Измерение частоты вращения

Под скоростью вращения U (об/ мин) обычно понимают число

оборотов п твердого тела за единицу времени t = 1 мин:

где t — время, мин.

В числе производных единиц Международной системы единиц

(СИ) отсутствует термин «скорость вращения» и имеются только

следующие термины:

1) угловая скорость ω (рад/с) как отношение угла φ (рад) пово-

рота тела к времени вращения t (с):

2) частота вращения f (Гц), обозначающая число полных оборотов

за единицу времени t =1с:

где t — время, с.

Тем не менее в технической литературе, паспортах на приборы

единица «об/ мин» используется достаточно часто.

Устройства для измерения частоты вращения называются тахо-

метрами. По принципу действия они делятся на механические и

электрические. Наиболее простой конструкцией отличаются механи-

ческие тахометры. Они делятся на стационарные, т. е. монтируемые

неподвижно, и портативные. Стационарные механические тахометры

по принципу своего действия представляют собой приборы с инди-

кацией в непосредственной близости от объекта измерения. Они

соединяются с ним либо непосредственно, либо при помощи гибко-

го вала, ременной или цепной передачи. Поэтому измеренная вели-

чина может быть передана только на близкое расстояние.

По физическому принципу, положенному в основу измерения,

имеется два типа механических тахометров: тахометр на вихревых

токах и центробежный тахометр. Тахометр на вихревых токах име-

ет вращающийся постоянный магнит, поле которого возбуждает вих-

ревые токи в алюминиевом диске, соединенном с указателем. Воз-

никающий при этом вращающий момент пропорционален частоте

вращения магнита и перемещает указатель до тех пор, пока момент,

создаваемый вихревыми токами, не уравновесится моментом, создан-

ным возвратной пружиной. Тахометры этого типа применяют преиму-

щественно в тех случаях, когда показания должны начинаться с нуля,

соответствовать определенному направлению вращения и охватывать

широкий диапазон измерения. Силы, создающие перемещение, срав-

нительно невелики, что ограничивает возможности использования

этого типа тахометров для других целей, кроме индикации. Погреш-

ности составляют около ± 1 % и в простейших приборах достигают

± 3 % от конечного значения. Тахометры на вихревых токах выпуска-

ются серийно и рассчитаны на скорости до 5 ООО об/мин.

В центробежных тахометрах вращающийся маятник отклоня-

ется под действием центробежной силы и через рычажную передачу

приводит в движение стрелочный механизм. Отклонения стрелки

являются мерой частоты вращения. Центробежные тахометры по-

казывают частоту вращения не от нулевого, а от некоторого мини-

мального и до максимального значения, соотношение которых может

находиться в пределах от 1:3 до 1:10. Показания не зависят от на-

правления вращения. Достаточные по величине силы, сообщающие

движение стрелочному механизму, допускают приведение в действие

дополнительных управляющих и регулирующих устройств. Погреш-

ность измерения не превышает 1 %, в специальных исполнениях

составляет 0,3 %. Так как центробежный тахометр представляет собой

колебательную систему, он снабжен демпфирующим устройством.

Максимальная частота вращения, измеряемая серийно выпускаемы-

ми центробежными тахометрами, составляет 10 000 об/мин.

Объект измерения должен обеспечивать возможность установки

тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры

могут быть снабжены электрическими или пневматическими преоб-

разователями, позволяющими использовать их для целей управления

и контроля.

Электрические тахометры (под ними понимаются все тахометры,

дающие на выходе электрический сигнал) значительно удобнее меха-

нических как по возможности использования для измерения различ-

ных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обра-

ботки измерительных сигналов. Они могут быть разделены на две

основные группы: аналоговые и дискретные. Различие этих двух ме-

тодов обусловлено в основном применяемыми датчиками. Достоин-

ством как аналогового, так и дискретного способа является возмож-

ность размещения показывающего прибора на расстоянии от места

измерения, т. е. дистанционное измерение частоты вращения.

При а н а л о г о в о м методе с датчика скорости снимается вы-

ходной сигнал в виде напряжения или тока, пропорционального

измеряемой скорости вращения. Такие датчики называются тахоге-

нераторами. Любой тахогенератор должен быть жестко связан с

объектом измерения и, как и механические тахометры, приводится

во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Тахоге-

нераторы вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный

частоте вращения объекта измерений. Их особое достоинство за-

ключается в том, что в них нет подвижных токонесущих деталей, и

поэтому они работают практически без износа.

При д и с к р е т н о м методе измерения частота вращения опреде-

ляется подсчетом числа импульсов, создаваемых при каждом обо-

роте за единицу времени, или числа единиц времени между двумя

импульсами. Съем данных измерения может осуществляться механи-

чески (в результате срабатывания контактов), но основное преиму-

щество дискретного метода заключается в возможности бесконтакт-

ной передачи данных. Электрические тахометры, взаимодействующие

с объектом измерения без непосредственного контакта с вращаю-

щимся телом, потребляют от объекта незначительное количество

энергии либо работают совсем без затраты энергии объекта. Связь

такого тахометра с объектом измерения осуществляется индукцион-

ным, магнитным или фотоэлектрическим путем. Такие тахометры

пригодны для измерения очень высоких скоростей и на очень малых

объектах. Частота импульсов, снимаемых с этих тахометров, менее

восприимчива к помехам, чем напряжение, пропорциональное ча-

стоте вращения. Тахометры этого типа, как правило, требуют источ-

ник вспомогательной электрической энергии. Между чувствительным

элементом прибора, воспринимающим измеряемую величину, и его

выходным устройством находятся элементы согласования, преобра-

зующие измерительный сигнал в форму, пригодную для дистанцион-

ной передачи измеренной величины. Так как в основу этого метода

измерения положен цифровой принцип, то, как правило, использу-

ются цифровая индикация и обработка данных измерения.

Общим для всех электрических тахометров является возможность

дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и

протоколирования совместно с результатами измерения других па-

раметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой

код, допускающий дальнейшую обработку в микропроцессорах.

Существует также возможность стробоскопического измерения

частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется

преимущественно для исследования характера движения вращаю-

щихся тел, однако он может быть использован и для измерения ча-

стоты вращения. В этом случае съем сигнала осуществляется опти-

ческим методом, для чего на вращающуюся деталь наносят светлую

метку. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект спо-

соб измерения.

Точное определение частоты вращения различных механизмов

необходимо во многих областях техники. Так, частота вращения валов

газотурбинных установок является основным параметром при пусках

и остановах газоперекачивающих агрегатов. Рассмотрим несколько

таких устройств более подробно.

В устройстве, показанном на рис. 7.4, а, использован магнитоин-

дукционный преобразователь. Постоянный магнит 2, закрепленный

на валу агрегата 1, и неподвижная катушка 3 образуют датчик часто-

ты вращения 4. Он соединяется с усилителем-формирователем 5

коротким (до 10 м) отрезком термостойкого экранированного про-

вода с наружной изоляцией экрана, а усилитель-формирователь со

вторичным прибором 6 — бронированным многожильным контроль-

ным кабелем. Выходные частотные реле 8, 9 И 10 обеспечивают

формирование дискретных сигналов в систему защиты и управле-

ния при достижении частотой вращения заданных значений уста-

вок. Выносной прибор 7 обеспечивает необходимой информацией

оператора. При вращении вала 1 с магнитом 2 в неподвижной ка-

тушке 3 датчика 4 индуцируется напряжение переменного тока

U_вых1, амплитуда и частота ƒвых которого пропорциональны частоте

вращения вала ω. Форма этого напряжения зависит от формы торце-

вых поверхностей магнита 2, от зазора и параметров катушки 3 и

представляет собой гармонически изменяющееся напряжение с обя-

зательным переходом через 0. При изменении частоты вращения

валов от минимально измеряемой (для ГТУ это 12 об/мин, или 0,2 Гц)

до максимальной амплитуда выходного напряжения может изменяться

от 0,1 до 300 В.

При малых значениях выходною сигнала, изменяющегося в пределах

от 0,1 до 2...3 В и соответствующего небольшим частотам вращения

ГТУ в зоне «0-обороты» и до 400 об/мин, большое влияние на показа-

ния приборов оказывают внешние электростатические наводки, дей-

ствующие на входе прибора 6. Эти наводки, напряжения которых

сравнимы с напряжениями информативного сигнала, могут вызывать

искажения показаний и ложные срабатывания выходных реле, что

приводит к ложным остановкам газоперекачивающего агрегата. Имен-

но для исключения этих явлений в непосредственной близости от дат-

чика 4 устанавливается усилитель-формирователь импульсов 5, который

формирует прямоугольные двухполярные импульсы с постоянной ам-

плитудой (не менее 10 В), не зависящей от амплитуды выходного сиг-

нала датчика 4, и частотой, равной частоте этого сигнала. Промежуточ-

ное преобразование сигнала в прямоугольные импульсы исключает

влияние помех на показания вторичного прибора. Измерение частоты

входных импульсов, соответствующей измеряемой частоте вращения

вала 7, производится по четырех- или пятиразрядному индикатору

вторичного прибора 6. Этот прибор обеспечивает также контроль ис-

правности датчика и линий связи (световая сигнализация неисправ-

ности), ручную регулировку уставок срабатывания частотных реле

8... 10, визуальный контроль настройки уставок, питание постоянным

напряжением усилителя-формирователя импульсов 5 и выход элек-

трического сигнала, пропорционального измеряемой величине, для

дистанционного измерения частоты вращения вала на выносном при-

боре 7.

Поскольку на одном агрегате обычно происходит измерение и

сигнализация не менее двух частот вращения, рассмотренные устрой-

ства выполняются двухканальными и обеспечивают одновременное

измерение двух частот вращения валов ГТУ (на рис. 7.4, а показан

один канал измерения). Питание устройства осуществляется напря-

жением переменного тока 220 В. Погрешность измерения частоты

вращения и срабатывания уставок не превышает 0,2 %.

При использовании магнитоиндукционного преобразователя с

постоянным магнитом за один оборот вала ГТУ формируется только

два разнополярных импульса, частота следования которых пропор-

циональна частоте вращения вала. Это приводит к тому, что при

малых частотах вращения надежное измерение затруднено.

Более достоверные измерения обеспечивают устройства с индук-

тивным преобразователем и зубчатым диском, устанавливаемым на

валу. При использовании зубчатого диска (рис. 7.4, б) за один оборот

вала на выходе преобразователя формируется не два импульса, а

20...40 и более импульсов (в зависимости от числа зубцов диска),

амплитуда которых практически не зависит от частоты вращения вала

с зубчатым диском.

Существуют также устройства для контроля частоты вращения на

базе тахогенератора переменного тока, который представляет собой

двухфазную асинхронную электромашину с полым немагнитным

ротором. На статоре тахогенератора размещаются две сдвинутые на

90° обмотки (возбуждения и генераторная). Обмотка возбуждения

подключается к источнику переменного тока. В генераторной обмот-

ке, являющейся выходной, при вращении ротора наводится ЭДС

вращения, под действием которой на выходе тахогенератора возни-

кает напряжение, амплитуда и частота которого пропорциональны

частоте вращения ротора, а следовательно, и вала: Uвых = ƒ(ω). Эта

функция нелинейная. При изменении направления вращения рото-

ра фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

Контрольные вопросы

1. Для чего необходимо контролировать вибрацию различных механиз-

мов?

2. На какие группы подразделяются датчики вибрации в зависимости от

измеряемого параметра?

3. Какие устройства называются проксиметрами?

4. На каком физическом эффекте основана работа оптического преобразо-

вателя виброскорости?

5. Поясните принцип действия пьезоакселерометра.

6. Как называются устройства для измерения частоты вращения?

7. В чем заключается разница между аналоговыми и дискретными электри-

ческими тахометрами?

Гл а в а 8