Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Badania wła

ś

ciwo

ś

ci przetworników

do pomiaru pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Pomiar pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

• pr

ą

dnica tachometryczna,

• układ z czujnikiem indukcyjnym,

• przetworniki optyczne – transoptory –

enkodery,

• inne.

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Pr

ą

dnica tachometryczna

Schematyczna zasada działania pr

ą

dnicy

Wynika st

ą

d,

ż

e napi

ę

cie jest funkcj

ą

sinus. Aby uzyska

ć

napi

ę

cie stałe na

wyj

ś

ciu trzeba zastosowa

ć

prostownik - komutator mechaniczny.

( )

U

B l v sin

α

= ⋅ ⋅ ⋅

Napi

ę

cie indukowane w zwoju

w wyniku ruchu wynosi:

gdzie:

α

to k

ą

t pomi

ę

dzy wektorem

indukcji B, a pr

ę

dko

ś

ci v.

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Budowa pr

ą

dnicy tachometrycznej

WIRNIK

KOMUTATOR

STOJAN

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Charakterystyka pr

ą

dnicy

tachometrycznej pr

ą

du stałego

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Przykłady pr

ą

dnic tachometrycznych

Specjalne własno

ś

ci:

• Temperaturowa kompensacja napi

ę

cia,

• Bardzo krótki czas odpowiedzi napi

ę

cia,

• Układ magnetyczny ekranowany

przeciwko wpływowi zewn

ę

trznego pola

magnetycznego,

• Mały moment bezwładno

ś

ci,

• Specjalny kształt przył

ą

czy elektrycznych,

• Ró

ż

ne systemy monta

ż

u w zale

ż

no

ś

ci od

zastosowania

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Czujniki indukcyjne

Zasada pomiaru pr

ę

dko

ś

ci obrotowej z wykorzystaniem czujnika indukcyjnego

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Czujniki indukcyjne

Sygnał pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

1 – wieniec z

ę

baty,

2 – uzwojenie,
3 – magnes,
4 - wyj

ś

cie

_____ przy du

ż

ej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

--------- przy małej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Czujniki indukcyjne

Ró

ż

ne konstrukcje czujników pr

ę

dko

ś

ci koła

zabudowa promieniowa, uchwyt umieszczony

promieniowo w stosunku do wie

ń

ca, rdze

ń

z

ko

ń

cem w kształcie płetwy,

zabudowa osiowa, uchwyt umieszczony promieniowo

w stosunku do wie

ń

ca, rdze

ń

z ko

ń

cem o

przekroju rombowym,

zabudowa promieniowa, uchwyt umieszczony osiowo

w stosunku do wie

ń

ca, rdze

ń

z ko

ń

cem o

przekroju kołowym

Czujniki pr

ę

dko

ś

ci koła w przekroju

czujnik z rdzeniem o ko

ń

cu płetwowym,

czujnik z rdzeniem o ko

ń

cu zaokr

ą

glonym

1 – przewód elektryczny, 2 – rdze

ń

magnetyczny, 3 –

obudowa, 4 – uzwojenie, 5 – ko

ń

cówka rdzenia,

6 – koło impulsowe (wieniec z

ę

baty)

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Indukcyjny sensor zbli

ż

eniowy

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Budowa i zasada działania enkodera inkrementalnego

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Budowa enkodera optycznego obrotowego

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Enkodery inkrementalne

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Magnetyczny sensor inkrementalny

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Magnetyczny sensor inkrementalny

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Schemat stanowiska

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Zadania do wykonania

• opracowanie schematu układu:

– układ mechaniczno – nap

ę

dowy,

– układ elektryczno – pomiarowy,
– wykaz elementów,

• pomiar nast. wielko

ś

ci:

– impulsy z czujnika indukcyjnego,
– napi

ę

cie wyj

ś

ciowe licznika imp. z czujnika

indukcyjnego,

– napi

ę

cie wyj

ś

ciowe licznika impulsów z czujnika

fotooptycznego,

– napi

ę

cie pr

ą

dnicy tachometrycznej,

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Zadania do wykonania

• okre

ś

lenie współczynników skali pr

ę

dko

ś

ci

obrotowej,

• sporz

ą

dzenie wykresów mierzonych i

obliczonych parametrów,

• sporz

ą

dzenie charakterystyki pr

ą

dnicy

tachometrycznej n=f(U),

• okre

ś

lenie opó

ź

nienia czasowego i rozrzutu

wyników pomiaru pr

ę

dko

ś

ci obrotowej przy

ró

ż

nych parametrach konfiguracyjnych licznika

impulsów z czujnika fotooptycznego.

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Przykładowe wyniki pomiarów

2

4

6

8

10

t [s]

0

2

4

6

8

10

Im

p

[

V

]

-2

-1

0

1

2

U

[

V

]

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Pomiary w ruchu obrotowym

Pomiar i regulacja prędkości obrotowej jest jednym z ważniejszych zagadnień we wszystkich dziedzinach techniki. Nie można sobie obecnie wyobrazić
maszyn i urzadzeń bez pomiaru prędkości obrotowej. Do pomiarów wykorzystuje się przetworniki wielkości mechanicznych na sygna

ł

elektryczny. Na drodze

elektrycznej, prędkość może być mierzona bezpośrednio za pomocą przetwarzania na impulsy elektryczne o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości
obrotowej oraz za pomocą przyrządów pomiarowych.
Te dwa sposoby pomiaru prędkości obrotowej wskazują na obecność dwóch zasadniczych urządzeń do pomiaru. Te urządzenia to:
- prądnice tachometryczne
- impulsator, zwany enkoderem

Prądnica tachometryczna s

ł

uży do analogowego pomiaru prędkości obrotowej. Jest to maszyna elektryczna ma

ł

ej mocy, s

ł

użąca do przetwarzania prędkości

obrotowej na proporcjonalny sygna

ł

elektryczny. Proporcjonalność przetwarzania jest określona charakterystyką wyjciową prądnicy, tzn. zależności między

wielkością wejściową (prędkość kątowa) a wielkością wyjściową (napięciem na uzwojeniu). Podstawowym parametrem prądnicy tachometrycznej jest sta

ł

a

prądnicy, która określa wartość napięcia na 1000 obrotów.
Prądnice tachometryczne można podzielić na:
- prądnice prądu sta

ł

ego

- prądnice prądu zmiennego

Tachoprądnice prądu sta

ł

ego charakteryzują się dużym zakresem pomiarowym i umożliwiają rozróżnienie prądu dwukierunkowego.

Tachoprądnice prądu zmiennego są natomiast wyposażone w prostowniki, więc napięcie wyjściowe jest zawsze dodatnie co uniemożliwia określenie kierunku
obrotu maszyny.

Cyfrowy pomiar prędkości obrotowej może być wykonany za pomocą impulsatora zwanego enkoderem. Impulsator to urządzenie s

ł

użące do przekszta

ł

cania

ruchu obrotowego na ciąg impulsów prostokątnych o częstotliwości proporcjonalnej do prędkości obrotowej. Podstawowe części impulsatora to: fotonadajnik,
tarcza z otworami fotoodbiornik. Maszyna, której prędkoć obrotów chcemy mierzyć jest "na sztywno" po

ł

ą

czona z tarczą. Częstotliwość z jaką pojawia sie

sygna

ł

na fotoodbiorniku jest proporcjonalna do prędkości obrotowej maszyny. Takie rozwiązanie stosowane jest w impulsatorach jednokana

ł

owych. Jeżeli

wprowadzimy drugą tarczę to będzie ona pe

ł

nić funkcje drugiego kana

ł

u, który jest odpowiednio przesunięty i pozwala na określenie kierunku wirowania

maszyny. Taki impulsator nazywamy dwukana

ł

owym. Wprowadzenie trzeciej tarczy z jednym otworem pozwala na określenie punktu początkowego lub tzw.

pulsu zerowego. Przetworniki z trzema tarczami są najczęściej używane i nazywamy je przetwornikami inkrementalnymi lub enkoderami inkrementalnymi.

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

Kolejnym zagadnieniem jest pomiar kąta obrotu. Można wykorzystać tutaj
enkodery inktementalne wspó

ł

przcujące z odpowiednimi licznikami impulsów. Ta

metoda ma jedną wadę - nie pozwala na określenie po

ł

ożenia wirnika silnika zaraz

po za

ł

ą

czeniu. Tej wady nie mają enkodery absolutne. Enkodery absolutne

posiadają znacznie więcej kana

ł

ów, które różnią się od siebie. Umożliwia to

uzyskanie z kilku wyjść jednej liczby binarnej jednoznacznie określając po

ł

ożenie

kątowe przetwornika. Najczęściej stosowanym systemem do kodowania wartości
kąta jest kod Graya.

Politechnika Krakowska
Instytut Konstrukcji Maszyn

Laboratorium z Miernictwa

G

ł

ówne kryteria wyboru przetworników

1. Przetworniki impulsowe
Przy wyborze przetworników impulsowych ważne jest, aby określić ilość wyjściowych kana

ł

ów sygna

ł

owych. Dla określenia tego parametru

rozstrzygającym kryterium jest funkcja przetwornika. Do podstawowych funkcji przetwornika należy:
- pomiar predkości obrotowej wymaga 1 kana

ł

u

- pozycjonowanie po

ł

ożenia w trakcie obrotu wymaga 2 kana

ł

ów przesuniętych względem siebie o 90 stopni

- pozycjonowanie po

ł

ożenia z zakresie obrotu 360 stopni oraz zliczanie ilości pe

ł

nych obrotów, wymaga 3 kana

ł

ów z czego jeden kana

ł

posiada impuls

zerowy

Kolejnym parametrem jest rozdzielczość, która określa liczbę lmpulsów przypadającą na jeden obrót.

Maksymalna częstotliwość impulsów określa największą ilość impulsów przypadających na jeden obrót. Ten parametr nie może być większy od wartości
dopuszczalnej , która jest dopuszczana w danych technicznych.
Ponadto należy wyróżnić wyjście sygnalowe i rodzaj napięcia zasilania.
Każdy przewodnik posiada dopuszczalną temperaturę otoczania, w jakiej może pracować.

2. Przewodnik absolutny
Można wyróżnić dwa rodzaje przetworników absolutnych:
- z możliwością pomiaru absolutnej pozycji kontowej w zakresie 1 obrotu
- z możliwością pomiary absolutnej pozycji kontowej w zakresie 1 obrotu oraz z możliwością pomiaru pewnej ilości ca

ł

kowitych obrotów

Bardzo ważnym parametrem jest rozdzielczość, wyrażana w bitach.
Przy wyborze przetwornika należy wziąć pod uwage również rodzaj wyjść sygna

ł

owych, napięcia zasilania oraz przewodów po

ł

ą

czeniowych.

Należy zwrócić uwage na dopuszczalną temperature pracy.

Opisane powyżej przetworniki pomiaru prędkości i kąta różnią się od siebie wersjami obudów, stopniem ochrony, środowiskiem pracy, mają różny b

ł

ą

d

pomiarowy i zakres temperatury pracy a także posiadają różne dodatkowe elementy mocujące.