Тахометры Содержание

1. Приборы и датчики угловой скорости. Особенности конструкции

2. Назначение и принцип действия измерителей угловой скорости.

3. Индукционные тахометры, получение математической модели,

анализ погрешностей и особенности конструкции.

4. Цифровой тахометр, его достоинства и недостатки,

анализ погрешностей.

5. Примеры современной реализации, сопряжения с каналом связи.

5. Контрольные вопросы.

Список литературы.

1. Приборы и датчики угловой скорости

Приборы, предназначенные для измерения частоты вращения, называются тахометрами. Тахометры применяются для измерения частоты вращения вала двигателя и его агрегатов.

Наибольшее распространение получили следующие методы измерения частоты вращения по принципу действия чувствительного элемента ЧЭ:

- центробежные, в которых ЧЭ реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами при вращении вала;

- магнитоиндукционные, основанные на зависимости наводимых в металлическом теле вихревых токов от частоты вращения;

- электрические постоянного, переменного или импульсного тока, основанные на зависимости генерируемого напряжения от частоты вращения;

- фотоэлектрические, основанные на модуляции светового потока вращающимися элементами и др.

На рисунках приложения приведены схемы-тахометров, основанных на различных методах измерения.

2.Назначение, принцип действия измерителей угловой скорости

Центробежные тахометры выполняются в двух вариантах: конический (рис.1 а) и кольцевой (рис.1 б).

В коническом тахометре на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузы m, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Если обозначить у - перемещение муфты и у₀ - начальную длину пружины (при =0), то зависимостьу от угловой скорости будет

(2.1)

где- чувствительность прибора;n, т, r₀ и c₁ - соответственно число грузов, масса груза, радиус муфты и коэффициент жесткости пружины.

Из выражения (2.1) следует, что центробежный тахометр имеет квадратичную характеристику.

В кольцевом тахометре при не вращающейся оси (=0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на угол(схема 1 б). При вращении оси кольцо стремиться занять положение, перпендикулярное оси вращения, однако этому препятствует пружина2. Перемещению муфты 1 пропорционально приращению угла отклонения кольца

(2.2)

где - чувствительность кольцевого тахометра;m, r, c₁ – соответственно масса и радиус кольца, и коэффициент жесткости пружины.

Центробежные тахометры развивают большое перестановочное усилие, поэтому применяются в качестве датчиков в регуляторах частоты вращения. Недистанционность центробежных тахометров, значительные погрешности и технологические трудности привели к тому, что эти приборы в авиации не применяются, хотя в других подвижных объектах они находят широкое применение.

Магнитоиндукционные тахометры бывают двух типов: с цилиндрическим ЧЭ (рис.2 а) и с дисковым ЧЭ (рис. 2 б).

Электрические тахометры постоянного тока (рис. 3) включают тахогенератор постоянного тока и гальванометр. Тахогенераторы бывают двух типов: с ограниченным (рис.3 а) и неограниченным (рис.3 б) углом поворота ротора.

Тахогенератор с ограниченным углом поворота выполняется с неподвижной статорной обмоткой, внутри которой помещается постоянный магнит, связанный с валом, скорость вращения которого контролируется. Наводимая в статорной обмотке ЭДС равна

(2.3)

где k – коэффициент, зависящий от геометрических и обмоточных данных; В – магнитная индукция в зазоре, являющаяся функцией угла поворота ротора . Обычно

(2.4)

Тахогенераторы подобного типа применяются в качестве датчиков угловой скорости и скоростной обратной связи в системах управления полетом. Достоинство их – отсутствие коллектора и щеток.

Тахометр постоянного тока состоит из тахогенератора с неограниченным углом поворота ротора и гальванометра. Основными элементами тахогенератора являются постоянные магниты 1 с соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 2 и коллектор со щетками 3. Снимаемое с коллектора напряжение постоянного тока измеряется гальванометром, рамка которого имеет сопротивление R_p. В схему включено добавочное сопротивление R_Д.

Если е - ЭДС на зажимах генератора, то подобно (2.4)

(2.5)

где В - магнитная индукция; - измеряемая угловая скорость.

Сила тока в рамке гальванометра будет:

(2.6)

где R_В — внутреннее сопротивление якоря.

В целях уменьшения влияния нагрузки на показания прибора (выражение (3.6) справедливо только в режиме холостого хода) должно быть удовлетворено условие. Поскольку угол отклонения рамки гальванометра пропорционален силе тока, то шкала прибора будет равномерна.

Из выражения (2.6) видно, что погрешности тахометра возникают из-за непостоянства магнитной индукции в зазоре В, сопротивления рамки R_р и внутреннего сопротивления якоря R_B Уменьшение погрешности, вызванной изменением В, достигается применением термомагнитного шунта. Для уменьшение погрешности от непостоянства R_р применяется добавочное сопротивление R_Д и другие схемы компенсации.

В тахеометрах переменного тока (рис. 4) тахогенератор состоит из вращающегося постоянного магнита и статорной обмотки. ЭДС тахогенератора равна

(2.7)

Отсюда следует, что измерение угловой скорости можно осуществить как путем измерения частоты переменного тока (равной частоте вращения) (рис. 4 б), так и путем измерения величины напряжения(рис. 4 в). Поскольку частота переменного тока равна частоте вращения вала, то первый способ измерения; имеет бесспорные преимущества перед вторым.

Среди тахометров переменного тока особое место занимают индукционные тахометры. Тахогенератор такого прибора (рис. 5); представляет собой электрическую машину асинхронного типа, состоящую из внешнего 1 и внутреннего 2 магнитонроводов, в зазоре между которыми располагаются статорная обмотка 3 (состоящая из обмотки возбуждения и сигнальной обмотки) и алюминиевыми тонкостенный ротор 4, выполненный в виде цилиндра. Оси обмоток (катушек) возбуждения и сигнальной взаимно перпендикулярны.

К обмотке возбуждения подводится переменное U_П напряжений частотой 400 Гц, а с сигнальной обмотай снимается напряжение U_c той же частоты, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения полого ротора . При неподвижном роторе и полной электрической и магнитной симметрии статора напряжение в сигнальной обмотке не индуктируется.

При вращений ротора с угловой скоростью в сигнальной мотке индуктируется напряжение

(2.8)

где f - частота питающего напряжения (f=400 Гц); В - магнитная индукция, создаваемая в зазоре питающим напряжением.

Таким образом, в рассматриваемом тахометре напряжение несущей частоты f модулируется измеряемой угловой скоростью . Для измерения угловой скорости необходимо осуществить демодуляцию сигналаU_c и подать демодулированное напряжение на измеритель.

Поскольку принцип действия индукционного тахометра основан на наведении питающим напряжением в роторе вихревых токов, которые в свою очередь наводят ЭДС в сигнальной обмотке, то погрешности прибора вызываются непостоянством амплитуды и частоты питающего напряжения непостоянством сопротивления ротора для вихревых токов, непостоянством нагрузки.

Для уменьшения погрешностей от непостоянства U_П и f можно применить схемы стабилизации этих величин. Стабилизация сопротивления ротора достигается путем выбора материала с малым температурным коэффициентом. Для устранения погрешности от непостоянства нагрузки должно быть удовлетворено условие работы тахогенератора в режиме холостого хода.

В авиации предъявляются высокие требования к точности измерения скоростей вращения. Так, в поршневых двигателях погрешности не должны превышать ± 1 %, а в газотурбинных двигателях ±0,3%.

3. Индукционные тахометры, получение математической модели, анализ погрешностей и особенности конструкции

Индукционные тахогенераторы редко применяются как измерительные приборы вследствие больших погрешностей, но они незаменимы в качестве датчиков угловой скорости в системах автоматики. К ним относятся магнитоиндукционные тахо­метры, которые бывают двух типов: с чувствительным элементом в виде тонкостенного электропроводящего полого цилиндра 1 (рис. 6. а), помещенного в зазоре между вращаемым магни­том 2 и магнитопроводом 3, или с чувствительным элементом в виде диска 1 (рис. 6. б), помещенного в зазоре между вращаемыми цилиндрическими магнитами 2. Обычно постоянные маг­ниты вращаются с частотой, пропорциональной измеряемой час­тоте вращения вала двигателя, а чувствительные элементы (ци­линдры и диски) закреплены на самостоятельных осях и могут поворачиваться лишь на некоторый угол, ограниченный спираль­ной противодействующей пружиной П.

При вращении магнитной системы в теле чувствительного эле­мента (ЧЭ) за счет магнитной индукции наводится ЭДС, прямо пропорциональная скорости вращения магнита:

Е=k₁n_m, (3.1)

где k₁ - коэффициент, зависящий от индукции магнитного пото­ка, пронизывающего ЧЭ; п_м — угловая скорость вращения магнита.

ЭДС, индуцированная в ЧЭ, вызывает появление в нем индук­ционных токов i, величина которых зависит от ЭДС, вызвавшей их, числа пар полюсов магнита, размеров и материалов ЧЭ. Ин­дукционные токи, в свою очередь, создают магнитное поле. В ре­зультате взаимодействия магнитных полей ЧЭ и постоянных маг­нитов возникает вращающий момент, стремящийся повернуть ЧЭ вслед за вращающимся магнитом. Вращающий момент, действую­щий на элемент, пропорционален величине индуцированного в нем вихревого тока, а следовательно, и скорости вращения маг­нита:

(3.2)

где к₂ — постоянный коэффициент пропорциональности.

Под действием вращающего момента ЧЭ поворачивается и за­кручивает пружину П, создающую противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания пружины:

М_пр=с, (3.3)

где с - жесткость пружины; — угол закручивания пружины.

На одной оси с ЧЭ укреплена стрелка, угол отклонения кото­рой пропорционален угловой скорости вращения постоянного маг­нита.

Угол поворота стрелки прибора определяется равенством мо­ментов откуда

M_ВР=М_ПР, (3.4)

где к=к₂/с — коэффициент, зависящий от жесткости пружины, конструкции и материала магнита и ЧЭ.

На самолетах и вертолетах находят применение магнитоиндук­ционные тахометры типа ТЭ (ТЭ-15, 2ТЭ-15-1, ТЭ-5-2М и др.) со шкалой, отградуированной в оборотах в минуту, и типа ИТЭ (ИТЭ-1, ИТЭ-2 и др.) со шкалой, отградуированной в процентах. Разница в устройстве их незначительна.

В комплекты тахометров этого типа могут входить один-два датчика и один показывающий при­бор, либо один датчик и один-два указателя. В частности, ком­плект тахометра может состоять из одного датчика ДТЭ-1 и од­ного показывающего прибора ИТЭ-1. Соответственно датчик ДТЭ-2, Д-ЗМ или Д-3-2 должен работать в системе измерения оборотов совместно с двумя измерителями типа ИТЭ-1 (ИТЭ-1Т) или с показывающим прибором ИТЭ-2 (ИТЭ-2Т), объединяющим в одном корпусе две измерительные системы.

Конструкция датчика Д-3-2 представлена на рис. 7.

Датчик представляет собой трехфазный генератор переменно­го тока с четырехполюсным постоянным магнитом - ротором 4.

Ротор напрессован на валу, заканчивающемся квадратным хвостовиком 1, которым вал генератора соединяется с приводом вала авиадвигателя. Эта передача обладает достаточной гибко­стью и компенсирует скручивающие колебания и перекосы, кото­рые могут возникнуть при монтаже датчика.

Ротор вращается в шарикоподшипниках 3 и 7, которые уста­новлены в крышках 2 и 6.

Статор 5 датчика набран из пластин электротехнической ста­ли. В целях уменьшения потерь в статоре от вихревых токов пластины изолированы одна от другой клеем.

Обмотка статора - четырехполюсная, трехфазная, выполнен­ная из медного провода. Фазовые обмотки соединены звездой.

Магнитоиндукционный тахометр является дистанционным при­бором. Синхронная дистанционная передача состоит из трехфаз­ного генератора переменного тока (датчика), расположенного на авиадвигателе, трехпроводной линии и синхронного двигателя, размещенного в указателе. Совместное рассмотрение рис. 8 и 10 позволяет изучить конструкцию показывающего прибора и работу комплекта магнитоиндукционного тахометра типа ИТЭ.

Показывающий прибор включает в себя два узла, смонтиро­ванные в одном корпусе, синхронный двигатель и измеритель­ную систему (тахометр).

Синхронный двигатель состоит из статора с трехфазной обмот­кой 10 и ротора, собранного из двух крестообразных магнитов 5 и трех гистерезисных дисков 9. Постоянные крестообразные маг­ниты насажены на вал свободно и могут поворачиваться относи­тельно вала на некоторый угол, так как соединяются с ним пружиной 7, через которую передают крутящий момент на вал син­хронного двигателя.

Это обеспечивает вхождение двигателя в синхронизм до того, как он разовьет полную мощность.

Гистерезисные диски 9 изготовляются из магнитотвердого ма­териала. В синхронном режиме работы диски взаимодействуют с вращающимся полем так же, как и постоянные магниты, но с меньшей силой взаимодействия.

Измерительная часть прибора состоит из магнитного узла с двумя дисковыми платами 11 с впрессованными в них шестью парами постоянных магнитов 6. На магниты надет термомагнит­ный шунт 5, предназначенный для компенсации температурной погрешности. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницае­мость которого с возрастанием температуры уменьшается.

В воздушном зазоре между торцами противоположных полю­сов магнитов расположен чувствительный элемент - диск 4, изго­товленный из медно-марганцевого сплава с малым температур­ным коэффициентом.

Таким образом, магнитный узел укреплен на конце вала синх­ронного двигателя и вращается с синхронной скоростью, а чувст­вительный элемент - диск связан, через ось 12 со стрелкой 14, перемещающейся по шкале 13.

Для уменьшения колебаний стрелки около установившегося положения в конструкции прибора предусмотрен демпфер, по устройству аналогичный измерительному узлу 11.

Платы 1 магнитного демпфера закреплены неподвижно. Меж­ду торцами шести пар неподвижных магнитов находится алюми­ниевый диск 2 демпфера, связанный с осью измерительного узла.

Взаимодействие наводимых в алюминиевом диске вихревых токов с магнитным потоком магнитов приводит к превращению энергии колебаний в тепловую и к повышению устойчивости стрелки прибора.

Тахометр ИТЭ-1 работает следующим образом. Напряжение статорной обмотки 16 генератора датчика с частотой, пропорцио­нальной частоте вращения ротора авиадвигателя, возбуждает в статорной обмотке 10 синхронного двигателя показывающего прибора вращающееся магнитное поле, которое приводит к намаг­ничиванию гистерезисных дисков двигателя. Гистерезисные дис­ки выполнены из ферромагнитного материала с большой коэрци­тивной силой, поэтому создаваемое ими магнитное поле из-за большого гистерезиса отстает на некоторый угол от намагничи­вающего поля статора.

В результате возникает вращающий момент дисков ротора двигателя, направление которого совпадает с направлением вра­щающегося поля статорных обмоток.

При частоте вращения ротора, близкой к синхронной, когда обороты ротора и поля статора становятся одинаковыми, посто­янные магниты 8 успевают взаимодействовать с полем статора, входят в синхронизм и, постепенно закручивая пружину 7, начи­нают воспринимать полную нагрузку.

В - синхронном режиме работы двигателя основной вращаю­щий момент создается в результате взаимодействия поля постоян­ных магнитов с вращающимся полем статора, а гистерезисные диски создают лишь незначительный дополнительный момент.

При резких увеличениях частоты вращения авиадвигателя, сле­довательно, и скорости вращения магнитного поля статора воз­можен переход двигателя в асинхронный режим работы. В этом случае полюсы постоянных магнитов вращаются с некоторым от­ставанием от полюсов поля статора. Гистерезисные диски помо­гают ротору следовать за магнитным полем статора и вводят по­стоянные магниты ротора в синхронную работу.

Ротор двигателя вращает магнитную систему 11 измеритель­ного узла. В результате взаимодействия полей магнитов 6 и диска 4 чувствительный элемент (диск) с закрепленной на его оси стрелкой 14 поворачивается и закручивает противодействую­щую пружину 5. Таким образом, угол поворота диска пропорцио­нален значению измеряемой частоты вращения. Демпфер, укреп­ленный на оси чувствительного элемента, успокаивает подвижную систему и облегчает снятие показаний стрелки указателя.

Указатели ИТЭ-2 предназначены для измерения частоты вра­щения валов двух двигателей или двух ступеней компрессора одного двигателя. В корпусе указателя ИТЭ-2 размещены два из­мерительных узла, аналогичные рассмотренным, движение кото­рых передается на две соосные стрелки. Магнитоиндукционный демпфер в них отсутствует. Демпфирование колебаний осуществ­ляется за счет моментов трения зубчатых передач.

К магнитоиндукционным тахометрам относится и тахометрическая сигнальная аппаратура (ТСА), которая может обеспечи­вать либо только выдачу дискретных сигналов соответствующих определенным частотам вращения вала (ТСА-12), либо выдачу дискретных сигналов и индикацию частоты вращения вала (ТСА-6). Конструкция показывающих приборов ТСА аналогична конструкции ИТЭ-1 (рис. 10). Отличие заключается лишь в наличии сигнального устройства, которое состоит из осветителей Л1, Л4 и фоторезисторов Bl, B4, разделенных между собой про­филированным диском. Диск укреплен на оси измерительного уз­ла. При изменении скорости вращения профильный диск повора­чивается, в результате меняется степень освещенности тех или иных фоторезисторов, включенных в схему управления, и тахо­метр выдает сигналы, соответствующие определенным частотам вращения, на исполнительные устройства.

Шкала показывающего прибора ИТЭ отградуирована в про­центах, измерительный предел - (0-110) %, цена деления -1%, погрешность измерения не превышает ±0,5% в рабочем диапазо­не шкалы от 60 до 100% и 1% - в остальном диапазоне.

Основная погрешность выдачи дискретных сигналов ТСА не превышает ±2%.

Датчики магнитоиндукционных тахометров не имеют методи­ческой погрешности.

Основная инструментальная погрешность указателя тахомет­ра определяется трением в подшипниках и ошибками градуиров­ки шкалы.

Дополнительные погрешности обусловлены прежде всего влия­нием температуры и вызываются изменением электрического со­противления чувствительного элемента, магнитной проводимости магнитопроводов и упругих свойств противодействующей пружи­ны. Конструктивная погрешность из-за изменения температуры окружающей среды частично компенсируется подбором материа­лов деталей. В частности, чувствительный элемент - диск изготов­ляется из марганцовистой меди (96,1% Сu, 3,9% Мn) с положи­тельным температурным коэффициентом. Противодействующая пружина из фосфористой бронзы и магниты из соответствующих сплавов имеют отрицательные температурные коэффициенты. Для компенсации остаточной температурной погрешности применяется температурный шунт 5, надетый на магниты 6. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницаемость которого с возрастанием температуры уменьшается. Действие шунта заключается в сле­дующем. С увеличением температуры окружающей среды увели­чивается сопротивление токопроводящего диска 4 и уменьшается сила наведенного тока. Одновременно с этим уменьшается маг­нитная проницаемость шунта, который меньшую часть магнитно­го потока пропускает через себя, вследствие чего увеличивается магнитная индукция в зазоре измерительного магнитного узла. При этом сила взаимодействия постоянных магнитов 6 и токов в диске 4, а следовательно, и движущий момент практически остаются неизменными.