18.Pomiary prędkości obrotowej

Cel ćwiczenia

Poznanie różnego rodzaju metod pomiarowych takich jak metoda cyfrowa czy metoda stroboskopowa pomiaru prędkości obrotowej.

18.1 Wstęp

Prędkość obrotowa należy do ważnych parametrów pomiarowych, a jej wartość w wielu procesach musi być kontrolowana w sposób ciągły lub okresowy. Do pomiaru prędkości obrotowej stosuje się metody stykowe lub bezstykowe.

W metodach stykowych pomiaru prędkości obrotowej wykorzystuje się przyrządy pomiarowe, których czujnik lub specjalny element konstrukcyjny sprzęga się mechanicznie z wałem maszyny wirującej. W przyrządach wykorzystywanych w metodach bezstykowych czujnik pomiarowy nie dotyka bezpośrednio badanej maszyny.

Metody stykowe stosuje się praktycznie przy pomiarach prędkości obrotowej maszyn większej mocy, ponieważ w innych warunkach przyrządy obciążają wał badanej maszyny i zmieniają warunki pracy. Metody bezstykowe stosuje się do pomiarów prędkości obrotowych maszyn o małych i bardzo małych wartościach mocy znamionowych. Wśród mierników stosowanych do pomiaru prędkości obrotowej można wyróżnić mierniki analogowe i mierniki cyfrowe.

18.2 Pomiar prędkości obrotowej za pomocą cyfrowego miernika prędkości obrotowej.

Cyfrowe mierniki prędkości obrotowej umożliwiają dokładniejszy pomiar niż obrotościomierze analogowe, których błąd zawiera się najczęściej w przedziale 1,5%-2,5%. Cyfrowe mierniki prędkości obrotowej charakteryzują się dobrymi właściwościami metrologicznymi, a ich podstawowe zalety to:

1. doża dokładność, która zapewnia porównywanie w procesie pomiarowym wartości mierzonej z wartością wzorcową, wytwarzaną przez generator kwarcowy lub stabilizowane źródło napięcia wzorcowego,

2. dogodny odczyt (nie występują błędy odczytu ch-ne dla analogowych mierników wskazówkowych),

3. krótki czas trwania cyklu pomiarowego,

4. możliwość przekształcenia wyników pomiarów w ciągi impulsów, co pozwala na łatwe ich przesyłanie na określone odległości, zapamiętywanie i poddawanie odpowiedniej obróbce cyfrowej.

Schemat blokowy do pomiau prędkości obrotowej metoda cyfrową a)dużych b)małych prędkości obrotowych.

Pomiar polega na zliczaniu w określonym czasie liczby impulsów wysyłanych przez czujnik obrotowo-impulsowy.

Czujnik umieszczony jest w pobliżu elementu wirującego, na którym umieszczone są znaczniki odbłyskowe. Prędkość obrotowa badanego elementu wirującego zamieniana jest w przetworniku obrotowo-impulsowym na ciąg impulsów, których liczba jest proporcjonalna do prędkości obrotowej. Ciąg impulsów po wzmocnieniu i uformowaniu w układzie wzmacniająco-formującym podawany jest na wejście licznika.

Układ generowania impulsów powoduje wyzerowanie licznika oraz otwarcie bramki na ściśle określony czas, tzw. czas zliczania, poprzez podanie na bramkę sygnału bramkującego. Formowany jest on za pomocą kwarcowego generatora częstotliwości wzorcowych (generator impulsów wzorcowych). W czasie trwania impulsu wzorcowego przez bramkę przepuszczane są impulsy mierzone. Po zakończeniu zliczania następuje przepisanie stanów liczników do pamięci urządzenia odczytowego i cały cykl pomiarowy powtarza się na nowo.

W przypadku pomiaru małych prędkości obrotowych (rys b) czas otwarcia bramki, a tym samym szerokość impulsu bramkującego określona jest czasem trwania impulsów mierzonych. Okres impulsów mierzonych jest czasem trwania impulsów mierzonych. Okres impulsów mierzonych wyznacza szerokość impulsu bramkującego, w ciągu którego przez bramkę przepuszczane są impulsy z generatora wzorcowego. W obu przypadkach pomiaru prędkości obrotowej czas pomiaru określa szerokość impulsu bramkującego wytwarzanego w układzie formowania impulsów bramkujących, którego wartość, przy takim rozwiązaniu konstrukcyjnym miernika, może wynosić odpowiednio 1s, 3s, 6s.

Na płycie czołowej miernika znajdują się czteropolowe urządzenia odczytowe oraz isostatowy przełącznik rodzaju pracy pozwalający na wybór właściwego czasu pomiaru. Gniazdo umożliwiające połączenie czujnika pomiarowego oraz zaciski równoległego wyjścia cyfrowego umieszczone są na ścianie tylnej przyrządu. Miernik jest przeznaczony do pray z czujnikiem fotoelektrycznym oraz czujnikiem indukcyjnym.

18.3.Pomiar prędkości obrotowej za pomocą prądniczki tachometrycznej.

Należy ona do częściej stosowanych metod pomiaru prędkości obrotowej.

Układ do pomiaru prędkości obrotowej silnika elektrycznego za pomocą prądniczki tachometrycznej: 1-silnik 2-sprzęgło 3-prądniczka 4-woltomierz wywzorcowany w jednostkach prędkości obrotowej [obr/min]

Prądniczka tachometryczna posiada trwałe magnesy wzbudzające. Wirnik prądniczki sprzęga się mechanicznie za pomocą sprzęgła z częścią (np. wał maszyny wirującej). której prędkość obrotową należy zmierzyć. Stąd prędkość obrotowa prądniczki tachometrycznej jest równa prędkości obrotowej badanej maszyny.

Podczas obrotów w uzwojeniu twornika prądniczki indukuje się siła elektromotoryczna E, której wartość jest proporcjonalna do prędkości obrotowej badanego elementu:

E=cn

gdzie:

c - współczynnik prpoprcjonalności mający stałą wartość charakteystyczna dla danej prądniczki,

n - prędkość obrotowa wyrażona w [obr/min]

Wartość napięcia E można zmierzyć dołączając do prądniczki woltomierz wywzorcowany w [obr/min]. W zależności od zmienności indukowanej SEM E prądniczki tachometryczne dzieli się na prądu stałego oraz prądu przemiennego, pracujące w charakterze maszyny synchronicznej. W ćwiczeniu używana jest prądniczka tachometryczna prądu stałego.

Prądniczka, tak jak każda maszyna wirująca, ma ograniczoną prędkość obrotową, której wartość należy uwzględnić przy doborze prądniczki do danego zakresu pomiarowego. Przykłądem prądniczki tachometrycznej prądu stałego jest TP2B o maksymalnej prędkości obrotowej 3000 obr/min, współpracująca z woltomierzem magnetoeektrycznym wywzorcowanym w jednostkach prędkości obrotowej.

18.4.Pomiar prędkości obrotowej za pomoca stroboskopu

Stroboskop błyskowy stosuje się do pomiaru dużych prędkości obrotowych. Działanie stroboskopu opiera się na wykorzystaniu właściwości lampy błyskowej (neonowej), która zapala się przy pewnej wartości napięcia zwanego napięciem zapłonu. Tym samym lampa błyskowa ma ograniczony czas świecenia i zapala się oraz gaśnie 2f razy w ciągu sekundy (f -częstotliwość zasilania lampy).

Między gaśnięciem lampy i ponownym jej zapaleniem występuje wyraźny przedział czasowy. Właściwość tę można wykorzystać do pomiaru prędkości obrotowej. Jeżeli lampa oświetla koniec wału maszyny wirującej na którym umieszczony jest znacznik w postaci np. kreski, to w przypadku, gdy obroty maszyny są synchroniczne z częstoltliwością napięcia zasilającego lampę, obserwuje się kreskę pozornie nieruchomą, ponieważ wał jest oświetlony zawsze w tym samym położeniu. Zjawisko to nazywa się zjawiskiem stroboskopowym.

Aby był możliwy pomiar prędkości obrotowej maszyny wirującej za pomocą lampy neonowej w określonym zakresie, częstotliwość jej napięcia zasilającego powinna być regulowana w sposób płynny w zakresie skorelowanym z zakresem pomiaru prędkości obrotowej.

Pomiar prędkości obrotowej stroboskopem błyskowym polega na doregulowaniu częstotliwości jego wewnętrznego napięciowego źródła zasilania do takiej wartości, przy której na wale maszyny wirującej można zaobserwować pozornie nieruchomy znacznik. Jest tak również wtedy, gdy jego prędkość będzie równa całkowitej wielokrotności prędkości nastawianej za pomocą pokrętła miernika.

Stroboskop błyskowy nie obciąża badanej maszyny wirującej i dlatego może być stosowany do pomiarów prędkości obrotowej maszyn o bardzo małej mocy znamionowej. Zakres pomiaru prędkości obrotowej może być szeroki i najczęściej zawiera się w granicach 400-18000obr/min.

W celu uniknięcia błędów przy wykonywaniu pomiarów należy każdy pomiar rozpoczynać od częstotliwości błysków większych od częstotliwości błysków synchronicznej z obrotami maszyny wirującej i stopniowo zmniejszać jej wartość do chwili, gdy po raz pierwszy wystąpi zjawisko stroboskopowe, czyli znacznik w postaci kreski będzie pozornie nieruchomy. Wystąpi wówczas zjawisko stroboskopowe, zgodnie z którym obraz staje się pozornie nieruchomy, a częstotliwość ruchu dla pozornie nieruchomego pojedynczego obrazu wyrazi się wzorem:

gdzie M oznacza krotność obrazu.

Dla stroboskopu używanego w ćwiczeniu należy przyjąć M=100, wówczas częstotliwość ruchu f_r, a tym samym prędkość obrotowa liczona w obrotach na minutę wyrazi się wzorem:

18.5.Przetworniki obrotowo-impulsowe

Do przetwarzania przemieszczenia kątowego na impulsy elektryczne służą przetworniki obrotowo-impulsowe należące do grupy przetworników kwantujących. Są to:

• przetworniki fotoelektryczne,

• przetworniki indukcyjne,

• przetworniki magnetyczne.

Zasada działania fotoelektrycznego przetwornika obrotowo-impulsowego

1-tarcza z otworami 2-źródło światła 3-detektor światła

Podstawowym elementem przetwornika jest kwantująca tarcza z otworami umocowana na wale maszyny wirującej. Tarcza zawiera szereg pól przezroczystych (otwory) i nieprzezroczystych dla światła. Z jednej strony tarczy umieszczone jest źródło światła wraz z optycznym układem kolimującym lub diodą świecącą LED, natomiast z drugiej strony umieszczony jest detektor światła - element światłoczuły.

Obracająca się tarcza przerywa strumień światła z żarówki będącej źródłem światła padającego na detektor światła, którym jest fotodioda lub fototranzystor. Na wyjściu detektora pojawiają się impulsy elektryczne, których liczba n jest proporcjonalna do przemieszczenia kątowego, a więc i do liczby obrotów tarczy. Wartość przemieszczenia kątowego δ dla przetwornika fotoelektrycznego można wyznaczyć na podstawie wzoru:

gdzie:

n - liczba impulsów wyjściowych

N - liczba elementów modulujących.

Przetwornik indukcyjny

Przetwornik kwantujący obrotowo-impulsowy indukcyjny

1-metalowa tarcza diamagnetyczna 2-uzwojenie pierwotne elektromagnesu 3-e;ektromagnes 4-uzwojenie wtórne

Jednym z głównych elementów przetwornika jest elektromagnes, w którego szczelinie wiruje metalowa tarcza zębata wykonana z materiału diamagnetycznego. Uzwojenie pierwotne elektromagnesu zasilane jest napięciem przemiennym.

Napięcie wyjściowe z uzwojenia odbiorczego (wtórnego) jest modulowane przez wirującą tarcze zębatą zamocowaną na wale maszyny wirującej. Modulacja polega na zmianie rezystancji magnetycznej obwodu magnetycznego elektromagnesu, będącej skutkiem pojawienia się (z częstotliwością proporcjonalną do prędkości obrotowej) w jego szczelinie zębów wirującej tarczy, które są jednocześnie elementami modulującymi

Przetwornik magnetyczny

Składa się z namagnesowanej zębatej tarczy wykonanej z materiału ferromagnetycznego i z uzwojenia będącego źródłem impulsów modulowanych proporcjonalnych do przemieszczenia kątowego. Zęby wirującej tarczy, które sa praktycznie nabiegunnikami magnesów trwałych, powodują indukowanie się w nim napięcia.

Liczba impulsów odbieranych z uzwojenia jest więc funkcją prędkości obrotowej wału maszyny wirującej, na którym została zamocowana tarcza zębata. Wartość przemieszczenia kątowego dla przetworników kwantujących: indukcyjnego i magnetycznego można wyznaczyć za pomocą analogicznego równania, jak i w przypadku fotoelektrycznego (δ).

---