Фотоимпульсные измерители частоты вращения

Конструктивно фотоимпульсные измерители частоты вращения очень просты. Они имеют диск с отверстиями или прорезями, укрепленный на валу двигателя, и фотоголовку с осветителем и фотоиндикатором, рис. 16.13. В качестве фотоиндикаторов могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. При вращении вала привода фотоиндикатор под действием модулированного светового потока вырабатывает импульсные сигналы с частотой f = Z n/60, где Z - число прорезей или штрихов, n - частота вращения вала в об/ мин. Измерение частоты вращения импульсным фотоэлектрическим преобразователем (ИФП) осуществляется двумя способами /18/:

- методом последовательного счета импульсов за заданный интервал времени или угол поворота ротора;

- измерением длительностей периодов между последовательными импульсами.

Метод последовательного счета импульсов имеет минимальную разрешающую способность при малых частотах вращения. Устранить этот недостаток позволяют интерполяционные методы. Рассмотрим погрешность метода последовательного счета импульсов. Пусть время, в течение которого осуществляется счет импульсов, Т­_о = 0,01 с, число прорезей в модулирующем элементе Z = 1200, частота вращения n = 500 об/мин. Тогда настройка задатчика (базовое число импульсов) N = T₀ Zn/60 = 100. Предположим, что при измерении частоты вращения датчик выдал 101 импульс. Тогда погрешность поддержания заданной частоты вращения будет равна 1%. Если нас не устраивает такая погрешность, то необходимо увеличить время счета или взять датчик с большим числом дискрет в модулирующем элементе.

Метод измерения длительностей периодов между импульсами наоборот имеет высокую разрешающую способность на малых частотах вращения и низкую на больших. Сущность метода заключается в том, что через счетчик пропускаются импульсы высокочастотного генератора в течение времени активации чувствительного элемента. Иначе говоря, импульсы генератора опорной частоты стробируются каждым импульсом с диска. Во многом погрешность этого метода определяется частотой напряжения опорного генератора, которая в 10³ - 10⁴ раз превышает частоту следования импульсов ИФП. Рекомендуется комбинация двух изложенных методов. ИФП обеспечивают линейность от 0,1% до 10^-4 %. При жестком креплении диска с прорезями на валу оборотные пульсации составляют (0,1 - 0,15) %. В импульсных датчиках частоты вращения число импульсов за оборот (число дискрет) не должно быть меньше, чем значение диапазона регулирования частоты вращения.

Емкость счетчика импульсов можно определить по формуле N = n_max / Dn, где n_max - максимальная измеряемая частота вращения, Dn - требуемая точность измерения. При максимальной частоте вращения счетчик импульсов должен полностью заполняться. Для этого необходимо вполне определенное время измерения /36/

t_и = N/ f_д.max ,

где f_д.max - максимальная частота следования импульсов, соответствующая максимальной частоте вращения.

Основные достоинства ИФП:

- изменение проводимости фотодиода не зависит от частоты вращения вала, что позволяет измерять очень низкие скорости (1 об/мин и менее);

- фотодиод реагирует на луч очень малой ширины, благодаря чему может быть большое число прорезей (до 10 000 и выше);

- погрешности в монтаже на десятые доли мм не сказываются на амплитуде сигнала;

- допустимы радиальные и продольные биения вала, достигающие десятых долей мм;

- диск значительно легче и технологичнее в изготовлении, чем зубчатое колесо ИТГ;

- ИФП не чувствителен к магнитным и электрическим полям устройства.

В современные ИФП в качестве источников света применяют светоизлучающие диоды, которые имеют большую долговечность и устойчивость к вибрациям по сравнению с электрическими лампочками. Светодиоды и фотодиоды (фототранзисторы) необходимо комплектовать по преимущественному отношению к определенной области спектра. Обычно выбирают элементы красного и инфракрасного излучения с яркостью 300 - 900 кА/м² . Наиболее широко используются светоизлучающие диоды инфракрасного излучения типа АЛ 106, АЛ 107 и АЛ 108. Расстояние от светодиода до фотодиода желательно устанавливать не более 10 -12 мм. Для снижения оборотных пульсаций рекомендуется ставить три чувствительных головки, сдвинутых между собой на углы 122^°, 122^° и 116^°. Технические характеристики источников и приемников света представлены в табл.30.8.

Хорошо зарекомендовала себя схема серийного ИФП типа ДФ-1, который имеет сдвоенные головки, что позволяет осуществлять контроль направления вращения. Принципиальная схема ДФ-1 представлена на рис.19.9.

Рис.19.9

При использовании абсолютного кодирующего преобразователя для измерения частоты вращения возможны два варианта работы измерительного устройства. В первом варианте проводят считывание двух значений выходного сигнала за данный интервал времени с последующим вычислением разности кодов и частоты вращения (численное дифференцирование). Второй вариант основан на счете числа импульсов опорного генератора высокой частоты при повороте диска на заданный угол. Функциональные схемы тахометров на основе кодирующих преобразователей и их параметры приведены в /17,23/.

Несмотря на то, что ИФП обеспечивают наивысшую разрешающую способность и высокое быстродействие, предпочтение часто отдают индукционным датчикам, так как ИФП дороги. Индукционные датчики имеют более высокую надежность, дешевы и более стойки к температурным и механическим воздействиям. Кроме того:

- ИФП чувствителен к наличию в окружающей среде пыли и высокой влажности;

- характеристики фотоэлементов со временем могут заметно изменяться и фотоголовки необходимо периодически заменять.

Нашей промышленностью выпускаются ИФП серии ПДФ-1, ПДФ-2, ДИФ-5. Технические данные ряда ИФП представлены в табл.30.19.