Elektrisk tachometer

Definition and Types of Tachometers

Definition

En tæller er et instrument, der bruges til at måle rotationshastigheden eller vinkelhastigheden af en maskine, som den er koblet til. Dets funktion er baseret på princippet om relativ bevægelse mellem magnetfeltet og aksen af den forbundne enhed. Når aksen roterer, inducerer denne relative bevægelse en elektromotorisk kraft (EMK) i en spole, der er placeret inden for det konstante magnetfelt fra en permanentmagnet. Størrelsen af den inducerede EMK er direkte proportional med rotationshastigheden af aksen, hvilket gør det muligt at måle maskinens hastighed.

Types of Tachometers

Tællere kan bredt opdeles i to kategorier: mekaniske og elektriske.

• Mekanisk Tæller: Denne type tæller måler aksens hastighed i omdrejninger pr. minut (OMD). Den giver en direkte mekanisk indikation af rotationshastigheden, ofte gennem en mekanisk kobling og en pegepind på en kalibreret skive.

• Elektrisk Tæller: En elektrisk tæller konverterer vinkelhastighed til en elektrisk spænding. I forhold til mekaniske tællere tilbyder elektriske tællere flere fordele, såsom højere nøjagtighed, lettere integration med elektroniske styresystemer, og mulighed for at overføre hastighedsinformation over længere afstande. Derfor anvendes de bredt til at måle rotationshastigheden af aksler. Afhængigt af den inducerede spændings natur, kan elektriske tællere yderligere opdeles i to undertyper:

• AC Tæller Generator

• DC Tæller Generator

DC Tæller Generator

DC tæller generatoren består af flere nøglekomponenter: en permanentmagnet, en armatur, en kommutator, pensler, en variabel modstand, og en flydende-spole voltmeter. For at måle hastigheden af en maskine, kobles dens akse sammen med aksen af DC tæller generatoren.

Arbejdsmåden for DC tæller generatoren er baseret på elektromagnetisk induktion. Når en lukket ledning bevæger sig inden for et magnetfelt, induceres en EMK i ledningen. Størrelsen af den inducerede EMK bestemmes af to faktorer: mængden af magnetisk flux, der er forbundet med ledningen, og rotationshastigheden af aksen. Når aksen roterer, bevæger armaturen i DC tæller generatoren sig gennem magnetfeltet fra permanentmagneten, hvilket genererer en EMK, der er proportional med aksens hastighed. Denne inducerede EMK omdannes derefter til en DC spænding af kommutatoren og pletter, som kan måles af den flydende-spole voltmeter eller viderebearbejdes af elektroniske kredsløb til forskellige anvendelser.

Operation and Functioning of DC Tæller Generator

I en DC tæller generator roterer armaturen inden for det uforandrede magnetfelt fra en permanentmagnet. Når armaturen drejer, finder elektromagnetisk induktion sted, hvilket inducerer en elektromotorisk kraft (emk) i spolerne, der er vindet omkring den. Betydeligt er, at størrelsen af denne inducerede emk er direkte proportional med rotationshastigheden af aksen, som armaturen er koblet til; jo hurtigere aksen drejer, jo større den inducerede emk.

Kommutatoren, i samspil med pletter, spiller en afgørende rolle i generatorens drift. Den omdanner den alternerende strøm (AC), der dannes i armaturens spoler, til en retstrøm (DC). Denne omdannelse er afgørende, da den gør det mere simpelt og konsekvent at måle det elektriske signal. Den flydende-spole voltmeter anvendes derefter til at måle den inducerede emk, hvilket giver et kvantificerbart output, der svarer til aksens rotationshastighed.

Bemærkelsesværdigt er, at polariteten af den inducerede spænding bærer vigtig information. Den bestemmer retningen af aksens bevægelse. F.eks. kan en positiv polaritet indikere uretsgang, mens en negativ polaritet kunne betyde modsat uretsgang. For at beskytte voltmeteren og sikre præcise målinger, er en modstand forbundet i serie med den. Denne modstand begrænser strømmen, der potentielt dannes af armaturen, og forhindrer skade på måleapparatet og vedligeholder integriteten af målingsprocessen.

Den emk, der induceres i DC tæller generatoren, kan udtrykkes ved følgende formel:

Hvor, E – genereret spænding
Φ – flux per pol i Weber
P – antal poler
N – hastighed i omdrejninger pr. minut
Z – antallet af ledere i armaturenvindingerne.
a – antallet af parallelle veje i armaturenvindingerne.

Fordele og Ulemper af DC Tæller Generator og Introduktion til AC Tæller Generator
Fordele ved DC Tæller Generator

DC tæller generatoren tilbyder flere bemærkelsesværdige fordele, som er redegjort nedenfor:

• Indikation af Aksens Rotationsretning: Polariteten af de inducerede spændinger fungerer som en klar indikator for aksens rotationsretning. Denne egenskab giver værdifuld information om den rotative dynamik af den målte maskine, hvilket gør det muligt for operatører at overvåge og kontrollere systemet mere effektivt.

• Anvendelse af Konventionel Voltmeter: En konventionel DC type voltmeter kan anvendes til at måle den inducerede spænding. Denne enkelhed i måleenheder reducerer kompleksiteten og omkostningerne forbundet med opsætningen af målesystemet, hvilket gør det tilgængeligt og nemt at bruge for en bred vifte af anvendelser.

Ulemper ved DC Tæller Generator

Trods sine fordele har DC tæller generatoren også visse ulemper, der skal tages i betragtning:

• Vedligeholdelseskrav: Kommutatoren og pletter, som er nødvendige komponenter for at omdanne den alternerende strøm, der dannes i armaturen, til en retstrøm, kræver periodisk vedligeholdelse. Over tid kan disse komponenter opleve slid og slitage på grund af mekanisk friktion og elektrisk boog, hvilket fører til reduceret ydeevne og potentielle fejl, hvis de ikke vedligeholdes korrekt.

• Output og Input Modstandsproblemer: Outputmodstanden for DC tæller er typisk højere sammenlignet med inputmodstanden. I situationer, hvor en stor strøm induceres i armaturelederen, kan dette forårsage forvrængning af det konstante magnetfelt fra permanentmagneten. Sådan forvrængning kan føre til unøjagtigheder i målingen af den inducerede emk og dermed fejl i bestemmelsen af aksens rotationshastighed.

AC Tæller Generator

DC tæller generatorens afhængighed af kommutatorer og pletter giver anledning til flere begrænsninger. For at adressere disse problemer blev AC tæller generatoren udviklet. En AC tæller generator har en stationær armatur og et roterende magnetfelt. Denne design løser behovet for kommutatorer og pletter, hvilket overkommer mange af vedligeholdelses- og ydeevneproblemer forbundet med DC tællere.

Når det roterende magnetfelt interagerer med de stationære spoler i stator, induceres en elektromotorisk kraft (EMK). Både amplituden og frekvensen af den inducerede emk er direkte relateret til aksens hastighed. Dette forhold gør det muligt at måle vinkelhastigheden enten ved at analysere amplituden eller frekvensen af det inducerede elektriske signal.

Følgende kredsløb anvendes til at måle rotorhastigheden ved at fokusere på amplituden af den inducerede spænding. Først rektificeres de inducerede spændinger for at konvertere dem fra alternativ strøm til retlinjet strøm. Derefter passer de rektificerede spændinger igennem en kondensatorfilter, som effektivt jævner ud de rynker i det rektificerede spændningsbølgeform, hvilket giver et mere stabilt og præcist mål for den inducerede spændingsamplitude relateret til aksens rotationshastighed.

Drag Cup Rotor AC Generator
Den drag cup type A.C tachometer er vist på figuren nedenfor.

• Struktur og Karakteristika af AC Tæller Generator
  Statoren i AC tæller generatoren er udstyret med to distinkte vindinger: referencevindingen og kvadraturvindingen. Disse vindinger er placeret i en 90-graders vinkel til hinanden, hvilket er en nøgleaspekt af generatorens design for præcis drift. Rotoren i tælleren er lavet af en tynd aluminiumskop og er placeret inden for feltstrukturen.
  Konstrueret af et højt induktivt materiale, har rotoren lav inerti, hvilket gør, at den hurtigt kan reagere på ændringer i rotationshastigheden. Et elektrisk input leveres til referencevindingen, mens outputsignal hentes fra kvadraturvindingen. Når rotoren roterer inden for magnetfeltet, inducerer den en spænding i sensorvindingen (kvadraturvindingen). Størrelsen af denne inducerede spænding er direkte proportional med rotationshastigheden af rotoren, hvilket etablerer et pålideligt mekanisme til at måle vinkelhastighed.
  Fordele
  Ripple-fri Output: Drag cup tachogeneratoren er kendt for at producere en outputspænding, der er fri for rynker. Denne glatte output sikrer mere præcise og konsekvente hastighedsmalinger, hvilket gør den velegnet til anvendelser, hvor præcis hastighedsmontering er afgørende.
  Kostnadseffektiv: Et andet betydeligt fortrin er dets relativt lave pris. Dette gør drag cup tachogeneratoren til en attraktiv mulighed for en bred vifte af anvendelser, især de, hvor kostnadseffektivitet er en prioritet uden at ofre grundlæggende funktionalitet.
  Nedside
  Imidlertid har drag cup tachogeneratoren en bemærkelsesværdig begrænsning. Når rotoren drejer med høje hastigheder, opstår der en ikke-lineær relation mellem outputspændingen og inputhastigheden. Denne ikke-linearitet kan føre til unøjagtigheder i hastighedsmalingen, hvis den ikke tages hensyn til, potentielt begrænsende generatorens anvendelse i scenarier, der kræver høje hastigheder og høj præcision i rotationshastighedsmalinger.