41

ВСТУП

Вимірювання фізичних величин – основа наукових експериментів, комплексних випробувань і вимірювань в усіх сферах людської діяльності.

Значущість вимірювання в технічному аспекті визначається забезпеченням одержання кількісної інформації про об’єкт дослідження, без якої неможливо точно відтворити всі задані умови технологічного процесу, забезпечити високу якість виробу.

Загальний рівень розвитку науки та техніки, технічний процес у всіх галузях народного господарства завжди визначався і визначатиметься рівнем розвитку вимірювальної техніки.

Цифровими називаються такі вимірювальні прилади, в яких вимірювана величина автоматично в результаті квантування, дискретизації, порівняння, цифрового кодування і відповідних обчислень поступає у вигляді коду, що виражає значення цієї величини.

Цифрові засоби вимірювальної техніки виникли через потреби практики в суттєвому підвищенні точності, швидкодії і чутливості засобів вимірювань. У свою чергу, їх висока швидкодія та точність привели до нагромадження великих масивів даних про результати вимірювань, що стимулювало здійснення повної автоматизації складних процедур прямих, опосередкованих, сукупних і сумісних вимірювань на основі засобів обчислювальної техніки.

Дуже важливим і необхідним приладом є тахометричний перетворювач. В сучасних вимірюваннях, в основному використовуються два види тахометричних перетворювачів — частотні та амплітудні, інформативними параметрами вихідного сигналу яких є, відповідно, частота (період) та амплітуда.

Нині найточнішими вважаються дискретні методи вимірювання кутової швидкості. Вони грунтуються на квантуванні сигналів за рівнем та дискретизації у часі.

Для більшості електродвигунів, які працюють у різноманітних пристроях автоматики, системах точних електроприводів, різноманітних побутових пристроях, динамічний режим є основним режимом їх роботи.

Широке застосування математичних моделей електродвигунів обумовлює необхідність перевірки їх адекватності. Це краще за все робити шляхом порівняння розрахункової динамічної характеристики з експериментальною.

В останній час з’явилось багато наукових праць, що присвячені ідентифікації параметрів електродвигунів за їх математичними моделями, що дозволяє значно скоротити час їх випробувань. Використовуємі при цьому алгоритми обумовлюють необхідність високоточного вимірювання динамічних характеристик електромеханічних перетворювачів енергії.

Специфічною особливістю тахометрії є вимога високої точності вимірювання: в більшості випадків вимірювання швидкостей повинні виконуватись з точністю на один-два порядку вище, ніж вимірювання інших параметрів руху. В останній час ця вимога накладається ще на динамічний режим роботи тахометра, обумовлюючи ще одну вимогу — високу швидкодію.

Незважаючи на те, що відома велика кількість різноманітних тахометрів, тахометричних перетворювачів, багато з яких може бути застосовано для динамічних вимірювань, вітчизняна промисловість таких пристроїв не випускає. Це обумовлює необхідність розробки нових високочастотних пристроїв для вимірювань швидкості.

У даній курсовій роботі розробляється цифровий тахометр, у якого первинним перетворювачем є фотоелектричний сенсор, а вторинним - цифровий частотомір середніх значень. Також проведено огляд методів та засобів вимірювання числа обертів та розробку структурної схеми приладу [1].

1 Огляд тахометричних перетворювачів

1.1 Загальні відомості

Для перетворення неелектричної величини кутової швидкості (чи частоти обертання) в електричний сигнал використовують тахометричні перетворювачі (ТП), які в більшості відносяться до генераторних вимірювальних перетворювачів.

Тахометр — прилад, призначений для вимірювання числа обертів деталей механізмів, що обертаються, в одиницю часу або лінійної швидкості.

Підрахунок здійснюється шляхом реєстрації кількості імпульсів, що надійшли від датчика, тривалості паузи між імпульсами, а також порядку надходження імпульсів від датчиків. Крім того, тахометр може бути використаний в якості лічильника імпульсів, наприклад, при підрахунку продукції на конвеєрі, витрат сировини, матеріалів, часу напрацювання устаткування, машин і механізмів при випробуваннях та обкатці. Підрахунок (вимір) здійснюється в прямому, зворотному або в обох напрямках. Виміряна величина може бути заздалегідь програмно масштабована в реальні одиниці виміру (години, хвилини, метри тощо).

Узагальнена структурна схема тахометричного перетворювача представлена на рисунку 1.1, з якого видно, що він представляється двоходовим перетворювачем. Енергія до нього підводиться від об’єкта вимірювання (ОВ) і від внутрішнього джерела енергії (ДЕ), що створює потік Ф. Цей потік модулюється модулятором (М) і поступає на приймач енергії (ПЕ), відповідний по фізичній суті ДЕ. На виході ПЕ буде модульований сигнал .

Рисунок 1.1 – Узагальнена структурна схема тахометричного перетворювача

Класифікація тахометрів представлена на рисунку 1.2. За видом сполучення з валом об’єкту вимірювання, тахометричні перетворювачі поділяються на контактні та безконтактні.

В безконтактних ТП на приймач енергії потрапляє відбитий від модулятора (вала) потік, і при цьому засіб вимірювання не змінює режиму роботи об’єкту вимірювання.

В свою чергу за величиною спожитої від ОВ енергії контактні ТП поділяються на енергоємні і неенергоємні (безмоментні). Наприклад, якщо момент на валу ОВ рівний 10 Н∙м, то можна стверджувати, що даний ТП неенергоємний і не спотворює режиму роботи електродвигуна.

За видом внутрішнього джерела енергії, що створює потік Ф ТП діляться на перетворювачі:

- з джерелом випромінювання змінного електромагнітного поля, які за частотним діапазоном діляться на низькочастотні і постійного струму, радіохвильові, оптичні і радіоактивного випромінювання;

Рисунок 1.2 – Класифікація тахометрів

- з джерелом електростатичного поля, які за видом перетворювачів діляться на ємнісні, п’єзоелектричні;

- з джерелом гідро аеродинамічного потоку – імпеллерні, гідродинамічні, і термоанемометричні;

- з джерелом електрохімічної енергії

- з джерелом механічної енергії, які за способом її перетворення поділяють диференціальні механічні ТП, електромеханічні, гіроскопічні, фрикційні, вібраційні, часові і оптико-механічні.

В залежності від того, який з параметрів вимірюється, розрізнюють цифрові тахометри середніх значень і цифрові тахометри миттєвого значення.

За інформаційним параметром сигналу , який буде вимірюватись вторинним пристроєм, тахометри поділяються на: ТП амплітудного перетворення, ТП частотно-часового перетворення і просторового кодування.

До амплітудних тахометричних перетворювачів відносяться тахогенератори змінного та постійного струму, фотоелектричні перетворювачі з просторовими фільтрами, амплітудні фотоелектричні перетворювачі та інші.

Тахогенераторами (ТГ) називаються електричні машини невеликої потужності, призначені для перетворення кутової швидкості в електричний сигнал. Тахогенератори представляють собою перетворювачі механічної енергії в електромагнітну.

За принципом дії і пристроєм тахогенератори бувають постійного і змінного струму (асинхронні). Тахогенератори (ТГ) постійного струму (ТГП) функціонально призначені для перетворення частоти обертання валу в пропорційну частоті вихідну напругу постійного струму. Вихідна напруга ТГ використовується для дистанційного виміру або індикації частоти обертання виконуючих механізмів і для вироблення керуючих сигналів в системах автоматичного регулювання. Тахогенератор постійного струму (рис. 1.3) бувають із збудженням від постійних магнітів і з електромагнітним збудженням.

Переваги тахогенераторів постійного струму – малі габарити і маса пр. значній вихідній потужності; можливість застосування збудження постійними магнітами, що дозволяє обійтися без джерела живлення для збудження тахогенератора.

Недоліки – наявність ковзаючого щітково-колекторного контакту, що знижує експлуатаційну надійністьі вносить додаткову погрішність.

Синхронний тахогенератор конструктивно подібний до однофазного синхронного генератора невеликої потужності з ротором у вигляді магніта – зірочки. Синхронні тахогенератори працюють (СТГ) працюють як звичайні синхронні генератори, що збуджуються постійними магнітами, розташованими на роторі. При обертанні ротора в обмотці статора індуктується ЕДС, діюче значення якої пропорційне частоті обертання. Головний недолік СТГ полягає в тому, що одночасно із зміною кутової швидкості обертання ротора, змінюється частота струму в статорі, змінюється індуктивний опір як самого тахогенератора так і навантаження, на яке він працює. Це призводить до спотворення вихідної характеристики СТГ, до появи значних амплітудних і фазових погрішностей.

Синхронні тахогенератори в системах автоматики застосовуються рідко. Їх в основному використовують для виміру частот обертання різних машин і механізмів, підключаючи до вольтметрів з шкалою, від градуйованою в об/хв. В основному їх застосовують для виміру частоти обертання робочих механізмів.

Основним перевагами СТГ є порівняно велика потужність на виході, простота конструкції і висока надійність в роботі.

Тахогенератори змінного струму використовуються в автоматичних пристроях для перетворення частоти обертання в амплітуду змінної ЕРС. Найбільше розповсюдження серед генераторів змінного струму отримали асинхронні тахогенератори з ротором, конструкція яких не відрізняється від конструкції виконавчого електродвигуна з немагнітним ротором. Частота вихідного сигналу асинхронного тахогенераторане залежить від кутової швидкості (на відміну від інших типів тахогенераторів), і дорівнює частоті мережі живлення.

Асинхронний тахогенератор є двофазною асинхронною машиною дуже малої потужності, що працює в режимі збудження ОВ, включена в мережу змінного струму,а із затискачів іншої обмотки знімається вихідна напруга. Величина цієї напруги пропорційна частоті обертання ротора тахогенератора.

Перевага асинхронного генератора – відсутність ковзаючих контактів, що забезпечує йому експлуатаційну надійність і стабільність вихідної характеристики.

Недоліки – не лінійність вихідної характеристики, мала потужність на виході, підвищені габарити (більше ніж у тахогенераторів постійного струму в 2-3 рази).

Не зважаючи на перераховані недоліки, асинхронні тахогенератори застосовують в системах електроприводу, що пояснюється їх підвищеною експлуатаційною надійністю. Асинхронні тахогенератори застосовуються для виміру частоти обертання різних пристроїв, для отримання сигналу зворотного зв’язку, пропорційного частоті обертання, для виконання операцій диференціювання і інтеграції в схемах рахунково – вирішальних пристроїв і т. д.

ТП частотно-часового перетворення здійснюють перетворення вимірю-ваної кутової швидкості в послідовність імпульсів, частота слідування яких прямо пропорційна вимірюваній швидкості.

На основі ТП частотно-часового перетворення можливе створення як аналогових, так і цифрових тахометрів. Принцип дії цифрових тахометрів полягає у визначенні відношення:

де, відповідно кут та час повороту ТП, який встановлено на валу об’єкту вимірювання.

В залежності від того, який з вище вказаних параметрів вимірюється, розрізнюють цифрові тахометри середнього значення і цифрові тахометри миттєвого значення (періодоміри).

У цифрових тахометрах середніх значень методом підрахунку імпульсів визначають кут повороту вала об’єкту за зразковий інтервал часу, який задається зовнішнім зразковим генератором, тобто цифровий тахометр будується за схемою цифрового частотоміра середніх значень. Такі вимірювачі придатні тільки для статичних вимірювань кутової швидкості. Їх рівняння перетворення має вигляд:

де t₀ - зразковий часовий інтервал, що формує зразкова міра часу від цифрового частотоміра середніх значень; 𝜔 - виміряне значення кутової швидкості; N_c- код у двійковому лічильнику частотоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал t₀;

У цифровому тахометрі миттєвих значень здійснюється вимірювання часу повороту валу ТП на фіксований кут, тобто вимірюється період сигналу ТП шляхом квантуваня цього часового інтервалу імпульсами зразкової частоти від зовнішнього генератора. Цифровий тахометр будується за схемою цифрового періодоміра.Кутова швидкість визначається за співвідношенням:

де - відповідно миттєва кутова швидкість та миттєве кутове прискорення;t_в - час між двома вихідними імпульсами; f₀ - частота зразкового генератора; N_M - код у двійковому лічильнику періодоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал t_в;

Працює такий тахометр циклічно, в кінці кожного періоду вихідного сигналу ТП вимірювальна інформація передається та запам’ятовується у зовнішньому обчислювальному пристрої для визначення кутової швидкості.

Принцип дії гальваномагнітних ТП оснований на фізичному ефекті Гауса або Холла (магніторезистивний ефект), суть яких полягає в зміні фізичних властивостей провідників або напівпровідників при протіканні через них струму з одночасним впливом на них магнітного поля.

Елемент Холла або магніторезистор виконує роль чутливого елементу, напруга або опір якого змінюється при обертанні модулятора – магнітного або феромагнітного зубчатого диску. Зміна опору або напруги носить імпульсний характер, частота імпульсів прямо пропорційна кутовій швидкості.

Роздільна здатність гальваномагнітних ТП може бути доведена до 1000-15000 квант/мм. Діапазон вимірювання таких перетворювачів лежить в межах від 10 - 20000 об/хв. Також такі перетворювачі мають високу точність і швидкодію, похибка складає від 0.1 – 1%. Основним недоліком є пульсація вихідної ЕРС.

Однак їх використання обмежується достатньо складними електронними схемами зчитування і обов’язковим екрануванням від зовнішніх магнітних полів [2].