Elektrisk tachometer

Definition och Typer av Tachometer

Definition

Ett tachometer är en enhet som används för att mäta rotationshastigheten eller vinkelhastigheten hos en maskin som den är kopplad till. Dess funktion bygger på principen om relativ rörelse mellan det magnetiska fältet och axeln på den anslutna enheten. När axeln roterar inducerar denna relativa rörelse en elektromotorisk kraft (EMK) i en spole placerad inom det konstanta magnetfältet från en permanent magnet. Storleken på den inducerade EMK:n är direkt proportionell mot rotationshastigheten hos axeln, vilket möjliggör mätningen av maskinens hastighet.

Typer av Tachometer

Tachometer kan indelas i två huvudkategorier: mekaniska och elektriska.

• Mekaniskt Tachometer: Denna typ av tachometer mäter axelns hastighet i termer av varv per minut (RPM). Den ger en direkt mekanisk indikation av rotationshastigheten, ofta genom en mekanisk koppling och en pekare på en kalibrerad skiva.

• Elektriskt Tachometer: Ett elektriskt tachometer omvandlar vinkelhastighet till en elektrisk spänning. Jämfört med mekaniska tachometer erbjuder elektriska tachometer flera fördelar, såsom högre precision, enklare integration med elektroniska styrsystem och möjligheten att sända hastighetsinformation över längre avstånd. Därför används de vidt utbredd för att mäta rotationshastigheten hos axlar. Beroende på naturen av den inducerade spänningen kan elektriska tachometer ytterligare delas in i två undergrupper:

• Växelströms Tachometergenerator

• Gleichström Tachometergenerator

Gleichström Tachometergenerator

Den Gleichström tachometergenerator består av flera viktiga komponenter: en permanentmagnet, en armatur, en kommutator, borstar, en variabel resistor och en flyttbar spolevoltmeter. För att mäta en maskins hastighet kopplas dess axel till axeln på den Gleichström tachometergenerator.

Arbetsprincipen för den Gleichström tachometergenerator baseras på elektromagnetisk induction. När en stängd ledningslänk rör sig inom ett magnetfält induceras en EMK i ledaren. Storleken på den inducerade EMK:n bestäms av två faktorer: mängden magnetisk flux som är kopplad till ledaren och rotationshastigheten på axeln. När axeln roterar rör sig armaturen inom den Gleichström tachometergenerator genom det magnetiska fältet från den permanenta magneten, vilket genererar en EMK som är proportionell mot axelns hastighet. Denna inducerade EMK omvandlas sedan till en Gleichström spänning av kommutatorn och borrarna, vilket kan mätas av den flyttbara spolevoltmetern eller vidarebearbetas av elektroniska kretsar för olika tillämpningar.

Funktion och Funktionssätt för Gleichström Tachometergenerator

I en Gleichström tachometergenerator roterar armaturen inom det oföränderliga magnetfältet från en permanentmagnet. När armaturen roterar inträffar elektromagnetisk induction, vilket inducerar en elektromotorisk kraft (emk) i spolar som är virade runt den. Detta inducerade emk är direkt proportionellt mot rotationshastigheten på axeln som armaturen är kopplad till; ju snabbare axeln snurrar, desto större blir det inducerade emk.

Kommutatorn, tillsammans med borrarna, spelar en viktig roll i generatorns funktion. Den omvandlar den växelström (AC) som genereras i armaturenspolar till likström (DC). Denna omvandling är nödvändig eftersom den gör det möjligt att mäta det elektriska signalen på ett enklare och mer konsekvent sätt. Den flyttbara spolevoltmetern används sedan för att mäta den inducerade emk, vilket ger ett kvantifierbart resultat som motsvarar axelns rotationshastighet.

Det är noterat att polariteten på den inducerade spänningen bär viktig information. Den bestämmer rörelsens riktning för axeln. Till exempel kan en positiv polaritet indikera medursrotation, medan en negativ polaritet kan betyda motursrotation. För att skydda voltmeter och säkerställa korrekta mätningar är en resistans kopplad i serie med den. Denna resistor begränsar strömmen av den potentiellt höga ström som genereras av armaturen, vilket förhindrar skada på mätutrustningen och bevarar integriteten i mätprocessen.

Den emk som induceras i den Gleichström tachometergenerator kan uttryckas genom följande formel:

Där, E – genererad spänning
Φ – flux per pol i Weber
P – antal poler
N – hastighet i varv per minut
Z – antalet ledare i armaturenspolar.
a – antal parallella vägar i armaturenspolar.

Fördelar och Nackdelar av Gleichström Tachometergenerator och Introduktion till Växelströms Tachometergenerator
Fördelar med Gleichström Tachometergenerator

Den Gleichström tachometergenerator erbjuder flera framträdande fördelar, som beskrivs nedan:

• Indikation av Axelns Rotationsriktning: Polariteten av de inducerade spänningarna fungerar som en tydlig indikator för riktningen av axelns rotation. Denna egenskap ger värdefull information om rotationsdynamiken för den mätta maskinen, vilket möjliggör för operatörer att övervaka och styra systemet mer effektivt.

• Användning av Konventionell Voltmeter: En konventionell Gleichström typ voltmeter kan användas för att mäta den inducerade spänningen. Denna enkelhet i mätutrustning minskar komplexiteten och kostnaderna för att sätta upp mätningen, vilket gör det tillgängligt och lätt att använda för en bred uppsättning tillämpningar.

Nackdelar med Gleichström Tachometergenerator

Trots sina fördelar har den Gleichström tachometergenerator också vissa nackdelar som bör beaktas:

• Underhållsbehov: Kommutatorn och borrarna, som är nödvändiga komponenter för att omvandla den växelström som genereras i armaturen till likström, kräver regelbundet underhåll. Med tiden kan dessa komponenter erfara slitage på grund av mekanisk friktion och elektrisk båge, vilket leder till minskad prestanda och potentiella fel om de inte underhålls korrekt.

• Ut- och Inmatningsmotståndsproblem: Utmatningsmotståndet för den Gleichström tachometer är vanligtvis högre jämfört med inmatningsmotståndet. I situationer där en stor ström induceras i armaturenledaren kan detta orsaka förvrängning av det konstanta magnetfältet från den permanenta magneten. Sådan förvrängning kan leda till fel i mätningen av den inducerade emk och, i följd av detta, fel i bestämningen av rotationshastigheten på axeln.

Växelströms Tachometergenerator

Den Gleichström tachometergeneratorns beroende av kommutatorer och borr ger upphov till flera begränsningar. För att åtgärda dessa problem utvecklades den växelströms tachometergenerator. En växelströms tachometergenerator har en stationär armatur och ett roterande magnetfält. Denna design eliminerar behovet av kommutatorer och borr, vilket överkommer många av underhålls- och prestandaproblem som är associerade med Gleichström tachometer.

När det roterande magnetfältet interagerar med de stationära spolar i statorn induceras en elektromotorisk kraft (EMK). Både amplituden och frekvensen av den inducerade EMK är direkt relaterade till axelns hastighet. Denna relation möjliggör mätning av vinkelhastighet genom att antingen analysera amplituden eller frekvensen av den inducerade elektriska signalen.

Följande krets används för att mäta rotors hastighet genom att fokusera på amplituden av den inducerade spänningen. Först rektifieras de inducerade spänningarna för att konvertera dem från växelström till likström. Därefter passerar de rektifierade spänningarna genom en kondensatorfilter, vilket effektivt jämnar ut svallvågorna i den rektifierade spänningsformen, vilket ger en mer stabil och exakt mätning av den inducerade spänningens amplitud relaterad till axelns rotationshastighet.

Drag Cup Rotor AC Generator
Den drag cup-typen A.C tachometer visas i figuren nedan.

• Struktur och Karakteristika av Växelströms Tachometergenerator
  Statorn i den växelströms tachometergenerator är utrustad med två distinkta vindningar: referensvindningen och kvadraturvindningen. Dessa vindningar är placerade vid en 90-graders vinkel till varandra, vilket är en nyckelaspekt av generatorns design för noggrann drift. Tachometers rotor är tillverkad av ett tunnt aluminiumfat och är belägen inuti fältskonstruktionen.
  Byggd av ett mycket induktivt material, visar roten låg tröghet, vilket möjliggör snabba svar på förändringar i rotationshastighet. Ett elektriskt ingångssignal levereras till referensvindningen, medan utsignalet hämtas från kvadraturvindningen. När roten roterar inom det magnetiska fältet inducerar den en spänning i sensorn (kvadratur)vindning. Storleken på denna inducerade spänning är direkt proportionell mot rotationshastigheten på roten, vilket etablerar en tillförlitlig mekanism för att mäta vinkelhastighet.
  Fördelar
  Svallfri utmatning: Drag cup-tachogeneratorn är känd för att producera en utmatningsspanning som är fri från svall. Denna släta utmatning säkerställer mer exakta och konsekventa hastighetsmätningar, vilket gör den väl lämpad för tillämpningar där precisa hastighetsövervakningar är viktiga.
  Kostnadseffektiv: En annan betydande fördel är dess relativt låga kostnad. Denna prisvärdhet gör drag cup-tachogeneratorn till en attraktiv alternativ för en mängd olika tillämpningar, särskilt de där kostnadseffektivitet är en prioritering utan att offra grundläggande funktionalitet.
  Nackdel
  Dock har drag cup-tachogeneratorn en markant begränsning. När roten snurrar vid höga hastigheter uppstår ett icke-linjärt förhållande mellan utmatningsspanningen och inmatningshastigheten. Denna icke-linjäritet kan leda till fel i hastighetsmätningen om den inte hanteras korrekt, vilket potentiellt begränsar generatorns användning i scenarier som kräver höghastighet och högprecision i rotationshastighetsmätning.