Tachimetro elettrico

Definizione e Tipi di Tacometri

Definizione

Un tacometro è un dispositivo utilizzato per misurare la velocità rotazionale o la velocità angolare di una macchina a cui è collegato. Il suo funzionamento si basa sul principio del moto relativo tra il campo magnetico e l'albero della macchina connessa. Mentre l'albero ruota, questo moto relativo induce una forza elettromotrice (FEM) in una bobina posizionata all'interno del campo magnetico costante di un magnete permanente. L'entità della FEM indotta è direttamente proporzionale alla velocità rotazionale dell'albero, consentendo la misurazione della velocità della macchina.

Tipi di Tacometri

I tacometri possono essere ampiamente classificati in due categorie: meccanici ed elettrici.

• Tacometro Meccanico: Questo tipo di tacometro misura la velocità dell'albero in termini di giri al minuto (RPM). Fornisce un'indicazione meccanica diretta della velocità rotazionale, spesso attraverso un collegamento meccanico e un indicatore su un quadrante calibrato.

• Tacometro Elettrico: Un tacometro elettrico converte la velocità angolare in un voltaggio elettrico. Rispetto ai tacometri meccanici, i tacometri elettrici offrono diversi vantaggi, come maggiore precisione, integrazione più facile con i sistemi di controllo elettronici e la capacità di trasmettere le informazioni sulla velocità a distanze maggiori. Di conseguenza, sono ampiamente utilizzati per misurare la velocità rotazionale degli alberi. A seconda della natura del voltaggio indotto, i tacometri elettrici possono essere ulteriormente suddivisi in due sottotipi:

• Generatore Tacometro CA

• Generatore Tacometro CC

Generatore Tacometro CC

Il generatore tacometro CC comprende diverse componenti chiave: un magnete permanente, un armatura, un commutatore, spazzole, un resistore variabile e un voltmetro a movimento a bobina. Per misurare la velocità di una macchina, il suo albero viene accoppiato con l'albero del generatore tacometro CC.

Il principio di funzionamento del generatore tacometro CC si basa sull'induzione elettromagnetica. Quando un conduttore chiuso si muove all'interno di un campo magnetico, viene indotta una FEM nel conduttore. L'entità della FEM indotta è determinata da due fattori: la quantità di flusso magnetico legata al conduttore e la velocità rotazionale dell'albero. Mentre l'albero ruota, l'armatura all'interno del generatore tacometro CC si muove attraverso il campo magnetico del magnete permanente, generando una FEM proporzionale alla velocità dell'albero. Questa FEM indotta viene poi convertita in un voltaggio CC dal commutatore e dalle spazzole, che può essere misurato dal voltmetro a movimento a bobina o ulteriormente elaborato dai circuiti elettronici per varie applicazioni.

Funzionamento e Operatività del Generatore Tacometro CC

In un generatore tacometro CC, l'armatura ruota all'interno del campo magnetico costante di un magnete permanente. Mentre l'armatura ruota, si verifica l'induzione elettromagnetica, inducendo una forza elettromotrice (FEM) nelle spire avvolte intorno ad essa. Significativamente, l'entità di questa FEM indotta è direttamente proporzionale alla velocità rotazionale dell'albero a cui è accoppiata l'armatura; quanto più veloce ruota l'albero, tanto maggiore sarà la FEM indotta.

Il commutatore, in combinazione con le spazzole, svolge un ruolo cruciale nell'operatività del generatore. Trasforma la corrente alternata (CA) generata nelle spire dell'armatura in corrente continua (CC). Questa conversione è essenziale in quanto consente una misurazione più semplice e coerente del segnale elettrico. Il voltmetro a movimento a bobina viene quindi utilizzato per misurare la FEM indotta, fornendo un output quantificabile che corrisponde alla velocità rotazionale dell'albero.

Notabilmente, la polarità del voltaggio indotto porta informazioni importanti. Determina la direzione del movimento dell'albero. Ad esempio, una polarità positiva potrebbe indicare una rotazione oraria, mentre una polarità negativa potrebbe significare una rotazione antioraria. Per proteggere il voltmetro e garantire misurazioni accurate, viene connessa in serie una resistenza. Questo resistore limita il flusso della corrente potenzialmente elevata generata dall'armatura, prevenendo danni al dispositivo di misurazione e mantenendo l'integrità del processo di misurazione.

La FEM indotta nel generatore tacometro CC può essere espressa dalla seguente formula:

Dove, E – tensione generata
Φ – flusso per poli in Weber
P – numero di poli
N – velocità in giri al minuto
Z – numero dei conduttori nelle spire dell'armatura.
a – numero dei percorsi paralleli nelle spire dell'armatura.

Vantaggi e Svantaggi del Generatore Tacometro CC e Introduzione al Generatore Tacometro CA
Vantaggi del Generatore Tacometro CC

Il generatore tacometro CC offre diversi notevoli benefici, che sono riassunti come segue:

• Indicazione della Direzione di Rotazione dell'Albero: La polarità delle tensioni indotte serve come chiaro indicatore della direzione di rotazione dell'albero. Questa caratteristica fornisce informazioni preziose sui dinamici rotazionali della macchina in misura, consentendo agli operatori di monitorare e controllare il sistema in modo più efficace.

• Utilizzo di Voltmetro Convenzionale: Può essere impiegato un voltmetro a corrente continua convenzionale per misurare la tensione indotta. Questa semplicità nell'attrezzatura di misurazione riduce la complessità e il costo associati all'impostazione del sistema di misurazione, rendendolo accessibile e facile da usare per una vasta gamma di applicazioni.

Svantaggi del Generatore Tacometro CC

Nonostante i suoi vantaggi, il generatore tacometro CC presenta anche alcuni svantaggi che devono essere considerati:

• Requisiti di Manutenzione: Il commutatore e le spazzole, componenti essenziali per la conversione della corrente alternata generata nell'armatura in corrente continua, richiedono manutenzione periodica. Nel tempo, questi componenti possono subire usura e deterioramento a causa della frizione meccanica e dell'arco elettrico, portando a una riduzione delle prestazioni e a potenziali guasti se non mantenuti correttamente.

• Problemi di Resistenza in Uscita e in Ingresso: La resistenza in uscita del tacometro CC è generalmente superiore rispetto alla resistenza in ingresso. In situazioni in cui viene indotta una corrente elevata nel conduttore dell'armatura, ciò può causare una distorsione del campo magnetico costante del magnete permanente. Tale distorsione può portare a inesattezze nella misurazione della FEM indotta e, di conseguenza, a errori nella determinazione della velocità rotazionale dell'albero.

Generatore Tacometro CA

La dipendenza del generatore tacometro CC da commutatori e spazzole dà origine a diversi limiti. Per affrontare questi problemi, è stato sviluppato il generatore tacometro CA. Un generatore tacometro CA presenta un armatura stazionario e un campo magnetico rotante. Questa configurazione elimina la necessità di commutatori e spazzole, superando molti dei problemi di manutenzione e prestazioni associati ai tacometri CC.

Mentre il campo magnetico rotante interagisce con le spire stazionarie dello statore, viene indotta una forza elettromotrice (FEM). Amplitude e frequenza della FEM indotta sono direttamente correlate alla velocità dell'albero. Questa relazione permette la misurazione della velocità angolare analizzando l'ampiezza o la frequenza del segnale elettrico indotto.

Il seguente circuito viene utilizzato per misurare la velocità del rotore concentrandosi sull'ampiezza della tensione indotta. Innanzitutto, le tensioni indotte vengono rettificate per convertirle da corrente alternata a corrente continua. Successivamente, le tensioni rettificate vengono passate attraverso un filtro a condensatore, che effettivamente smorza le oscillazioni nella forma d'onda della tensione rettificata, fornendo una misurazione più stabile e accurata dell'ampiezza della tensione indotta correlata alla velocità rotazionale dell'albero.

Generatore CA con Rotor a Coppa di Trascinamento
Il tachimetro a corrente alternata a coppa di trascinamento è mostrato nella figura sottostante.

• Struttura e Caratteristiche del Generatore Tacometro CA
  Lo statore del generatore tacometro CA è dotato di due avvolgimenti distinti: l'avvolgimento di riferimento e l'avvolgimento in quadratura. Questi avvolgimenti sono posizionati a un angolo di 90 gradi l'uno rispetto all'altro, che è un aspetto chiave del design del generatore per un funzionamento accurato. Il rotore del tachimetro è realizzato in una sottile coppa di alluminio e si trova all'interno della struttura del campo.
  Costruito con un materiale altamente induttivo, il rotore presenta bassa inerzia, consentendogli di reagire rapidamente ai cambiamenti di velocità rotazionale. Un ingresso elettrico viene fornito all'avvolgimento di riferimento, mentre il segnale di uscita viene recuperato dall'avvolgimento in quadratura. Mentre il rotore ruota all'interno del campo magnetico, induce una tensione nell'avvolgimento di rilevamento (in quadratura). L'ampiezza di questa tensione indotta è direttamente proporzionale alla velocità rotazionale del rotore, stabilendo un meccanismo affidabile per misurare la velocità angolare.
  Vantaggi
  Uscita senza Ondulazioni: Il tachigeneratore a coppa di trascinamento è noto per produrre una tensione di uscita priva di ondulazioni. Questa uscita liscia assicura misurazioni di velocità più accurate e coerenti, rendendolo ben adatto per applicazioni in cui il monitoraggio preciso della velocità è cruciale.
  Costo-Efficiente: Un altro vantaggio significativo è il suo costo relativamente basso. Questa convenienza lo rende un'opzione attraente per una vasta gamma di applicazioni, specialmente quelle in cui l'efficienza economica è una priorità senza sacrificare la funzionalità di base.
  Svantaggio
  Tuttavia, il tachigeneratore a coppa di trascinamento ha un limite notevole. Quando il rotore gira a velocità elevate, emerge una relazione non lineare tra la tensione di uscita e la velocità di ingresso. Questa non linearità può portare a inesattezze nella misurazione della velocità se non adeguatamente compensata, potenzialmente limitando l'uso del generatore in scenari che richiedono misurazioni di velocità rotazionale ad alta velocità e altamente precise.