POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

Transkrypt

1 Laboatoium Podstaw mienictwa - Pomia pędkości obotowej POMIAR PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ 1. WPROWADZENIE Pędkość obotowa chaakteyzuje uch obotowy. W uchu obotowym punktu P (ys. 1) usytuowanego na kawędzi taczy o pomieniu obowiązują następujące zależności: P P d lim chwilowa pędkość kątowa, (1) t dt t0 s śednia pędkość kątowa za czas t, t (2) d 0 pzyśpieszenie kątowe, dt t t (3) d D pędkość liniowa, dt t 2 (4) gdzie: t czas, D śednica okęgu, pomień okęgu Rys. 1. Ruch obotowy punktu P W pzypadku uchu jednostajnego ( = const.) zachodzą związki: t (5) D, t 2 (6) 2 1 ob ob 2 2n 120n T s s min, (7) ob 60 n min T s - pędkość obotowa wyażona w jednostkach technicznych, (8) gdzie: T okes obotu, czas twania jednego obotu. 2. METODY POMIAROWE Pomiay pędkości obotowej mogą być dokonywane metodami analogowymi lub cyfowymi. Metody analogowe polegają na wykozystaniu pzetwoników uchu obotowego, któych sygnał wyjściowy (np. napięcie stałe lub zmienne) jest monotoniczną funkcją miezonej pędkości. Najczęściej stosowane są tzw. pądnice tachometyczne, czyli pądnice pądu stałego lub zmiennego o małej mocy. Pądnice tachometyczne są pzetwonikami mechaniczno-elektycznymi służącymi do pzetwazania uchu obotowego na sygnał elektyczny. Podstawowym wymaganiem, 1 / 7

2 jakie stawia się pądnicom tachometycznym, jest popocjonalność napięcia wyjściowego do pędkości obotowej wału niezależnie od zmian tempeatuy, obciążenia i innych zakłóceń. W paktyce stosowane są pądnice tachometyczne pądu stałego i pądu pzemiennego (synchoniczne i asynchoniczne) Pądnice tachometyczne pądu stałego Tachopądnice pądu stałego mogą mieć wzbudzenie o magnesach twałych (pądnice samowzbudne) lub wzbudzenie obce (pądnice obcowzbudne). W pądnicy samowzbudnej pole magnetyczne jest wytwazane pzez magnes twały. W tym polu obaca się winik wykonany z pakietu blach kzemowych z nawiniętym uzwojeniem. Uzwojenie winika jest pzyłączone do komutatoa. Napięcie indukowane w uzwojeniu winika podczas jego wiowania jest dopowadzone z komutatoa do zacisków wyjściowych za pośednictwem szczotek. W pądnicy obcowzbudnej pądu stałego stojan i winik są wykonane w postaci pakietu blach kzemowych. Na stojanie umieszczone jest tzw. uzwojenie wzbudzenia. Winik jest wykonany podobnie jak w samowzbudnej pądnicy tachometycznej. W tachopądnicach obcowzbudnych decydujący wpływ na watość napięcia wyjściowego ma watość napięcia wzbudzenia. Wahania tego napięcia mogą spowodować poważny uchyb pomiau. Podstawową pzyczyną niestabilności pacy pądnicy obcowzbudnej jest nagzewanie się uzwojeń wzbudzenia w czasie pacy. Nagzewanie powoduje wzost ezystancji uzwojeń, co z kolei zmniejsza watość pądu płynącego pzez uzwojenia i odpowiednio zmniejsza stumień magnetyczny. Ponieważ podwyższenie tempeatuy miedzianego uzwojenia o 25C powoduje wzost ezystancji o około 10%, więc nagzewanie może badzo poważnie wpłynąć na uzyskaną watość napięcia wyjściowego Pądnice tachometyczne pądu pzemiennego Najpostszą i najtańszą pądnicą tachometyczną pądu pzemiennego jest synchoniczna pądnica tachometyczna o twałym magnesie w winiku. Wewnątz stojana wykonanego z blach kzemowych wiuje twały magnes o wydatnych biegunach. W żłobkach stojana jest umieszczone uzwojenie obocze. W czasie obacania się winika, w uzwojeniu oboczym indukuje się siła elektomotoyczna popocjonalna do pędkości obotowej winika. Do zalet tego typu pądnic można zaliczyć niewystępowanie styku ślizgowego, jakim są szczotki i komutato. Jednakże pądnica tego typu ma poważną wadę. Mianowicie, częstotliwość wytwazanego napięcia zmienia się ównież popocjonalnie do pędkości wiowania. Asynchoniczna pądnica tachometyczna składa się z 2 podstawowych części: nieuchomego stojana, wykonanego z feomagnetycznych blach elektotechnicznych ze żłobkami na cewki uzwojenia, i uchomego winika, ównież wykonanego z blach ze żłobkami na uzwojenie. iła elektomotoyczna indukowana w uzwojeniu wyjściowym jest popocjonalna do pędkości obotowej, a jej częstotliwość jest ówna częstotliwości sieci zasilającej. Teoetycznie zależność U = f(n) jest linią postą o kącie nachylenia zależnym od obciążenia. 2 / 7

3 2.3. Pzetwoniki obotowo-impulsowe Pzetwoniki obotowo-impulsowe (nazywane też enkodeami inkementalnymi) pzetwazają uch obotowy na sygnał impulsowy (najczęściej napięciowy). Wielkością wyjściową jest częstotliwość impulsów zależna od miezonej pędkości obotowej, któą można miezyć częstościomiezem. Enkode inkementalny zbudowany jest z obotowej taczy posiadającej nacięte szczeliny (ys. 2). Po jednej stonie taczy umieszczone są elementy wysyłające wiązkę światła, np. dioda LED lub IR, po dugiej zaś elementy światłoczułe, np. fotodiody. Wiązka światła podczas uchu taczy impulsowo tafia na elementy światłoczułe, w któych geneowane jest impulsowe napięcie. Chaakteystyczną cechą enkodeów inkementalnych jest stała liczba impulsów na wyjściu (do impulsów/obót), odpowiadająca ozdzielczości systemu pomiaowego. W celu kontoli kieunku obotów dugi w kolejności sygnał jest pzesunięty fazowo o 90. P Rys.2. zkic taczy impulsowej pzetwonika pędkości obotowej ; śodek geometyczny taczy, zeczywisty śodek obotu wynikający z mimośodowego osadzenia taczy lub osi obotu badanego obiektu. b 2.3. toboskopy Pzy oświetleniu światłem migającym odpowiednio często powstaje złudzenie, że element się nie pousza lub pousza się z inną pędkością (ównież w pzeciwnym kieunku). Ten efekt, zwany efektem stoboskopowym, wykozystuje się m.in. do pomiau pędkości obotowej. toboskop (lub tachomet stoboskopowy) to pzyząd do bezstykowego pomiau pędkości obotowej. W pzyządzie takim częstotliwość błysków jest egulowana pzez obsewatoa zależnie od pędkości uchu wyóżnionego punktu na badanym obiekcie w taki sposób, aby uzyskać pozonie nieuchomy obaz tego punktu. Na ynku dostępne są obecnie stoboskopy zaówno z odczytem analogowym, jak i cyfowym. Pzyządy mogą być zasilane bateyjnie lub sieciowo Tachomety optyczne Tachomety optyczne wyposażone są w laseowy oświetlacz i detekto światła laseowego odbitego od wiującego obiektu, umożliwiający zdalny pomia pędkości obotowej elementów 3 / 7

4 wiujących z odległości do kilku metów. Jest szczególnie istotne w sytuacjach, gdy zbliżenie się do badanej maszyny jest tudne, niemożliwe lub niebezpieczne. Pzyządy dostępne na ynku mogą łączyć w sobie tachomet stykowy (mechaniczny) i optyczny. Tachomety optyczne i mechanicznooptyczne chaakteyzującym się zazwyczaj szeokim zakesem pomiaowym (np. od 0,5 do ob/min), dużą ozdzielczością (np. 0,1 ob/min) i dużą dokładnością pomiaów (sięgającą 0,05%). 3. BICIE MIMOŚRODOWE W paktyce technicznej często mamy do czynienia z mimośodowym osadzeniem osi obotu części wiującej (np. taczy impulsowej) pzetwonika pędkości obotowej względem geometycznej osi obotu badanego obiektu (patz ys. 2). Wówczas, pzy założeniu stałej pędkości obotowej obiektu = const, mamy do czynienia ze stałą watością pędkości kątowej i zmienną watością pędkości obwodowej otoa pzetwonika. W pzypadku pzetwonika, któego sygnał wyjściowy Y jest bezpośednio zależny od pędkości kątowej fluktuacje nie występują. Populane w zastosowaniach technicznych pzetwoniki: pądnica tachometyczna pądu stałego lub pzetwonik obotowo-impulsowy, wykazują jednakże odmienną właściwość: ich sygnał wyjściowy zależny jest od pędkości liniowej, obwodowej. ygnał wyjściowy Y takich pzetwoników fluktuuje wokół pewnej watości śedniej. Pzyjmując sytuację jak na ys.2 można dla tego pzypadku napisać: Y f f 1 msint D 2, (9) gdzie: m okeśla tzw. mimośód względny. Pzebieg sygnałów na wejściu i wyjściu pzetwonika obotowo-impulsowego dla pzypadku opisanego ównaniem (9) pokazano na ys.3. Z zależności (9) oaz ys.2 i ys.3 pzy małej mimośodowości dla pędkości liniowych wynika, że: b D 2D s, (10) Ti NTi N Ti min Ti max min b D (11) T i max NT i max b D max. (12) Ti min NT i min gdzie: b szeokość segmentu lub otwou w taczy impulsowej, N liczba segmentów lub otwoów na obwodzie taczy impulsowej, T i okes (szeokość) impulsu. 4 / 7

5 max ś min 0 t Y t Timin Ti T Timax Rys.3. Pzebieg sygnałów dla pzetwonika ważliwego na mimośodowe spzężenie z badanym obiektem 4. PROGRAM ĆWICZENIA Układ pomiaowy do badania pzetwoników pędkości obotowej pokazano poglądowo na ys. 3. Układ składa się z wiującego obiektu badanego OB, pądnicy tachometycznej pądu pzemiennego PT, pądnicy tachometycznej pądu stałego P, optycznego pzetwonika obotowo-impulsowego POI z taczą wiującą T, stoboskopowego mienika obotów tob, woltomieza napięcia stałego V 1, woltomieza napięć zmiennych i stałych V 2 i V 3 (może być mienik uniwesalny pzełączany podczas pomiaów), częstościomiezaokesomieza liczącego PFL oaz oscyloskopu z funkcją pamięci pzebiegu Osc. Podczas ealizacji ćwiczenia wykonać kolejno poniższe zadania: 1. Zaobsewować pzy pomocy oscyloskopu z pamięcią chaakteystyczne cechy sygnałów wyjściowych poszczególnych pzetwoników. Rozstzygnąć jaki typ tachopądnicy pądu pzemiennego zastosowano na stanowisku laboatoyjnym. 2. Zmieniając pędkość układu napędowego wyznaczyć chaakteystyki pzetwazania oaz ównania pzetwazania Y = f() poszczególnych pzetwoników pędkości obotowej pokazanych na ys.3. Postępować zgodnie z poniższą instukcją: 5 / 7

6 N N + - ~ T OB tob. ~ Obsewato = P U= PT U~ U= POI Y fx,tx PFL V1 V2 V3 Osc.P Rys.3. Układ do badania pzetwoników pędkości obotowej a) włączyć stoboskop i ustawić watość 500 ob/min, b) za pomocą potencjometu dostoić pędkość obotową układu z pzetwonikami pędkości tak, aby uzyskać nieuchomy obaz znacznika (taśmy efleksyjnej) na taczy obotowej układu podczas oświetlania taczy stoboskopem, c) zweyfikować popawność nastawy za pomocą tachometu laseowego DT2234B (Uwaga! Dla metody stoboskopowej możliwe jest uzyskanie nieuchomego obazu także dla wielokotności i podwielokotności pędkości zeczywistej). Zanotować pędkość zmiezoną tachometem, d) odczytać wskazania napięć wyjściowych pądnic tachometycznych i częstotliwość pzetwonika obotowo-impulsowego, e) zwiększać pędkość na stoboskopie każdoazowo o 100 ob/min. Wykonać kolejno podpunkty b), c) i d). 3. Dla pzetwonika z pądnicą tachometyczną (PT) oaz z obotowoimpulsowego (POI) zbadać wpływ mimośodu na okes napięcia wyjściowego pzy óżnych pędkościach obotowych. 4. Wyznaczyć względny mimośód m (bicie elementu obotowego) popzez wyznaczenie okesów T imin oaz T imax (pomiaów dokonać oscyloskopem po zaejestowaniu odpowiednich fagmentów pzebiegów wyjściowych pzetwoników PT i POI). 5. Podać wnioski wynikające z pomiaów. 6 / 7

7 Pytania kontolne. 1. Wymienić i omówić metody pomiau pędkości obotowej. 2. W jakich pzetwonikach pędkości obotowej sygnał wyjściowy nie zależy od wahań pędkości w czasie jednego obotu? 3. Jakie infomacje o pędkości obotowej można uzyskać z napięcia pądnicy tachometycznej pądu stałego bez filtacji napięcia wyjściowego? 4. Jakie zalety i wady ma metoda stoboskopowa pomiau pędkości obotowej? 5. Poównać óżne pzetwoniki pędkości obotowej ze względu na ozdzielczość pomiau. 6. Któe pzetwoniki pędkości obotowej mają najlepszą liniowość? 7. Czy czułość pzetwoników pędkości obotowych zależy od miezonej pędkości? 8. Jak działają pzetwoniki obotowo-impulsowe? Opacowali: J. Leks, K.Musioł we / 7