Измерение частоты вращения

 

 

Измерение частоты вращения проводят с помощью механических, гидравлических, индукционных, частотных и электричес­ких устройств.

К механическим измерителям частоты вращения относят цент­робежные тахометры. При вращении вала тахометра на грузы дей­ствует центробежная сила, под действием которой они расходятся, деформируя пружину и перемещая муфту.

В динамическом отношении центробежные тахометры – коле­бательные звенья.

Параметры их передаточных функций зависят от конструкции измерительного устройства.

К механическим измерителям относят также гироскопы.

Гидродинамические измерители преобразуют угловую скорость вращения в давление жидкости, создаваемое насосом.

В индукционных измерителях входной вал соединен с постоян­ным магнитом. При вращении магнита в металлическом диске индуктируется ЭДС, которая порождает вихревые токи. От их взаимодействия с полем постоянного магнита возникает момент вра­щения, значение которого пропорционально частоте вращения входного вала.

Действие электромашинных измерителей частоты вращения (электрических тахометров) основано на зависимости развивае­мой генератором постоянного тока ЭДС U от частоты вращения ротора п.

В динамическом отношении электрический тахометр подобен безынерционному звену с коэффициентом преобразования

где k _к – коэффициент, зависящий от конструкции: числа пар полюсов, числа про­водников обмотки якоря и числа параллельных ветвей;

Ф - магнитный поток, Вб.

Обычно значение коэффициента передачи тахогенератора на­ходится в пределах 0,06...1,15 В ∙ с/рад.

При измерении частоты вращения рабочих органов мобильных сельскохозяйственных агрегатов часто применяют импульсные из­мерители скорости, преобразующие угловую скорость в частоту следования импульсов некоторого значения (тока, светового пото­ка, излучения и т.д.). В динамическом отношении эти измери­тельные устройства также подобны безынерционному звену с ко­эффициентом передачи К = n / 2π, где n – число зубцов или отвер­стий вращающегося диска.

 

 

Оптические ИП

В оптических ИП используются свойства кон­тролируемых величин влиять на характеристики светового потока, пропускаемого через анализируемую среду.

Принцип действия фотоэлектрических измерительных преобразователей (фотоэлементов) основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т.е. они реагируют на изменение светового потока и преобразуют световой поток в выходной электрический сигнал.

В зависимости от поведения электронов, высвобождающихся под действием светового потока, различают три группы фотоэлементов: с внешним и внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем (вентильные).

Рис. Фотоэлектрические датчики: а – с внешним фотоэффектом;

б – с внутренним фотоэффектом, в – вентильные

 

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом (рис. а) представляет собой вакуумную двухэлектродную лампу. Катод 1 образован светочувствительным слоем (цезий или сплав сурьмы с цезием) и нанесен на внутреннюю поверхность лампы, а анод 2 выполняется в виде кольца или пластины. Нередко в лампу вводят некоторое количество нейтрального газа (аргона), который не окисляет поверхность металла, но способен ионизироваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов зна­чение протекающего тока. Под действием световой энергии с поверхности выбиваются электроны, образующие электрический ток (внешний фото­эффект). Промышленность выпускает фотоэлементы следующих типов: ЦГ – цезиевый газонакопленный; СЦВ – сурьмяноцезиевый вакуумный; ЦВ – цезиевый вакуумный.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом обладают высокой чувствительностью и высокой температурной стабильностью. Для них характерна линейная зависимость фототока от светового потока. К числу недостатков рассмотренных фотоэлементов, которые ограничивают их применение в автоматических системах управления, относятся: необходимость в повы­шенном напряжении питания; хрупкость стеклянного баллона; старение и утомляемость, т. е. снижение чувствительности при сильной освещен­ности.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) чувствительнее элементов первого типа, использующих фотоэффект со свободной поверхности металла. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом не нуждаются во вспомогательной энергии и им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма. Недостатками их являются: подверженность влиянию окружающей температуры, утомляемость и высокая инерционность. Последнее ограничивает применение фотоэлементов с внутренним фотоэффектом при частоте прерывания светового потока в несколько десятков герц.

Фоторезисторы (рис. б) представляют собой стеклянную пластинку 1 с нанесенным тонким слоем селена или сернистых соединений различ­ных металлов (таллия, висмута, кадмия, свинца). К пластине прикреплены электроды 2, имеющие контакт с полупроводниковым слоем. Размеры фоторезисторов очень невелики. При подаче к электродам напряжения через фоторезистор будет протекать ток, значение которого пропорцио­нально освещенности. Зависимость тока от освещения имеет нелинейную величину. Однако чувствительность фоторезисторов в сотни раз превышает чувствительность вакуумных элементов, что позволяет их использовать в автоматических устройствах без усилителей.

У вентильных преобразователей свободные электроны, изменяя свою энергию под действием светового потока, остаются в веществе. В промышленности получили наибольшее распространение селеновые и меднозакисные фотоэлементы.

Селеновый фотоэлемент (рис. в) имеет четыре рабочих слоя. Первый слой образован тонкой пленкой золота 1, далее идут запирающий слой 2, селеновый слой 3 и стальная подкладка 4. Запирающий слой, обладая детекторным свойством, пропускает электроны, выделившиеся из пленки золота, и препятствует прохождению электронов противополож­ного направления. Таким образом, световой поток, проходя через пленку золота, создает вентильный фотоэффект. Электроны из освещенного слоя переходят в неосвещенный, что приводит к возникновению разности по­тенциалов U _вых.

Фотоэлектрические датчики просты по устройству и достаточно надежны в работе. Они находят широкое применение в системах автоматики в литейных и термических цехах: для автоматического управления освещением цехов, измерения температуры жидкого металла и нагретых деталей (фотоэлектрический пирометр), определения прозрачности жидкостей или газов, подсчета форм и изделий, проходящих по конвейеру, для контроля пламени в топках топливных печей. Они применяют в системах защиты обслуживающего персонала от травм и т. п.

К недостаткам оптических датчиков от­носятся зависимость точности преобразования от влияния внешних факторов и нестабильность характеристик источ­ников света и фотоэлементов.