LABORATORIUM PODSTAW METROLOGII M-T

Ćwiczenie nr 4

POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ.

Pomiary prędkości obrotowej mogą one być dokonywane metodami analogowymi lub cyfrowymi . Metody analogowe polegają na wykorzystaniu do pomiaru prędkości obrotowej przetworników ruchu obrotowego, których sygnał wyjściowy(np. napięcie stałe lub zmienne) jest ciągłą funkcją mierzonej prędkości). Są to prądnice prądu stałego lub zmiennego a także przetworniki działające impulsowo, których sygnał wyjściowy (o charakterze napięciowym) jest przetwarzany w układach analogowych na napięcie o ciągłym przebiegu czasowym (np. pojemnościowe przetworniki integracyjne

W metodach cyfrowych przetwarza się ruch obrotowy na ciąg impulsów , których liczba jest zależna od mierzonej prędkości. Układy pomiarowe z przetwornikami prędkości obrotowej mogą być prostymi układami tachometrycznymi, lub złożonymi układami w których oprócz prędkości mierzy się inne parametry ruchu obrotowego (fluktuacje prędkości , mimośrodowość itp.) Tor przetwarzania mierzonej prędkości obrotowej na sygnał wyjściowy może być typu otwartego (otwarty łańcuch kolejnych przetworzeń sygnału z przetwornika) lub zamkniętego (ze sprzężeniem zwrotnym), w którym porównywany jest sygnał z przetwornika prędkości z sygnałem zewnętrznym, którego odpowiedni parametr (np. częstotliwość) jest regulowany sygnałem z przetwornika prędkości badanej automatycznie lub ręcznie przez obserwatora .

Z takim układem pomiarowym mamy do czynienia w pomiarach prędkości obrotowej miernikiem stroboskopowym , którego częstotliwość błysków jest regulowana przez obserwatora zależnie od prędkości ruchu wyróżnionego punktu na badanym obiekcie.

W zależności od zasady działania i konstrukcji przetwornika prędkości obrotowej jego sygnał wyjściowy może być proporcjonalny do prędkości kątowej ω lub liniowej v zależnej od średnicy D elementu wirującego (tarczy impulsowej) przetwornika

Rys.1. Szkic tarczy impulsowej przetwornika prędkości obrotowej ; S − środek geometryczny tarczy , S_r − rzeczywisty środek obrotu wynikający z mimośrodowego osadzenia tarczy lub osi obrotu badanego obiektu.

Dla ruchu obrotowego elementu o średnicy D (promień r na rys.1) obowiązują zależności :

− chwilowa rzeczywista prędkość kątowa (1),

− średnia prędkość kątowa (2),

− przyśpieszenie kątowe (3),

− prędkość liniowa (obwodowa) (4).

W przypadku ruchu jednostajnego (ω = const) jest :

,

,

; T − okres , czas trwania jednego obrotu .

W praktyce często mamy do czynienia z mimośrodowym osadzeniem osi obrotu części wirującej (np. tarczy impulsowej) przetwornika prędkości obrotowej względem geometrycznej osi obrotu badanego obiektu ( patrz rys.1). Wtedy przy założeniu stałej prędkości obrotowej obiektu ω = const mamy do czynienia ze stałą wartością prędkości kątowej i zmiennej prędkości obwodowej rotora przetwornika. W przypadku przetwornika , którego sygnał wyjściowy Y jest bezpośrednio zależny od prędkości kątowej ω nie występują fluktuacje : Y = f(ω) =const. Na wyjściu przetwornika reagującego na prędkość liniową υ sygnał wyjściowy Y zmienia się wokół wartości średniej . Przyjmując sytuację jak na rys.1 można dla tego przypadku napisać:

(5)

gdzie: − mimośród względny

Przebieg sygnałów na wejściu i wyjściu przetwornika z tarczą impulsową dla przypadku opisanego równaniem (5) pokazano na rys.2.

Rys.2. Przebieg sygnałów dla przetwornika wrażliwego na mimośrodowe sprzężenie z badanym obiektem.

Z zależności (5) oraz rys.1 i rys.2 wynika dla prędkości liniowych przy małej wartości m. :

,

'

gdzie: b − szerokość segmentu lub otworu w tarczy impulsowej ,

N − liczba segmentów lub otworów na obwodzie tarczy impulsowej ,

T_i − okres (szerokość) impulsu .

Na rys.3 pokazano układ pomiarowy do badania przetworników prędkości obrotowej. Układ pomiarowy składa się z obiektu badanego OB, prądnicy tachometrycznej PT, prądnicy prądu stałego PS, stroboskopowego miernika obrotów Strob , woltomierza napięcia stałego V₁ , woltomierza napięć zmiennych i stałych V₂ i V₃ ( może być miernik uniwersalny przełączany podczas pomiarów) , częstościomierza−okresomierza liczącego PFL oraz oscyloskopu z funkcją pamięci przebiegu Osc.

Rys.3. Układ do badania przetworników prędkości obrotowej.

PROGRAM ĆWICZENIA.

1. Zmieniając prędkość układu napędowego wyznaczyć charakterystyki przetwarzania Y = f(ω) poszczególnych przetworników prędkości obrotowej pokazanych na rys.3.

1. Zaobserwować przy pomocy oscyloskopu z pamięcią przebiegi napięciowe poszczególnych przetworników .

1. Dla przetwornika z prądnicą tachometryczną (PT) oraz z obrotowo−impulsowego (POI) zbadać wpływ mimośrodu na okresu napięcia wyjściowego przy różnych prędkościach obrotowych.

1. porównać charakterystyki czułości i nieliniowości zbadanych przetworników prędkości obrotowej.

1. Wyznaczyć względny mimośród m. ( bicie elementu obrotowego ) układu napędowego poprzez wyznaczenie okresów T_imin oraz T_imax ( pomiarów dokonać oscyloskopem po zarejestrowaniu odpowiednich fragmentów przebiegów wyjściowych przetworników :

PT i POI).

1. Sporządzić wykresy zbadanych zależności .

1. Podać wnioski wynikające z pomiarów.

Pytania kontrolne.

1. Wymienić i omówić metody pomiaru prędkości obrotowej.

1. W jakich przetwornikach prędkości obrotowej sygnał wyjściowy nie zależy od wahań prędkości w czasie jednego obrotu?

1. Jakie informacje o prędkości obrotowej można uzyskać z napięcia prądnicy tachometrycznej prądu stałego bez filtracji napięcia wyjściowego?

1. Jakie zalety i wady ma metoda stroboskopowa pomiaru prędkości obrotowej?

1. Porównać różne przetworniki prędkości obrotowej ze względu na rozdzielczość pomiaru.

1. Które przetworniki prędkości obrotowej mają najlepszą liniowość?

1. Czy czułość przetworników prędkości obrotowych zależy od mierzonej prędkości?

1. Jak działają przetworniki obrotowo-impulsowe?

Opracował: Jan Leks

2

4

---