Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

где R — активная составляющая полного сопротивления; L — пол­ ная индуктивность цепи. Ферродинамические тахометрические при­ боры имеют неравномерную шкалу; их погрешность достигает

±1,5—2,5%.

Принцип действия магнитного тахометра основан на явлении электромагнитной индукции, сущность которого заключается в том, что в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с индукционными токами, наведенными этим полем в сплошном металлическом роторе, возникают силы, пропорциональные частоте вращения. Магнитные тахометры — наиболее точные из приборов с амплитудной модуляцией сигнала, они выполняются как с механи-

Рис. 73. Принципиальная схема магнитного тахометра:

/ — магнит первичного преобразователя (генератора); 2 — магнит-ротор синхронного дви­ гателя; 3 — гистерезисный диск; 4 — постоянный магнит указателя; 5 — разгонный диск;

с объектом вращения. Наибольшее распространение эти тахометры получили в авиации и турбостроении.

Рассмотрим схему (рис. 73) самолетного магнитного тахометра с электрическим дистанционным приводом [22]. Первичный преобра­ зователь тахометра представляет собой трехфазный синхронный генератор с ротором в виде постоянного магнита. В обмотке статора синхронного двигателя указателя создается вращающееся магнит­ ное поле, вызывающее вращение ротора, состоящего из постоянного магнита и гистерезисного диска. Постоянный магнит ротора сво­ бодно насажен на вал и соединен с ним пружиной, через которую он передает крутящий момент валу. Гистерезисный диск служит для асинхронного запуска синхронного двигателя. Он приводит вал ротора во вращение со скоростью, близкой к синхронной, а за­ тем уже постоянный магнит входит в синхронизм и принимает на­ грузку на себя.

На конце вала синхронного двигателя укреплен магнитный узел, состоящий из двух плат с запрессованными в них цилиндри­ ческими постоянными магнитами (на схеме условно показан двух­ полюсный магнит 4). В воздушном зазоре магнитного узла находится чувствительный элемент в виде диска, связанного жестко со стрелкой указателя. Под действием вращающего момента, созданного взаимо­

242

действием магнитного поля и индукционных токов в диске, он пово­ рачивается и закручивает спиральную пружину, создающую про­ тиводействующий (уравновешивающий) момент. Для устранения колебаний стрелки в приборе имеется демпфирующее устройство, состоящее из неподвижного магнитного'узла, аналогичного магнит­ ному узлу 4, и алюминиевого диска, укрепленного на оси стрелки. Диапазон измерений одной из модификаций подобного тахометра —

(магнитных шунтов) [130], балансировке подвижной системы изме­ рителя и достаточно большой шкале погрешность магнитных тахо­ метров может быть снижена до ±0,2% от измеряемой величины.

Тахометры на основе первичных преобразователей с частотной модуляцией сигнала отличаются простотой конструкции, высокой точностью и независимостью результатов измерений от внешних условий. В качестве первичных преобразователей таких тахометров могут быть использованы устройства различного принципа действия, состоящие из двух элементов: подвижного и неподвижного, взаимное расположение которых способно вызвать изменение электрического сигнала во внешней цепи прибора. Если подвижный элемент жестко закреплен на вращающемся со скоростью со валу радиуса г, то изменения сигнала будут следовать друг за другом через периоды времени

т _ 2лг __Jl_

сол п ’

а частота таких изменений сигнала будет равна

р1

/ — f п-

Частота f может быть повышена за счет установки на валу не­ скольких элементов, делящих длину окружности на некоторое число отрезков т, тогда

две принципиальные причины погрешностей. Во-первых, это неточ­ ность определения сходственных моментов цикла, определяющих длительность периода Т. Для ее уменьшения необходимо формиро­ вать как можно более резкие фронты изменения электрического сиг­ нала. Во-вторых, у преобразователей с несколькими возбуждающими элементами погрешности измерения долей оборотов возникают за счет неточности деления длины окружности на m равных участков.

Простейшим тахометром с первичным преобразователем частот­ ного типа является импульсный тахометр, состоящий из переклю­ чателя (неподвижный элемент), кулачка или выступа на валу (под­ вижный элемент). Переключатель управляет зарядом и разрядом

рабочего конденсатора (рис. 74); протекающий при этом ток изме­ ряется стрелочным магнитоэлектрическим прибором. При каждом разряде конденсатора через измеритель протекает ток, величина которого изменяется по экспоненциальному закону

Здесь Е — разность потенциалов на зажимах конденсатора; t — время.

Величина т = RC является постоянной времени процесса разряда; практически процесс разряда можно считать полностью закончившимся по истечении времени tn = = (5н-8)т. Отсюда могут быть выбраны пара­ метры цепи такими, чтобы исключалось влияние переходного сопротивления контак­ тов. Время замкнутого состояния контактов при наибольшей измеряемой скорости враще­ ния должно быть больше или равно tn. Если емкость заряжается и разряжается каждый раз полностью, то среднее значение тока, протекающего через измеритель, будет равно

мерять скорости вращения с погрешностями от ±0,5 до ±1,5% . При механической коммутации цепей переза­ ряда конденсатора верхний предел измерений не может быть выше 2500—3000 1/мин. Повышение этого предела возможно при исполь­ зовании бесконтактных первичных преобразователей для управле­ ния переключателем немеханического типа.

Отечественной промышленностью выпускается ламповый кон­

ряд полупроводниковых вариантов таких частотомеров (см., на­ пример, [116]). Во всех схемах частотомеров для отделения заряд­ ного тока емкости от разрядного обычно применяются полупровод­ никовые выпрямители. При уменьшении прямого тока, протекаю­ щего через диод, сопротивление его увеличивается, что приводит к непрерывному возрастанию постоянной времени цепи и в конечном счете к неполному заряду (разряду) емкости. От этого недостатка можно избавиться, если обеспечить принудительный заряд и разряд с помощью триодов, управляемых специальными импульсами. В этом случае сопротивление эмиттер-коллектор R 3_K триода определяется уже не током перезаряда емкости, а базовым током триода. При сравнительно большой величине последнего R3_K становится равным сопротивлению триода в режиме насыщения.

244

Другим недостатком конденсаторных полупроводниковых ча­ стотомеров является зависимость / ср (VIII.3) от температуры окру­ жающей среды через изменение Е. Применяя схемы температурной стабилизации, удается получать лишь приблизительно постоянное значение Е (VII 1.3) в определенном диапазоне изменения темпера­ тур. Более радикальной мерой для устранения указанного недо-

-д

Рис. 75. Схема компенсационного конденсаторного частотомера:

1 — усилитель; 2 — амплитудный дискриминатор; 3 — триггер; 4 — усили­ тель потенциометра; 5 — реверсивный двигатель потенциометра

статка может явиться использование компенсационной схемы, по­ строенной на измерении отношения падения напряжения на нагрузке частотомера UH к перепаду напряжения на емкости Е

Uh IcpRh _ п п t

Е~ Е

Операция деления может быть произведена различным образом, например с помощью электронного потенциометра, если напряже­ ние Е использовать для питания его реохорда. Напряжение на входе усилителя потенциометра, равное разности напряжений, снимаемых с реохорда и нагрузки частотомера,

U»* = i-mE - CER«f’

в момент точного уравновешивания моста равно нулю; поэтому показания по шкале потенциометра а равны

где ат — диапазон шкалы потенциометра.

245

Иллюстрацией к сказанному служит схема частотомера, разра­ ботанного Б. А. Казначеевым (рис. 75) [56]. Здесь входной сигнал бесконтактного первичного преобразователя поступает через уси­ литель на амплитудный дискриминатор, где его напряжение пре­ образуется в прямоугольное с крутыми фронтами нарастания и спада. После дифференцирования этого напряжения образуются серии положительных и отрицательных импульсов, любая из которых мо­ жет быть использована для запуска триггера. Выходное напряже­ ние триггера имеет постоянную скважность (1 : 2), что обеспечи­ вает независимость показаний прибора от колебаний длительности зарядного промежутка времени.

Сформированное триггером импульсное напряжение управляет

напряжения Е (t). Режим насыщения триода легко обеспечивается соответствующим выбором сопротивления R lt что обусловливает малую величину постоянной времени зарядной цепи. Ток заряда протекает по сопротивлению нагрузки R H\ разряд емкости С про­ исходит через сопротивление R н и триод Т ъ принудительно откры­ тый импульсами измеряемой частоты. Смена диапазонов частото­ мера производится переключением емкости С. Конденсаторы С2 и С3 предназначены для выделения средней составляющей напряже­ ния на сопротивлении нагрузки и реохорда. Установка указателя потенциометра на нулевую и конечную отметки шкалы осуще­ ствляется с помощью сопротивлений R 3 и R 7 соответственно. Часто­ томер был выполнен на базе уравновешенного потенциометра ЭППВ-26 и его испытания показали, что основная приведенная погрешность измерения частоты не превышает паспортной погреш­ ности потенциометра (±0,5%), а дополнительные погрешности, вы­ званные изменением температуры окружающей среды от 0 до 70° С

В качестве бесконтактных электрических первичных преобра­ зователей используются всевозможные системы: индукционные, оп­ тические, индуктивные, емкостные, ультразвуковые, радиоактив­ ные, холловские, стробоскопические и др. В тех случаях, когда не требуется полной разгрузки вала объекта измерения от реактивных тормозящих моментов, находят широкое применение индукционные системы самых разнообразных конструкций. Такие устройства, пред­ ставляющие собой простейшие генераторы переменного тока, выпол­ няются либо с неподвижным, либо с вращающимся постоянным магнитом. Табл. 25 дает представление о наиболее типичных схемах индукционных преобразователей.

При вращении вала магнитный поток, сцепляющийся с обмоткой, изменяется, что приводит к возникновению в ней э. д. с.

е = Em sin 2яft,

где f = т п — частота сигнала [см. (VIII.2)1.

246

Т а б л и ц а 25

Индукционные первичные преобразователи электрических тахометров

Характерной особенностью индукционных преобразователей та­ хометров является наличие кроме частотной еще и амплитудной модуляции, так как

Ет = 2л/ш ¥т ,

где w — число витков обмотки; Ч^ — магнитный поток, сцепляю­ щийся с обмоткой.

Для увеличения Ч?т (а стало быть и э. д. с.) в системах с вращаю­ щимся магнитом обмотку снабжают статором из магнитопроводного материала. В системах с неподвижным магнитом статором служит сам магнит или полюсные наконечники различной конфигурации. При увеличении т частота сигнала возрастает, а значение Ч^ сна­ чала медленно, а затем быстро падает, что объясняется уменьшением магнитного сопротивления между полюсами магнита, неизбежно вызывающим увеличение потока рассеяния.

Полное сопротивление измерительного контура, образованного обмоткой индукционного тахометрического преобразователя, из­ мерительной цепью и входными цепями индикаторного или реги­ стрирующего прибора, имеет активную и реактивную составляющие. Последнюю можно обычно не учитывать, так как частота сигнала редко превышает 1 кГц. В этом случае действующие значения тока

Многополюсные системы предназначены для повышения частот измерительных сигналов, при которых становится оправданным использование цифровых частотомеров. В многополюсных систе­ мах имеется возможность маркирования последующих импульсов сигнала за счет различия амплитуд импульсов, что может быть полезно в тех случаях, когда кроме измерения скорости необхо­ димо определять направление вращения. Индукционные преобра­ зователи с постоянными магнитами не требуют внешнего источника питания. Это их свойство в сочетании с чрезвычайной простотой кон­ струкции и отсутствием жестких требований к качеству выполне­ ния магнитной системы, определили преимущественное использо­ вание таких бесконтактных преобразователей. К их недостаткам следует отнести, во-первых, зависимость амплитуды выходного сигнала от измеряемой скорости вращения, затрудняющую измере­ ние малых скоростей, и, во-вторых, создаваемый ими тормозной момент, препятствующий их применению в маломощных установках. Этот тормозной момент равен £Р/со, где^-Р — суммарная мощность, потребляемая от выходной обмотки измерительной цепью, и мощ­ ность, рассеиваемая в связи со всевозможными потерями на перемагничивание и вихревые токи.

При необходимости значительного повышения частоты выход­ ного сигнала бесконтактного тахометрического преобразователя ис­

248