1 Датчик скорости

К общепромышленным приборам для измерения параметров движения относятся датчики скорости, применяемые при исследованиях, испытаниях и эксплуатации механизмов машин и сооружений.

Система, предназначенная для сушки твердых сыпучих материалов, предусматривает наличие датчика скорости для определения вращения барабана. Так как подача пара в барабан регулируется в зависимости от измеряемой влажности выходного продукта и зависит от производительности сушилки при различных скоростях барабана; скорость испарения на барабане также зависит от скорости самого барабана. Вращение барабана осуществляется электродвигателем со скоростью 4-5 об/мин, во избежании дальнейшего размельчения твердых сыпучих материалов.

Государственная система приборов предусматривает классификацию по определённым группам всех видов сигналов, которые можно получить при измерении большинства механических величин, физических и химических параметров.

Непрерывное совершенствование и конструктивные изменения всех средств автоматики по существу не должны оказывать влияния на принципы построения Государственной системы приборов и средств автоматики, поскольку принципы синтеза системы управления определённое время сохраняются без изменения.

Структура классификации по системе ГСП приведена на рисунке 1.1 [1.1].

Рисунок 1.1 Классификация по ГСП.

Датчик скорости по выполняемым функциям относится к средствам получения информации; по виду энергии сигнала к электрической ветви; по метрологическим характеристикам к средствам измерения.

Система ГСП предусматривает набор унифицированных сигналов для каждого вида измеряемого параметра. Схема преобразований сигнала в ГСП приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Схема преобразования сигнала в ГСП

Основные измеряемые параметры

Давление

+

+

+

+

Вакуум

+

+

+

Перепад давления

+

+

+

Расход

+

+

+

+

+

+

+

+

Уровень

+

+

+

+

+

+

Температура

+

+

+

+

+

Влажность

+

+

+

+

Плотность

+

+

Вязкость

+

+

+

Концентрация водородных ионов

+

Перемещение линейное

+

+

+

+

+

Перемещение угловое

+

+

+

Сила

+

+

+

+

Число оборотов

+

+

+

+

+

+

+

Естественные выходные величины

Перемещение линейное

Угол поворота

Сила

Момент

Число оборотов

Частота

Интервал времени

Э.Д.С. постоянного тока

Сопротивление

Напряжение переменного тока

Число импульсов

Унифицированные выходные сигналы

Пневматические

+

+

+

+

+

+

+

Электрические аналоговые

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

Электрические дискретные

+

+

+

+

+

+

Для датчика скорости система ГСП предусматривает возможность приведения выходного сигнала к унифицированному электрическому аналоговому сигналу Э.Д.С. постоянного тока.

При рассмотрении датчиков для измерения скорости необходимо различать датчики линейной скорости и датчики угловой. Но так как основной задачей датчика скорости нашей системы является определение скорости вращения барабана, то мы будем рассматривать датчики угловой скорости (тахометры).

Тахометр – это устройство, предназначенное для измерения частоты вращения, подсчета числа оборотов за заданный промежуток времени.

1.1 Классификация датчиков скорости

В зависимости от вида движения объекта различают (рисунок 1.2):

- датчики линейной скорости;

- датчики угловой скорости.

1.1.1 Датчики линейной скорости

Приборы для измерения скорости могут быть основаны на преобразовании по­ступательной скорости в угловую и на ис­пользовании явления магнитной индукции. Таким образом, по принципу действия датчики линейной скорости можно классифицировать следующим образом [1.2]:

- индукционный датчик скорости при малых перемещениях;

- индукционный датчик скорости при больших перемещениях;

- тахогенераторы.

Индукционный датчик скорости при малых перемещениях (рисунок 1.3) состоит из цилин­дрического пустотелого магнита, неподвижно укрепленного в основании и снабженного торцовыми башмаками в форме шайб, сквозь центральные отверстия которых проходит сердечник, несущий две катушки [1.2]. Сердечник перемещается в цилиндрических направляю­щих. Возможно также применение направ­ляющих без зазоров и трения — на плоских пружинах. Катушки соединены последова­тельно таким образом, чтобы их э.д.с., возникающие при перемещениях, суммиро­вались.

Рисунок 1.3 - Индукционный датчик скорости при малых перемещениях

1-постоянный магнит; 2-полюсной башмак; 3-сердечники с обмоткой.

Допустимый ход сердечника при измерении и требуемая длина намотки катушек опреде­ляются размерами магнита.

Благодаря высокой чувствительности дат­чика измерение возможно без применения усилителей. При чувствительности шлейфа 0,07 ма/мм отклонение на записи при измеряемой скорости 1 см/сек достигает 12 мм.

Индуктивный датчик скорости при больших перемещениях (рис.1.4) [1.2]. Перемещение детали, скорость которой измеряется, сообщается постоянному подковообразному магниту, между полюсами которого на двух параллельных сердечниках, набранных из тонких полосок трансформаторного железа, уложена плотно, виток к витку, однослойная обмотка из медного эмалированного провода диаметром 0,2 мм.

Рисунок 1.4 - Индуктивный датчик скорости при больших перемещениях

1-постоянный магнит; 2-полюсной башмак; 3-сердечники с обмоткой.

Постоянство расстояния обмотки до полю­сов магнита при движении достигается с по­мощью немагнитной вставки из эбонита или текстолита, которая прикреплена к магниту и скользит по обмотке.

Для защиты от перетирания на обмотку кладется копировальная бумага и надевается виниловый чулок.

Длина обмотки должна быть на 15—20 см больше хода магнита. Характеристика дат­чика линейная.

Тахогенератор преобразует поступательную скорость в угловую, шкала которого проградуирована в единицах поступательной скорости [1.2].

1.1.2 Датчики угловой скорости

По принципу действия датчики угловой скорости классифицируются следующим образом:

- механические тахометры;

- гидравлический центробежный тахометр;

- магнитные тахометры;

- электрические тахометры;

- импульсные электротахометры;

- гетеродинные тахометры с низкочастотными опорными кварцами;

- электронные быстродействующие тахометры-счетчики.

1.1.2.1 Механические тахометры

Наиболее простой конструкцией отличаются механические тахометры. Они выпускаются в очень больших количествах в виде неподвижно встроенных в агрегаты приборов, используемых для непрерывной индикации усредненного мгновенного значения скорости, или в виде ручных приборов, применяемых иногда для единичных измерений. Характерным для них является то, что показа­ние случается непосредственно у места измерения или на неболь­шом от него расстоянии. Указатель потребляет энергию от самого объекта измерения (энергия, затрачиваемая на потери в подшипни­ках, может быть значительной, если невозможно применить гиб­кое оцепление). Объект измерения должен быть доступен и должен обеспечивать возможность установки тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры могут быть снабжены электрическими или пневматическими преобразователями, позво­ляющими использовать их для целей управления и контроля [1.3].

Механические тахометры различают следующих видов: центробежный тахометр с грузиками, центробежный тахометр с кольцевым грузом, вибрационный тахометр, фрикционный тахометр, часовой тахометр [1.2].

Центробежный тахометр с грузиками

При вращении шарнирного механизма с грузиками (рис. 1.5) возникают центробежные усилия, которые уравновешиваются пружиной [1.2]. Де­формации пружины передаются с увеличением на измерительную стрелку и служат мерой скорости вращения. В некоторых конструк­циях вместо шарнирного механизма приме­нен упругий подвес груза на ленточных пру­жинах. Прибор снабжается шестеренчатым мультипликатором, который в многопредель­ных (ручных) тахометрах делают со сменным передаточным числом, устанавливаемым соот­ветственно предполагаемому диапазону измерения. Градуировочная характеристика при равноплечем механизме имеет вид

,

где n - измеряемая скорость вращения в об/мин; i – передаточное число мультипликатора; С – жесткость пружины в Г/мм; g – ускорение силы тяжести, 9810 мм/cек²; G – вес груза в Г; k – число грузов.

Рисунок 1.5 - Центробежный тахометр с грузиками

Рассматриваемый тахометр применяется на стационарных установках как ручной тахометр. Диапазон измерения составляет 40-48000 об/мин. Погрешность измерения 1-2 %.

Центробежный тахометр с кольцевым гру­зом

Суммарный момент центробежных сил груза, возникающих при вращении, уравно­вешивается ленточной спиральной пружиной [1.2]. Градуировочная зависимость прибора имеет вид

,

где i - передаточное число мультипликатора; С_a — жесткость пружины в Гмм/рад; α и α₀ — текущий и начальный углы отклонения груза; G - вес груза в Г; R, r, h - размеры груза (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 - Центробежный тахометр с кольцевым гру­зом

Значительный линейный участок характе­ристики ( ) получается при α₀ =5055°. Дальнейшее увеличение α₀ приводит к ограничению шкалы и уменьшению чувствительности.

Центробежные тахометры отличаются про­стотой устройства, надежностью и автономностью. Их выпу­скают ручными (многопредельные) и стационарными.

Центробежные та­хометры обычно вы­полняют с механи­ческой связью; ча­ще всего вращение передается на при­бор посредством бронированного гибкого валика, который допускает установку прибора под тре­буемым углом к валу без, усложнения пере­даточного механизма, а также сглаживает вибрации и броски измеряемой скорости вра­щения.

Данный тахометр, так же как и предыдущий применяется на стационарных установках как ручной тахометр. Погрешность измерения 1 %.

Вибрационный тахометр

Вибрационный тахометр (рис.1.7) с по­мощью резонансного язычкового виброметра обнаруживает вибрацию, возникающую при вращении вала [1.2].

Рисунок 1.7 - Вибрационный тахометр

По язычку, дающему максимальный размыв, определяют скорость вращения вала ма­шины . Шкала отградуирована в обо­ротах в минуту и герцах. Преимущества прибора: простота устройства, отсутствие передачи вращения на прибор, простота в установке и эксплуатации. Точность изме­рения порядка 2% от верхнего предела.

Вибрационный тахометр применяется для мощных приводов без передачи вращения на прибор. Диапазон измерений составляет 900-3750 об/мин.

Фрикционный тахометр (тахограф)

Дей­ствие прибора основано на сравнении изме­ряемой скорости вращения с известной ско­ростью фрикционного конуса или диска (рис.1.8) [1.2].

Рисунок 1.8 – Тахограф, 1- конус; 2 – ролик; 3 - винт

Конус вращается с постоянной угловой ско­ростью, и его окружная скорость меняется линейно вдоль направляющей. С конусом фрикционно сцеплен ролик, который сидит на винте, вращающемся с измеряемой скоростью, число обо­ротов ролика зави­сит от окружной скорости конуса, и если оно не равно оборотам винта, то ролик будет вра­щаться на нем и пе­ремещаться вдоль направляющей ко­нуса до тех пор, пока не наступит равенство чисел оборотов.

Достоинство при­бора — линейная характеристика. Суммарная погреш­ность измерения по­стоянной скорости лежит в пределах точности стабилиза­ции числа оборотов конуса (обычно 0,5%).

Градуировочная зависимость

,

где - число оборотов конуса; d – диаметр ролика; α – угол конуса при вершине; Н – расстояние от вершины конуса до ролика.

Диапазон измерения тахографа 500-3000 об/мин.

Часовой тахометр

Часовой тахометр (тахоскоп) измеряет угол поворота вала за определенный проме­жуток времени, контролируемый часовым ме­ханизмом.

Вращение сообщается посредством кониче­ской пары и цилиндрической рейки стрелке прибора (рис.1.9) [1.2]. Одновременно посредством цилиндрической пары и фрикционной муфты вращающий момент передается на вал, не­сущий ходовое колесо анкерного механизма.

Рисунок 1.9 – Тахоскоп, 1 – входной вал; 2 – коническая передача; 3- зубчатое колесо; 4 – цилиндрическая рейка; 5 – вал ходового колеса; 6 – цилиндрическая пара шестерен; 7 – фрикционная муфта; 8 – анкерный механизм; 9 – стрелка.

Когда вал повернется на 120°, цилиндри­ческая рейка выйдет из зацепления с шестер­ней и стрелка остановится. Шкала проградуирована в оборотах в минуту. Достоинство прибора — равномерность шкалы и высокая точность (0,1—0,5%); недостатки — осредне­ние результата за контрольный промежуток времени, прерывистость процесса измерения.

Используется в качестве переносного тахометра. Диапазон работы тахоскопа до 10000 об/мин.