Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Калининградский государственный технический университет»
Кафедра: Автоматизация производственных процессов
Курсовая работа
«Измерение скорости вращения вала»
Дисциплина: Технические измерения и приборы
|
Руководитель Якубович В.В. |
Выполнил Студент гр. 11-АП Яковлев П.В. |
|
Допущена к защите |
Защищена с оценкой |
Калининград
2009
Оглавление
Введение
Современные технические устройства представляют собой совокупность большого числа так называемых “комплектующих изделий”, объединенных электрическими, электронными, оптоэлектронными, механическими связями в узлы, блоки, системы, комплексы для решения тех или иных задач. Электронные автоматизированные системы управления и другие устройства могут включать в себя тысячи, десятки и даже сотни тысяч комплектующих изделий. При этом изменения параметров (свойств) одного или нескольких изделий влияют на качество функционирования других взаимодействующих, присоединенных изделий. Любое изделие имеет, к сожалению, не безграничный ресурс и срок службы. Его параметры с течением времени, раньше или позже, начинают изменяться постепенно, а иногда под влиянием внешних воздействий и скоротечно. Наличие связей между элементами вызывает соответствующее изменение какого-то общего параметра совокупности соединенных комплектующих изделий. При некотором уровне изменения одного или нескольких параметров узел (блок, система, комплекс) теряет свою работоспособность. Чтобы предотвратить потерю работоспособности или восстановить утраченное качество технического устройства, необходимо количественно оценить его основные параметры или параметры его блоков, узлов, даже отдельных комплектующих изделий.
В курсовой работе узнаем методы измерения, выбор, технические характеристики, схемы подключения, характеристика интерфейса, возможности применения тахометра.
Методы измерения угловой скорости вращения вала
Существуют следующие основные методы измерения угловой скорости вращения вала двигателя:
1) центробежный метод, основанный на зависимости центробежных сил от угловой скорости вращения инерционной массы;
2) часовой метод, основанный на зависимости угла поворота вала за фиксированный промежуток времени от угловой скорости его вращения;
3) фрикционный метод, основанный на самовыравнивании (за счет трения скольжения) окружной скорости вращения фрикционного ролика с окружной скоростью конуса, вращающегося с постоянной угловой скоростью;
4) магнитоиндукционный метод, основанный на увлечении проводящего тела (цилиндра, диска и др.) полем вращающегося постоянного магнита благодаря взаимодействию наводимых в проводящем теле индукционных токов с магнитным полем постоянного магнита;
5) индукционный метод, основанный на зависимости Э.Д.С., наводимой полем постоянного магнита в обмотке, от угловой скорости вращения магнита или обмотки. В зависимости от схемы они могут выдавать сигналы на постоянном или переменном токе;;
6) импульсный метод, основанный на определении частоты электрических импульсов, формируемых с помощью контактного или бесконтактного (фотоэлектрического, индуктивного, емкостного и др.) прерывателя или коммутатора, связанного с валом, скорость вращения которого контролируется;
7) стробоскопический метод, основанный на явлении кажущейся неподвижности вращающегося тела при его периодическом наблюдении в течение коротких промежутков времени с частотой, равной или кратной частоте вращения;
8) метод дифференцирования, основанный на дифференцировании сигнала позиционного датчика (потенциометрического, индуктивного и др.).
Одним из основных требований предъявляемых к авиационным тахометрам является требование к их дистанционности . Для построения дистанционных тахометров на ВС используется в основном магнитоиндукционный метод благодаря его простоте и линейной зависимости показания прибора от угловой скорости.
В качестве датчиков систем автоматического управления и следящих систем используются тахогенераторы постоянного и переменного тока, основанные на индуктивном методе.
В устройствах с ограниченной величиной перемещения вала применяют иногда схемы электрического дифференцирования.
Определенную перспективу имеют импульсные методы, особенно в связи с развитием цифровых вычислительных машин.
Центробежный, часовой, фрикционный и стробоскопический методы измерения угловой скорости вращения вала не получили развития на ВС по тем или иным причинам (громоздкость, неудобства монтажа, трудность автоматизации измерений, нелинейность характеристик, увеличенные погрешности и т.д.).
Классификация
По скорости вращения вала можно определить динамическую и тепловую напряженность двигателя. Тяга двигателя является функцией скорости вращения, поэтому по скорости можно косвенно судить о тяге.
ИУ, предназначенные для измерения угловой скорости вращения вала авиадвигателей, называются тахометрами. Они представляю собой электромеханические датчики, преобразующие механическое вращательное движение непосредственно в электрический сигнал. Таким образом, в отличие от параметрических датчиков (потенциометрических, индуктивных, емкостных) тахометры являются датчиками генераторного типа.
Тахометры с электрическим выходным сигналом (тахогенераторы) применяются на воздушных суднах для измерения скорости вращения вала турбины турбореактивного двигателя (до 20000 об/мин), угловой скорости вращения коленчатого вала поршневых авиадвигателей (до 4000 об/мин). Кроме того, тахогенераторы используются в качестве датчиков обратной связи в автопилотах и различных следящих системах, где они измеряют угловую скорость вращения исполнительных органов. Иногда вместо угловой скорости измеряется линейная скорость, например линейная скорость движения штока гидравлического сервопривода.
Для устройства тахометров можно использовать любое физическое явление, в котором скорость вращения связана определенной зависимостью с какой-либо легко определяемой величиной.
Классифицируя тахометры по принципу действия чувствительного элемента, можно отметить следующие типы, получившие распространение:
1) центробежные, в которых чувствительный элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами при вращении вала;
2) магнитоиндукционные, основанные на зависимости наводимых в металлическом теле вихревых токов от скорости вращения;
3) электрические постоянного и переменного тока, основанные на зависимости э. д. с, генерируемой в проводнике, вращающемся в магнитном поле, от скорости вращения.
По роду тока тахометры подразделяются на тахометры постоянного и переменного тока.
По способу возбуждения тахометры постоянного тока делятся на:
- магнитоэлектрические, возбуждение которых осуществляется при помощи постоянных магнитов;
- электродинамические, имеющие обмотку возбуждения с независимым источником питания.
Выбор измерительного прибора
Приборы для измерения частоты вращения вала (угловой скорости) называются тахометрами.Тахометры, снабженные регистрирующим (записывающим) устройством, - называются тахографами. Приборы суммирующие число оборотов вала - называются счетчиками.
В зависимости от места установки тахометра и способа применения тахометры подразделяют на стационарные, дистанционные и ручные. По принципу действия, различают механические (центробежные), магнитные, магнитно-индукционные, электрические и электронные тахометры.
Механические тахометры
Принцип действия механических тахометров основан на использовании центробежных сил, пропорциональных квадрату угловой скорости, действующих на центробежные расходящиеся грузы (наклонное кольцо), находящиеся на валу и вращающиеся вместе с ним вокруг оси, (рис. 1, а). Чувствительным элементом является кольцо 1 на оси 2, проходящей через приводной валик 3. Кольцо нагружено спиральной пружиной 4 и связано тягой 5 с подвижной муфтой 6. При вращении валика кольцо стремится занять положение, перпендикулярное к оси вращения. Муфта через промежуточное кольцо 9 и зубчатую рейку 7 входит в зацепление с шестерней 10, на оси которой закреплена стрелка 8, движущаяся вдоль шкалы прибора (градуирована в об/мин.). Тахометр закреплен неподвижно, а вал 3 приводится во вращение через передачу от вала двигателя.
Рис. 1: а) устройство механического центробежного стационарного тахометра;
б) внешний вид механического центробежного ручного тахометра.
При установившемся режиме центробежная сила, действующая на вращающееся кольцо 1, уравновешивается силой действия спиральной пружины, и стрелка тахометра неподвижна. При изменении частоты вращения вала равновесие сил нарушается, вызывая разворот кольца относительно оси 2 на угол α и соответствующий разворот стрелки 8 прибора. Механические центробежные измерительные приборы обладают нелинейной статической характеристикой, поэтому их шкала неравномерная.
Периодический контроль частоты вращения и проверку стационарных тахометров производят механическим центробежным ручным тахометром (рис. 1, б), прижимая наконечник 1 к торцу вращающегося вала. В корпус 2 встроен редуктор с переключающим устройством, позволяющий менять передаточное отношение от наконечника 1 к чувствительному элементу для измерения в пяти диапазонах частоты вращения от 25 до 10000 об/мин. Переключают редуктор и устанавливают указатель 3 путем перемещения вдоль оси наконечника приводного вала при нажатой кнопке 4. В зависимости от установленного диапазона частоты вращения показания прибора определяют по одной из двух шкал.
К преимуществам механических тахометров относится высокая точность показаний, а к недостаткам - невозможность дистанционного отсчета.
Магнитоиндукционные тахометры
Магнитоиндукционный тахометр имеет равномерную шкалу. В тахометре (рис. 2.) вращение от приводного вала 1 через конические шестерни и вал 2 передается ротору с постоянными магнитами 3, между которыми на оси 10 находится алюминиевый диск 4.
Рис. 2. Магнитоиндукционный тахометр
Под действием вращающегося поля магнитов в диске индуцируется электрический ток, создающий свое магнитное поле. Сила взаимодействия магнитных полей уравновешивается силой действия волосковой пружины 5, один конец которой закреплен на оси 10, а другой - в корпусе прибора.
Пропорционально частоте вращения приводного вала 1 изменяются действующие силы, разворот диска 4, оси 10 и жестко связанной с ней стрелки 7 вдоль шкалы 8.
В прибор вмонтирован магнитоиндукционный успокоитель, состоящий из алюминиевого диска 9, закрепленного на валу 10, и неподвижной системы с постоянными магнитами 6. При движении в диске 9 индуцируется ток и создается магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов. А так как сила взаимодействия этих полей направлена в сторону, противоположную движению диска, то происходит торможение колебаний стрелки прибора.
Дистанционные магнитоиндукционные тахометры
Дистанционное измерение частоты вращения основано на принципе электрической дистанционной передачи вращения вала двигателя валу магнитно-индукционного измерительного узла измерителя и преобразования частоты вращения вала в угловые перемещения стрелки измерителя.
Рис. 3. Дистанционный магнитоиндукционный тахометр.
Тахометр работает следующим образом (рис. 3): в обмотке статора 11 датчика при вращении ротора 15 возбуждается трехфазовый ток с частотой, пропорциональной частоте вращения вала двигателя. Ток по трем проводам приводится к обмотке статора 12 синхронного серводвигателя.
Частота вращения магнитного поля статора измерителя пропорциональна частоте токов в обмотках фазы. Ротор двигателя измерителя вращается с частотой, синхронной вращению магнитного поля статора. На конце вала ротора двигателя укреплен магнитный узел 2 с шестью парами постоянных магнитов, между полюсами которых расположен чувствительный элемент 8. При вращении магнитного узла в чувствительном элементе индуцируются вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнитного узла создается вращающий момент чувствительного элемента. Вращающему моменту чувствительного элемента противодействует спиральная пружина 7, - один конец которой укреплен на оси чувствительного элемента, другой - неподвижен. Так как момент спиральной пружины пропорционален углу ее закручивания, то угол поворота чувствительного элемента пропорционален частоте вращения магнитного узла, и соответствует частоте вращения вала двигателя. На другом конце оси чувствительного элемента укреплена стрелка 5, показывающая по равномерной шкале 4 измерителя частоту вращения вала двигателя.
Для повышения устойчивости стрелки и улучшения отсчета показаний прибора применено демпфирование подвижной системы измерителя. При движении подвижной системы магнитный поток магнита 6 наводит в алюминиевом диске 3 вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитным полем магнитов, и в подвижной системе возникает тормозящий момент. Ротор состоит из двух постоянных магнитов 13 и трех гистерезисных дисков 14, соединенных вместе. Взаимодействие ротора с магнитным полем статора - определяется взаимодействием магнитных полей постоянных магнитов статора и гистерезисных дисков.
Электрические тахометры
Электрические тахометры служат для дистанционного контроля направления и частоты вращения валов в диапазоне до 1500 об/мин. Датчиками в них служат тахогенераторы - миниатюрные генераторы переменного или постоянного тока, вырабатывающие напряжение, пропорциональное частоте вращения вала. Указателями являются магнитоэлектрические вольтметры со шкалой, градуированной в единицах частоты вращения.
Рис. 4: а) схема действия электрического тахометра; б) тахогенератор.
В тахометре (рис. 4, а) тахогенератор 3 постоянного тока, приводимый во вращение от вала через цепной привод 2, является датчиком частоты вращения вала 1. К нему может быть подключено до восьми указателей - вольтметров 4 постоянного тока, размещенных по судну. Передаточное отношение от вала 1 к датчику определяется соотношением числа зубьев звездочек цепного привода и должно быть таким, чтобы номинальные частоты вращения вала и якоря датчика совпадали. Если при номинальной частоте вращения вала напряжение, вырабатываемое датчиком, не равно (30±0,1) В, то необходимо корректировать положение магнитного шунта. При правом и левом вращении якоря с номинальной частотой разность напряжений не должна превышать 0,1 В. В противном случае, необходимо корректировать нейтральное положение траверсы щеткодержателей.
В электрическом генераторе переменного тока 5 (рис. 4, б), ротором является постоянный магнит 7, установленный неподвижно на валу, а статором - стальные неподвижные полосы 6. Тахогенераторы постоянного тока вместо обмоток возбуждения имеют постоянные магниты. В результате большого количества ламелей коллектора и особых форм вырезов канавок вырабатывается постоянное напряжение с небольшими пульсациями, которое пропорционально частоте вращения. Преимущество датчиков постоянного тока - получение поляризованного напряжения, т. е. одновременно определяется и направление вращения; недостаток - сбои в работе коллектора. Передача от вала должна быть без скольжения (шестеренчатая, цепная). В тахогенераторах переменного тока это возможно только при наличии двух обмоток со сдвигом фаз 90°. Переменное напряжение должно быть выпрямлено в мостиковой схеме. Разность напряжений обоих гальванически разделенных контуров измеряется прибором с двумя поворотными катушками. Напряжение на выводах тахогенератора зависит от количества подключенных показывающих приборов. Поэтому в корпусе тахогенератора устанавливается нагрузочный резистор, который можно включать или выключать. Имеется также резистор для поднастройки показаний.
Счетчики оборотов
Для суммирования числа оборотов вала двигателя или механизма применяют специальные счетчики оборотов. Упрощенная принципиальная схема дистанционного электромеханического счетчика представлена на рис. 5.
На валу 9 жестко закреплены храповое колесо 5 и цифровой барабан 7, а цифровые барабаны 6 свободно насажены на вал. Барабаны кинематически соединены между собой так, что при полном обороте каждого из них соседний слева разворачивается на 1/10 оборота. На каждый барабан нанесены цифры от 0 до 9. Таким образом обеспечивается десятичная система отсчета. Число читается в рамке прибора 8. Колесо 5 входит в зацепление с храповиком 3, который в одну сторону перемещается под действием пружины 4, а в другую - якорем 2 электромагнитной катушки 1. Катушка получает питание Uп от сети через герметичные контакты выключателя 13. В выключателе на пластинчатой пружине с контактом закреплен постоянный магнит 12. Выключатель крепится к корпусу двигателя таким образом, чтобы между якорем 12 и стальным штифтом 10 вала 11 был установлен зазор, обеспечивающий притягивание якоря и замыкание цепи питания катушки 1.
Рис. 5. Электромеханический счетчик оборотов
Широко распространены магнитоуправляемые контакты (герконы). Прибор представляет собой две тонкие пермалоевые пластины с небольшим зазором между концами, впаянные в стеклянную колбу, из которой выкачан воздух (в некоторых приборах колбу заполняют инертным газом). При появлении вблизи геркона магнитного поля постоянного или электрического магнита происходит взаимное притягивание (прогиб) пластин и замыкание контактов. Постоянный магнит крепится на вращающемся валу 11 вместо штифта 10.
При каждом обороте вала независимо от направления его вращения катушка 1, получив питание, втягивает якорь 2 и смещает храповик 3 на один зуб колеса 5. При обесточивании катушки храповик под действием пружины 4 смещается в первоначальное положение, разворачивает колесо 5, вал 9 и барабан 7 на 1/10 оборота, что приводит к изменению показаний счетчика на одну единицу. Через один оборот барабана 7 соседний барабан 6 разворачивается на 1/10 оборота, отсчитав 10 оборотов вала 11, и т. д.
Технические характеристики измерительного тахометра ОВЕН ТХ01
|
Диапазон переменного напряжения ТХ01-224.Х.ХХ напряжение, В
частота, Гц |
от 90 до 264 (номинальные значения 110, 220 или 240)
от 47 до 63 (номинальные значения 50 и 60 Гц) |
|
Диапазон напряжения постоянного тока |
от 20 до 34 (номинальное значение 24) |
|
Диапазон напряжения постоянного тока |
от 10,5 до 30 (номинальные значения 12 и 24) |
|
Максимальная потребляемая мощность, ВА, |
не более 5 |
|
Тип ВУ |
Технические характеристики |
Значение |
|
Реле электромагнитное (Р) |
Номинальный ток нагрузки, А, не менее |
8 |
|
Номинальное напряжение нагрузки переменного тока с частотой 50 Гц и cos φ >0,4, В, не менее |
240 |
|
|
Максимальное напряжение нагрузки постоянного тока, В, не менее |
30 |
|
|
Электрическая прочность контактов, В, не менее |
1000 |
|
|
Оптопара транзисторная n-p-n-типа (К) |
Максимальный ток нагрузки, мА, не менее |
400 |
|
Максимальное напряжение постоянного тока, В, не менее |
60 |
|
|
Оптопара симисторная (С) в режиме коммутации нагрузки |
Максимальный ток нагрузки, мА, не менее Максимальное действующее напряжение переменного тока, В, не менее |
40 240 |
|
ЦАП «параметр-ток» (И) |
Выходной сигнал постоянного тока, мА Сопротивление нагрузки, Ом Номинальное сопротивление нагрузки Напряжение питания ЦАП, В Основная приведенная погрешность выходов ЦАП, %, не более |
от 4 до 20 от 0 до 1300 700 Ом от 10 до 36 0,5 |
|
ЦАП «параметр-напряжение» (У) |
Выходной сигнал постоянного напряжения Сопротивление нагрузки, не менее Напряжение питания ЦАП Основная приведенная погрешность выходов ЦАП, %, не более |
от 0 до 10 В 5 кОм от 15 до 36 В 0,5 |
|
Параметр |
Значение |
|
Максимальный входной ток, мА, не менее |
10 |
|
Входной ток при активном уровне сигнала, мА, не менее |
4,5 |
|
Максимальное входное напряжение, В, не более |
30 |
|
Длительность импульса на счетном входе, мкс, не менее |
10 |
|
Длительность сигнала на входе «Счет наработки», мс, не менее |
300 |
|
Параметр |
Значение |
|
Предел допускаемой приведенной погрешности измерений, %, не более |
±0,5 |
|
Межповерочный интервал, лет |
2 |
|
Средний срок службы, лет |
12 |
Схемы подключения тахометра ОВЕН ТХ01
|
|
Краткая характеристика интерфейса
Для измерения частоты вращения вала и вывода результата на компьютер, используют интерфейс RS-485 для связи с ПК.
В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности — ноль.
Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485
Примечание: Скорости обмена 62,5 кбит/с, 375 кбит/с, 2400 кбит/с оговорены стандартом RS-485. На скоростях обмена свыше 500 кбит/с рекомендуется использовать экранированные витые пары.
Применение тахометров
Тахометры широко применяются для измерения частоты вращения вала двигателей практически всех типов транспортных средств (автомобилей, тракторов, тепловозов, судов,самолётов, вертолётов). Также применяются для контроля частоты вращения рабочих органов технологических машин, станков, агрегатов (например, валков прокатных станов, турбин).
Кроме того, тахометр может быть использован в других целях, например, при подсчете расхода сырья на конвейере, материалов, расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах ротационными расходомерами, времени наработки оборудования, машин и механизмов при испытаниях и обкатке. Результат измерения может быть масштабирован в реальные единицы измерения (часы, минуты, метры, скорость, штуки, количество упаковок, кг/с и т. д.). Например, спидометр автомобиля построен по принципу тахометра — измеряет скорость вращения неведущего колеса, вторичный прибор спидометра проградуирован в единицах скорости перемещения, например, км/час.
Приборы часто снабжаются дополнительными сервисными функциями, например, аварийной или предупредительной сигнализацией ухода значения параметра за допустимые пределы, накопления результатов измерений, сброса и обнуления накопленных значений, защита доступа к данным или настройкам паролем, интерфейсами передачи результатов измерения удалённым устройствам, например, через интерфейсы CAN, RS-485, Ethernet, через протокол, например, Modbus и др. при работе в сети или связи с компьютерами
Заключение
Ознакомились с прибором для измерения скорости вращения вала т.е. тахометром.
Узнали методы измерения, выбор, технические характеристики, схемы подключения,
характеристика интерфейса, возможности применения тахометра.
Контрольная работа
Номинальный ток измерительного механизма 5 мА при напряжении Uн = 75мВ. Определить добавочные сопротивления для изготовления вольтметра на три предела измерения : 3, 15 и 150 В.
Решение
Для предела 3 В.
Pv = U/Uн = 3/0,075 = 40
ra = Uн/I = 0,075/0,005 = 15 Ом
rд = ra(Pv – 1) = 15(40 – 1) = 585 Ом
Для предела 15 В.
Pv = U/Uн = 15/0,075 = 200
rд = ra(Pv – 1) = 15(200 – 1) = 2985 Ом
Для предела 150 В.
Pv = U/Uн = 15/0,075 = 2000
rд = ra(Pv – 1) = 15(2000 – 1) = 29985 Ом
Литература