberech
P – počet pólů
N – rychlost v otáčkách za minutu
Z – počet vodičů v cívkách statoru.
a – počet paralelních cest v cívkách statoru.

Výhody a nevýhody DC tacometru - generátoru a Úvod do AC tacometru - generátoru
Výhody DC tacometru - generátoru

DC tacometr - generátor nabízí několik významných výhod, které jsou následovně popsány:

• Indikace směru otáčení hřídele: Polarita indukovaných napětí slouží jako jasný ukazatel směru otáčení hřídele. Tato funkce poskytuje cenné informace o rotacní dynamice měřeného stroje, umožňujíc operátorům efektivněji monitorovat a kontrolovat systém.

• Použití běžného voltmeteru: Běžný DC typ voltmeteru může být použit k měření indukovaného napětí. Tato jednoduchost měřicího zařízení snižuje složitost a náklady spojené s nastavením měřicího systému, činí ho přístupným a snadno použitelným pro širokou škálu aplikací.

Nevýhody DC tacometru - generátoru

Navzdory svým výhodám má DC tacometr - generátor také určité nedostatky, které je třeba zohlednit:

• Požadavky na údržbu: Sběrač a kartáče, které jsou klíčové komponenty pro převod střídavého proudu generovaného v statoru na stejnosměrný proud, vyžadují periodickou údržbu. S časem tyto komponenty mohou prokazovat opotřebení a nárazy způsobené mechanickou třením a elektrickým obloukem, což vedou k snížení výkonu a potenciálním selháním, pokud nejsou správně udržovány.

• Problémy s výstupním a vstupním odporem: Výstupní odpor DC tacometru je obvykle vyšší v porovnání s jeho vstupním odporem. V situacích, kdy je v statorovém vodiči indukován vysoký proud, to může způsobit deformaci konstantního magnetického pole trvalého magnetu. Tato deformace může vést k nepřesnostem v měření indukované emf a následně k chybám při určování otáčkové rychlosti hřídele.

AC tacometr - generátor

Spolehlivost DC tacometru - generátoru na sběračích a kartáčích vede k několika omezením. Pro vyřešení těchto problémů byl vyvinut AC tacometr - generátor. AC tacometr - generátor má stacionární stator a rotační magnetické pole. Tento design eliminuje potřebu sběračů a kartáčů, což překonává mnoho údržbových a výkonnostních problémů spojených s DC tacometry.

Když rotační magnetické pole interaguje s stacionárními cívkami statoru, je indukována elektromotorická síla (EMF). Jak amplituda, tak frekvence indukované emf jsou přímo souvisejí s rychlostí hřídele. Toto vztah umožňuje měření úhlové rychlosti buď analýzou amplitudy, nebo frekvence indukovaného elektrického signálu.

Následující obvod je použit k měření rychlosti rotoru zaměřením na amplitudu indukovaného napětí. Nejprve jsou indukovaná napětí vyprázdňována, aby byla převedena ze střídavého proudu na stejnosměrný proud. Poté jsou vypálená napěťa projednána kapacitním filtrem, který efektivně vyhladí kolísání v vypáleném napěťovém průběhu, poskytující stabilnější a přesnější měření amplitudy indukovaného napětí souvisejícího s otáčkovou rychlostí hřídele.

Drag cup rotor AC generator
Drag cup typ AC tacometru je znázorněn na následujícím obrázku.

• Struktura a charakteristiky AC tacometru - generátoru
  Stator AC tacometru - generátoru je vybaven dvěma odlišnými vinutími: referenčním vinutím a kvadrantovým vinutím. Tyto vinutí jsou umístěny ve 90 stupňovém úhlu k sobě, což je klíčový aspekt návrhu generátoru pro přesné fungování. Rotor tacometru je vyroben z tenké hliníkové misky a je umístěn uvnitř magnetické struktury.
  Rotor vyroben z velmi induktivního materiálu má nízkou inertii, což mu umožňuje rychle reagovat na změny otáčkové rychlosti. Elektrický vstup je dodáván do referenčního vinutí, zatímco výstupní signál je získán z kvadrantového vinutí. Když se rotor otáčí v magnetickém poli, indukuje napětí v čidovém (kvadrantovém) vinutí. Velikost tohoto indukovaného napětí je přímo úměrná otáčkové rychlosti rotoru, což stanovuje spolehlivý mechanismus pro měření úhlové rychlosti.
  Výhody
  Bez kolísání: Drag cup tacogenerátor je významný tím, že produkuje výstupní napětí bez kolísání. Tento hladký výstup zajišťuje přesnější a konzistentnější měření rychlosti, což jej činí vhodným pro aplikace, kde je nezbytné přesné sledování rychlosti.
  Ekonomický: Další významnou výhodou je jeho relativně nízká cena. Tato dostupnost dělá drag cup tacogenerátor atraktivním pro širokou škálu aplikací, zejména tam, kde je prioritou nákladová efektivita bez kompromisů na základní funkčnosti.
  Nevýhoda
  Nicméně, drag cup tacogenerátor má zásadní omezení. Když se rotor otáčí vysokou rychlostí, vzniká nelineární vztah mezi výstupním napětím a vstupní rychlostí. Tato nelinearita může vést k nepřesnostem v měření rychlosti, pokud není správně zohledněna, což může omezit použití generátoru v scénářích, které vyžadují vysokou rychlost a vysokou přesnost měření otáčkové rychlosti.