Električni takemeter

Definicija i vrste takomera

Definicija

Takomer je uređaj koji se koristi za merenje rotacione brzine ili uglove brzine mašine na koju je povezan. Njegovo funkcionisanje zasnovano je na principu relativnog kretanja između magnetskog polja i vratila povezane mašine. Kako se vratilo okreće, ovo relativno kretanje indukuje elektromotornu snagu (EMF) u cevi postavljenoj unutar konstantnog magnetskog polja stalnog magneta. Intenzitet indukovane EMF je direktno proporcionalan rotacionoj brzini vratila, što omogućava merenje brzine mašine.

Vrste takomera

Takomeri se mogu široko klasifikovati u dve kategorije: mehanički i električki.

• Mehanički takomer: Ovaj tip takomera meri brzinu vratila u okretajima po minuti (RPM). Pruža direktnu mehaničku indikaciju rotacione brzine, često preko mehaničke veze i kazaljke na kalibriranom pokazivaču.

• Električki takomer: Električki takomer pretvara uglove brzine u električnu naponsku razliku. U poređenju sa mehaničkim takomerima, električki takomeri nude nekoliko prednosti, kao što su veća tačnost, lakše integracija sa elektronskim sistemima kontrole i mogućnost prenosa informacija o brzini na duže rastojanje. Zbog toga se široko koriste za merenje rotacione brzine vratila. U zavisnosti od prirode indukovane naponske razlike, električki takomeri se mogu dalje podeliti u dve podvrste:

• AC generator takomera

• DC generator takomera

DC generator takomera

DC generator takomera sastoji se od nekoliko ključnih komponenti: stalni magnet, armatura, komutator, cepci, promenljiv otpornik i pokretni cevični voltmetar. Za merenje brzine mašine, njen vratil se spaja sa vratilom DC generatora takomera.

Princip rada DC generatora takomera zasnovan je na elektromagnetskoj indukciji. Kada se zatvorena petlja vodilca kreće unutar magnetskog polja, indukuje se EMF u vodilcu. Intenzitet indukovane EMF određen je dva faktora: količinom magnetskog fluksa vezanog za vodilac i rotacionom brzinom vratila. Kako se vratilo okreće, armatura unutar DC generatora takomera se kreće kroz magnetsko polje stalnog magneta, generišući EMF koji je proporcionalan brzini vratila. Ova indukovana EMF se zatim pretvara u DC naponsku razliku preko komutatora i cepaca, što se može meriti pokretnim cevičnim voltmetrom ili dalje obraditi elektronskim kružnicama za razne primene.

Funkcija i rad DC generatora takomera

U DC generatoru takomera, armatura se okreće unutar nepromenljivog magnetskog polja stalnog magneta. Kako se armatura okreće, događa se elektromagnetska indukcija, indukujući elektromotornu snagu (emf) u cevima namotanim oko nje. Značajno, intenzitet ove indukovane emf je direktno proporcionalan rotacionoj brzini vratila na koje je armatura spojena; što brže vratilo okreće, veći je indukovani emf.

Komutator, zajedno sa cepcima, igra ključnu ulogu u radu generatora. Pretvara strujni tok (AC) generisan u cevima armature u jednosmerni strujni tok (DC). Ova konverzija je bitna jer omogućava jednostavnije i konzistentnije merenje električnog signala. Pokretni cevični voltmetar se zatim koristi za merenje indukovanog emf-a, pružajući kvantifikabilni izlaz koji odgovara rotacionoj brzini vratila.

Napomena, polaritet indukovane naponske razlike nosi važne informacije. On određuje smer kretanja vratila. Na primer, pozitivan polaritet može ukazivati na kretanje u smislu kazaljke na satu, dok bi negativan polaritet mogao ukazivati na kretanje suprotno smeru kazaljke na satu. Da bi se zaštitio voltmetar i osigurala tačna merenja, otpornik se spaja serijalno sa njim. Ovaj otpornik ograničava protok potencijalno visokog strujnog toka generisanog u armaturi, sprečavajući oštećenje mjernog uređaja i održavajući integritet procesa merenja.

Emf indukovan u DC generatoru takomera može se izraziti sledećom formulom:

Gdje, E – generisana naponska razlika
Φ – fluks po polu u Veberima
P – broj polova
N – brzina u okretajima po minuti
Z – broj vodilaca u namotaji armature.
a – broj paralelnih putanja u namotaji armature.

Prednosti i nedostaci DC generatora takomera i uvod u AC generator takomera
Prednosti DC generatora takomera

DC generator takomera nudi nekoliko značajnih prednosti, koje su ispod navedene:

• Indikacija smera rotacije vratila: Polaritet indukovanih naponskih razlika služi kao jasan indikator smera rotacije vratila. Ova karakteristika pruža važne informacije o rotacionoj dinamici mere te mašine, omogućavajući operaterima da bolje nadgledaju i kontroliraju sistem.

• Korišćenje standardnog voltmetra: Standardni DC tip voltmetra može se koristiti za merenje indukovane naponske razlike. Ova jednostavnost u mernom opremu smanjuje složenost i trošak povezani sa postavljanjem mernog sistema, čime se čini dostupnim i lako upotrebljivim za širok spektar primena.

Nedostaci DC generatora takomera

Unatoč svojim prednostima, DC generator takomera ima i određene nedostatke koji treba uzeti u obzir:

• Maintenance Requirements: Komutator i cepci, koji su ključne komponente za pretvaranje generisanog strujnog toka u armaturi u jednosmerni strujni tok, zahtevaju periodično održavanje. Tijekom vremena, ove komponente mogu doživjeti iznošenje zbog mehaničkog trenja i električnog lukovanja, što dovodi do smanjene performanse i potencijalnih grešaka ako nisu pravilno održavani.

• Problemi s izlaznim i ulaznim otporom: Izlazni otpor DC generatora takomera je obično veći u usporedbi s ulaznim otporom. U situacijama kada se veliki strujni tok indukuje u vodilac armature, to može dovesti do distorzije konstantnog magnetskog polja stalnog magneta. Takva distorzija može dovesti do netočnosti u merenju indukovanog emf-a i, posljedično, grešaka u određivanju rotacione brzine vratila.

AC generator takomera

Ovisnost DC generatora takomera o komutatorima i cepcima dovodi do nekoliko ograničenja. Da bi se ti problemi prevazišli, razvijen je AC generator takomera. AC generator takomera ima stacionarnu armaturu i rotirajuće magnetsko polje. Ovaj dizajn eliminira potrebu za komutatorima i cepcima, time prevazilazeći mnoge probleme održavanja i performansi povezane s DC takomerima.

Kako rotirajuće magnetsko polje interagira sa stacionarnim cevima statora, indukuje se elektromotorna snaga (EMF). I amplituda i frekvencija indukovane EMF su direktno povezane sa brzinom vratila. Ova veza omogućuje merenje uglove brzine analizom amplitudom ili frekvencijom indukovanog električnog signala.

Sljedeća kružnica se koristi za merenje brzine rotoru fokusirajući se na amplitudu indukovane naponske razlike. Prvo, indukovane naponske razlike se rektificiraju kako bi se pretvorile iz strujnog toka u jednosmerni strujni tok. Zatim, rektificirane naponske razlike prolažu kroz kondenzatorski filter, koji efektivno izgladi talase u rektificiranom naponskom valnom obliku, pružajući stabilnije i preciznije merenje amplitude indukovane naponske razlike povezane s rotacionom brzinom vratila.

Generator drag cup rotora AC
Tip AC takomera sa drag cup rotorom prikazan je na slici ispod.

• Struktura i karakteristike AC generatora takomera
  Stator AC generatora takomera opremljen je sa dvije različite namotaje: referentni namotaj i kvadratni namotaj. Ovi namotaji su postavljeni pod uglom od 90 stepeni jedan prema drugom, što je ključni aspekt dizajna generatora za tačno funkcionisanje. Rotor takomera izrađen je od tankog aluminijumskog čašića i smješten je unutar magnetske strukture.
  Konstruiran od materijala visoke induktivnosti, rotor ima nisku inerciju, omogućavajući mu da brzo reaguje na promjene u rotacionoj brzini. Električni unos se pruža referentnom namotaju, dok se izlazni signal dobija iz kvadratnog namotaja. Kako se rotor okreće unutar magnetskog polja, indukuje naponsku razliku u senzorskom (kvadratnom) namotaju. Magnituda ove indukovane naponske razlike je direktno proporcionalna rotacionoj brzini rotoru, stvarajući pouzdani mehanizam za merenje uglove brzine.
  Prednosti
  Izlaz bez talasa: Generator drag cup tachogenerator je poznat po tome što produkuje izlaznu naponsku razliku bez talasa. Ovaj gladak izlaz osigurava preciznija i konzistentnija merenja brzine, čime se čini pogodan za primene gdje je nužna precizna nadzor brzine.
  Cijena: Još jedna značajna prednost je relativno niska cijena. Ova pristupačnost čini generator drag cup tachogenerator atraktivnom opcijom za širok spektar primena, posebno one gdje je cijena prioritet bez gubitka osnovne funkcionalnosti.
  Nedostatak
  Međutim, generator drag cup tachogenerator ima značajan nedostatak. Kada rotor okreće na visokim brzinama, nastaje nelinearna veza između izlazne naponske razlike i ulazne brzine. Ova nelinearnost može dovesti do netočnosti u merenju brzine ako se ne pravilno uzme u obzir, potencijalno ograničavajući upotrebu generatora u scenarijima koji zahtijevaju visoku brzinu i visoku preciznost u merenju rotacione brzine.