Електричний тахометр

Визначення і типи тахометрів

Визначення

Тахометр — це пристрій, який використовується для вимірювання обертальної швидкості або кутової швидкості машини, до якої він під'єднаний. Його робота заснована на принципі відносного руху між магнітним полем і валом з'єднаного пристрою. Коли вал обертається, цей відносний рух індукує електромотивну силу (ЕМС) у катушці, розташованій в постійному магнітному полі постійного магніта. Амплітуда індукованої ЕМС прямо пропорційна обертальній швидкості вала, що дозволяє вимірювати швидкість машини.

Типи тахометрів

Тахометри можна загалом поділити на дві категорії: механічні та електричні.

• Механічний тахометр: Цей тип тахометра вимірює швидкість вала в обертах за хвилину (О/Х). Він надає безпосереднє механічне показання обертальної швидкості, часто через механічне з'єднання та стрілку на каліброваному циферблаті.

• Електричний тахометр: Електричний тахометр перетворює кутову швидкість на електричний напругу. Порівняно з механічними тахометрами, електричні тахометри мають ряд переваг, таких як вища точність, легша інтеграція з електронними системами керування, а також можливість передачі інформації про швидкість на більші відстані. Тому вони широко використовуються для вимірювання обертальної швидкості валів. Залежно від природи індукованої напруги, електричні тахометри можна поділити на два підтипу:

• Генератор тахометра зі струму перемінного струму

• Генератор тахометра зі струму постійного струму

Генератор тахометра зі струму постійного струму

Генератор тахометра зі струму постійного струму складається з кількох ключових компонентів: постійного магніта, якоря, колектора, щіток, змінного резистора та вольтметра з рухомою катушкою. Для вимірювання швидкості машини її вал з'єднують з валом генератора тахометра зі струму постійного струму.

Принцип роботи генератора тахометра зі струму постійного струму заснований на електромагнітній індукції. Коли замкнута провідна петля рухається в магнітному полі, в провіднику індукується ЕМС. Амплітуда індукованої ЕМС визначається двома факторами: кількістю магнітного потоку, пов'язаного з провідником, та обертальною швидкістю вала. Коли вал обертається, якорь в генераторі тахометра зі струму постійного струму рухається в магнітному полі постійного магніта, генеруючи ЕМС, яка пропорційна швидкості вала. Ця індукована ЕМС потім перетворюється на напругу постійного струму за допомогою колектора та щіток, яку можна виміряти вольтметром з рухомою катушкою або подальше обробити електронними схемами для різних застосувань.

Робота та функціонування генератора тахометра зі струму постійного струму

У генераторі тахометра зі струму постійного струму якорь обертається в незмінному магнітному полі постійного магніта. Коли якорь обертається, відбувається електромагнітна індукція, що індукує електромотивну силу (ЕМС) у катушках, намотаних на нього. Значно, амплітуда цієї індукованої ЕМС прямо пропорційна обертальній швидкості вала, до якого прикріплений якорь; чим швидше обертається вал, тим більша індукована ЕМС.

Колектор разом з щітками відіграє ключову роль в роботі генератора. Він перетворює струм перемінного струму, генерований в катушках якоря, на струм постійного струму. Це перетворення необхідне, оскільки воно дозволяє більш просте та стабільне вимірювання електричного сигналу. Вольтметр з рухомою катушкою потім використовується для вимірювання індукованої ЕМС, надаючи кількісний вивід, який відповідає обертальній швидкості вала.

Зверніть увагу, що полярність індукованої напруги несе важливу інформацію. Вона визначає напрямок руху вала. Наприклад, позитивна полярність може свідчити про обертання за годинниковою стрілкою, а негативна полярність — проти годинникової стрілки. Для захисту вольтметра та забезпечення точних вимірювань, опір підключається послідовно з ним. Цей резистор обмежує потік потенційно великого струму, генерованого якорем, запобігаючи пошкодженню вимірювального пристрою та зберіганню цілісності процесу вимірювання.

ЕМС, індукована в генераторі тахометра зі струму постійного струму, може бути виражена наступною формулою:

Де, E — генерована напруга
Ф — потік на полюси в Веберах
P — кількість полюсів
N — швидкість в обертах за хвилину
Z — кількість провідників в якорних обмотках.
a — кількість паралельних шляхів в якорних обмотках.

Переваги та недоліки генератора тахометра зі струму постійного струму та огляд генератора тахометра зі струму перемінного струму
Переваги генератора тахометра зі струму постійного струму

Генератор тахометра зі струму постійного струму має кілька значних переваг, які викладені нижче:

• Показник напрямку обертання вала: Полярність індукованих напруг служить ясним індикатором напрямку обертання вала. Ця характеристика надає цінну інформацію про обертальну динаміку вимірюваної машини, дозволяючи операторам ефективніше контролювати систему.

• Використання стандартного вольтметра: Для вимірювання індукованої напруги можна використовувати стандартний вольтметр постійного струму. Ця простота вимірювального обладнання зменшує складність та вартість встановлення системи вимірювання, роблячи її доступною та легкою для використання в широкому спектрі застосувань.

Недоліки генератора тахометра зі струму постійного струму

Незважаючи на свої переваги, генератор тахометра зі струму постійного струму також має певні недоліки, які треба враховувати:

• Потреба у технічному обслуговуванні: Колектор та щітки, які є ключовими компонентами для перетворення струму перемінного струму, генерованого в якорі, на струм постійного струму, потребують періодичного обслуговування. З часом ці компоненти можуть зазнати виснаження через механічне тертя та електричну дугу, що призводить до зниження продуктивності та потенційних відмов, якщо їх правильно не обслуговувати.

• Проблеми з опором виходу та входу: Опор генератора тахометра зі струму постійного струму зазвичай вищий порівняно з опором входу. У ситуаціях, коли великий струм індукується в провіднику якоря, це може призвести до деформації постійного магнітного поля постійного магніта. Така деформація може призвести до неточностей в вимірюванні індукованої ЕМС та, внаслідок цього, помилок в визначенні обертальної швидкості вала.

Генератор тахометра зі струму перемінного струму

Залежність генератора тахометра зі струму постійного струму від колекторів та щіток призводить до ряду обмежень. Для вирішення цих проблем був розроблений генератор тахометра зі струму перемінного струму. Генератор тахометра зі струму перемінного струму має нерухомий якорь та обертаючеся магнітне поле. Цей дизайн усуває потребу у колекторах та щітках, таким чином подолуючи багато проблем з технічним обслуговуванням та продуктивністю, пов'язаних з генераторами тахометра зі струму постійного струму.

Коли обертаючеся магнітне поле взаємодіє з нерухомими катушками статора, індукується електромотивна сила (ЕМС). Як амплітуда, так і частота індукованої ЕМС прямо пов'язані зі швидкістю вала. Цей зв'язок дозволяє вимірювати кутову швидкість, аналізуючи амплітуду або частоту індукованого електричного сигналу.

Наступна схема використовується для вимірювання швидкості ротора, зосереджуючись на амплітуді індукованої напруги. Спочатку індуковані напруги ректифікуються, щоб перетворити їх зі струму перемінного струму на струм постійного струму. Потім ректифіковані напруги пройшли через фільтр конденсатора, який ефективно згладжує ряби в ректифікованій напругі, забезпечуючи більш стабільне та точне вимірювання амплітуди індукованої напруги, пов'язаної з обертальною швидкістю вала.

Генератор тахометра зі струму перемінного струму з ротором-чашею
Тахометр зі струму перемінного струму з ротором-чашею показаний на малюнку нижче.

• Структура та характеристики генератора тахометра зі струму перемінного струму
  Статор генератора тахометра зі струму перемінного струму оснащений двома окремими обмотками: референтною обмоткою та квадратурною обмоткою. Ці обмотки розташовані під кутом 90 градусів один до одного, що є ключовим аспектом дизайну генератора для точного функціонування. Ротор тахометра виготовлений з тонкої алюмінієвої чаші та розташований всередині магнітної структури.
  Ротор, виготовлений з матеріалу з високою індуктивністю, має низьку інерцію, що дозволяє йому швидко реагувати на зміни обертальної швидкості. Електричний сигнал подається на референтну обмотку, а вихідний сигнал отримують з квадратурної обмотки. Коли ротор обертається в магнітному полі, він індукує напругу в обмотці зондування (квадратурній). Амплітуда цієї індукованої напруги прямо пропорційна обертальній швидкості ротора, що створює надійний механізм для вимірювання кутової швидкості.
  Переваги
  Відсутність рябів у виході: Генератор тахометра з ротором-чашею відзначається відсутністю рябів у вихідній напругі. Цей гладкий вихід забезпечує більш точні та стабільні вимірювання швидкості, що робить його добре придатним для застосувань, де необхідне точне вимірювання швидкості.
  Економічність: Іншим значним перевагою є його відносно низька вартість. Ця доступність робить генератор тахометра з ротором-чашею привабливим варіантом для широкого спектра застосувань, особливо там, де економічність є пріоритетом без втрати базової функціональності.
  Недолік
  Однак, генератор тахометра з ротором-чашею має значний недолік. Коли ротор обертається на високій швидкості, виникає нелінійний зв'язок між вихідною напругою та вхідною швидкістю. Ця нелінійність може призвести до неточностей у вимірюванні швидкості, якщо це не враховується, що може обмежити використання генератора в ситуаціях, які вимагають високій швидкості та високої точності вимірювання обертальної швидкості.