POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

Transkrypt

1 ĆWICZEIE 6a POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ 7.1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z najczęściej stosowanymi w praktyce przetwornikami prędkości obrotowej, ich zasadami działania i właściwościami. W części praktycznej ćwiczenia wykonywany jest eksperyment, którego celem jest wyznaczenie zależności prędkości obrotowej silnika elektrycznego od napięcia zasilającego. Prędkość obrotowa mierzona jest dwoma przetwornikami o różnych zasadach działania Wprowadzenie Pomiar prędkości obrotowej (lub kątowej) ma duże znaczenie w przemyśle. Do pomiaru prędkości obrotowej wykorzystuje się metody analogowe lub cyfrowe. ajstarsza, ale ciągle stosowana metoda polega na pomiarze siły elektromotorycznej lub częstotliwości generatora (zwanego tachogeneratorem lub prądnica tachometryczną) prądu stałego lub zmiennego, napędzanego z wału o mierzonej prędkości obrotowej. W klasyczny rozwiązaniu prędkość obrotowa przetwarzana jest w napięcie prądnicy, które mierzone jest miernikiem napięcia (analogowym lub cyfrowym) wyskalowanym w jednostkach prędkości obrotowej (obroty/minutę, obroty/sekundę, itp.). Sumaryczny błąd pomiaru tą metodą zawiera się w granicach %. Istotnym czynnikiem, który należy uwzględnić przy stosowaniu tachogenetatorów jest obciążenie badanego obiektu przez przyrząd. Oznacza to, że w przypadku zbyt dużego obciążenia wału przez prądnicę, obroty wału zmniejszą się, co z kolei jest źródłem błędu pomiaru. Zaletami tachogeneratorów jest prosta budowa, niski koszt oraz duża niezawodność działania. Inna, rzadziej stosowana metoda analogowa polega na ładowaniu kondensatora o pojemności C z częstotliwością proporcjonalną do prędkości obrotowej f = nϖ do napięcia U (rys.1). Rys.0. Schemat impulsowo-pojemnościowego przetwornika prędkości obrotowej. Ćwiczenie 6a, str. 1

2 Każdorazowo kondensator otrzymuje ładunek Q=CU. Warunkiem poprawnej pracy jest aby stała czasowa obwodu ładowania kondensatora (RC) była dużo mniejsza od 1/f max. Kondensator rozładowuje się przez miernik (mikroamperomierz) prądem i = Qf = CUf Błąd pomiaru tą metodą wynosi %. Współcześnie szeroko stosuje się cyfrowe metody pomiaru prędkości obrotowej. Polegają one na zliczaniu w okresie czasu τ liczby impulsów, wytwarzanych w przetworniku prędkości obrotowej na impulsy napięcia. Jeśli na jednostkowy kąt obrotu wału przetwornik wytwarza k impulsów, to w czasie τ kąt obrotu wynosi α = k a średnia prędkość obrotowa α ϖ = = = c τ kτ gdzie 1 C = kτ jest stałą przetwornika. Przyrząd mierzy wartość średnią prędkości obrotowej w czasie τ. Rzeczywista wartość chwilowa różni się od średniej, w zależności od czasu pomiaru dając w rezultacie tzw. Dynamiczny błąd uśredniania. Błąd ten nabiera znaczenia przy bardzo dużych prędkościach i dużych czasach pomiaru τ. W warunkach pomiarów przemysłowych jest do pominięcia. atomiast istotnymi źródłami błędów jest dokładność zliczania impulsów, gdzie niepewność wynosi jeden impuls oraz niedokładność pomiaru czasu. Błąd względny pierwszego źródła wynosi najwyżej 1/ i może być zmniejszony do żądanej wartości przez odpowiedni dobór liczby impulsów. Górna częstotliwość ( f = ) jaką może wytwarzać przetwornik lub zliczać układ liczący impulsy, stanowi kryterium doboru minimalnej wartości czasu τ. Przy współczesnych τ metodach pomiaru czasu, drugie źródło błędu można bez trudu ograniczyć do pomijalnie małej wartości. Do przetwarzania prędkości obrotowej w liczbę impulsów stosowane są najczęściej przetworniki fotoelektryczne, indukcyjnościowe lub pojemnościowe. Zasady działania Rys.2. Schematy przetworników prędkości obrotowej. a) fotoelektryczny, b) indukcyjnościowy. Ćwiczenie 6a, str. 2

3 przetwornika fotoelektrycznego i indukcyjnościowego przedstawiono schematycznie na rys.2. Przez dobranie liczby impulsów na jednostkę kąta (liczba otworów lub liczba zębów na tarczy) można dostosować dany przetwornik do różnych prędkości obrotowych Program ćwiczenia W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą: Badany silnik Autotransformator Przetworniki prędkości obrotowej na liczbę impulsów Mierniki napięcia i częstotliwości z interfejsami umożliwiającymi przesyłanie wyników pomiarów do komputera. Komputer z oprogramowaniem wirtualnego panelu miernika obrotów. Zadaniem studentów jest zaprojektowanie eksperymentu umożliwiającego zbadanie zależności prędkości obrotowej od napięcia zasilającego. Do automatycznego zapisu wyników przeznaczone jest oprogramowanie, które uruchamia się przez wybór: Start/Programy/Imelab-5/Imelab-5. Wówczas na monitorze komputera pojawia się następujący panel wirtualnego przetwornika prędkości obrotowej. Przed przystąpieniem do badań, należy skonfigurować panel. W tym celu należy kliknąć na polu Konfiguracja, a następnie na polu Inerfejs. Otwiera się wówczas Ćwiczenie 6a, str. 3

4 okno, w którym ustala się porty komunikacyjne dla mierników Metex, jednego mierzącego napięcie zasilające silnik (oś X) i drugiego mierzącego częstotliwość (ośy). Po zakończeniu konfiguracji można przystąpić do wykonywania badań. Zaleca się wykonanie kilku wstępnych pomiarów w celu zapoznania się ze specyfiką eksperymentu. Wyniki pomiarów wpisywane są i wizualizowane po kliknięciu na wirtualnym klawiszu Pomiar. Zapisanie wyników do pliku wymaga kliknięcia w polu Zapisz Wyniki. Przy planowaniu i wykonaniu eksperymentu, którego celem jest wyznaczenie zależności prędkości obrotowej badanego silnika, należy brać pod uwagę następujące informacje i zalecenia. apięcie wyjściowe autotransformatora jest niestabilne. Oznacza to, że przy takim samym położeniu pokrętła autotransformatora, napięcie zasilające silnik ma różną wartość w granicach kilku woltów. Fakt ten znacznie utrudnia przeprowadzenie eksperymentu i wpływa niekorzystnie na dokładność uzyskanych wyników. Silnik ma dość dużą inercję, co oznacza, że jego prędkość obrotowa zmienia się wolniej niż napięcie zasilające (nie nadąża za zmianami napięcia). Przy zmianie napięcia w górę, błąd ma wartość ujemną, a przy zmianie napięcia w dół dodatnią. Powyższe fakty wskazują na konieczność wykonania np.10 pomiarów przy takim samym położeniu pokrętła autotransformatora. Dla każdej pary wyników (napięcie -prędkość obrotowa) należy obliczyć współczynnik przetwarzania jako stosunek prędkości obrotowej do wartości napięcia zasilającego. Każdy z tych wyników jest obarczony błędem wynikającym z niestabilności napięcia. Uśrednienie tych wyników pozwala na znaczne wyeliminowanie błędów wynikających z niestabilności napięcia i inercji silnika (w tym przypadku błędy te należy traktować jako przypadkowe). Ćwiczenie 6a, str. 4

5 Dla wyznaczenia charakterystyki ω=f(u) należy wyżej omówione pomiary przeprowadzić dla kilku wartości napięcia w zakresie od U min (wyznaczyć eksperymentalnie napięcie, przy którym silnik zaczyna się obracać) do 220 V. ależy pamiętać, że prędkość obrotowa mierzona jest pośrednio, poprzez pomiar częstotliwości impulsów generowanych przez oba przetworniki. Przy obliczaniu prędkości obrotowej trzeba uwzględnic, że tarcza przetwornika fotoelektrycznego ma 60 otworów, a tarcza przetwornika indukcyjnościowego 4 zęby Opracowanie wyników Ze względu na trudne warunki, w jakich przeprowadzony był eksperyment należy bardzo starannie przeprowadzić analizę wyników. iezbędne jest sprawdzenie, czy w poszczególnych seriach wyników (dla tej samej nastawy autotransformatora) nie ma wyników obarczonych błędami nadmiernymi (kryterium Chauveneta wykład). W sprawozdaniu, oprócz przedstawienia badanej charakterystyki w postaci graficznej i analitycznej, należy przeprowadzić krytyczną analizę wykonanego eksperymentu i zaproponować inny sposób przeprowadzenia badań. Literatura Romer E.: Miernictwo przemysłowe, PW, wiele wydań. Miłek M.:Miernictwo wielkości nieelektrycznych metodami elektrycznymi Wyd. PZ. Zielona Góra M.Łapiński Pomiary elektryczne i elektroniczne wielkości nieelektrycznych. WT Warszawa Mała Encyklopedia Metrologii, WT Warszawa Ćwiczenie 6a, str. 5