מד צלילים חשמלי

הגדרה וסוגי טאכומטרים

הגדרה

טאכומטר הוא מכשיר המשמש למדידת מהירות הסיבוב או מהירות הזויתית של מכונה שאליה הוא מחובר. פעילותו מבוססת על עקרון התנועה היחסית בין השדה המגנטי והציר של המכשיר המחובר. ככל שהציר מסתובב, התנועה היחסית הזו מפעילה כוח חשמלי מניע (EMF) בקويل שמקלט בשדה מגנטי קבוע של מגנט קבוע. גודל ה-EMF המופעל הוא פרופורציונלי למהירות הסיבוב של הציר, מה שמאפשר מדידת מהירות המכונה.

סוגי טאכומטרים

טאכומטרים ניתן לחלק באופן כללי לשני קטגוריות: מכניים וחשמליים.

• טאכומטר מכני: סוג זה של טאכומטר מודד את מהירות הציר במונחים של סיבובים לדקה (RPM). הוא מספק תיאור מכני ישיר של מהירות הסיבוב, לעתים קרובות באמצעות חיבור מכני ומחצית על ציור קליברי.

• טאכומטר חשמלי: טאכומטר חשמלי ממיר מהירות זויתית לתחום חשמלי. בהשוואה לטאכומטרים מכניים, טאכומטרים חשמליים מציגים מספר יתרונות, כגון דיוק גבוה יותר, אינטגרציה קלה עם מערכות בקרה אלקטרוניות, והיכולת להעביר מידע על מהירות לאורך מרחקים ארוכים. כתוצאה מכך הם נמצאים בשימוש רחב למדידת מהירות הסיבוב של צירים. בהתאם לטבע של התחום המושרה, טאכומטרים חשמליים ניתן לחלק לשני תת-סוגים:

• מגניטו טאכומטר חילופין

• מגניטו טאכומטר ישר

מגניטו טאכומטר ישר

מגניטו הטאכומטר הישר כולל מספר רכיבים מרכזיים: מגנט קבוע, ארמור, קומוטטור, מברשות, רזיסטור משתנה, ומגנטומטר ז'אנר פועלים. כדי למדוד את מהירות המכונה, צירו מחובר לציר של מגניטו הטאכומטר הישר.

עקרון העבודה של מגניטו הטאכומטר הישר מבוסס על האינדוקציה אלקטרומגנטית. כאשר מוליך סגור נע בתוך שדה מגנטי, EMF מופעל במוליך. גודל ה-EMF המופעל נקבע על ידי שני גורמים: כמות השדה המגנטי המקושר למוליך ומהירות הסיבוב של הציר. ככל שהציר מסתובב, הארמור בתוך מגניטו הטאכומטר הישר נע דרך השדה המגנטי של המגנט הקבוע, מפיק EMF שהוא פרופורציונלי למהירות הציר. ה-EMF המושרה מומר לתחום ישר על ידי הקומוטטור והמברשות, שניתן למדוד אותו באמצעות מגנטומטר ז'אנר פועלים או לעבד אותו באמצעות מעגלים אלקטרוניים עבור יישומים שונים.

פעולת מגניטו הטאכומטר הישר

במגניטו הטאכומטר הישר, הארמור מסתובב בתוך השדה המגנטי הבלתי משתנה של מגנט קבוע. ככל שהארמור מסתובב, מתבצעת אינדוקציה אלקטרומגנטית, שמפעילה כוח חשמלי מניע (emf) בקויילים שמסביבו. חשוב לציין כי גודל ה-emf המושרה הוא פרופורציונלי למהירות הסיבוב של הציר שאליו מחובר הארמור; ככל שהציר מסתובב מהר יותר, כך גדל ה-emf המושרה.

הקומוטטור, יחד עם המברשות, משחק תפקיד קריטי בפעולת הגנרטור. הוא ממיר את הזרם החילופין (AC) שנוצר בקויילי הארמור לזרם ישר (DC). המרה זו היא חיונית שכן היא מאפשרת מדידה פשוטה וקבועה של האות החשמלי. מגנטומטר הז'אנר הפועל משמש למדידת ה-emf המושרה, ונותן פלט מדיד המתאים למהירות הסיבוב של הציר.

חשוב לציין כי הקוטביות של התחום המושרה נושאת מידע חשוב. היא קובעת את כיוון תנועת הציר. לדוגמה, קוטביות חיובית יכולה להצביע על סיבוב שעוני, בעוד קוטביות שלילית יכולה להצביע על סיבוב נגד כיוון השעון. כדי להגן על המגנטומטר ולשמר מדידות מדויקות, מחוברת 저נגד בסיסמה. הרזיסטור מגביל את זרימת הזרם הגבוה שיכול להיות מופעל על ידי הארמור, למנוע נזק למכשיר המדידה ולשמור על שלמות תהליך המדידה.

ה-emf המושרה במגניטו הטאכומטר הישר יכול לבוא לידי ביטוי בנוסחה הבאה:

כאשר, E – התחום המופק
Φ – השדה המגנטי לכל קוטב בובר
P- מספר הקוטבים
N – מהירות בסיבובים לדקה
Z – מספר המוליכים בעטיפות הארמור.
a – מספר המסלולים מקבילים בעטיפות הארמור.

יתרונות ונחיתויות של מגניטו הטאכומטר הישר והצגת מגניטו הטאכומטר חילופין
יתרונות מגניטו הטאכומטר הישר

מגניטו הטאכומטר הישר מציג מספר יתרונות משמעותיים, המפורטים להלן:

• הצגת כיוון סיבוב הציר: הקוטביות של התחומים המושרים משרתת כמגלה ברור של כיוון הסיבוב של הציר. תכונה זו מספקת מידע חשוב על הדינאמיקה הסיבובית של המכונה הנמדדת, ומאפשרת לפעילים לפקח ולשלוט במערכת בצורה יעילה יותר.

• שימוש במגנטומטר DC קונבנציונלי: ניתן להשתמש במגנטומטר DC קונבנציונלי למדידת התחום המושרה. הפשטות של ציוד המדידה מגבירה את הנגישות והקלות בשימוש למערכות מדידה מגוונות.

נחיתויות מגניטו הטאכומטר הישר

למרות היתרונות שלו, מגניטו הטאכומטר הישר גם יש לו כמה חסרונות שצריך לשקול:

• דרישות תחזוקה: הקומוטטור והמברשות, שהם רכיבים חיוניים להמרת הזרם החילופין שנוצר בארמור לזרם ישר, דורשים תחזוקה תקופתית. לאורך זמן, רכיבים אלו יכולים לחוות שחיקה עקב חיכוך מכני וקשת חשמלית, מה שמוביל לקפאות בביצועים ולקשיים אפשריים אם לא תוחזקו כראוי.

• בעיות 저נגד יציאה ואימפוטנס כניסה: 저נגד היציאה של מגניטו הטאכומטר הישר הוא בדרך כלל גבוה יותר לעומת אימפוטנס הכניסה. מצבים בהם זרם גדול מושרה במוליך הארמור יכולים לגרום להתעוות בשדה המגנטי הקבוע של המגנט הקבוע. התעוות כזו יכולה להוביל לאי דיוקים במדידת ה-emf המושרה, ובהתאם לכך, לטעויות בקביעת מהירות הסיבוב של הציר.

מגניטו הטאכומטר חילופין

תלות מגניטו הטאכומטר הישר בקומוטטורים ומברשות מובילה לכמה מגבלות. כדי להתמודד עם בעיות אלה, פותח מגניטו הטאכומטר חילופין. מגניטו הטאכומטר חילופין כולל ארמור נייח ושדה מגנטי מסתובב. עיצוב זה מפחית את הצורך בקומוטטורים ומברשות, ובכך פותר הרבה מהבעיות של תחזוקה וביצועים שקשורים לטאכומטרים ישרים.

ככל שהשדה המגנטי המסתובב מתנגש עם הקויילים הנייחים של הסטטור, מופעל כוח חשמלי מניע (EMF). הן האמפליטודה והן התדירות של ה-EMF המושרה הם קשורים ישירות למהירות הציר. קשר זה מאפשר מדידת מהירות הזויתית על ידי ניתוח האמפליטודה או התדירות של האות החשמלי המושרה.

המעגל הבא משמש למדידת מהירות הרוטור על ידי התמקדות באמפליטודה של התחום המושרה. ראשית, התחומים המושרים מתקנים כדי להמיר אותם מזרם חילופין לזרם ישר. לאחר מכן, התחומים המתקנים עוברים דרך מסנן קONDנסטורי, שמשטח את הגלים בוויזואל המתקנים, ונותן מדידה יציבה ומדויקת יותר של האמפליטודה של התחום המושרה שקשורה למהירות הסיבוב של הציר.

מגניטו טאכומטר חילופין מסוג כוס גרירה
מגניטו הטאכומטר חילופין מסוג כוס גרירה מוצג בתמונה שלהלן.

• מבנה ומאפיינים של מגניטו הטאכומטר חילופין
  הסטטור של מגניטו הטאכומטר חילופין מצויד בשני סיבובים שונים: הסיבוב المرجعي והסיבוב המאונך. הסיבובים ממוקמים בזווית של 90 מעלות אחד לשני, מה שהופך למרכיב מפתח בעיצוב הגנרטור לתפעול מדויק. הרוטור של הטאכומטר עשוי מכוס אלומיניום דק ומשוכן בתוך מבנה השדה.
  הרוטור בנוי מחומר אינ덕טיבי גבוה, והוא מציג חוסר אינרציה נמוך, המאפשר לו להגיב במהירות לשינויים במהירות הסיבוב. מתח חשמלי מוזרק לסיבוב המرجع, בעוד האות היציאה נלקח מהסיבוב המאונך. ככל שהרוטור מסתובב בתוך השדה המגנטי, הוא מפעיל מתח בסיבוב המזהה (המאונך). גודל המתח המושרה הוא פרופורציונלי למהירות הסיבוב של הרוטור, ומאפשר מנגנון אמין למדידת מהירות הזויתית.
  יתרונות
  פלט ללא ריפלים: מגניטו הטאכוגנרטור מסוג כוס גרירה ידוע בייצור מתח פלט חסר ריפלים. פלט חלק זה מבטיח מדידות מהירות מדויקות וקבועות, מה שהופך אותו מתאים במיוחד ליישומים בהם מדידת מהירות מדויקת היא קריטית.
  זול: יתרון נוסף הוא העלות הנמוכה יחסית. זול זה הופך את מגניטו הטאכוגנרטור מסוג כוס גרירה לברירת מחדל עבור מגוון רחב של יישומים, במיוחד אלה שבהם יעילות עלות היא עדיפות מבלי לפגוע בפונקציונליות הבסיסית.
  חסרונות
  עם זאת, מגניטו הטאכוגנרטור מסוג כוס גרירה יש לו מגבלה מובהקת. כשהרוטור מסתובב במהירויות גבוהות, מופיע קשר לא ליניארי בין המתח הפלט למהירות הקלט. קשר לא ליניארי זה יכול להוביל לאי דיוקים במדידת מהירות אם לא נלקח בחשבון כראוי, אולי מגביל את השימוש בגנרטור בתרחישים שדורשים מדידת מהירות סיבוב מהירה ומדוייקת מאוד.