5_Методы измерения частоты

Лабораторная работа №5

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Цель работы: изучение методов измерения частоты вращения тел и частот синусоидальных колебаний.

Оборудование: механический тахометр, стробоскоп, фотостроботахометр, цифровой частотомер, двухканальный осциллограф, двигатель с программируемым регулятором частоты.

Краткая теория

Вращательное движение широко используется в технике (всевозможные валы двигателей, турбин и передаточных механизмов). Равномерное вращательное движение обладает повторяемостью во времени и по этому свойству близко периодическим колебательным процессам, которые также широко распространены. Необходимость контролировать состояния технических устройств привела к развитию различных методов измерения частот и скоростей вращающихся тел и частотных характеристик колебательных систем.

Угловые частоты и скорости вращения чаще всего определяют косвенно – путем использования тех или иных преобразователей механической величины в электрическую. Угловые скорости вращения можно измерять при помощи абсолютного метода, определив полное число оборотов вала в течение соответствующего промежутка времени, а также при помощи измерительных средств, позволяющих применить метод сравнения числа оборотов испытываемого вала с известной частотой какого-либо устойчивого и независимого периодического процесса.

Большинство тахометров имеют приводной вал, воспринимающий вращательное движение от испытываемого устройства, или дистанционный электрический датчик.

При помощи тахометра обычно измеряют среднюю скорость вращения, постоянную в заданном промежутке времени. Угловая скорость вращения , которая в технике измеряется числом оборотов в минуту, очень просто связана с частотой вращения (с-1):

60 f или f .

60

Современные технические устройства охватывают диапазон вращения механических деталей примерно до =200000 об/мин. Электрические приборы измерения скоростей вращения можно разделить на две основные группы:

а) приборы, измеряющие электрическое напряжение того или иного датчика,

пропорционально угловым скоростям, т.е. u k1 ;

б) приборы, измеряющие частоту переменного тока в датчике, пропорциональную измеряемой угловой скорости, т.е. f k2 .

Особенный интерес представляют приборы и методы, основанные на измерении частоты электрических сигналов датчика. По принципу действия эти приборы в большинстве случаев являются частотомерами.

Наибольшая точность измерения (до 0,001 %) может быть достигнута при использовании быстродействующих электронно-счетных схем. Принятый в этих приборах частотный метод измерения исключает возможность внесения дополнительных погрешностей датчиком и линией передачи, т.к. частота сигнала определяется лишь угловой скоростью вращения и конструкцией задающего элемента датчика. При этом датчики оборотов могут использовать различные физические принципы – существуют

1

датчики индукционные, фотоэлектрические, емкостные, индуктивные, радиоактивные и т.д.

Ниже приведены описания приборов, использующихся в данной работе для измерения скорости вращения, а также частот колебаний.

1. МЕХАНИЧЕСКИЙ ТАХОМЕТР.

В тахометрах подобного типа счетчик оборотов периодически на определенное время механически соединяет стрелку прибора с валом В, скорость вращения которого измеряется (см. рис. 1).

При помощи таких тахометров находят скорость

ГВ вращения мотора за некоторый определенный

промежуток времени, где u – число оборотов вала, скорость вращения которого измеряется за время t.

ср u .

t

За время измерения стрелка прибора успевает переместиться на угол, пропорциональный скорости

Квращения и задерживается в этом положении до окончания измерения. Преимущество тахометра

высокой точности измерения. Существенным недостатком подобного тахометра являются трудности непрерывного измерения скорости вращения, ограничивающие его применение для измерения изменяющейся во времени скорости вращения.

Используемый в работе тахометр ИО-30 предназначен для измерения скоростей вращения в пределах 20-30000 об./мин. на трех диапазонах: 30-300 об/мин.; 300-3000 об/мин.; 3000-30000 об/мин. Установка требуемого диапазона осуществляется поворотом головки Г выходного вала В. Скорости вращения следует измерять кратковременно (4-5 секунд). Скорости переключать только у отключенного от вращающегося вала тахометра. Если скорость вращения вала неизвестна, то необходимо установить диапазон 3000-30000 об./мин. Если для этого диапазона стрелка не отклоняется, то необходимо перейти на следующий диапазон и т.д.

2. СТРОБОСКОП И ФОТОСТРОБОТАХОМЕТР

Стробоскопический способ измерения скоростей вращения не требует механического контакта при измерении скоростей вращения. Стробоскопический эффект заключается в кажущейся неподвижности вращающихся деталей объекта наблюдений в случае, если частота периодических «вспышек» освещения совпадает или кратна частоте вращения, т.е.

где k – коэффициент кратности;

– частота измеряемого вращения (число оборотов) объекта;св.имп. – частота следования световых импульсов.

В работе используется школьный стробоскоп и цифровой фотостроботахометр.

2

Описание прибора

Назначение

Фототахометр-стробоскоп АТТ-6002 совмещает в себе функции цифрового фототахометра и цифрового стробоскопа и предназначен для измерения частоты вращения частей двигателя, турбин и других объектов бесконтактным способом, а также линейной скорости перемещения деталей в процессах наладки, ремонта механизмов и лабораторных исследованиях.

Принцип действия в режиме фототахометра основан на облучении светом вращающегося предмета и приеме датчиком фотоэлемента светового сигнала от вращающегося вместе с предметом предварительно наклеенного на него светоотражающего маркера.

Характеристики фототахометра

* Погрешность измерений нормирована как ±(% от измеренного значения + п единиц младшего разряда (е.м.р.) индикатора тахометра)

3

Примечание.

Если измеряемое значение частоты вращения очень мало (например, ниже 50 об/мин), то рекомендуется приклеить на ротор большее количество светоотражающих меток, размещая их приблизительно на равном расстоянии друг от друга. Это позволит получить значение частоты вращения с большей точностью и разрешением при меньшем времени измерения. Для получения действительного значения скорости необходимо значение скорости, полученное на дисплее, разделить на количество наклеенных меток.

Работа в режиме стробоскопа

1.Отделить небольшой кусок светоотражающей ленты и полученную метку наклеить на ротор, частоту вращения которого нужно измерить. Запустить двигатель.

2.Установить переключатель (9) в одно из трех положений: 1000 RPM (100—1000 RPM), 10000 RPM (1000—10000 RPM) или 100000 RPM (10000—10000 RPM).

Примечание: RPM — цикл /мин

3.Нажать кнопку (5) и направить луч стробоскопа на вращающийся объект.

4.Вращением ручек (7) и (8) добиться кажущейся остановки метки на вращающемся объекте. Следует иметь в виду, что кажущаяся остановка вращения наблюдается при соотношении частоты вращения и частоты вспышек луча кратном целому числу (2:1, 3:1, 4:1 и т.д.). Для обеспечения правильности измерений нужно добиться появления двух изображений метки, которые наблюдаются при частоте вращения, в два раза меньшей частоты вспышек. После этого нужно уменьшить частоту вспышек вращением регуляторов (7) и (8) до появления одного неподвижного изображения метки. В этом случае значение частоты, индицируемое на дисплее, будет равно частоты вращения.

5.Для визуального контроля особенностей движения необходимо провести операции, описанные в п.п. 1—4. Затем нужно слегка увеличить или уменьшить частоту вспышек вращением регуляторов (7) и (8), что позволит наблюдать медленное движение.

Вызов измеренных значений из памяти (только в режиме тахометра)

Минимальное, максимальное и последнее показание автоматически сохраняются в памяти в процессе измерений. Эти значения могут быть вызваны в любое время нажатием клавиши вызова значений из памяти (клавиша 6 на рис. 1).

Рис. 3 Чтобы вызвать сохраненные в памяти значения, необходимо:

а) отпустить клавишу включения измерений (5); б) нажать клавишу вызова значений из памяти (6) — на дисплее появится символ

«LA» и высветится последнее измеренное значение;

в) нажать клавишу вызова значений из памяти (6) еще раз — на дисплее появится символ «UP» и высветится максимальное измеренное показание;

г) еще раз нажать клавишу вызова значений из памяти (6) — на дисплее появится

5

символ «DN» и высветится минимальное измеренное показание.

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

/!\ Соблюдайте меры предосторожности!

1.Перед началом использования прибора внимательно ознакомьтесь с настоящим руководством по эксплуатации;

2.Не используйте прибор при наличии видимых повреждений;

3.Ремонт и обслуживание прибора может производиться только квалифицированным специалистом сервисного центра;

4.Используйте только те принадлежности, которые предназначены для применения с данным прибором;

5.Прибор обеспечивает измерение частоты вращения бесконтактным способом. Однако, следует помнить, что вращающиеся механизмы являются источниками повышенной опасности и контакт с ними может привести к тяжелой травме. Поэтому наклеивание меток и проверку прохождения меток через световой луч нужно делать только при выключенном двигателе и после полной остановки ротора.

3. ЦИФРОВОЙ ЧАСТОТОМЕР

Описание прибора

Назначение

Частотомер АСН-2500 предназначен для измерения частоты синусоидальных сигналов и измерения периода синусоидальных сигналов.

Условия эксплуатации

1.Питающие и входные напряжения, температура хранения и эксплуатации в соответствии с общим разделом технических характеристик.

2.Относительная влажность не более 90% при температуре 25°С.

3.Атмосферное давление от 495 до 795 мм рт. ст.

4.В помещениях хранения и эксплуатации не должно быть пыли, паров кислот, щелочей, а также газов, вызывающих коррозию.

5.Не допускаются падения и вибрация.

6.После пребывания в предельных условиях (хранения, транспортировки) время выдержки прибора в нормальных (эксплуатационных) условиях не менее 2-х часов.

Технические характеристики

Общие характеристики

6

* е. м. р. – единица младшего разряда индикатора

Разрешение и время измерения

7

свидетельствует о готовности частотомера к проведению измерений.

2.Установите переключателем 11 необходимый режим измерений.

3.Подайте входной сигнал на Вход А или В, если частота превышает 10 МГц, или на Вход С, если проводится измерение периода сигнала или частоты до 10 МГц.

4.Установите переключатель чувствительности (13 или 14) в положение HIGH (высокая чувствительность) или NORMAL (нормальная чувствительность).

5.Переключателем ВРЕМЯ СЧЕТА (12) установите требуемые время счета и разрешение. Если переключатель (12) установлен в положение SLOW (медленно) нажатие на кнопку RESO. (разрешение) позволяет выбрать дополнительно еще два разрешения в соответствии с таблицей пункта 2.2. При первом нажатии на кнопку

(8) на дисплей выводится «--SEL.1--», при повторном нажатии – «--SEL.2--», третье нажатие выключает дополнительное разрешение.

Режим удержания показаний

Для включения режима HOLD нажмите кнопку 6. При этом на индикатор будут попеременно выводится надпись «--HoLd--» и удерживаемое значение измеряемой величины. Повторное нажатие на кнопку (6) переводит частотомер в режим измерений.

Относительные измерения

В этом режиме можно измерять отклонение текущей частоты от начальной.

Для включения режима нажмите кнопку «REL» (7) при этом запоминается текущее значение частоты, индикатор обнуляется, появляется индикация «REL» и до повторного нажатия на кнопку (7) на дисплее отображается отклонение частоты с учетом знака.

Замечание: в режимах удержания показаний и записи в память режим относительных измерений не работает.

Запись в память

Функция DATA RECORD позволяет отобразить на дисплее максимальное, минимальное и среднее значение из 10 измерений. Для включения этого режима нажмите кнопку «RECORD» (9) при этом в правом верхнем углу появится надпись «R.C.» Для вызова из памяти значений нажмите кнопку «CALL» (10). После первого нажатия на кнопку (10) и появления сообщения «--HI--» на дисплей выводится максимальное значение, надпись «REC» при этом мигает. Повторное нажатие на кнопку «CALL» выводит минимальное значение после индикации «--Lo--». Еще одно нажатие выводит среднее значение, которое может изменяться после каждых десяти измерений. Четвертое нажатие на кнопку «CALL» останавливает мигание надписи «REC». Повторное нажатие на кнопку «RECORD» выключает режим записи в память.

Измерение периода

Подключите входной сигнал к входу С.

Установите переключатель пределов (11) в положение PERIOD. На дисплее появятся показатели размерности:

«-S» – соответствует миллисекундам, «mS» – соответствует микросекундам.

Если отсутствует входной сигнал – индицируется переполнение.

Автовыключение питания

Частотомер автоматически выключается, если в течение 30 минут не было ни одного переключения органов управления и изменение измеряемой величины не превышало 10 единиц.

9

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

/!\ Соблюдайте меры предосторожности!

1.Перед началом использования прибора внимательно ознакомьтесь с инструкцией.

2.Не используйте прибор при наличии видимых повреждений.

3.Ремонт и обслуживание прибора может производиться только квалифицированным специалистом сервисного центра.

4.Перед подключением прибора к электрической сети, соблюдайте все известные меры предосторожности во избежание поражения электрическим током.

5.Используйте только те принадлежности, которые предназначены для применения с данным прибором.

6.При проведении замены источника питания отсоедините все измерительные провода от прибора.

7.Превышение максимальных входных напряжений может привести к неисправности прибора.

8.Не используйте прибор при разряженных элементах питания. Это может привести к неисправности прибора.

4. ДВИГАТЕЛЬ С ПРОГРАММИРУЕМЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ЧАСТОТЫ

Представляет собой трёхфазный электродвигатель, подключённый к программируемому регулятору частоты E3-8100K-SP5L фирмы «ВЕСПЕР».

Рис. 5. Двигатель с регулятором частоты.

10