Э.д.с, наведенная в катушке перемещением магнита, пропорциональна его скорости; э.д.с. катушек имеют противоположный знак, поскольку в них перемещаются противоположные полюса; поэтому обе катушки соединены последовательно и встречно по знаку, так что в этом случае получается ненулевая суммарная э.д.с.
Примером такого измерительного прибора может служить датчик линейной скорости 7L20VT.Z (фирма-изготовитель Schaevitz), имеющий максимальный ход 500 мм, чувствительность 4,8 мВ/мм/с и линейность ±1% от выходного напряжения.
Импульсные тахометры угловой скорости
Часто приходится измерять скорость вращения диска на валу. Поверхность такого диска состоит из р равных секторов, каждый из которых имеет характерную отметку (отверстие,, щель, зуб). В качестве образца можно использовать любое вращающееся тело с периодической структурой: шестерню, ось с выемками, колесо с лопатками и т. д.
Соответствующий (например, оптический) датчик, помещенный напротив образца, обнаруживает прохождение отметок и каждый раз выдает импульсный сигнал. Частота импульсов датчика имеет величину /:
где N — число оборотов образца в секунду, р— число регулярных меток, на него нанесенных. Выбор подходящего датчика связан с природой вращающегося тела и нанесенных на него меток; в зависимости от обстоятельств используют или один из различных датчиков близости или оптический датчик. Датчик изменяющегося магнитного сопротивления должен быть размещен вблизи вращающегося ферромагнитного тела, метки на котором представляют собой резкие изменения его магнитных свойств. Датчик на токах Фуко и индуктивный датчик чувствительны к изменениям расстояния до проводящего тела вращения. Для датчиков, основанных на использовании эффекта Холла или магнитного сопротивления, требуется, чтобы на вращающемся теле находились в движении один или несколько магнитов и обеспечивалось периодическое экранирование датчика от магнитного поля. Оптический датчик и источник света позволяют регистрировать последовательность меток, образуемых разрывами оптических свойств вследствие наличия отверстий, щелей, отражающих поверхностей. Достоинства импульсной тахометрии обусловлены, с одной стороны, ее простотой, надежностью, совместимостью с агрессивной средой (например, измерения при ядерном облучении) м, с другой стороны, тем фактом, что носителем информации является частота, что обеспечивает определенную защищенность от различного рода помех (шумов, паразитных сигналов, ослабления в линиях связи) и упрощает преобразование в цифровую форму. Устройством формирования сигнала служит либо цифровой частотомер, либо преобразователь частота — напряжение; последний состоит из а) каскада согласования импедансов и формирования сигналов, например триггера Шмитта; б) односта-Зильной схемы, которая каждый импульс, поступивший с выхода предыдущей ступени, преобразует в импульс постоянной амплитуды и постоянной длительности Го (очевидно, величина То должна быть меньше минимального периода повторений); в) низкочастотного фильтра, выходное напряжение которого дает постоянную составляющую сигнала, равную среднему значению напряжения импульсов, сформированных одностабильной схемой, и пропорциональную То. Снижение граничной частоты фильтра уменьшает пульсации на выходе, но увеличивает постоянную времени и, следовательно, время измерения.
Датчики с переменным магнитным сопротивлением
Измерительная катушка снабжается магнитным сердечником, на который воздействует поток индукции постоянного магнита; катушка помещена перед диском (полюсное колесо) или перед вращающимся ферромагнитным телом. Последовательность скачков магнитных свойств (зубья, щели, отверстия) диска или вращающегося тела вызывает периодическое изменение
Магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, которое наводит в ней э.д.с. с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда этой э.д.с. зависит:
а) от расстояния между катушкой и вращающимся телом; она быстро падает с увеличением этого расстояния ров); (которое обычно не ожет превышать нескольких миллимет
б) от скорости вращения (в принципе амплитуда э.д.с. пропорциональна этой скорости); при малых скоростях амплитуда может быть недостаточной для обнаружения, вследствие чего появляется «мертвая зона», в которой невозможны никакие измерения. Эта зона тем протяженнее, чем больше расстояние между катушкой и вращающимся телом. Увеличение потерь с повышением скорости ведет к ограничению амплитуды.
Диапазон измерений зависит от числа р скачкообразных изменений магнитных свойств вращающегося тела, например, от числа зубьев колеса.
Минимальная измеряемая скорость тем меньше, чем больше р, тогда как максимальная измеряемая скорость тем выше, чем меньше р. Типичные диапазоны измерении составляют от 50 до 500 об/мин для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10 000 об/ мин для колеса с 15 зубьями.
Датчик рассматриваемого типа позволяет определять скорость диска, вращающегося внутри кожуха, при условии, стенка кожуха немагнитная и расстояние между катушкой и. диском остается небольшим.
Датчики на токах Фуко
Этот тип датчиков применим, когда вращающееся тело металлическое, но не ферромагнитное. Катушка, представляющая собой чувствительный элемент, образует индуктивность резонансного контура синусоидального генератора. При приближении металлического проводника изменяются характеристики L и R катушки, вследствие чего генерация прекращается. При прохождении каждого зуба вращающейся шестерни перед катушкой происходит прерывание колебаний, что обнаруживается, например, по изменению тока питания генератора. Частота соответствующего сигнала пропорциональна скорости вращения, а его амплитуда не зависит от последней, поскольку определяется в данном случае не законом Фарадея. Отсюда следует, что этот тип датчика не имеет «мертвой зоны» и поэтому применим к измерению очень малых скоростей.
Оптический тахометр
В наиболее простой форме он состоит из источника света и. оптического приемника — фотодиода или фототранзистора.
Вращающееся тело либо снабжают отражающими метками расположенными регулярно по окружности, на которые направляется световой пучок, либо соединяют с диском, имеющим попеременно прозрачные и непрозрачные сектора, который располагают между источником и приемником света. Получая модулированный скачкообразными изменениями отражения или пропускания поток, фотоприемник выдает электрический сигнал с частотой, пропорциональной скорости вращения, и с амплитудой, не зависящей от этой скорости. Диапазон измеряемых скоростей зависит, с одной стороны, от числа скачков оптических свойств (риски, щели, прозрачные сектора, нанесенные на диск или на вращающееся тело), а с другой — от полосы пропускания приемника и связанных с ним электрических схем. Для измерений малых скоростей, например ОД об/мин, используются диски с большим числом щелей (от 500 до нескольких тысяч); в измерениях больших скоростей, например 105-т--т-106 об/мин в случае ультрацентрифуг, диск имеет только одну щель, и максимальная измеряемая скорость определяется верхней граничной частотой электрической цепи. Применение диска с двумя дорожками, сдвинутыми на четверть периода по пространству (оптический генератор приращений, позволяет определять направление вращения.
Гирометры
Гирометры — это приборы, устанавливаемые на движущихся объектах для определения их угловой скорости.
В зависимости от природы используемого физического явления различают:
а) механические гирометры, основанные на свойствах гироскопа;
б) оптические гирометры на лазерах или волоконной оптике, использующие свойства распространения волн.
Гироскопический измеритель скорости
Гироскоп состоит из ротора, смонтированного в кардановом подвесе, который, будучи раскрученным мотором до большой скорости (~104 об/мин), вращается вокруг оси Y'Y (рис.9.10).
Измеряемая скорость вращения w должна быть направлена по оси Z'Z, перпендикулярной оси Y'Y; из-за этой скорости по является гироскопический момент сил Cgt пропорциональный о) и направленный по Х'Х перпендикулярно осям г У и Z'Z; он стремится повернуть подвес гироскопа. Момент Се уравновешивается моментом упругих сил Сг, создаваемым двумя пружинами; он пропорционален углу а поворота подвеса. В условиях равновесия имеем
где Cr—ka, k — коэффициент упругости пружины, Се~сзНр Н — кинетический момент инерции ротора. Отсюда получаем
Угол а поворота подвеса гироскопа пропорционален измеряемой скорости о; с помощью потенциометра угол а преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал.
Порядок величин метрологических характеристик типового-гироскопического измерителя скорости (докум. SFIM) следующий: диапазон измерений (Д. И.) от ±7°/с до ±360 °/с; чувствительность средняя от 57 Ом/7е до 1,11 Ом/°/с; отклонение от линейности <±1,5% от Д. И.; порог чувствительности <±1 от Д. И.; ошибка гистерезиса 0,5% от Д. И.; собственная резонансная частота заключена между 6 и 25 Гц.
Оптические гирометры
Принцип действия. Когда световая волна распространяется в движущейся среде, преодолеваемое ею расстояние зависит от того, происходит распространение в направлении движения или в противоположном ему. Пусть, например, между двумя зеркалами М и Af2, расположенными на расстоянии L друг от друга, распространяется световая волна. Если зеркала расположены неподвижно в неподвижной среде, то преодолеваемое волной расстояние от М\ до М2, т. е. an» равно пути волны от М2 до Ми т. е. d2
Когда оба зеркала перемещаются как целое со скоростью V, направленной, например, от Mi к М2, то
|
Разность этих путей пропорциональна скорости V: |
а) путь di2 увеличивается, потому что М2 удаляется от фронта волны,
Конструкция. Во вращающейся среде, образующей кольцевой резонатор лазера, две волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, создают эффект разности их хода, проявляющийся в двух лазерных пучках различной частоты. Суперпозиция этих двух пучков порождает биение, частота Af которого пропорциональна скорости вращения: где А — площадь, охватываемая кольцевым резонатором, L — его периметр, X — средняя длина волн излучения. Такой прибор — лазерный гигрометр — позволяет измерять очень малые угловые скорости, порядка 10~2°/ч. В гирометре другого типа два пучка, выходящие из одного и того же лазера, распространяются в противоположных направлениях по оптическому волокну, вращающемуся с измеряемой скоростью. На выходе из волокна два пучка интерферируют; подсчет числа AZ смещенных из-за вращения интерференционных полос позволяет измерить скорость: где L — длина волокна, Я —длина волны излучения лазера. Гигрометр этого типа на оптическом волокне, благодаря увеличению L при многовитковой намотке, позволяет измерять угловые скорости примерно в 100 раз меньшие, чем измеряемые обычным лазерным гигрометром.
Заключение
В данной работе были рассмотрены и изучены: датчики на токах Фуко, гироскопические измерители скорости, оптические тахометры, датчики с переменным магнитным сопротивлением, тахометрические генераторы на переменном и постоянном токе. Синхронный генератор. Речь идет о небольшом генераторе переменного тока. Ротор, связанный с осью, скорость которой Статор несет якорную обмотку (одно- или многофазную), в которой возникает синусоидальная э.д.с; ев амплитуда и частота пропорциональны скорости вращения ротора. Могут использоваться на автомобилях в тяжелой промышленности, ветрянных и гидро-электростанциях.
Приложение
Рас. 1. Принципиальная схема генератора постоянного тока, 1-щетка;
2-коллектор; 3- статор; 4 - ротор; 5-проводники
Рис. 2. Различные тнпы тахометрическнх генераторов постоянного тока (документация фирмы С.Е.М.).
а — с катушечным ротором; б — с жолоколообрмвыы ротором (пример выполнения обмотки фирне Muiiniotor S. А.); в — с днсконджльным роторон (деталь конструкции якоря фкрмы С. Е. U. i — магннт; 2 — якорь; 3 — коллектор; 4 — фиксирующее кольцо; 5 — рязрезаая ступица.
Характеристики
Э.Д.С холостого хода при 10-60 3 3 или 6
1000 об/мин, Ke(V)
Двусторонний допуск Ке, % rtO,5 ±1,5 ±1,5
Линейность, приведенная к 3600 0,15 0,1 О,0б
об/мин, 1эвм, %
Индуктивное сопротивление при 10-^350 36 1
25 °С, Ом
Индуктивность якоря, мГн 8^290 1,6 0,1
Момент инерции ротора, г-смг 1400^-1500 5,3 350-^1500
Максимальная скорость, об/мвн 5000 6000 4000
Масса, г 1500 700 1000-М500
Рис. 3- Синхронный генератор
л —однофазный двухполюсный; б —трехфазный с 4 полюсами в соединением обмоток в звезду измеряется, представляет собой магнит или совокупность магнитов.
Рис. 4. Тахометр с синхронной электрической передачей (документация фирмы Jaeger).
а — задающий генератор переменного тока; б — индикатор. 1 — квадрат; 2 — постоянный магнит; 3 — статор; 4 — двигатель; 5 — измерительный магнит; 6 — измерительный диск; 7 — регулируемая спиральная пружина; 8— игла; 9 — экранирующая пластин; 10 — узел термокомпенсации; 11 —магнитное поле.
|
|
Рис.6. Принцип действия датчика
с подвижной катушкой.
I — катуипм; 2 —постоянный магнит.
Рис.7. Датчик скорости с подвижным магнитом (документация фирмы Schaevitz).
а — конструкция; б — соединение измерительных катушек.
Рис.9.Принцип действия оптического тахометра.
J —линза; 2 — световой пучок; 3— оптическнй приемник.
Рис. 10. Конструкция гироскопа (документация фирмы SFIM).
1 — пружина; 2 — амортизатор; 3 —карданов подвес; 4 — курсор; 5 — ротор; 6 — потенцвомегр.
рис 11. Оптический гирометр.
б — лааерный с оптическим волокном, / — оптическое волокно; 1 — лазер; 3 — интерференционные полосы.
