Elektrisk tachometer

Definisjon og typer tachometer

Definisjon

Et tachometer er en enhet som brukes til å måle rotasjonshastigheten eller vinkelhastigheten til en maskin det er koblet til. Dets funksjon bygger på prinsippet om relativ bevegelse mellom magnetfeltet og aksen til den kobla enheten. Når aksen roterer, induserer denne relative bevegelsen en elektromotorisk kraft (EMK) i en spole plassert innenfor det konstante magnetfeltet av en permanent magnet. Størrelsen på den induerte EMK-en er direkte proporsjonal med rotasjonshastigheten til aksen, noe som gjør at maskinens hastighet kan måles.

Typer tachometer

Tachometer kan grovt deles inn i to kategorier: mekaniske og elektriske.

• Mekanisk tachometer: Denne typen tachometer måler aksens hastighet i omdreining per minutt (OMD). Det gir en direkte mekanisk indikasjon av rotasjonshastigheten, ofte gjennom en mekanisk kobling og en peker på en kalibrert skive.

• Elektrisk tachometer: Et elektrisk tachometer konverterer vinkelhastighet til et elektrisk spenning. I forhold til mekaniske tachometer tilbyr elektriske tachometer flere fordeler, som høyere nøyaktighet, lettere integrasjon med elektroniske styresystemer, og muligheten til å sende hastighetsinformasjon over lengre avstander. Dermed blir de vidt anvendt for å måle rotasjonshastigheten til aksler. Avhengig av naturen til den induerte spenningen, kan elektriske tachometer videre deles inn i to undergrupper:

• Vekselstrøms-tachometergenerator

• Gjennomsnittlig strøm-tachometergenerator

Gjennomsnittlig strøm-tachometergenerator

Den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator består av flere nøkkelenheter: en permanent magnet, en armatur, en kommutator, pensler, en variabel motstand, og en bevegelig spolevoltmeter. For å måle hastigheten til en maskin, kobles dens aksel sammen med akselen til den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator.

Arbeidsprinsippet for den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator baserer seg på elektromagnetisk induksjon. Når en lukket leder beveger seg innenfor et magnetfelt, induceres en EMK i ledningen. Størrelsen på den induerte EMK-en er bestemt av to faktorer: mengden magnetisk fluks som er knyttet til lederen, og rotasjonshastigheten til aksen. Når aksen roterer, beveger armaturen i den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator seg gjennom magnetfeltet av den permanente magneten, og genererer en EMK som er proporsjonal med aksens hastighet. Denne induerte EMK-en konverteres deretter til en gjennomsnittlig strøm-spenning av kommutatoren og penslene, som kan måles av den bevegelige spolevoltmeteren eller videreprosesserast av elektroniske kretser for ulike bruksområder.

Drift og funksjon av gjennomsnittlig strøm-tachometergenerator

I en gjennomsnittlig strøm-tachometergenerator roterer armaturen innenfor det uforandrede magnetfeltet av en permanent magnet. Når armaturen roterer, forekommer elektromagnetisk induksjon, som inducerer en elektromotorisk kraft (emf) i spolene som er vindet rundt den. Betydelig er at størrelsen på denne induerte emf-en er direkte proporsjonal med rotasjonshastigheten til aksen som armaturen er koblet til; jo raskere aksen snurrer, jo større er den induerte emf-en.

Kommutatoren, i kombinasjon med penslene, spiller en viktig rolle i generatorns drift. Den transformerer den alternerende strømmen (AC) som genereres i armaturenspolene til direkte strøm (DC). Denne konverteringen er essensiell, da den tillater en mer enkel og konsekvent måling av det elektriske signalet. Den bevegelige spolevoltmeteren brukes deretter til å måle den induerte emf-en, som gir en kvantifiserbar utdata som svarer til aksens rotasjonshastighet.

Notert bør det være at polariteten til den induerte spenningen inneholder viktig informasjon. Den bestemmer retningen av aksens bevegelse. For eksempel kan positiv polaritet indikere klokkesirkelsrotering, mens negativ polaritet kan bety motsatt klokkesirkelsrotering. For å beskytte voltmeteren og sikre nøyaktige målinger, er en motstand koblet i serie med den. Denne motstanden begrenser strømflyten av den potensielt høye strømmen som genereres av armaturen, hindrer skade på måleenheten, og opprettholder integriteten av målingsprosessen.

Emf-en som induceres i den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator kan uttrykkes ved følgende formel:

Der, E – generert spenning
Φ – fluks per pol i Weber
P- antall poler
N – hastighet i omdreninger per minutt
Z – antallet ledere i armaturenspoling.
a – antall parallelle veier i armaturenspoling.

Fordeler og ulemper med gjennomsnittlig strøm-tachometergenerator og introduksjon til vekselstrøm-tachometergenerator
Fordeler med den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator

Den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator tilbyr flere bemerkelsesverdige fordeler, som er redegjort for nedenfor:

• Indikasjon av aksens roteringsretning: Polariteten til de induerte spenningene fungerer som en klar indikator for retningen av aksens rotering. Denne funksjonen gir verdifuld informasjon om rotasjonsdynamikken til maskinen som måles, noe som lar operatører overvåke og kontrollere systemet mer effektivt.

• Bruk av konvensjonell voltmeter: En konvensjonell DC type voltmeter kan benyttes til å måle den induerte spenningen. Denne enkelheten i måleenhet reduserer kompleksiteten og kostnadene knyttet til oppsettet av målesystemet, gjør det tilgjengelig og lett å bruke for et bredt spekter av bruksområder.

Ulemper med den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator

Trotters sine fordeler, har den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator også visse ulemper som må tas hensyn til:

• Vedlikeholdsbehov: Kommutatoren og penslene, som er nødvendige komponenter for å konvertere den alternerende strømmen som genereres i armaturen til direkte strøm, krever periodisk vedlikehold. Over tid kan disse komponentene oppleve slitasje og tap avvenget ved mekanisk friksjon og elektrisk bue, noe som fører til reduksjon i ytelse og potensielle feil hvis de ikke vedlikeholdes ordentlig.

• Ut- og inngangsmotstandsproblemer: Utgangsmotstanden til den gjennomsnittlige strøm-tachometer er typisk høyere sammenlignet med inngangsmotstanden. I situasjoner hvor en stor strøm induceres i armaturelederen, kan dette føre til forvrengning av det konstante magnetfeltet av den permanente magneten. Slik forvrengning kan føre til unøyaktigheter i målingen av den induerte emf-en, og dermed feil i fastsetting av rotasjonshastigheten til aksen.

Vekselstrøm-tachometergenerator

Den gjennomsnittlige strøm-tachometergenerator sin avhengighet av kommutatorer og pensler gir opphav til flere begrensninger. For å løse disse problemene, ble vekselstrøm-tachometergenerator utviklet. En vekselstrøm-tachometergenerator har en stasjonær armatur og et roterende magnetfelt. Denne designet eliminerer behovet for kommutatorer og pensler, noe som overvinner mange av vedlikeholds- og ytelsesproblemen forbundet med DC-tachometer.

Når det roterende magnetfeltet interagerer med de stasjonære spolene i statoren, induceres en elektromotorisk kraft (EMK). Både amplituden og frekvensen av den induerte EMK-en er direkte relatert til hastigheten til aksen. Dette forholdet gjør det mulig å måle vinkelhastighet ved enten å analysere amplituden eller frekvensen av det induerte elektriske signalet.

Følgende krets brukes for å måle rotorens hastighet ved å fokusere på amplituden av den induerte spenningen. Først rektifieres de induerte spenningene for å konvertere dem fra alternerende strøm til direkte strøm. Deretter sendes de rektifiserte spenningene gjennom en kondensatorfilter, som effektivt glatter ut bølgene i den rektifiserte spenningsbølgeformen, noe som gir en mer stabil og nøyaktig måling av den induerte spenningsamplitude som er relatert til aksens rotasjonshastighet.

Dra cup rotor AC-generator
Den dra cup type A.C tachometer er vist i figuren nedenfor.

• Struktur og egenskaper ved AC-tachometergenerator
  Statoren til AC-tachometergenerator er utstyrt med to distinkte vindinger: referansevindingen og kvadratvindingen. Disse vindinger er plassert i en 90-graders vinkel til hverandre, noe som er et nøkkelaspekt av generatorens design for nøyaktig drift. Tachometers rotoren er laget av en tynn aluminiumskopp og er plassert innenfor feltstrukturen.
  Konstruert av et høyt induktivt materiale, har rotoren lav inertie, noe som lar den reagere raskt på endringer i rotasjonshastighet. En elektrisk inngang leveres til referansevindingen, mens utgangssignalet hentes fra kvadratvindingen. Når rotoren roterer innenfor magnetfeltet, inducerer den en spenning i målspolen (kvadratvindingen). Størrelsen på denne induerte spenningen er direkte proporsjonal med rotorens rotasjonshastighet, noe som etablerer en pålitelig mekanisme for å måle vinkelhastighet.
  Fordeler
  Ripløs utgang: Dra cup tachogenerator er kjent for å produsere en utgangsspenning som er fri for riper. Denne jevne utgangen sikrer mer nøyaktige og konsekvente hastighetsmålinger, noe som gjør den godt egnet for bruk der presise fartsovervåking er avgjørende.
  Kostnadseffektiv: En annen betydelig fordel er dens relativt lave kostnad. Denne økonomi gjør dra cup tachogenerator til en attraktiv alternativ for et bredt spekter av bruksområder, spesielt der kostnadseffektivitet er en prioritet uten å ofre grunnleggende funksjonalitet.
  Nedside
  Imidlertid har dra cup tachogenerator en markant begrensning. Når rotoren snurrer med høye hastigheter, oppstår det en ikkelineær relasjon mellom utgangsspenningen og inngangshastigheten. Denne ikkelineariteten kan føre til unøyaktigheter i hastighetsmåling hvis den ikke regnes med, noe som potensielt begrenser generatorens bruk i scenarioer som krever høy hastighet og høy nøyaktighet i rotasjonshastighetsmåling.