8.2. Аналоговые тахометры

Тахогенераторы, аналоговые индукционные тахометры, получили наибольшее применение для измерения скорости вращения электроприводов в ЦБП. Тахогенераторы состоят из датчиков в виде генераторов постоянного или переменного тока.

Принцип устройства тахогенераторов постоянного тока схематично изо­бражен на рис. 8-1. Тахогенераторы постоянного тока имеют возбуждение от постоянного магнита (рис. 8-!, а) или от внешнего источника постоянного тока (рис. 8-1,6). Вращающийся ротор имеет обмотку, концы которой подве­дены к коллектору. Их чувствительность по напряжению к скорости враще­ния S_n> равная

_5л_^вых_, (8-1)

п

составляет около 10 мВ/об/мин. Для измерения их чувствительности исполь­зуются магнитные шунты.

Эти приборы применяются для измерения как величины скорости, так н направления вращения. Погрешность преобразования скорости в напряжение постоянного тока не более ±(0,8—1)%-

При нагрузке Я_и тахогенератора отклонение его характеристики от ли­нейной (8-1) вследствие реакции якоря может доходить до 1—2 % (рис. 8-2).

W 20

П, oS/muh

Рис. 8-2

W(p)

(8-2)

При использовании тахогенераторов в динамических системах управления необходимо учитывать их динамические характеристики. Передаточная функ­ция для тахогенератора постоянного тока соответствует передаточной функ­ции апериодического звена

Тр+1

Существенными недостатками этого типа тахометров являются высокий уровень шумов на выходе и пульсация выходного напряжения в цепи пре­образования коллектора. Кроме того, на их показания влияют нестабильность магнитного поля во времени и температурные воздействия.

Некоторые разновидности принципов устройства тахогенераторов пере­менного тока приведена на рис. 8-3. Тахогенератор первого типа (рис. 8-3, а) имеет вращающийся магнит У; в обмотке 2 статора 3 возникает напряжение переменного тока, пропорциональное скорости вращения.

Второй тип тахогенератора, показанный на рис. 8-3, б, также преобра­зует угловую скорость вращения в переменный ток. Тахогенератор состоит из статора с постоянным магнитом 1, обмоткой 2 и ротора (якоря) 5 из же­леза или другого материала с высокой магнитной проницаемостью. При вра­щении якоря магнитный поток, проходящий через неподвижную катушку, попеременно то увеличивается, то уменьшается, изменяя выходное напряже­ние обмотки 2.

Третий тип тахогенератора переменного тока (рис. 8-3, в) представляет собой асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором. Ротор выполня­ется в виде полого алюминиевого цилиндра.

На статоре (рис. 8-3, в) расположены две пары обмоток W% и W₂, сдви­нутые на угол 90°, одна из них присоединена к цепи питания переменного тока, другая — измерительная. При неподвижном роторе в обмотках W₂ не наводится ЭДС вследствие отсутствия магнитной связи. Вращение ротора при­водит к явлению известному под названием реакции якоря, из-за которой по­являются в теле ротора переменные вихревые токи, пропорциональные потоку обмоток Wi и скорости вращения якоря. Вихревые токи создают магнитный поток перпендикулярный оси обмоток №i. Величина этого потока, а следова­тельно, и наводимая потоком в обмотках W% выходная ЭДС пропорциональна

286

287

скорости вращения. Частота выходного сигнала равна частоте питающего на­пряжения. Фаза выходного напряжения при изменении направления враще­ния меняется на 180°. Погрешности тахогенераторов переменного тока оце­ниваются величиной порядка ±0,1 %. На погрешность измерения скорости вращения влияет нестабильность магнитных полей (колебания напряжения питания) и температурные поля.

Статические и динамические характеристики тахогенераторов перемен­ного тока аналогичны характеристикам тахогенераторов постоянного тока. Пределы измерения скорости тахогенераторами переменного тока значительно больше, чем для тахогенераторов постоянного тока (до 300 об/с и более). Более подробно с тахогенераторами можно ознакомиться, например, в ра­боте [46].

Тахометры с вращающимся магнитным полем нашли широкое распространение в практике измерения скорости вращения в произ­водственных условиях и на движущихся объектах. Они основаны на сило­вом взаимодействии поля постоянного магнита и вихревых токов, возникаю­щих в металлическом теле и увлекающих его. Устройство подобных тахомет­ров представлено на рис. 8-4.

Постоянный магнит 7 жестко соединен с валом 5, вращение которого измеряется. В поле вращающегося постоянного магнита с магнитопроводом 8 расположен алюминиевый стакан 9, укрепленный на оси 6. На этой же оси, вращающейся вместе со стаканом, укреплены подвижные концы противодей­ствующих спиральных пружин 10. Вторые концы пружины закреплены не­подвижно. При вращении магнита в стакане индуцируются ЭДС, создающие вихревые токи. Силы взаимодействия токов с магнитным полем заставляют стакан вращаться в направлении вращения магнита. Этому вращающему моменту противодействует момент пружин. Равенство вращающего и про­тиводействующего моментов отмечается установившимся отклонением стрелки 11. Последняя на равномерной шкале 2 указывает измеренную скорость. Весь прибор с помощью подшипников 4 крепится на валу в корпусе 3 с защит­ным стеклом 1.

Статическая характеристика та­хометра с вращающимся магнитным полем

S_a = aJn = R/W₉ (8-3) где а — угол поворота стрелки; п — число оборотов магнита; IF—удель­ный противодействующий момент пру­жин; R —■ коэффициент вязкого тре­ния.

Передаточная функция подобного тахометра соответствует передаточной функции колебательного звена вида

W (р) = ^ , (8-4)

T²₂p²+T_lP+\

где постоянные времени имеют порядок Г2=0,007-^0,03 с; 7\=О,02ч-О,3 с.

Погрешности тахометров с вращающимся магнитным полем вызываются наличием сухого трения в системе и влиянием температуры окружающей среды. Сухое трение создает зону нечувствительности. Влияние температуры приводит к изменениям вязкого трения, сопротивления материала стакана и магнитного потока постоянного магнита. Основная приведенная погрешность этих приборов составляет примерно ±1 %.

Аналоговые емкостные тахометры, содержащие емкостные преобразователи, реже находят применение в технических устройствах для измерения скорости вращения. При изменении емкости С конденсатора, к ко­торому приложено постоянное напряжение U, его зарядный или разрядный ток изменяется пропорционально скорости изменения емкости (см. в табл. 8-1 рис. 4-1)

dt

dq dC

« = — = £/ , . (8-5)

dt

где q — заряд конденсатора.

(8-6)

Если емкость изменяется пропорционально перемещению S, т. е. С—kS_t то

Ш — = kUv dt

В емкостных контактных тахометрах (рис. 8-5, а) средний ток в изме­рительном устройстве (ИУ) согласно (8-6) пропорционален скорости враще­ния v. В тахометрах рис. 8-5, б полярность выходного напряжения изменяется

Заказ № 301 289

при перемене направления вращения, а ИУ показывает скорости и направ­ления вращения объекта.

Погрешности аналоговых емкостных тахометров определяются колеба­ниями напряжения питания и влиянием температуры. При исключении этих погрешностей добиваются сравнительно высокой точности аналоговых емко­стных преобразователей скорости вращения в выходное напряжение. Напри­мер, при стабилизированном источнике питания их основная приведенная по­грешность равна ±0,3 %.

Указанные погрешности отсутствуют в емкостных тахометрах с исполь­зованием частотного выходного сигнала (см. 9.4).

Механические измерительные устройства, пред­назначенные для измерения направления и скорости

поступательного движения массы, специально разработанные для ЦБП, применя­ются для визуального измерения направления и скоростей водно-волокнистой суспензи в напор­ных ящиках бумагоделательных машин.

Измеритель направлений (рис.8-6) состоит из корпуса 2,. жестко соединенного с трубкой 1 и плитой 3, на которой закреплен лимб 4. В трубке свободно вращается ось € с флажком-датчиком 7 и совмещенной с ним по направлению стрелкой 5. На лимбе нанесена шкала с ценою деления Г.

_I

7

Для измерений прибор устанавливают таким образом, чтобы нулевая отметка лимба совпадала с продольной осью бумагоделательной машины. Флажок прибора, находящийся в бумажной массе, принимает при этом направление движущегося потока. Угол поворота стрелки 5, отсчитанный по шкале лимба 4, определяет направление течения относительно продольной оси машины.

Рис. 8-6

Измеритель скорости состоит из основания, жестко соединенного с трубкой и упорной стой­кой. На трубке подвижно закреплен корпус <с флажком, держателем плоской спиральной пружины и шкалой. Упорная стойка, находящаяся в пазе корпуса, обеспечивает возможность его поворота относительно основания и флажка на 90° так, чтобы флажок воспринимал воздействие Потока, пропорциональное его скорости.

Величина угла отклонения зависит от жесткости пружины, скорости по­тока и размеров флажка. По углу отклонения с помощью градуировочной кривой определяется скорость течения массы в напорном ящике [19].