Elektrische tachometer

Definitie en soorten tachometers

Definitie

Een tachometer is een apparaat dat wordt gebruikt om de rotatiesnelheid of hoeksnelheid van een machine waarmee het verbonden is, te meten. Het werkt op basis van het principe van relatieve beweging tussen het magnetisch veld en de as van het verbonden apparaat. Wanneer de as roteert, zorgt deze relatieve beweging voor het opwekken van een elektromotief kracht (EMK) in een spoel die zich binnen het constante magnetisch veld van een permanente magneet bevindt. De grootte van de opgewekte EMK is direct evenredig met de rotatiesnelheid van de as, waardoor de snelheid van de machine kan worden gemeten.

Soorten tachometers

Tachometers kunnen in twee categorieën worden ingedeeld: mechanisch en elektrisch.

• Mechanische tachometer: Deze soort tachometer meet de snelheid van de as in omwentelingen per minuut (RPM). Het geeft een directe mechanische indicatie van de rotatiesnelheid, vaak via een mechanische koppeling en een wijzer op een gekalibreerd schaalverdeling.

• Elektrische tachometer: Een elektrische tachometer zet hoeksnelheid om in een elektrische spanning. In vergelijking met mechanische tachometers bieden elektrische tachometers verschillende voordelen, zoals hogere nauwkeurigheid, eenvoudiger integratie met elektronische besturingssystemen en de mogelijkheid om snelheidsinformatie over grotere afstanden te verzenden. Daarom worden ze wijdverspreid gebruikt voor het meten van de rotatiesnelheid van assen. Afhankelijk van de aard van de opgewekte spanning kunnen elektrische tachometers verder worden onderverdeeld in twee subtypes:

• Wisselstroom tachogenerator

• Gelijkstroom tachogenerator

Gelijkstroom tachogenerator

De gelijkstroom tachogenerator bestaat uit verschillende belangrijke componenten: een permanente magneet, een armatuur, een commutator, borstels, een variabele weerstand en een bewegende - spoel voltmeter. Om de snelheid van een machine te meten, wordt de as ervan gekoppeld aan de as van de gelijkstroom tachogenerator.

Het werkingsprincipe van de gelijkstroom tachogenerator is gebaseerd op elektromagnetische inductie. Wanneer een gesloten lus geleider zich binnen een magnetisch veld beweegt, wordt er een EMK in de geleider opgewekt. De grootte van de opgewekte EMK wordt bepaald door twee factoren: de hoeveelheid magnetische flux die met de geleider verbonden is en de rotatiesnelheid van de as. Wanneer de as roteert, beweegt de armatuur binnen de gelijkstroom tachogenerator door het magnetisch veld van de permanente magneet, wat een EMK genereert die evenredig is met de snelheid van de as. Deze opgewekte EMK wordt vervolgens omgezet in een gelijkstroomspanning door de commutator en borstels, die kan worden gemeten door de bewegende - spoel voltmeter of verder verwerkt door elektronische circuits voor verschillende toepassingen.

Werking en functie van de gelijkstroom tachogenerator

In een gelijkstroom tachogenerator roteert de armatuur binnen het onveranderlijke magnetisch veld van een permanente magneet. Wanneer de armatuur roteert, vindt elektromagnetische inductie plaats, waardoor er een elektromotieve kracht (emf) wordt opgewekt in de spoelen die eromheen zijn gewikkeld. Belangrijk is dat de grootte van deze opgewekte emf direct evenredig is met de rotatiesnelheid van de as waarmee de armatuur is gekoppeld; hoe sneller de as draait, hoe groter de opgewekte emf.

De commutator, in combinatie met de borstels, speelt een cruciale rol in de werking van de generator. Hij transformeert de wisselstroom (AC) die in de armatuurspoelen wordt opgewekt, in gelijkstroom (DC). Deze conversie is essentieel omdat het een meer eenvoudige en consistente meting van het elektrische signaal mogelijk maakt. De bewegende - spoel voltmeter wordt vervolgens gebruikt om de opgewekte emf te meten, waardoor een kwantificeerbare uitvoer wordt verkregen die overeenkomt met de rotatiesnelheid van de as.

Opmerkelijk is dat de polariteit van de opgewekte spanning belangrijke informatie bevat. Het bepaalt de richting van beweging van de as. Bijvoorbeeld, een positieve polariteit kan wijzen op een kloksgewijze rotatie, terwijl een negatieve polariteit kan duiden op een tegenovergestelde rotatie. Om de voltmeter te beschermen en nauwkeurige metingen te garanderen, wordt een weerstand in serie met de voltmeter aangesloten. Deze weerstand beperkt de stroom die door de armatuur wordt opgewekt, waardoor schade aan het meetapparaat wordt voorkomen en de integriteit van het meetproces wordt behouden.

De emf die in de gelijkstroom tachogenerator wordt opgewekt, kan worden uitgedrukt door de volgende formule:

Waarbij, E – opgewekte spanning
Φ – flux per polen in Weber
P- aantal polen
N – snelheid in omwentelingen per minuut
Z – het aantal geleiders in de armatuurwindingen.
a – aantal parallelle paden in de armatuurwindingen.

Voordelen en nadelen van de gelijkstroom tachogenerator en introductie van de wisselstroom tachogenerator
Voordelen van de gelijkstroom tachogenerator

De gelijkstroom tachogenerator biedt verschillende opmerkelijke voordelen, die als volgt worden samengevat:

• Aanduiding van de rotatierichting van de as: De polariteit van de opgewekte spanningen dient als een duidelijke indicatie van de richting van rotatie van de as. Dit kenmerk biedt waardevolle informatie over de rotatiedynamiek van de machine die wordt gemeten, waardoor operators het systeem effectiever kunnen monitoren en controleren.

• Gebruik van conventionele voltmeter: Een conventionele gelijkstroom voltmeter kan worden gebruikt om de opgewekte spanning te meten. Deze eenvoud in meetapparatuur vermindert de complexiteit en kosten die gepaard gaan met het opzetten van het meetsysteem, waardoor het toegankelijk en eenvoudig te gebruiken is voor een breed scala aan toepassingen.

Nadelen van de gelijkstroom tachogenerator

Ondanks de voordelen heeft de gelijkstroom tachogenerator ook bepaalde nadelen die in overweging moeten worden genomen:

• Onderhoudsvereisten: De commutator en borstels, die essentiële componenten zijn voor het omzetten van de wisselstroom die in de armatuur wordt opgewekt in gelijkstroom, vereisen periodiek onderhoud. Na verloop van tijd kunnen deze componenten slijtage en versleten vertonen door mechanische wrijving en elektrische bogen, wat leidt tot verminderde prestaties en potentiële storingen als ze niet goed worden onderhouden.

• Problemen met uitvoer- en invoerweerstand: De uitvoerweerstand van de gelijkstroom tachogenerator is meestal hoger vergeleken met de invoerweerstand. In situaties waarin er een grote stroom in de armatuurgeleider wordt opgewekt, kan dit leiden tot vervorming van het constante magnetisch veld van de permanente magneet. Deze vervorming kan leiden tot onnauwkeurigheden in de meting van de opgewekte emf en daardoor tot fouten in het bepalen van de rotatiesnelheid van de as.

Wisselstroom tachogenerator

De afhankelijkheid van de gelijkstroom tachogenerator van commutators en borstels brengt verschillende beperkingen met zich mee. Om deze problemen te overwinnen, werd de wisselstroom tachogenerator ontwikkeld. Een wisselstroom tachogenerator heeft een stationaire armatuur en een roterend magnetisch veld. Dit ontwerp elimineert de noodzaak voor commutators en borstels, waardoor veel van de onderhouds- en prestatieproblemen die bij gelijkstroom tachometers voorkomen, worden overwonnen.

Wanneer het roterende magnetisch veld interactie heeft met de statische spoolen van de stator, wordt er een elektromotieve kracht (EMF) opgewekt. Zowel de amplitude als de frequentie van de opgewekte emf zijn direct gerelateerd aan de snelheid van de as. Deze relatie maakt het mogelijk om de hoeksnelheid te meten door de amplitude of de frequentie van het opgewekte elektrische signaal te analyseren.

Het volgende circuit wordt gebruikt om de snelheid van de rotor te meten door zich te richten op de amplitude van de opgewekte spanning. Eerst worden de opgewekte spanningen gegerectifieerd om ze van wisselstroom naar gelijkstroom om te zetten. Vervolgens worden de gegerectificeerde spanningen doorgestuurd via een condensatorfilter, wat effectief de rimpelingen in de gegerectificeerde spanningssinusgolf gladstreept, waardoor een stabielere en nauwkeurigere meting van de opgewekte spanningamplitude in relatie tot de rotatiesnelheid van de as wordt verkregen.

Trekkerkop rotor wisselstroomgenerator
De trekkerkop type A.C tachometer is weergegeven in de figuur hieronder.

• Structuur en kenmerken van de wisselstroom tachogenerator
  De stator van de wisselstroom tachogenerator is uitgerust met twee verschillende windingen: de referentiewinding en de kwadratuurwinding. Deze windingen staan op een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar, wat een sleutelaspect is van het ontwerp van de generator voor nauwkeurige werking. De rotor van de tachometer is gemaakt van een dunne aluminium kop en bevindt zich binnen de veldstructuur.
  Gemaakt van een hoog inductief materiaal, heeft de rotor een lage traagheid, waardoor hij snel kan reageren op veranderingen in de rotatiesnelheid. Er wordt een elektrische invoer toegevoerd aan de referentiewinding, terwijl het uitvoersignaal wordt opgehaald uit de kwadratuurwinding. Wanneer de rotor roteert binnen het magnetisch veld, induceert hij een spanning in de sensorende (kwadratuur) winding. De grootte van deze opgewekte spanning is direct evenredig met de rotatiesnelheid van de rotor, wat een betrouwbaar mechanisme creëert voor het meten van de hoeksnelheid.
  Voordelen
  Ripple-vrije uitvoer: De trekkerkop tachogenerator staat bekend om het produceren van een uitvoerspanning die vrij is van rimpelingen. Deze gladde uitvoer zorgt voor nauwkeurigere en consistentere snelheidsmetingen, waardoor het goed geschikt is voor toepassingen waar precisie cruciaal is.
  Kosteneffectief: Een ander significant voordeel is de relatief lage kost. Deze betaalbaarheid maakt de trekkerkop tachogenerator een aantrekkelijke optie voor een breed scala aan toepassingen, vooral waar kosteneffectiviteit een prioriteit is zonder de basisfuncties te verliezen.
  Nadeel
  Echter, de trekkerkop tachogenerator heeft een opvallende beperking. Wanneer de rotor op hoge snelheden draait, ontstaat er een niet-lineair verband tussen de uitvoerspanning en de invoersnelheid. Deze non-lineariteit kan leiden tot onnauwkeurigheden in de snelheidsmeting als deze niet correct wordt gecompenseerd, waardoor de generator beperkt kan worden in scenario's die hoge snelheden en zeer nauwkeurige rotatiesnelheidsmetingen vereisen.