Способ измерения скорости вращения

Измерение скоростей вращения

Скорость вращения — важнейший параметр различных турбин, насосов, генераторов, двигателей и других агрегатов теплотехни­ческих систем. Принято скорость вращения выражать частотой вращения п или угловой скоростью . В тех случаях, когда требования к точности измерений невысоки и допустим определенный отбор мощности от вращающегося вала, находят применение тахометры неэлектрического принципа действия, которые относятся к одной из групп — механи­ческого или гидравлического принципа действия. Наибольшее распространение в ста­ционарных установках нахо­дят центробежные механические тахометры, принцип действия которых основан на регистрации перемещения тяжелого тела (или тел) под действием центробежной силы, возникающей при его вращении (рис. 72).

Рис. 72. Типы центробежных тахометров:

а — с раздельными грузами; б — с грузовым кольцом:

1 — вращающаяся ось; 2 — грузы; 3 — массивное кольцо; 4 — скользящая муфта; 5— противодей­ствующая пружина; 6 — передаточный механизм;

7 — стрелочный указатель

Перемещению тела обычно препятствуют силы, развиваемые каким-либо упругим элементом (например, пружиной). Вследствие того, что центробежные силы пропорциональны квадрату скорости вращения, а упругие противодействующие силы зависят от переме­щения линейно, ради получения — приблизительно линейных шкал приходится усложнять механизм передачи движения от движуще­гося тела к стрелке-указателю. Центробежные тахометры имеют значительную температурную погрешность, возникающую из-за изменения модуля упругости материала пружин. Кроме того, они обладают существенным эксплуатационным недостатком, связан­ным с необходимостью применения трансмиссии (гибкого вала и т. п.). Для центробежных тахометров характерна погрешность воп­ределений скорости вращения от . Стационарные центробежные тахометры типа ТС имеют погрешность ±1%, а ручные переносные измерители частоты вращения типа ИО-10 и ИО-11, характеризуются погрешностью ±2%.

Резонансные тахометры представляют собой пакет тонких сталь­ных пластин, подобранных так, что у любых двух соседних пластинчастоты собственных колебаний отличаются друг от другана 0,5или на 0,25 Гц. Один конец пластин заделан жестко в корпус тахо­метра, второй конец свободен. При вращении крупных массивных роторов за счет малых эксцентриситетов возникают биения с часто­той, кратной частоте вращения. Вибрации статоров, вызванные бие­нием, воспринимаются одной или несколькими пластинами, кото­рые резонируют на собственной частоте. Шкала прибора наносится у свободных концов пластин. Подобные приборы чрезвычайно просты, не требуют связи с вращающейся деталью, но обладают большой погрешностью , имеют низкую чувствительность и огра­ниченный рабочий диапазон.

Фрикционные механические тахометры применяются при соз­дании различных поверочных установок, используемых при регу­лировке механических тахометров, их градуировке и поверке. Свое название они получили в связи с использованием в конструк­ции бесступенчатых фрикционных редукторов с непрерывно изме­няемым передаточным отношением. С помощью таких редукторов осуществляется привод стрелки-указателя от двигателя с извест­ной частотой вращения. Соосно со стрелкой-указателем располо­жена стрелка, связанная трансмиссией с валом, частота вращения которого измеряется. Перестройкой передаточного отношения фрик­ционного редуктора добиваются синхронного вращения обеих стре­лок, т. е. совпадения неизвестной частоты вращения с редуцирован­ной известной. Шкала в размерности nнаносится непосредственно на элемент, управляющий положением фрикционного колеса.

Фрикционные гидравлические или пневматические тахометры основаны наиспользовании вязкого трения для передачи усилия от вращающейся детали к укрепленной на пружине поворачиваю­щейся детали-указателю. Вращающаяся и поворачивающаяся части выполняются в виде плоских дисков, чашек, колец или концентрично расположенных цилиндров. Зависимость между величиной углового перемещения указателя и частотой вращения привода может быть линейной (при малых числах Re в зазоре) или квадратичной.

Напорные гидравлические ипневматические тахометры являются наиболее точными неэлектрическими тахометрами. По кон­струкции они представляют собой сильно упрощенный центробеж­ный насос или центробежный компрессор, помещенный в замкну­тую камеру с жидкостью или воздухом. При вращении насоса или компрессора от трансмиссии, связанной с валом, частота вращения которого измеряется, на периферии камеры создается напор, слу­жащий измерительным сигналом.

Для измерения величины этого напора могут быть использо­ваны различные устройства. Так, например, в гидравлическом жидкостном тахометре с приведенной погрешностью ±0,5% напор измеряется с помощью жидкостного манометра (вертикальной трубки), градуированного опытным путем. В пневматическом та­хометре воздушный поток, создаваемый компрессором, выходит из камеры через специальное отверстие и отклоняет легкую поворачивающуюся пластинку, связанную со стрелкой и уравновешенную спиральной пружиной. Такой тахометр применяется для измерения частот вращения выше 400 1/мин и имеет погрешность при индивидуальной градуировке около ±3…5%

Все напорные тахометры имеют нелинейную статическую характеристику и чувствительны к изменению температуры рабочей жидкости. Неэлектрические тахометры непригодны для измерения быстропеременных скоростей вращения и поэтому все реже приме­няются исследовательской работе. Электрические методы изме­рения скоростей вращения обеспечивают лучшие характеристики при меньшем отборе энергии от валов объектов и, кроме того, позволяют осуществлять измерение и регистрацию дистанционно при помощи универсальной аппаратуры.

Частотой вращения — измеряемой величиной — легко модулируется практически любой параметр электрического тока. Наиболее широкое распространение получили тахометры с амплитудной и частотной модуляцией измерительного сигнала. Примерами электрических тахометров с амплитудной модуляцией могут служить тахогенераторы постоянного или переменного тока, и магнитный тахометр. Схема тахометров постоянного тока состоит из генератора постоянного тока, связанного с рабочим валом, и измерительного прибора (в большинстве случаев используется обычный вольтметр магнитоэлектрической системы). Электродвижущая сила генератора постоянного тока прямо пропорциональна частоте вращения, благодаря чему шкала прибора оказывается линейной.

Принцип действия магнитного тахометра основан на явленииэлектромагнитной индукции, сущность которого заключается в том, что в результате взаимодействия вращающегося магнитного, поля с индукционными токами, наведенными этим полем в сплошном металлическом роторе возникают силы, пропорциональные частоте вращения. Магнитные тахометры — наиболее точные из приборов с амплитудной модуляцией сигнала, они выполняются как с механи­ческой, так и с электрической дистанционной связью указателя с объектом вращения. Наибольшее распространение эти тахометры получили в авиации и турбостроении.

Рис. 73. Принципиальная схема магнитного тахометра:

1 — магнит первичного преобразователя (генератора); 2— магнит-ротор синхронного дви­гателя; 3 — гистерезисный диск; 4 — постоянный магнит указателя; 5 — разгонный диск; 6 — противодействующая пружина; 7 — магнит демпфера; 8 — диск демпфера; 9— стрелка; 10— обмотка генератора; 11 — статорная обмотка синхронного двигателя

Диапазон измерении одной из модификаций подобного тахометра — от 0 до 15000 1/мин. Погрешность измерения при нормальной тем­пературе в диапазоне 1000 — 11000 1/мин не превышает ± 1 %, а в диапазоне 11000 — 15000 1/мин — не более ±0,5%. При наличии в подобных тахометрахтемпературныхкомпенсаторов (магнитных шунтов), балансировке подвижной системы изме­рителя и достаточно большой шкале погрешность магнитных тахо­метров может быть снижена до ±0,2% от измеряемой величины.

Тахометры на основе первичных преобразователей с частотной модуляцией сигнала отличаются простотой конструкции, высокой точностью и независимостью результатов измерений от внешних условии. В качестве первичных преобразователей таких тахометров могут быть использованы устройства различного принципа действия, состоящие из двух элементов: подвижного и неподвижного, взаимное расположение которых способно вызвать изменение электрического сигнала во внешней цепи прибора. Если подвижный элемент жестко закреплен на вращающемся со скоростью валу радиуса r, то изменения сигнала будут следовать друг за другом через периоды времени , а частота таких изменений сигнала будет равна .Частота f может быть повышена за счет установки на валу не­скольких элементов, делящих длину окружности на некоторое число отрезков m, тогда . Для всех подобных первичных преобразователей характерны две принципиальные причины погрешностей. Во-первых, это неточ­ность определения сходственных моментов цикла, определяющих длительность периода . Для ее уменьшения необходимо формиро­вать как можно более резкие фронты изменения электрического сиг­нала. Во-вторых, у преобразователей с несколькими возбуждающими элементами погрешности измерения долей оборотов возникают за счет неточности деления длины окружности на т равных участков. Простейшим тахометром с первичным преобразователем частотного типа является импульсный тахометр, состоящий из переклю­чателя (неподвижный элемент), кулачка или выступа на валу (подвижный элемент). Переключатель управляет зарядом и разрядом рабочего конденсатора (рис. 74); протекающий при этом ток измеряется стрелочным магнитоэлектрическим прибором. При каждом разряде конденсатора через измеритель протекает ток,- величина которого изменяется по экспоненциальному закону . Здесь Е — разность потенциалов на зажимах конденсатора; t — время. Величина является постоянной времени процесса разряда; практически процесс разряда можно считать полностью закончившимся по истечении времени .Отсюда могут быть выбраны пара­метры цепи такими, чтобы исключалось влияние переходного сопротивления контак­тов. Время замкнутого состояния контактов при наибольшей измеряемой скорости враще­ния должно быть больше или равно . Если емкость заряжается и разряжается каждый раз полностью, то среднее значение тока, протекающего через измеритель, будет равно I_ср =ECf, где f — частота переключений. Рабочий диа­пазон прибора можно изменять путём переключения рабочих конденсаторов. Импульс­ные электрические тахометры позволяют измерять скорости вращения с погрешностями от ±0,5 до ±1,5%. При механической коммутации цепей перезаряда конденсатора верхний предел измерений не может быть выше 2500—3000 1/мин. Повышение этого предела возможно при исполь­зовании бесконтактных первичных преобразователей для управле­ния переключателем немеханического типа.

Рисунок 74 Принципиальная схема импульсного тахометра

Светолучевые первичные преобразователи тахометров, выпол­няются в двух принципиальных вариантах: фотоэлектрических модуляторных систем или стробоскопических тахометров. Действие фотоэлектрических преобразователей основано на модуляции освещенности рабочей поверхности фотоэлектрического элемента (фотодиода, фотоумножителя или фоторезистора) дискретными возбуди­телями сигнала, жестко связанными с валом объекта. В качестве возбудителей могут использоваться отверстия в специальном диске-модуляторе, отверстия в рабочем валу, заслонки, зеркала или светоотражающие метки, нанесенные на вал. Фотосопротивление под­ключается последовательно с сопротивлением нагрузки и источ­ником постоянной э. д. с. . Если фотосопротивление не освещено, то по нему течет «темновой» ток ,

где — темновое сопротивление фоторезистора. Когда фотоэле­мент освещен, то по нему течет «световой» ток

Так как проводимость фоторезистора при облучении его све­товым потоком растет, то , а уровень рабочего сигнала определяется разностью

Частота сигнала зависит от скорости вращения модулятора света и числа возбудителей, расположенных на модуляторе. Основными достоинствами фотоэлектрических преобразователей являются простота конструкций, отсутствие тормозящих моментов на валу объекта, независимость амплитуды сигнала от скорости вращения и возможность использования универсальных блоков в составе измерительной цепи тахометра.

При стробоскопическом методе измерения скоростей вращения используется способность глаза наблюдателя удерживать в течение некоторого времени зрительное впечатление от предмета, уже скрыв­шегося из поля зрения. Известны два типа стробоскопических тахо­метров; стробоскопы с механическим затвором и стробоскопысо световой вспышкой. В первых наблюдение за вращающимся валом или диском с отметками осуществляется через узкое отверстие в неподвижном экране; между этим экраном и валом объекта поме­щен диск с несколькими отверстиями, который приводится во вра­щение небольшим двигателем с плавно регулируемой скоростью. Наблюдатель может видеть испытуемый вал лишь в те мгновения, когда против отверстия в экране оказывается одно из отверстий диска. При равенстве или крат­ности скоростей вращения диска и вала последний будет казаться наблюдателю неподвижным.

В стробоскопических тахоме­трах вал объекта с метками на его поверхности периодически освещается безынерционным источником света (газосветной лампой). При частоте вспышек, синхронной с частотой вращения вала, послед­ний кажется неподвижным. Резкость очертания «остановленного» объекта увеличивается с уменьше­нием времени рассматривания; качество видимости, очевидно, зависит от освещенности объекта. Поэтому лучшие результаты получаются в стробоскопах при исполь­зовании мощных газоразрядных ламп.

Рис. 76. Схема индуктивного тахо­метра:

1 — вал объекта; 2 — генератор высокой частоты; 3 — демодулятор; 4 — частотомер

Источник

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА

Рассмотрим следующие методы измерения угловой скорости вращения вала: центробежный, часовой, фрикционный, магнит­ный, индукционный, импульсный, стробоскопический и метод дифференцирования.

1. Центробежный метод [1]

Центробежный метод основан на зависимости центробежных сил от угловой скорости вращения инерционной массы.

Существуют две типовые схемы центробежных тахометров — тахометр конического типа и с кольцевым грузом.

В тахометре конического типа на вращающейся оси при по­мощи шарниров прикреплено несколько грузов (два, три или че­тыре), которые при наличии угловой скорости развивают центро­бежные силы и симметрично расходятся, перемещая вдоль оси муфту и сжимая пружину до тех пор, пока ее упругая сила не уравновесит центробежные силы (рис. 8.1, а).

Зависимость перемещения s муфты от угловой скорости вы­ражается формулой [1]

,

где n – число грузов,

m – масса одного груза,

с₁ – коэффициент линейной жесткости пружины,

z₀ – длина пружины в свободном состоянии,

r₀ и l – размеры, обозначенные на рис. 8.1.

Для малых перемещений можно пренебречь величиной s по сравнению с z₀ и тогда

.

Из выражения (8.2) следует, что центробежный тахометр обладает квадратичной характеристикой.

Схема центробежного тахометра с кольцевым грузом изобра­жена рис. 8.1, б. На оси, связанной с контролируемым валом, по­мещен кольцевой груз, имеющий дополнительную степень свобо­ды относительно поперечной оси, вращающейся вместе с основ­ной осью. Когда кольцевой груз расположен под некоторым углом, а к основной оси (см. рис. 8.1, б), возникающие при его вра­щении инерционные силы создают вращающий момент М_вр отно­сительно поперечной оси и стремятся повернуть кольцо так, что­бы его плоскость была перпендикулярна оси вращения. Враща­ющему моменту М_вр противодействует момент М_пр спиральной пружины; равновесие наступает при равенстве М_пр = М_вр, чему соответствует некоторый угол .

Зависимость угла от угловой скорости для тахометра с кольцевым грузом также является квадратичной.

В динамическом отношении чувствительный элемент тахомет­ра с кольцевым грузом, так же как и тахометра конического ти­па, в случае применения воздушного демпфера является колеба­тельным звеном 3-го порядка (см.стр. 54).

2. Часовой метод [3]

Часовой метод измерения угловой скорости основан на зави­симости угла поворота вала за фиксированный промежуток вре­мени от угловой скорости его вращения.

В часовых тахометрах временной интервал задается с помо­щью часового механизма, а величина накопленного за этот про­межуток времени угла поворота вала передается на указываю­щую стрелку (рис. 8.2).

Часовые тахометры имеют линей­ную характеристику, их особен­ность — дискретность измерения (определение результата за конт­рольный интервал времени).

3. Фрикционный метод [3]

Фрикционный метод измерения угловой скорости основан на само­выравнивании (за счет трения

скольжения) окружной скорости вращения фрикционного ролика с окружной скоростью конуса, вра­щающегося с постоянной угловой скоростью . Мерой измеряемой

угловой скорости является величина s расстояния ролика от

вершины конуса (рис. 8. 3):

,

где d – диаметр ролика,

— угол конуса.

4. Магнитоиндукционный метод [1]

Магнитоиндукционныи метод основан на увлечении проводя­щего тела (цилиндра, диска и др.) полем вращающегося посто­янного магнита благодаря взаимодействию наводимых в прово­дящем теле индукционных токов с магнитным полем постоянного магнита.

Построенные по этому методу магнитоиндукционные (магнит­ные) тахометры подробно рассматриваются в § 8.3.

5. Индукционныйметод [4], [5]

Индукционный метод основан на зависимости э. д. с, наво­димой полем постоянного магнита в обмотке, от угловой скоро­сти вращения магнита или обмотки. Построенные по этому ме­тоду тахогенераторы описаны в § 8.4; в зависимости от схемы они могут выдавать сигналы на постоянном или переменном токе.

6. Импульсный метод[2], [7]

Импульсный метод измерения угловой скорости основан на определении частоты электрических импульсов, формируемых с помощью контактного или бесконтактного (фотоэлектрического,

индуктивного, емкостного и др.) преры­вателя или коммутатора, связанного с ва­лом, скорость вращения которого контро­лируется.

Построенные по этому методу тахометры различаются способами измерения частоты импульсов.

В конденсаторном импульсном тахо­метре с прямым преобразованием сигна­лов (рис. 8.4) контактный или бескон­тактный коммутатор периодически (один или несколько раз за оборот вала) пере­ключает конденсатор на заряд от источ­ника питания и на разряд через измери­тель тока (гальванометр). Мерой угло­вой скорости служит среднее значение силы тока, протекающего через гальва­нометр.

В конденсаторном импульсном тахо­метре компенсационного типа среднее

значение напряжения, создающегося на конденсаторе при его периодической коммутации, уравновешивается (автоматически) с помощью самобалансирующейся мостовой схемы со сле­дящим электроприводом.

Для повышения точности измерения используются стабильные слюдяные конденсаторы с температурным коэффициентом емко­сти не более 50• 10 -6 на 1 0 С.

В импульсных тахометрах в качестве коммутатора может быть использован тахогенератор переменного тока с вращающим­ся магнитом; синусоидальное напряжение, выдаваемое тахогенератором, используется для управления полупроводниковыми ключами.

7. Стробоскопический метод [6]

Стробоскопический метод основан на явлении кажущейся не­подвижности вращающегося тела при его периодическом наблю­дении в течение коротких промежутков времени с частотой, рав­ной или кратной частоте вращения (числу оборотов за 1 сек).

Различают стробоскопы с механическим затвором, через кото­рый наблюдается вращающееся тело, с механическим обтюрато­ром, прерывающим луч света, освещающий вращающееся тело, и с электронной схемой, управляющей частотой вспышек осве­тительной газонаполненной лампы, освещающей вращающееся тело.

8. Метод дифференцирования

Метод дифференцирования основан на дифференцировании сигнала позиционного датчика (потенциометрического, индуктив­ного или др.).

Метод применим при ограниченной величине углового пере­мещения контролируемого вала; примером простейшей схемы яв­ляется пассивная цепочка R—С (рис. 8.5), дифференцирующая напряжение

постоянного тока, снимаемое с потенциометра.

Передаточная функция такого дифференциатора

,

где R_n — внутреннее сопротивление по­тенциометра.

Для построения дистанционных тахометров на летательных аппаратах используется в основном магнитоиндукционный метод благодаря его простоте и линейной зависимости показания при­бора от угловой скорости.

В качестве датчиков систем автоматического управления и следящих систем используются тахогенераторы постоянного и переменного тока, основанные на индукционном методе.

В устройствах с ограниченной величиной перемещения вала применяют иногда схемы электрического дифференцирования.

Определенную перспективу имеют импульсные методы, осо­бенно в связи с развитием цифровых вычислительных машин.

Центробежный, часовой, фрикционный и стробоскопический методы измерения угловой скорости вращения вала не получили развития на летательных аппаратах по тем или другим причи­нам (громоздкость, неудобства монтажа, трудность автоматиза­ции измерений, нелинейность характеристик, увеличенные погреш­ности и т. п.).

Рассмотрим более подробно магнитоиндукционные тахомет­ры и тахогенераторы.

§ 8.3. МАГНИТОИНДУКЦИОННЫЕ ТАХОМЕТРЫ 1. Схемы и характеристики магнитоиндукционных тахометров

Применяются два варианта магнитоиндукционных тахомет­ров — с цилиндрическим чувствительным элементом и с дисковым (рис. 8.6).

В первом варианте (см. рис. 8.6, а) на вращающейся оси ук­реплена магнитная система, состоящая из постоянного магнита с одной, двумя или тремя парами полюсов и кольцевого экрана из мягкого железа, через который замыкается магнитный поток магнита.

В кольцевом воздушном зазоре между магнитом и экраном расположен тонкостенный токопроводящий цилиндр, укреплен­ный на отдельной оси, соосной с осью магнитной системы. Ось цилиндра несет на себе также указывающую стрелку и связана со- спиральной противодействующей пружиной.

При вращении магнитной системы с угловой скоростью а в токопроводящем цилиндре наводится электродвижущая сила е, вызывающая ток I, замыкающийся в теле цилиндра; в результате взаимодействия тока i с магнитным полем постоянного магнита создается движущий момент М_яв, стремящийся увлечь цилиндр вслед за вращающейся магнитной системой; этому препятствует пружина, развивающая противодействующий момент М_пр. В ре­зультате подвижная система (цилиндр вместе с указывающей стрелкой) поворачивается на некоторый угол , величина кото­рого определяется равновесием моментов М_пр = М_дв.

Зависимость является статической характеристикой (уравнением шкалы) прибора. Для определения этой зависимо­сти рассмотрим картину протекания индукционных токов на схе­ме на рис. 8.7, а, где изображена поверхность цилиндра, развер­нутая в виде токопроводящей ленты.

Будем считать магнитную систему неподвижной, а ленту — движущейся с линейной скоростью —, где D — диаметр ци­линдра.

Магнитный поток пронизывает ленту перпендикулярно к пло­скости чертежа; области, внутри которых действует поток, огра­ничены на схеме прямоугольниками, изображающими проекции полюсов постоянного магнита на поверхность ленты.

Выделим в ленте над поверхностью полюса, на расстоянии х от его края, узкую полоску шириной dx и толщиной , равной толщине стенки цилиндра.

При движении ленты со скоростью v в полоске будет наво­диться э. д. с.

,

где В — магнитная индукция в рабочем зазоре;

l — длина полюса постоянного магнита.

Поскольку магнитный поток над соседним полюсом имеет противоположное направление, то э. д. с, наводимая в анало­гичной полоске, расположенной на расстоянии х от края сосед­него полюса, будет такой же величины, т. е. е₂=е₁.

В итоге под действием э. д. с. е₁ и е₂ образуется короткозамкнутый элементарный виток тока

.

Источник