Перетворення з перериванням світлового потоку

Принцип дії цього ТП засновано на перериванні освітленості робочої поверхні фотоприймача за допомогою модулятора, який має вигляд диску з виконаними в ньому радіальними отворами і який жорстко з’єднаний з валом об’єкту вимірювання. Фотоприймач освітлюється лампою через прорізі модулятора. При обертанні останнього здійснюється переривання світлового потоку, який попадає на фотоприймач (фотодіод на рис. 3), в результаті чого струм фотодіоду має імпульсний характер. Формувач F перетворює імпульси струму (які мають складну форму і тривалість яких залежить від кутової швидкості) в прямокутні імпульси напруги U_F калібровані за тривалістю та амплітудою. Як правило в такий ТП додатково вводять другий фотоприймач, зсунутий відносно першого на половину кута між отворами модулятору. Це необхідно для забезпечення можливості визначення напрямку обертання валу об’єкту вимірювання.

Частота та період вихідних імпульсів цього ТП з кутовою швидкістю пов’язані таким співвідношенням

, (13)

де - кількість імпульсів, що формуються на виході ТП частотно-часового перетворення за один оберт валу (для розглядаємого ТП дорівнює кількості отворів модулятора).

Перетворення кутової швидкості в частоту може також реалізуватися за допомогою магнітоелектричних, електромагнітних, гальваномагнітних та багатьох інших видів ТП. Розглянемо найпростіший гальваномагнітний ТП (рис.5), принцип дії якого заснований на фізичному ефекті Гауса або Холла.

Рисунок 5 - Гальваномагнітний ТП

В основу побудови гальваномагнітних ТП покладено ефекти, суть яких полягає в зміні фізичних властивостей провідників або напівпровідників при протіканні через них струму з одночасним впливом на них магнітного поля. Найбільше розповсюдження в практиці вимірювань знайшли ТП з використанням ефектів Хола і Гауса (магніторезистивний ефект).

Елемент Хола 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. Однак їх використання обмежується достатньо складними електронними схемами зчитування і обов’язковим екрануванням від зовнішніх магнітних полів.

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

, (14)

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.

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

, (15)

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

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

, (16)

де - відповідно миттєва кутова швидкість та миттєве кутове прискорення; - час між двома вихідними імпульсами; - частота зразкового генератору підраховане за час ; - код у двійковому лічильнику піріодоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал ;

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

Мікропроцесорний вимірювач кутової швидкості

Розглянемо основні принципи побудови мікропроцесорного засобу вимірювання кутової швидкості електричних машин із використанням фотоелектричного сенсора кутової швидкості. Його структурна схема представлена на рис.6.

Рисунок 6 – Структурна схема

Сенсор кутової швидкості перетворює змінну кутову швидкість у частоту слідування електричних імпульсів .

Визначимо нижню межу вимірювання цифрового тахометра миттєвих значень (періодоміра), рівняння перетворення якого має вигляд:

, (17)

де z – кількість міток в фотоелектричному сенсорі кутової швидкості.

Похибка квантування

, (18)

де - частота імпульсів квантування; z – розрізнювальна здатність сенсора кутової швидкості.

Максимальна ємність бінарного лічильника мікроконтролера

, (19)

де n – розрядність лічильника.

Враховуючи (17), рівняння (19) запишемо так

. (20)

Тоді з рівняння (20) визначимо нижню межу вимірювання

. (21)

Верхня межа вимірювання для тахометра миттєвих значень визначається із рівняння похибки квантування (18):

, (22)

де - нормоване значення похибки квантування.

Задаючись значенням , отримаємо

.

На рис.7 представлено розраховану залежність в режимі пуску електричної машини, а на рис.8 – похибку квантування .

t

Рисунок 7 – Статична характеристика

З рис.8 видно, що значення похибки квантування при =5 МГц та z=1000 не перевищує 1%.

t

Рисунок 8 – Похибка квантування

Таким чином, для вимірювання кутової швидкості як в перехідних режимах роботи електричної машини, так і в статичному режимі можна використовувати частотомір миттєвих значень.

Рисунок 9 – Алгоритм роботи

Алгоритм роботи мікропроцесорного вимірювача кутової швидкості представлений на рис.9. Рівняння перетворення мікропроцесорного вимірювача кутової швидкості має вигляд:

. (23)