Механические измерения: частота вращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Кафедра стандартизации, сертификации и технологии продуктов питания

Реферат

Механические измерения: частота вращения

Выполнил:

студент группы ТСП-10

Киселёва К.А.

Проверил:

ст. преподаватель, к. с-х. н.

Залилов Р.В.

Магнитогорск, 2013



Содержание

частота вращение тахометр магнитный сопротивление

Введение

1. Частота вращения

2. Приборы для измерения частоты вращения

2.1 Тахометры

2.1.1 Оптический тахометр

2.1.2 Центробежные тахометры

2.1.3 Датчики с переменным магнитным сопротивлением

2.1.4 Электрические тахометры постоянного тока

2.1.5 Индукционный тахометр

2.2 Стробоскопы

Заключение

Список используемых источников



Введение

Частота подходящего тахометра нет, зато имеется частотомер. Произвести измерение можно и в этом случае. Подается на датчик внешнее питание, а вместо тахометра подключается частотомер. А затем частоту вращения вычисляют по формуле.

Если измеряется частота вращения одного звена механизма, а найти необходимо частоту вращения другого звена, связанного с ним через передачу того или иного рода, пересчет осуществляют, руководствуясь передаточным отношением этой передачи. А частоту вращения некоторых механизмов можно найти, не прибегая к использованию каких-либо дополнительных приборов, поскольку все необходимое для этого уже имеется в устройстве, частью которого является механизм вращения -- это физическая величина, равная числу полных оборотов за единицу времени. Единица частоты вращения -- секунда в минус первой степени (с^?1, s^?1), оборот в секунду. Часто используются такие единицы, как оборот в минуту, оборот в час и т. д.

Для измерения частоты вращения используются следующие приборы: тахометры, тахогенераторы с вольтметрами, частотометры, стробоскопы и измерители линейной скорости. Причем, первый из этих приборов позволяет получать результат непосредственно, остальные после несложного пересчета показаний.

Использование тахометра - наиболее рациональный способ измерения частоты вращения.

1. Частота вращения

Частота вращения - физическая величина, измеряемая числом полных оборотов, совершаемых точкой в единицу времени при равномерном движении в одном направлении.

Частота вращения измеряется в герцах и в оборотах в минуту, также измеряется оборот в час, в секунду.

Период вращения -- время одного полного оборота. Период вращения T и его частота н связаны соотношением:

T = 1 / н

Линейная скорость точки, находящейся на расстоянии R от оси вращения

Угловая скорость вращения тела



2. Приборы для измерения частоты вращения

Измерение частоты вращения различных механизмов производится при помощи тахометров и стробоскопов. Первый из этих приборов позволяет получать результат непосредственно, а второй после несложного пересчета показаний.

2.1 Тахометр

2.1.1 Оптический тахометр

В наиболее простой форме оптический тахометр состоит из источника света и оптического приемника - фотодиода или фототранзистора.

Вращающееся тело либо снабжают отражающими метками расположенными регулярно по окружности, на которые направляется световой пучок, либо соединяют с диском, имеющим попеременно прозрачные и непрозрачные сектора, который располагают между источником и приемником света. Получая модулированный скачкообразными изменениями отражения или пропускания поток, фотоприемник выдает электрический сигнал с частотой, пропорциональной скорости вращения, и с амплитудой, не зависящей от этой скорости.

Рисунок 1. Принципиальная схема конического тахометра

Диапазон измеряемых скоростей зависит, с одной стороны, от числа скачков оптических свойств (риски, щели, прозрачные сектора, нанесенные на диск или на вращающееся тело), а с другой - от полосы пропускания приемника и связанных с ним электрических схем. Для измерений малых скоростей используются диски с большим числом щелей (от 500 до нескольких тысяч); в измерениях больших скоростей, например 10⁵-10⁶ об/мин в случае ультрацентрифуг, диск имеет только одну щель, и максимальная измеряемая скорость определяется верхней граничной частотой электрической цепи.

Достоинства оптического тахометра: простота конструкции, линейная зависимость между входным и выходным сигналом, независимость выходного сигнала фотоприемника от скорости вращения, широкий диапазон измерений.

Недостатки: возможно загрязнение отражающих меток или секторов диска, малая надежность, громоздкость, сложность изготовления.

2.1.2 Центробежные тахометры

Центробежные тахометры выполняются в двух вариантах: конический (рисунок 2) и кольцевой (рисунок 3).

В коническом тахометре на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузы m, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема конического тахометра



Если обозначить у - перемещение муфты и у₀ - начальную длину пружины (при щ = 0), то зависимость у от угловой скорости щ будет иметь вид

y= Sщ² (1)

где S=nm y₀ (1+2r₀/ ) - чувствительность прибора;

n, т, r₀ и c₁ - соответственно число грузов, масса груза, радиус муфты и коэффициент жесткости пружины.

Из выражения (1) следует, что центробежный тахометр имеет квадратичную характеристику.

В кольцевом тахометре при не вращающейся оси (щ = 0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на угол а₀ (рисунок 3). При вращении оси кольцо стремиться занять положение, перпендикулярное оси вращения, однако этому препятствует пружина 2. Перемещение муфты 1 пропорционально приращению угла отклонения кольца

a= Sщ² (2)

где S=mr²sin²2a/2c₁ - чувствительность кольцевого тахометра;

m, r, c₁ - соответственно масса и радиус кольца, коэффициент жесткости пружины.

Рисунок 3. Принципиальная схема кольцевого тахометра



Достоинства центробежных тахометров: показание не зависит от направления вращения; достаточные по величине силы, сообщающие движение стрелочному механизму, допускают приведение в действие дополнительных управляющих и регулирующих устройств.

Недостатки центробежных тахометров: недистанционность, значительные погрешности и технологические трудности изготовления и регулировки, показания такого вида тахометров начинаются не от нулевого, а от некоторого минимального значения.

Максимальная частота вращения серийно впускаемых центробежных тахометров составляет 10000 об·мин^-1.

2.1.3 Датчики с переменным магнитным сопротивлением

В датчиках такого типа измерительная катушка снабжается магнитным сердечником, на который воздействует поток индукции постоянного магнита. Катушка помещена перед диском (полюсное колесо) или перед вращающимся ферримагнитным телом. Последовательность скачков магнитных свойств (зубья, щели, отверстия) диска или вращающегося тела вызывает периодическое изменение магнитного сопротивления в магнитной цепи катушки, которое наводит в ней ЭДС с частотой, пропорциональной скорости вращения. Амплитуда этой ЭДС также зависит от расстояния между катушкой и вращающимся телом и от скорости вращения.

Рисунок 4. Принципиальная схема датчика с переменным магнитным сопротивлением



Диапазон измерений зависит от числа р скачкообразных изменений магнитных свойств вращающегося тела, например, от числа зубьев колеса.

Минимальная измеряемая скорость тем меньше, чем больше р, тогда как максимальная измеряемая скорость тем выше, чем меньше р. Типичные диапазоны измерении составляют от 50 до 500 об·мин^-1 для колеса с 60 зубьями и от 500 до 10 000 об·мин^-1 для колеса с 15 зубьями.

Достоинствами такого типа датчиков являются: простота конструкции, широкий диапазон измерений.

Недостатки датчиков с переменным магнитным сопротивлением: при малых скоростях амплитуда может быть недостаточной для обнаружения, вследствие чего появляется «мертвая зона», в которой невозможны никакие измерения; амплитуда ЭДС быстро падает с увеличение зазора между катушкой и вращающимся телом.

2.1.4 Электрические тахометры постоянного тока

Электрические тахометры постоянного тока (рисунок 5) включают тахогенератор постоянного тока и гальванометр. Тахогенераторы бывают двух типов: с ограниченным (рисунок 5 а) и неограниченным (рисунок 5 б) углом поворота ротора.

Тахогенератор с ограниченным углом поворота выполняется с неподвижной статорной обмоткой 2, внутри которой помещается постоянный магнит 1, связанный с валом, скорость вращения которого контролируется. Наводимая в статорной обмотке ЭДС равна

e=kBщ (3)

где k - коэффициент, зависящий от геометрических и обмоточных данных; В - магнитная индукция в зазоре, являющаяся функцией угла поворота ротора. Обычно



B=B₀cos(nц/( 4)

Тахогенераторы подобного типа применяются в качестве датчиков угловой скорости и скоростной обратной связи в системах управления полетом. Их достоинство - отсутствие коллектора и щеток, малая масса и габаритные размеры.

Тахометр постоянного тока состоит из тахогенератора с неограниченным углом поворота ротора и гальванометра. Основными элементами тахогенератора являются постоянные магниты 3 с соответствующими магнитопроводами, обмотка якоря 4 и коллектор 5 со щетками 6. Снимаемое с коллектора напряжение постоянного тока измеряется гальванометром, рамка которого имеет сопротивление R_p. В схему включается добавочное сопротивление R_Д.

Если е - ЭДС на зажимах генератора, то подобно (4)

e=kBщ (5)

Из выражения (6) видно, что погрешности тахометра возникают из-за непостоянства магнитной индукции в зазоре В, сопротивления рамки R_р и внутреннего сопротивления якоря R_B Уменьшение погрешности, вызванной изменением В, достигается применением термомагнитного шунта. Для уменьшение погрешности от непостоянства R_р применяется добавочное сопротивление R_Д и другие схемы компенсации.

Рисунок 5. Принципиальные схемы электрических тахометров постоянного тока



где В - магнитная индукция;

щ- измеряемая угловая скорость.

Сила тока в рамке гальванометра будет:

I=kBщ(R_p+R_A+R_B) (6)

где R_В - внутреннее сопротивление якоря.

В целях уменьшения влияния нагрузки на показания прибора должно быть удовлетворено условие R_B R_p+R_A. Поскольку угол отклонения рамки гальванометра пропорционален силе тока, то шкала прибора будет равномерна.

Диапазон измерений серийно выпускаемых тахогенераторов постоянного тока составляет от 0,1 до 6000 об·мин^-1.

К достоинствам электрических генераторов постоянного тока относятся: линейная зависимость между входным и выходным сигналом; малые габаритные размеры; небольшая масса; отсутствие фазовой погрешности; возможность возбуждения постоянными магнитами, что позволяет обойтись без источника питания.

Недостатки генераторов постоянного тока: сложность конструкции; наличие скользящего контакта между щетками и коллектором, что приводит к снижению надежности тахогенератора и к нестабильности выходной характеристики; наличие зоны нечувствительности; помехи радиоприему.

2.1.5 Индукционный тахометр

Тахогенератор такого прибора (рисунок 6) представляет собой электрическую машину асинхронного типа, состоящую из внешнего 1 и внутреннего 2магнитопроводов, в зазоре между которыми располагаются статорная обмотка 3 (состоящая из обмотки возбуждения и сигнальной обмотки) и алюминиевый тонкостенный ротор 4, выполненный в виде цилиндра. Оси обмоток (катушек) возбуждения и сигнальной взаимно перпендикулярны.

К обмотке возбуждения подводится переменное U_П напряжение частотой 1 кГц, а с сигнальной обмотки снимается напряжение U_c той же частоты, амплитуда которого пропорциональна угловой скорости вращения полого ротора. При неподвижном роторе и полной электрической и магнитной симметрии статора напряжение в сигнальной обмотке не индуктируется.

При вращений ротора с угловой скоростью в сигнальной обмотке индуктируется напряжении

U=kBщ f sin(nf t) (7)

где f - частота питающего напряжения (f=400 Гц);

В - магнитная индукция, создаваемая в зазоре питающим напряжением.

Таким образом, в деталей. Он удобен с точки зрения взаимозаменяемости и ремонта. Преобразователь данного типа можно выполнить в закрытом исполнении, что позволяет использовать его в неблагоприятных условиях. Еще одним преимуществом данного преобразователя является жесткое скрепление его вала с валом объекта, частоту вращения которого необходимо. Его конструкция позволяет использование как в лабораторных условиях, так и на производстве, рассматриваемом тахометре напряжение несущей частоты f модулируется измеряемой угловой скоростью. Для измерения угловой скорости необходимо осуществить демодуляцию сигнала U_c и подать демодулированное напряжение на измеритель.

Поскольку принцип действия индукционного тахометра основан на наведении питающим напряжением в роторе вихревых токов, которые в свою очередь наводят ЭДС в сигнальной обмотке, то погрешности прибора вызываются непостоянством амплитуды и частоты питающего напряжения, непостоянством сопротивления ротора для вихревых токов, непостоянством нагрузки.

Для уменьшения погрешностей от непостоянства U_П и f можно применить схемы стабилизации этих величин. Стабилизация сопротивления ротора достигается путем выбора материала с малым температурным коэффициентом. Для устранения погрешности от непостоянства нагрузки должно быть удовлетворено условие работы тахогенератора в режиме холостого хода.

Рисунок 6. Принципиальная схема индукционного тахометра

Недостатки индукционного тахометра: необходимость в источнике питания, сложность изготовления, значительные погрешности.

Достоинства индукционного тахометра: дистанционность передачи выходного сигнала; у тахометра такого типа почти отсутствует «мертвая зона», в которой невозможно проводить измерения, поэтому его можно применять для измерения малых скоростей.

2.2 Стробоскопы

Измерение частоты вращения стробоскопом осуществляют бесконтактным способом. При остановленном механизме наносят фломастером метку на ту его деталь, частоту вращения которой необходимо измерить. Запускают механизм и дают ему раскрутиться. Направляют стробоскоп на вращающуюся деталь, после чего регулятором частоты вспышек ждут, чтобы метка казалась неподвижной. Шкала регулятора у стробоскопа обычно имеет градуировку с импульсах в минуту - в этом случае пересчет не требуется. Если же она имеет градуировку в герцах, умножают показания на 60.

Стробоскопический метод измерения, являющийся наиболее точным, находит применение в лабораторных исследованиях, а так же при создании образцовых приборов. Принцип реализации эффекта можно пояснить по рис 8. Если отметку 4 на вращающемся валу 1 освещать вспышками света от источника 2, то при совпадении числа вспышек N с частотой вращения f отметка будет казаться неподвижной. Если разность f-N - отлична от нуля, то отметка начнет вращаться со скоростью f-N в ту или иную сторону в зависимости от знака разности. Поскольку глаз замечает очень медленное движение отметки, то, подбирая частоту вспышки посредством устройства регулируемой вспышки УРВ, можно остановить метку, что будет соответствовать f = N.

Таким образом, стробоскопический метод измерения сводится к сравнению измеряемой величины f с мерой - числом вспышек N. Сравнение производится наблюдением, хотя можно процесс измерения автоматизировать.

Точность измерения определяется точностью воспроизведения и измерения частоты вспышек, точностью регистрации моментов остановки стробоскопической картины.

Следует предостеречь от грубых ошибок, возникающих при наблюдении кратных стробоскопических картин, появляющихся при кратном отношении f/N. Наиболее простой способ исключения грубых ошибок - примерное знание диапазона измеряемых скоростей вращения.



Рис. 7. Стробоскопический тахометр: 1 - объект исследования; 2 - историк света; 3 - глаз; 4 - отметка; УРВ - устройство регулирования вспышек



Заключение

В заключение следует отметить, что для измерения частоты вращения, использование тахометра - наиболее лучший способ измерения. Он применим в отношении основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления механизмов, оборудованных датчиками частоты вращения либо допускающих установку таких датчиков.

В машиностроении и во многих других областях техники необходимо точно определять частоту вращения, например, для контроля и регулирования работы машин. Неудивительно поэтому, что имеется много разнообразных типов тахометров, тем более, что в основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления.



Список используемых источников

1. Анурьев, В.И., Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т.1. [Текст] / 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1978 - 728 с., ил.

2. Атамалян, Э.Г., Приборы и методы измерения электрических величин: Учеб. пособие [Текст] / Э.Г. Атамалян. - М.: Высш. школа, 1982 - 223 с., ил.

3. Беляев, В.Н. Краткий справочник машиностроителя / В.Н. Беляев, Л.С. Борович, В.В. Досчатов и др. - М.: Машиностроение, 1966. - 775 с., ил.

4. Боднер, В.А. Измерительные приборы / В.А. Боднер, А.В. Алферов. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 392 с.

5. Воронцов, Л.Н. Теория и проектирование контрольных автоматов / Л.Н. Воронцов, С.Ф. Корндорф, В.А. Трутень и др. - М.: Высшая школа, 1980. - 560 с.

6. Касаткин, А.С., Немцов, М.В., Электротехника: Учеб. пособие для вузов. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 440 с., ил.

7. Костенко, М.П., Пиотровский, Л.М., Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 1 - Машины постоянного тока. Трансформаторы. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. - Изд. 3-е, перераб. - Л.: Энергия, 1972.

8. Лёвшина, Е.С., Новицкий, П.В., Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи): Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.- 320 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...