Материал: Розробка структурної та електричної схеми вимірювального каналу швидкості обертання вала електродвигуна

Елемент Хола або магніторезистор виконує роль чутливого елементу, напруга або опір якого змінюється при обертанні модулятора - магнітного або феромагнітного зубчатого диску. Зміна опору або напруги носить імпульсний характер, частота імпульсів прямо пропорційна кутовій швидкості.

Роздільна здатність гальваномагнітних ТП може бути доведена до 1000-15000 квант/мм. Однак їх використання обмежується достатньо складними електронними схемами зчитування і обов’язковим екрануванням від зовнішніх магнітних полів.

На основі ТП частотно-часового перетворення можливе створення як аналогових, так і цифрових тахометрів. Принцип дії цифрових тахометрів полягає у визначенні відношення

,(1.12)

де відповідно кут та час повороту ТП, який встановлено на валу об’єкту вимірювання.

.3 Основні принципи вимірювання частоти обертання

В залежності від того, який з вище вказаних параметрів вимірюється, розрізнюють цифрові тахометри середнього значення і цифрові тахометри миттєвого значення [1, 2].

У цифрових тахометрах середніх значень методом підрахунку імпульсів визначають кут повороту вала об’єкту за зразковий інтервал часу, який задається зовнішнім зразковим генератором, тобто цифровий тахометр будується за схемою цифрового частотоміра середніх значень. Такі вимірювачі придатні тільки для статичних вимірювань кутової швидкості. Їх рівняння перетворення має вигляд

,(1.13)

де  - зразковий часовий інтервал, що формує зразкова міра часу від цифрового частотоміра середніх значень;

 - виміряне значення кутової швидкості;

 - код у двійковому лічильнику частотоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал .

На рисунку 1.6 приведена часова діаграма роботи цифрового тахометра середніх значень

Рисунок 1.6 - Часова діаграма роботи цифрового тахометра середніх

значень

У цифровому тахометрі миттєвих значень здійснюється вимірювання часу повороту валу ТП на фіксований кут, тобто вимірюється період сигналу ТП шляхом квантування цього часового інтервалу імпульсами зразкової частоти від зовнішнього генератора. На рисунку 1.7 приведена часова діаграма роботи цифрового тахометра миттєвих значень.

Рисунок 1.7 - Часова діаграма роботи цифрового тахометра миттєвих

Значень

Цифровий тахометр будується за схемою цифрового періодоміра. Кутова швидкість визначається за співвідношенням

,(1.14)

де - відповідно миттєва кутова швидкість та миттєве кутове прискорення;

 - час між двома вихідними імпульсами;

 - частота зразкового генератору підраховане за час ;

 - код у двійковому лічильнику періодоміра, відповідний кількості імпульсів, підрахованих за часовий інтервал .

Працює такий тахометр циклічно, в кінці кожного періоду вихідного сигналу ТП вимірювальна інформація передається та запам’ятовується у зовнішньому запам’ятовуючому пристрою для опосередкованого визначення кутової швидкості.

Висновки: В результаті проведеного аналізу методів та засобів вимірювання швидкості обертання вала двигуна обираємо для реалізації цифровий тахометр миттєвих значень так як він потребує малої кількості поділок на оберт вала. В якості датчика обираємо оптичний датчик бо він не має механічних звязків, надійний та простий в монтажі.

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ВАЛА ЕЛЕКТРОДВИГУНА

.1 Розробка структурної схеми вимірювального каналу

До складу вимірювального каналу входять вихідний вал електродвигуна, датчик швидкості, блок вибору режиму, мікроконтролер, пристрій виведення інформації, персональний комп’ютер.

З вихода датчика швидкості обертання отримуємо імпульсний сигнал, тривалість імпульсів якого пропорційна швидкості обертання вала двигуна, Отримані сигнали поступають на вхід мікроконтролера, який після розрахунку виводить, згідно внутрішнього алгоритму, результат на дисплей пристрою виведення інформації. Для вибору режиму роботи передбачений блок вибору режиму, який корегує значення інформації на блоці виведення інформації відповідно до типу датчика (його роздільної здатності).

Рисунок 2.1 - Структурна схема вимірювального каналу швидкості

 обертання вала двигуна

Для обміну інформацією вимірюваного каналу з персональним компютером необхідно передбачити зв'язок по послідовному каналу.

.2 Розробка електричної схеми датчика швидкості

Виходячи з області застосування розроблювального датчика обрано оптичний датчик так як він має ряд переваг перед іншими конструкціями:

дешевизна;

легкість монтажу;

безконтактний спосіб вимірювання;

простота налаштування.

До складу датчика входить світловипромінювач та фотоприймач в якості яких, як правило використовують світлодіоди та фототранзистори з випромінюванням в області інфрачервоного спектра. Проведемо вибір фотоелементів та вивчимо їхні основні характеристики.

Інфрачервоний діод ( ІЧ-діод) - це напівпровідниковий діод, який при протіканні через нього прямого струму випромінює електромагнітну енергію в інфрачервоній області спектра.

Принцип роботи ІЧ-діода такий же, як світловипромінюючого. На відміну від останнього випромінювання ІЧ-діода не може бути сприйнято людським оком, а реєструється лише фізичним фотоприймачем, чутливим у відповідній смузі спектра.

Основними матеріалами для виготовлення ІЧ-діодів є арсенід галію й структури галій - алюміній - миш'як, побудовані на арсенідгаліевій подложці методом рідиннофазної епітаксії. Спектральні характеристики діодів мають виражений максимум в інтервалі довжин хвиль від 0,87 до 0,96 мкм. Випромінювальна ефективність ІЧ-діодів вище, ніж у світловипромінюючих.

Специфічними параметрами ІЧ-діодів є наступні:

потужність випромінювання Рв - потік випромінювання певного спектрального складу, випромінюваного діодом. Виміряється при заданому прямому струмі через діод;

імпульсна потужність випромінювання Рв.і - амплітуда потоку випромінювання, вимірювана при заданому імпульсі прямого струму через діод;

ширина спектра випромінювання Δλ0,5 - інтервал довжин хвиль, у якому спектральна щільність потужності випромінювання діода становить половину максимальної;

максимально припустимий прямий імпульсний струм Іпр.і.м (ІЧ - діоди часто використовуються в імпульсному режимі випромінювання);

час спаду імпульсу випромінювання tсп.в - інтервал часу, протягом якого потужність випромінювання діода змінюється від 0,9 до 0,1 максимального значення;

Виберемо [7] для датчика ІЧ-світлодіод АЛ120А параметри якого приведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Параметри ІЧ-світлодіода АЛ120А

Параметри, що визначають статичні режими роботи ІЧ-діодів (пряма й зворотна напруга, прямий струм), такі ж, як для світловипромінюючих діодів. Характеристикою діода як джерела інфрачервоного випромінювання є ватамперная характеристика - залежність потужності випромінювання у ватах (міліватах) від прямого струму, що протікає через діод. Ватамперні характеристики для різних значень температур навколишнього середовища приведені на рисунку 2.2.

Рисунок 2.2 - Ватамперна характеристика ІЧ-діода АЛ120А

На графіках, що приводяться для серійних приладів, зміна потужності випромінювання від струму часто дається у відносних одиницях величини, зазначеної в основних параметрах для даного типу діода, при номінальному струмі.

Спектральний склад випромінювання діодів характеризується спектральними характеристиками. Варто мати на увазі, що діоди деяких типів мають великий розкид λмах від зразка до зразка. Це необхідно враховувати при спектральному узгодженні випромінювального діода з фотоприймачем. На графіках вказується звичайно усереднене положення спектральної характеристики.

Рисунок 2.3-Спектральні характеристики світлодіода АЛ120А

Діаграма спрямованості випромінювання діода показує зменшення потужності випромінювання залежно від кута між напрямком випромінювання й центральною оптичною віссю приладу. Більшість діодів має остронаправленное випромінювання.

При використанні випромінювальних діодів необхідно враховувати значне зменшення потужності випромінювання й відхід λмах убік довгих хвиль при підвищенні температури.

Важливим параметром випромінюючих ІЧ-діодів є швидкодія, що характеризується часом наростання й спаду імпульсу випромінювання, що приводиться в довідкових даних для серійних приладів.

Рисунок 2.4 - Діаграма спрямованості світлодіода АЛ120А

Інфрачервоні діоди знаходять застосування в різноманітних пристроях, принцип роботи яких ґрунтується або на електричному керуванні потужністю випромінювання діода (шляхом зміни прямого струму), або на керуванні коефіцієнтом передачі оптичного каналу при постійній потужності випромінювання.

Перспективної вважається область застосування ІЧ-діодів як перетворювач енергії й джерела передачі інформації, у вузлах і лініях, що вимагають оптичного зв'язку або гальванічної розв'язки.

Конструктивне виконання датчика швидкості приведено на рисунок 2.1 [5, 6], що являє собою перетворювач кут в код. Постійне випромінювання, спрямоване на вал з поздовжніми смугами, що чергуються, чорного й білого кольорів, відбивається на фотоприймач, що при обертанні вала послідовно одержує світлові імпульси. Частота проходження цих імпульсів у будь-який момент відповідає частоті обертання вала. Після перетворення їх в електричні імпульси на виході пристрою фіксується код обертання.

Рисунок 2.5 - Перетворювач «кут - код»

На рисунку 2.6 [10] наведена схема оптичного перемикання на основі ІЧ-діода й фототранзистора. Світлонепроникна заслінка може переміщатися перпендикулярно оптичному каналу й відлічати відкривання й запирання фототранзистора.

Рисунок 2.6 - Оптичний перемикач

Граничний елемент, підключений до колекторів транзисторів, усуває інерційність включення й виключення фототранзистора,

В якості фотоприймача відбитого випромінювання використаємо фототранзистор КТФ102А. Розглянемо основні експлуатаційні характеристики фототранзисторів.

Фототранзистор - фоточутливий напівпровідниковий приймач випромінювання, за структурою подібний біполярному p-n-р або n-р-n транзистору. На відміну від фотодіода він не тільки перетворить світлове випромінювання в електричний сигнал, але й забезпечує його підсилення. Напруга живлення до приладу підводиться так, щоб колекторний перехід був закритий, а емітерний - відкритий. Базу найчастіше залишають відключеною.

Конструктивно фототранзистор виконаний так, що весь світловий потік, що надходить через вхідне вікно, поглинається базою, утворюючи в ній фотогенеровані пари носіїв струму. У результаті, при прикладені до фототранзистора напруги, через нього починає протікати колекторний струм.

Так як в основі роботи приладу лежить дифузія носіїв, робоча частота фототранзисторів звичайно не перевищує декількох десятків кілогерців.

Серійно випускаються в основному кремнієві фототранзистори. Але існує кілька типів приладів, що виготовляються на основі германія.

Висока чутливість фототранзисторів, а також порівняно низька вартість дозволяють широко використовувати ці прилади в системах контролю й автоматики, що не вимагає максимальної швидкодії, у різних датчиках освітленості, пожежних, охоронних і ін., у фотореле, апаратурі аналізу оптичних властивостей рідин і газів.

Фототранзистор КТФ102А. працює в інфрачервоній (ІЧ) області випромінювання.

Кремнієві пленарні n-p-n фототранзистори КТФ102А с площею фоточутливого елемента 0,64 мм2 випускають у пластмасовому корпусі із твердими лудженими виводами. Маса КТФ102А - не більше 0,2 гр.

Основні технічні характеристики фототранзистора КТФ102А при Тнав.ср = 25°С приведені в таблиці 2.2

Таблиця 2.2 - Параметри фототранзистора КТФ102А