Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko

Merilni pretvorniki

Seminarska naloga

Vrtilna hitrost Vrtinčni tokovi, DC in AC tahometri

Mentor: dr. Peter Zajec, uni. dipl. inž. el. Avtorja: Jože Trlep in Gašper Špelko

Ljubljana, 2011

Kazalo vsebine:

Uvod........................................................................................................................................... 6

Vrtilna hitrost oz. merjenje vrtilne hitrosti .......................................................................................... 6

Mehanski tahometer ................................................................................................................ 8

Merilnik hitrosti vrtenja na vrtinčne tokove........................................................................................ 9

Vibracijski merilniki.......................................................................................................................... 10

Uporaba v avtomobilih...................................................................................................................... 11

Tahometrični generatorji....................................................................................................... 12

DC tahometer (tahometrični dinamo)................................................................................................ 12

Primer DC tahometra..................................................................................................................... 13

AC tahometri ..................................................................................................................................... 13

Sinhronski tahometrični generator ................................................................................................ 13

Asinhronski dvofazni servomotor ................................................................................................. 14

Primer AC tahometra..................................................................................................................... 15

Stroboskopsko merjenje hitrosti vrtenja ............................................................................. 15

Impulzni merilniki hitrosti vrtenja....................................................................................... 16

Digitalni tahometer ................................................................................................................ 17

Zaključek................................................................................................................................. 18

Literatura ................................................................................................................................ 20

Kazalo slik:

Slika 1: Skica centrifugalnega merilnika................................................................................................. 8

Slika 2: Primer mehanskega tahometra ................................................................................................... 9

Slika 3: Skica merilnika hitrosti na vtinčne tokove............................................................................... 10

Slika 4: Princip delovanja vibracijskega merilnika ............................................................................... 11 Slika 5: Primer vibracijskega merilnika ................................................................................................ 11

Slika 6: Primer uporabe v avtomobilih.................................................................................................. 12

Slika 7: Konstrukcija DC tahometra...................................................................................................... 12

Slika 8: Zgled DC tahometra................................................................................................................. 13

Slika 9: Konstrukcija AC tahometra...................................................................................................... 14

Slika 10: Električno vezje asinhronskega tahometričnega generatorja ................................................. 15 Slika 11: Primer uporabe AC tahometra ............................................................................................... 15

Slika 12: slika stroboskopa.................................................................................................................... 16

Slika 13: zgled stroboskopa................................................................................................................... 16

Slika 14: Primer vezave impulznega merilnika..................................................................................... 17 Slika 15: Prikaz digitalnega merilnika .................................................................................................. 18

ZAHVALA Zahvaljujeva se predavatelju doc. dr. Petru Zajcu,saj nam je s svojimi predavanji ter

strokovnim svetovanjem omogočil spoznati princip delovanja različnih merilnih pretvornikov

električnih in neeletričnih veličin ter s svojimi napotki vlival spodbudo pri nastajanju

seminarske naloge.

Ključne besede: Vrtilna hitrost, vrtinčni tokovi, DC in AC tahometri Povzetek V seminarski nalogi Vam bova na kratko opredelila vrtilno hitrost, ki je eden izmed podatkov ki se dandanes pojavlja vsepovsod, najbolj pa se bova osredotočila na tahometr, ki je naprava za merjenje vrtilne hitrosti ki je svoj namen izkoriščala tako dobro v preteklosti kot v sedanjosti za različne namene. Le tej delujejo na različnih principih izmed katerih bodo vsi opisani na sledeči seminarski nalogi opredelila pa se bova predvsem na izbrano temo kjer bova izpostavila DC in AC tahometre.

Key words: rotational speed, eddy current, DC and AC tachometers Abstract In the seminar, we'll briefly define the rotational speed, which is one of the data which now appears everywhere, most of all, we will focus on tachometers, which is a device for measuring the speed, which is its intention to exploit so well in the past than the present for different purposes of the first train up to use in cars, tractors etc to aviation. Only that run on different principles of which are all described in the following seminars, but we identified primarily on selected topics where we highlighted the DC and AC tachometers.

Uvod

Vrtilna hitrost oz. merjenje vrtilne hitrosti Merjenje hitrosti vrtenja podajamo z enoto: vrt/min, ki nam podaja podatek koliko vrtljajev je naredil rotor v časovni enoti oziroma kolikšna je torej vrtilna frekvenca. Le ta je potrebna za ugotavljanje s kolikšno hitrostjo se vrti električni stroj (generator ali motor). Pri celi vrsti preizkusov moramo vedno poznati tudi natančno hitrost vrtenja, zato jo moramo čim točneje izmeriti. To so:

- preizkusi praznega teka - obremenilni preizkusi - določanje mehanske moči ali - mehanskega vrtilnega momenta stroja - itd.

Poleg natančne hitrosti vrtenja je potrebno na koncu dobiti tudi podatek o izmerjeni meritvi, ki pa ga omogočimo z tako imenovanimi tahometri, katerih je uporaba danes zajela različna področja uporabe oziroma skoraj ni področja, ki nebi zajemal tahometrov. Prvi mehanski tahometri so bili osnovani na merjenju centrifugalne sile. Izumitelj naj bi bil nemški inženir Dietrich Uhlhorn, ki ga je uporabil za merjenje hitrosti naprav. Od leta 1840 je bil v uporabi za merjenje hitrosti lokomotiv. Tahometer (merilnik vrtljajev) je naprava, ki meri hitrost obračanja gredi ali diska, v motorju ali kaki drugi napravi. Tahometer nam običajno prikazuje obrate na minuto, predvsem na analognem števcu, vse bolj pogosti pa so digitalni displeji. Beseda izhaja iz grščine – Tachos (hitrost) in metron (meriti). Poznamo več vrst tahometrov in sicer se razlikujejo po principu delovanja. To so:

1. Mehanski merilniki hitrosti vrtenja oz. tahometri a) Merilnik hitrosti vrtenja na vrtinčne tokove b) Vibracijski merilniki

2. Tahometrični generatorji c) DC tahometer (tahometrični dinamo) d) AC tahometer (sinhronski in asinhronski tahometer)

3. Stroboskopsko merjenje hitrosti vrtenja 4. Impulzni merilniki hitrosti vrtenja 5. Digitalni tahometer

Uporaba - avtomobilska industrija - gospodinjstvo (npr. pralni stroj) - letalskih motorjih - vojaška tehnika - robotika - avtomatika

- industrija itd.

-

Mehanski tahometer Najpogostejši tip mehanskega merilnika vrtenja je tako imenovani centrifugalni merilnik. Merilni element je pri tem sestavljen iz dveh mas (uteži), ki se pri vrtenju pod vplivom centrifugalne sile razmikata. Kot protisilo uporabljamo pri sodobnih merilnikih elastično silo vzmeti, ki skuša spraviti mase v prvotni položaj. Merilnik je neodvisen od svoje lege, premik mas se prenese prek vzvodja na kazalec. Lega kazalca vedno ustreza ravnotežju centrifugalne sile mas in elastične sile vzmeti. S primerno konstrukcijo navadno dosežemo linearni odklon (90% obsega skale). Med merilni sistem in naslon vgradimo še zobato predležje s katerim spreminjamo prestavno razmerje (dobimo več merilnih območij).

Slika 1: Skica centrifugalnega merilnika

Območje ki ga zajamemo je približno 100 vrt/min do 20.000 vrt/min. Točnost ki jo dosežejo ni posebno velika in se giblje od 0.5 do 1. Bolj natančen je integralni merilnik vrtljajev, ki ima ugrajen časovni mehanizem, ki za določen čas mehanično zveže merilno gred z števcem. Števec prešteje število obratov, ki jih naredi merilna gred, kot časovni mehanizem vzdržuje mehansko zvezo. Izmerimo srednjo vrednost hitrosti vrtenja za čas, ko je vklopljen časovni mehanizem. Čim krajši je čas in čim manj se spreminja hitrost stroja tem točneje je izmerjena srednja vrednost sklada z trenutno vrednostjo vrtljajev. Ti merilniki do dosegli pogrešek +/- 0.03% izmerjene vrednosti. Njihovo območje se razteza od 0 vrt/min do 10.000 vrt/min in pri tem ni potrebno preklapljati merilnega območja.

Slika 2: Primer mehanskega tahometra

Merilnik hitrosti vrtenja na vrtinčne tokove Pri sledečem merilniku hitrosti vrtenja se inducirajo vrtinčni tokovi, ki posledično povzročajo segrevanje, kar pomeni izgube. Najenostavnejši način za zmanjšanje vrtinčnih tokov dosežemo z večjo električno upornostjo jedra oz. z enostavnejšim načinom povečanja električne upornosti (lameliranje jedra). Na področju elektronike imamo opraviti z višjimi frekvencami in majhnimi močmi, zato so relativno velike izgube energije zaradi vrtinčnih tokov lahko za delovanje naprave pogubne. Prevelikim izgubam se v takih primerih izognemo s feritnimi jedri, ki so izdelana na osnovi električno praktično neprevodnih oksidov železa in drugih feromagnetnih kovin. Kot zanimivost navajava da je toplota vrtinčnih tokov lahko tudi koristna. Na njej temelji delovanje indukcijskih peči za taljenje feromagnetnih rud, kuhalne plošče štedilnikov, površinska in lokalna toplotna obdelava zahtevnih strojnih delov. Sledeči merilnik je zanesljiv in preprost ker vsebuje malo sestavnih delov. Ima merilni sistem, sestavljen iz aluminijske plošče, pred katero se vrti trajni magnet. V aluminijski plošči se inducirajo vrtinčni tokovi, zato se pojavi vrtilni moment, ki skuša zavreti ploščo za magnetom. Vrtilni moment najprej linearno raste s hitrostjo vrtenja, nato doseže največjo vrednost, pri še večji hitrosti pa se začne zmanjševati. Za meritev lahko izkoristimo samo prvi linearni del. Plošča je povezana s kazalcem, protimoment pa daje elastična sila spiralne vzmeti, ki vleče kazalec proti ničli. Druga mehanska oprema tega merilnika je enaka kot pri centrifugalnem merilniku. Tudi merilno območje in točnost sta pri obeh merilnikih enaka.

Slika 3: Skica merilnika hitrosti na vtinčne tokove

Vibracijski merilniki Tu merimo hitrost vrtenja z mehanskimi vibracijami stroja. Merilnik pritisnemo na okrovje ali ležaje, ki mu hočemo izmeriti vrtljaje. Pri vrtenju se vsak stroj trese, vibrira v istem ritmu kot se vrti njegov rotor. Če spravimo vibracijski sistem merilnika v resonanco z vibracijami stroja in poznamo lastno frekvenco vibracijskega sistema smo hitrost vrtenja že izmerili. Nekatere izvedbe teh merilnikov imajo sistem jezička kot frekvenc metri z jezički. Ti merilniki so toliko pomankljivi da pri večjem merilnem obsegu število jezičkov zelo naraste. Vrednost med obema sosednima jezičkoma moramo še vedno oceniti. Pripravnejši je vibracijski merilnik z enim samim jezičkom in premakljivim vpenjalom. Lastna frekvenca jezika je odvisna od lege premakljivega vpenjala. Lega torej že označuje hitrost vrtenja če spravimo jeziček v resonanco s tresljaji stroja. Ponavadi so ti merilniki kombinirani še za merjenje amplitude vibracij. Amplitudo vibracij sklepamo iz amplitude s katero niha drugi jeziček ki ni v resonanci.

Slika 4: Princip delovanja vibracijskega merilnika

Na merilniku sta dve merili. Merilo ob drsniku nam kaže frekvenco oz. hitrost vrtenja, ob koncu jezičkov pa amplitudo vibracij.

Slika 5: Primer vibracijskega merilnika

Uporaba v avtomobilih

Tahometri v avtomobilih, letalstvu in ostalih vozilih prikazujejo stopnjo vrtljajev gredi motorja in imajo običajno oznake, ki ponazarjajo varno območje hitrosti vrtljajev. To lahko pomaga vozniku pri izbiri primernega pritiska na plin in izbire prestave za vozne pogoje. Daljša uporaba pri večji hitrosti lahko povzroči pomanjkanje podmazanosti, pregrevanje (preseganje zmogljivosti hladilnega sistema), preseganje hitrostnih zmogljivosti nekaterih delov motorja, s tem pa stalno škodo in odpoved motorjev. To velja predvsem za »ročne« menjalnike in ne za avtomatske. Na analognih tahometrih so hitrosti nad maksimalno varno hitrostjo delovanja običajno označene z rdečim območjem. Rdeče območje je na večini modernih avtomobilov odveč, saj ti že vsebujejo omejevalca obratov, ki preprečuje preveliko število obratov.

Slika 6: Primer uporabe v avtomobilih

Tahometrični generatorji Tahometrični generator ali tahogenerator je majhen električen stroj katerega napetost in frekvenca na sponkah sta sorazmerni hitrosti vrtenja. Uporablja se povsod tam kjer je treba meriti hitrost. Ti generatorji so tudi nepogrešljivi sestavni del regulacijskih sistemov, kjer upoštevamo ali reguliramo hitrost vrtenja stroja. Napetost je odvisna od od hitrosti vrtenja elektromotorja, in sicer se z večanjem višata amplituda in frekvenca signala, saj se zaradi večje spremembe magnetnega pretoka skozi ovoje tuljavic inducira višja napetost.

DC tahometer (tahometrični dinamo) To je enosmerni tujevzbujani generator. Za vzbujanje ima v sredini vgrajen valjast trajni magnet navadno iz zlitine ALNICO. Ta magnet je nepremičen. Okrog njega je nameščen statorski jarem. V reži med statorjem in trajnim magnetom se vrti rotor. To je samo v obliki lonca zlepljeno komutatorsko navitje, pritrjeno na komutator, vse skupaj pa na gred. Ko se rotor vrti, se inducira napetost, ta pa je v sorazmerju s hitrostjo vrtenja. To napetost odvzamemo s ščetkami na komutatorju in jo merimo z natančnim V – metrom.

Slika 7: Konstrukcija DC tahometra

Opisana konstrukcija tahometričnega dinama zagotavlja zelo majhen vztrajnostni moment rotorja. To je pomembno pri hitrih spremembah hitrosti, kajti tako torna sklopka nikdar ne zdrsne. Komutator mora imeti srebrne lamele po katerih drse kovinske ščetke. Tako omejimo prehodni padec napetosti med komutatorjem in ščetkami na čim manjšo vrednost. Ti tahometrični dinami so uporabni do približno 6000 vrt/min, če merimo neposredno. Pri večjih hitrostih ne moremo preprečiti da nebi ščetke odskakovale od komutatorja. Kadar oscilografiramo napetost tahometričnega dinama, moti njena valovitost. Vzrok te valovitosti je končno število komutatorskih lamel. To valovitost omejimo delno z povečanjem zračne reže. Kljub temu pa imajo ti komutatorji vedno veliko lamel, da dobimo čim bolj gladke oscilograme. Zračna reža je konstantna. Na točnost vpliva tudi sprememba temperature, saj se z njo spreminja upornost kotve in magnetne lastnosti trajnega magneta. Te vplive kompenziramo navadno tako, da privarimo na trajni magnet plast nikljevega železa. Permemabilnost te zlitine je odvisna od temperature in lahko dosežemo da pri konstantni hitrosti vrtenja da se sprememba napetosti manjša od 0.1 % za temperaturno spremembo 100C. Paziti moramo, da dinamo električno čim manj obremenimo, tako da lahko zanemarimo padce napetosti in vpliv reakcije kotve.

Primer DC tahometra

Slika 8: Zgled DC tahometra

Izhodna napetost 11-24 V Volts/1000RPM 20.8 V Max RPM 8000 Upornost 1000 Ω

AC tahometri

Sinhronski tahometrični generator

Je enofazni sinhronski generator, ki ima rotor izdelan kot permanentni magnet. Njegova napetost je izmenična in jo je treba usmeriti ter zgladiti. Vztrajnostni moment tega rotorja je

vedno večji kot pri rotorju brez železa, ki smo ga videli pri dinamu. Ima to prednost, da je brez komutatorja in ščetk, ki se obrabljajo in povzročajo motnje. Na napetost sinhronskega tahometričnega generatorja vplivajo:

- obremenitev, - kvaliteta usmernikov, - temperatura ter - elementi filtra za glajenje napetosti.

Vse te vplive je zelo težko kompenzirati, zato je ta tahometer manj točen od tahometričnega dinama. S sinhronskim tahometričnem generatorjem merimo hitrost vrtenja lahko tudi tako, da merimo frekvenco, ne pa velikost napetosti. Pri tem izločimo vse motnje, saj je frekvenca napetosti odvisna samo od vrtljajev v rotorju. Morebitno napako povzroči tedaj samo frekvenčni merilnik, s katerim merimo frekvenco tahometričnega generatorja.

Asinhronski dvofazni servomotor

Obe fazni navitji sta nameščeni na jedru znotraj ali zunaj rotorja. Magnetni osi obeh faznih navitij morata biti premaknjeni med seboj za 90° pri dvopolni izvedbi. Rotor je izoblikovan v lonec, narejen pa je iz bakra ali aluminija.

Slika 9: Konstrukcija AC tahometra

Eno fazno navitje vzbujamo z napetostjo, ki ima konstantno frekvenco in amplitudo. Če rotor miruje, se v drugem faznem navitju ne inducira nobena napetost. Kakor hitro se rotor zavrti, pa se pojavi kot pri enofaznem asinhronskem motorju, eliptično vrtilno polje. V drugem faznem navitju se inducira napetost. Dokler smo dovolj daleč od sinhronizma, je velikost inducirane napetosti v drugem faznem navitju sorazmerna hitrosti rotorja. Zato se običajne izvedbe teh tahometričnih generatorjev dvopolne, frekvenca vzbujalne napetosti pa je 400 Hz.

Slika 10: Električno vezje asinhronskega tahometričnega generatorja

Sinhronski in asinhronski tahometrični generator sta neobčutljiva za smer vrtenja. Tahometrični dinamo pa pri spremembi vrtenja spremeni polariteto.

Primer AC tahometra

Slika 11: Primer uporabe AC tahometra

Izhodna napetost 30V Volts/1000RPM 30V Max RPM 1000 Upornost 122Ω

Stroboskopsko merjenje hitrosti vrtenja Se uporablja za ugotavljanje vrtilne hitrosti in temelji na principu zaznavanja človeškega očesa: 15-20 slik/sekundo. Tako ko uskladimo frekvenco utripanja z vrtilno hitrostjo naprave opazimo na napravi stoječo sliko. Primer: črte, ki smo ravno zato predhodno na opazovano mesto namestili. Je popolnoma brezkontaktna metoda in zato ne rabi delovanja stroja in naprave. Uporabnost: do 25000 min-1, pogrešek od ±0,2% do ±1%.

Slika 12: slika stroboskopa

Slika 13: zgled stroboskopa

Impulzni merilniki hitrosti vrtenja Impulzne merilnike uporabljamo v regulacijski tehniki, ki dajejo na svojem izhodu običajno napetost, ki je proporcionalna vrtljajem. Vrtljaje gredi, ki jih hočemo meriti, spremenimo v serijo električnih impulzov. Ti imajo vsi sito amplitudo in isti čas trajanja. Za vrtljaje je odločilno število impulzov v časovni enoti. Take impulze dobimo na najrazličnejše načine. Izkoristimo lahko nepravilnosti v materialu ali obdelavi gredi oziroma kakega drugega rotirajočega dela, ki je v zvezi z merjeno gredjo. Take neenakomernosti potem mehanično, magnetno, električno ali fotoelektrično spremenimo v električne impulze, seveda pa lahko prigradimo tudi poseben del gredi, ki nam posreduje zaželene impulze. Tako dobljene serije impulzov nato predelamo v indikacijo vrtljajev. Navadno uporabljamo takšna vezja, da dobimo na izhodu tem večjo napetost, čim hitreje si sledijo impulzi. Eno najpreprostejših takih naprav kaže slika prikazana spodaj.

Slika 14: Primer vezave impulznega merilnika

Na gred, ki ji hočemo meriti hitrost vrtenja, namestimo dvojni komutator. Levi del komutatorja preklaplja baterijo, desni del pa služi za preklapljanje voltmetra v enakem ritmu. Napetost baterije izberemo tako, da je tok nekajkrat večji od magnetnega toka. Večino časa je tako jedro nasičeno in se magnetni fluks v njem ne spreminja. Spremembo magnetnega fluksa lahko doživi jedro samo v času, ko je vzbujalni tok v bližini vrednosti nič. Poskrbeti moramo le, da tok v primarnem navitju naraste na svojo končno vrednost prej, preden komutator preklopi baterijo na drugi del navitja. Spremembi fluksa v jedru ustreza napetost, ki se inducira v sekundarnem navitju, le ta pa požene tok prek upornosti. Odklon voltmetra je sorazmeren vrtljajem n. Impulzi dobljeni iz fotocelice so navadno zelo šibki, katere moramo ojačiti. V teh primerih uporabljamo elektronske ali tranzistorske naprave. Ti merilniki vrtljajev so zelo točni, saj jih izdelujejo do razreda 0.2. Velika prednost teh pa je njihova robustnost in dolga življenjska doba, saj nimajo nobenega sestavnega dela, ki bi se gibal ali bil podvržen mehanski obrabi.

Digitalni tahometer

Med digitalne tahometre uvrščamo elektronske števce. Z njim ne merimo neposredno vrtljajev temveč čas ki preteče med dvema zaporednima impulzoma. Impulze dobimo poljubno, samo da je njihovo število proporcionalno vrtljajem. S temi impulzi vklapljamo in izklapljamo elektronski števec. Štejemo pa hkrati nihaje posebnega visokofrekvenčnega oscilatorja ki ima znano in stabilno frekvenco. Tako lahko merimo vrtljaje poljubno natančno, izbrati moramo samo primerno frekvenco oscilatorja. Lasnosti:

- tako merjenje je drago saj zahteva obsežno elektronsko aparaturo - ima še to hibo da meri dejansko srednjo vrednost vrtljajev v času med dvema

impulzoma nato pa je enak čas izklopljen da spravimo števec v izklopni položaj zaradi česar postane tak merilnik pri zelo hitrih regulacijah počasen

- izredno natančen, njegovi očitki izredno točni

- uporaba v izjemnih primerih ko zahtevamo najmanjši možni pogrešek, ter nas počasnost in visoka cena ne motita

Slika 15: Prikaz digitalnega merilnika

Primer samostojne izdelave digitalnega tahometra V starejših avtomobilih morda še ni obratomerja, zato ga lahko nadomestimo z digitalnim obratomerjem ki vsebuje LED prikazovalnike, in ga je enostavno sestaviti ki v zelo kratkem času in z majhnimi stroški. Tudi montaža senzorja je enostavna, saj malo tuljavico enostavno prilepite kar na vžigalno tuljavo v avtomobilu. Jedro naprave pa je mikrokontroler, ki poganja LED prikazovalnike. V primeru interesa izdelave takšnega obratomerja pa je pod viri tudi spletna stran kjer je izdelava sledečega obratomerja opisana bolj podrobno s spiskom materiala, programom in ostalimi komponentami.

Zaključek Tahometri so torej merilne naprave, ki jih srečujemo na vsakem koraku, ter delujejo na različnem principu merilnega sistema. Uporabljamo jih povsod tam, kjer moramo hitrost registrirati. Tipični primer uporabe je oscilografiranje prehodnih pojavov v elektromotorskih

pogonih kjer moramo zasledovati kako se spreminja hitrost motorja. Včasih smo pri določenih metodah omejeni z načinom merjenja (npr. merjenje slipa na jermenici), kjer se moramo v sledečem primeru posluževati stroboskopskega merjenja vrtenja. Kot zaključek naj navedem da je vedno dobro vedeti kaj bomo merili saj je od tega odvisen pristop ter izbira tahometra.

Literatura Knjige: Preizkušanje električnih strojev in njihovih lastnosti France Avčin, Peter Jereb Tehnična založba Ljubljana 1973 Internetni viri: http://www.servo-tek.com/Catalog%20RC700%20Contig.pdf http://www.alibaba.com/product-free/104062576/High_Speed_AC_Tacho_Generator.html http://en.wikipedia.org/wiki/Tachometer http://www.mechanicaltachometer.com/ Primer izdelave digitalnega tahometra: http://www2.arnes.si/~sspslavr/obratomer/obratomer.html