تاشومتر الکتریکی

تعریف و انواع سرعت‌سنج‌ها

تعریف

سرعت‌سنج دستگاهی است که برای اندازه‌گیری سرعت دورانی یا سرعت زاویه‌ای یک ماشین به آن متصل می‌شود. عملکرد آن بر اساس اصل حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و محور دستگاه متصل شده است. هنگامی که محور دوران می‌کند، این حرکت نسبی یک نیروی الکتروموتوری (EMF) در یک سیم پیچ قرار گرفته در میدان مغناطیسی دائمی القا می‌کند. مقدار EMF القایی مستقیماً با سرعت دوران محور تناسب دارد که این امر اندازه‌گیری سرعت ماشین را ممکن می‌سازد.

انواع سرعت‌سنج‌ها

سرعت‌سنج‌ها می‌توانند به دو دسته عمده تقسیم شوند: مکانیکی و الکتریکی.

• سرعت‌سنج مکانیکی: این نوع سرعت‌سنج سرعت محور را به صورت دور در دقیقه (RPM) اندازه‌گیری می‌کند. این سرعت‌سنج یک نشان‌گر مکانیکی مستقیم از سرعت دورانی ارائه می‌دهد، اغلب از طریق یک پیوند مکانیکی و یک اشاره‌گر روی یک دایال کالیبره شده.

• سرعت‌سنج الکتریکی: سرعت‌سنج الکتریکی سرعت زاویه‌ای را به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌کند. در مقایسه با سرعت‌سنج‌های مکانیکی، سرعت‌سنج‌های الکتریکی مزایای مختلفی دارند، مانند دقت بالاتر، یکپارچه‌سازی آسان‌تر با سیستم‌های کنترل الکترونیکی و توانایی انتقال اطلاعات سرعتی در فواصل طولانی‌تر. بنابراین، آنها به طور گسترده‌ای برای اندازه‌گیری سرعت دورانی محورها استفاده می‌شوند. سرعت‌سنج‌های الکتریکی می‌توانند بر اساس ماهیت ولتاژ القایی به دو زیرگروه تقسیم شوند:

• سرعت‌سنج مولد AC

• سرعت‌سنج مولد DC

سرعت‌سنج مولد DC

سرعت‌سنج مولد DC شامل چندین مؤلفه کلیدی است: یک مغناطیس دائمی، یک آرماتور، یک کمونوتور، فرش‌ها، یک مقاومت متغیر و یک ولتمتر متحرک - سیم پیچ. برای اندازه‌گیری سرعت یک ماشین، محور آن با محور سرعت‌سنج مولد DC متصل می‌شود.

اصول کار سرعت‌سنج مولد DC بر اساس القای الکترومغناطیسی است. وقتی یک رسانا بسته در یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، یک EMF در آن رسانا القا می‌شود. مقدار EMF القایی توسط دو عامل تعیین می‌شود: مقدار جریان مغناطیسی مرتبط با رسانا و سرعت دوران محور. هنگامی که محور دوران می‌کند، آرماتور درون سرعت‌سنج مولد DC از طریق میدان مغناطیسی مغناطیس دائمی حرکت می‌کند و یک EMF القا می‌کند که با سرعت محور تناسب دارد. این EMF القایی سپس توسط کمونوتور و فرش‌ها به ولتاژ DC تبدیل می‌شود که می‌تواند توسط ولتمتر متحرک یا برای کاربردهای مختلف توسط مدارهای الکترونیکی پردازش شود.

عملکرد و عملیات سرعت‌سنج مولد DC

در سرعت‌سنج مولد DC، آرماتور در میدان مغناطیسی ثابت یک مغناطیس دائمی چرخیده می‌شود. هنگامی که آرماتور چرخیده می‌شود، القای الکترومغناطیسی رخ می‌دهد و یک نیروی الکتروموتوری (emf) در سیم‌پیچ‌های پیچیده شده به آن القا می‌شود. به طور معناداری، مقدار emf القایی مستقیماً با سرعت دوران محور که آرماتور به آن متصل است تناسب دارد؛ هرچه محور سریع‌تر چرخیده می‌شود، emf القایی بزرگ‌تر خواهد بود.

کمونوتور، در همراهی با فرش‌ها، نقش مهمی در عملکرد ژنراتور دارد. آن، جریان متناوب (AC) تولید شده در سیم‌پیچ‌های آرماتور را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. این تبدیل ضروری است زیرا این امر به اندازه‌گیری ساده‌تر و مطمئن‌تر سیگنال الکتریکی کمک می‌کند. ولتمتر متحرک سپس برای اندازه‌گیری emf القایی استفاده می‌شود و یک خروجی قابل اندازه‌گیری ارائه می‌دهد که متناسب با سرعت دوران محور است.

به طور قابل توجهی، قطبیت ولتاژ القایی اطلاعات مهمی را ارائه می‌دهد. این قطبیت جهت حرکت محور را مشخص می‌کند. به عنوان مثال، قطبیت مثبت ممکن است چرخش ساعت‌گرد را نشان دهد، در حالی که قطبیت منفی ممکن است چرخش ضدساعت‌گرد را نشان دهد. برای حفاظت از ولتمتر و اطمینان از اندازه‌گیری‌های دقیق، یک مقاومت به صورت سری با آن متصل می‌شود. این مقاومت جریان بالا که توسط آرماتور تولید می‌شود را محدود می‌کند، از خرابی دستگاه اندازه‌گیری جلوگیری می‌کند و تمامیت عملیات اندازه‌گیری را حفظ می‌کند.

emf القایی در سرعت‌سنج مولد DC می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

که در آن، E – ولتاژ تولید شده
Φ – جریان مغناطیسی در هر قطب (در وبر)
P – تعداد قطب‌ها
N – سرعت در دور در دقیقه
Z – تعداد رساناها در پیچش آرماتور
a – تعداد مسیرهای موازی در پیچش آرماتور

مزایا و معایب سرعت‌سنج مولد DC و مقدمه‌ای بر سرعت‌سنج مولد AC
مزایای سرعت‌سنج مولد DC

سرعت‌سنج مولد DC مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد که در ادامه ذکر شده‌اند:

• نشان‌دهنده جهت چرخش محور: قطبیت ولتاژ‌های القایی به عنوان یک نشان‌گر واضح از جهت چرخش محور عمل می‌کند. این ویژگی اطلاعات ارزشمندی درباره دینامیک چرخشی ماشین اندازه‌گیری شده ارائه می‌دهد و به اپراتوران اجازه می‌دهد سیستم را بهتر مراقبت و کنترل کنند.

• استفاده از ولتمتر معمولی DC: یک ولتمتر معمولی نوع DC می‌تواند برای اندازه‌گیری ولتاژ القایی استفاده شود. این سادگی در تجهیزات اندازه‌گیری پیچیدگی و هزینه‌های مربوط به راه‌اندازی سیستم اندازه‌گیری را کاهش می‌دهد و آن را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در دسترس و آسان قرار می‌دهد.

معایب سرعت‌سنج مولد DC

با وجود مزایایش، سرعت‌سنج مولد DC نیز معایبی دارد که باید در نظر گرفته شود:

• نیاز به نگهداری: کمونوتور و فرش‌ها که اجزای ضروری برای تبدیل جریان متناوب تولید شده در آرماتور به جریان مستقیم هستند، نیاز به نگهداری دوره‌ای دارند. با گذشت زمان، این اجزا می‌توانند به دلیل اصطکاک مکانیکی و قوس الکتریکی آسیب ببینند که منجر به کاهش عملکرد و خرابی‌های احتمالی اگر به درستی نگهداری نشوند.

• مسائل مقاومت خروجی و ورودی: مقاومت خروجی سرعت‌سنج DC معمولاً بالاتر از مقاومت ورودی آن است. در شرایطی که جریان بزرگی در رسانای آرماتور القا می‌شود، این می‌تواند منجر به تحریف میدان مغناطیسی ثابت مغناطیس دائمی شود. چنین تحریفی می‌تواند منجر به عدم دقت در اندازه‌گیری emf القایی و در نتیجه خطاهایی در تعیین سرعت دوران محور شود.

سرعت‌سنج مولد AC

وابستگی سرعت‌سنج مولد DC به کمونوتور و فرش‌ها چندین محدودیت ایجاد می‌کند. برای رفع این مشکلات، سرعت‌سنج مولد AC توسعه یافته است. سرعت‌سنج مولد AC دارای یک آرماتور ثابت و یک میدان مغناطیسی چرخان است. این طراحی نیاز به کمونوتور و فرش‌ها را حذف می‌کند و در نتیجه بسیاری از مشکلات نگهداری و عملکرد مربوط به سرعت‌سنج‌های DC را رفع می‌کند.

هنگامی که میدان مغناطیسی چرخان با سیم‌پیچ‌های ثابت استاتور تعامل دارد، یک نیروی الکتروموتوری (EMF) القا می‌شود. هر دو دامنه و فرکانس EMF القایی مستقیماً با سرعت محور مرتبط هستند. این رابطه امکان اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای را با تحلیل دامنه یا فرکانس سیگنال الکتریکی القایی فراهم می‌کند.

مدار زیر برای اندازه‌گیری سرعت روتور با تمرکز بر دامنه ولتاژ القایی استفاده می‌شود. ابتدا ولتاژ‌های القایی مستقیم شده تا از جریان متناوب به جریان مستقیم تبدیل شوند. سپس ولتاژ‌های مستقیم شده از طریق یک فیلتر خازنی عبور می‌کنند که به طور موثر ریپل‌های ولتاژ مستقیم شده را هموار می‌کند و اندازه‌گیری دقیق‌تر و پایدارتری از دامنه ولتاژ القایی مربوط به سرعت دوران محور فراهم می‌کند.

سرعت‌سنج مولد AC با روتور کاسه‌ای
سرعت‌سنج A.C با روتور کاسه‌ای در شکل زیر نشان داده شده است.

• ساختار و ویژگی‌های سرعت‌سنج مولد AC
  استاتور سرعت‌سنج مولد AC دارای دو پیچش متفاوت است: پیچش مرجع و پیچش متعامد. این پیچش‌ها در زاویه ۹۰ درجه نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند که این یک جنبه کلیدی در طراحی ژنراتور برای عملکرد دقیق است. روتور سرعت‌سنج از یک کاسه آلومینیومی نازک ساخته شده و در ساختار میدان قرار گرفته است.
  روتور که از یک ماده با اندوکتانس بالا ساخته شده است، دارای لختی کم است که به آن اجازه می‌دهد به تغییرات سرعت دورانی سریعاً پاسخ دهد. یک ورودی الکتریکی به پیچش مرجع تأمین می‌شود، در حالی که سیگنال خروجی از پیچش متعامد بازیابی می‌شود. هنگامی که روتور در میدان مغناطیسی چرخیده می‌شود، یک ولتاژ در پیچش حسگر (متعامد) القا می‌شود. مقدار این ولتاژ القایی مستقیماً با سرعت دوران روتور تناسب دارد و یک مکانیسم قابل اعتماد برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای ایجاد می‌کند.
  مزایا
  خروجی بدون ریپل: سرعت‌سنج مولد کاسه‌ای برای تولید ولتاژ خروجی بدون ریپل شناخته شده است. این خروجی هموار اطمینان بیشتری برای اندازه‌گیری‌های سرعت دقیق‌تر و مطمئن‌تر فراهم می‌کند و آن را برای کاربردهایی که نیاز به نظارت دقیق بر سرعت وجود دارد مناسب می‌سازد.
  اقتصادی: یک مزیت دیگر هزینه کم آن است. این ارزانی سرعت‌سنج مولد کاسه‌ای را به گزینه‌ای جذاب برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، به ویژه آنهایی که اقتصادی بودن یک اولویت است بدون اینکه از کارکرد پایه‌ای کاسته شود، تبدیل می‌کند.
  معایب
  با این حال، سرعت‌سنج مولد کاسه‌ای یک محدودیت قابل توجه دارد. هنگامی که روتور با سرعت‌های بالا چرخیده می‌شود، یک رابطه غیرخطی بین ولتاژ خروجی و سرعت ورودی ظاهر می‌شود. این غیرخطی بودن می‌تواند منجر به عدم دقت در اندازه‌گیری سرعت شود اگر به درستی در نظر گرفته نشود و این می‌تواند استفاده از ژنراتور را در سناریوهایی که نیاز به سرعت بالا و اندازه‌گیری دقیق سرعت دورانی دارند محدود کند.