|
Министерство образования и науки Украины
Севастопольский национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ
ИЗМЕРЕНИя ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
по дисциплине «Основы метрологии»
для студентов направления подготовки 050201
«Системная инженерия»
дневной и заочной форм обучения
Севастополь
2013
УДК 621.317
Исследование методов измерения частоты вращения вала двигателя: Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Основы метрологии» для студентов направления подготовки 050201 «Системная инженерия» дневной и заочной форм обучения / Разраб. С.П. Быков, В.В. Чмут В.В. – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2013.- 15 с.
Целью методических указаний является обеспечение наглядного изучения различных принципов построения приборов для измерения частоты вращения вала двигателя, методов обработки полученных экспериментальных результатов; приобретение студентами практических навыков работы с аналоговыми и цифровыми измерительными приборами.
Методические указания предназначены для студентов направления подготовки 050201 «Системная инженерия» дневной и заочной форм обучения.
Методические указания рассмотрены на заседании кафедры технической кибернетики,протокол № 5 от 21.02.2013 г.
Допущено учебно-методическим центром СевНТУ в качестве методических указаний
Рецензент:
Кудрявченко И.В., к.т.н., доцент кафедры ИС
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель работы ……………………………………………………………………..… 4
2. Краткие теоретические сведения …………………………………………… 4
3. Описание лабораторной установки ………………………………………….. 9
4. Порядок выполнения экспериментальных исследований ……………….. 12
5. Порядок выполнения теоретических расчетов …………………………….. 13
6. Содержание отчета о выполнении лабораторной работы ………………. 14
7. Контрольные вопросы ………………………………………………………….. 14
Библиографический список …………………………………………………….. 15
1. Цель работы
Целью лабораторной работы является углубление и закрепление полученных теоретических знаний о принципах построения приборов для измерения частоты вращения вала двигателя, о методах снятия их статических характеристик преобразования.
При выполнении лабораторной работы студенты должны приобрести навыки исследования измерительных приборов и устройств, освоить методику обработки полученных экспериментальных результатов.
2. Краткие теоретические сведения
2.1. Разновидности тахометров
Для измерения частоты вращения возможно использование любых физических явлений, в которых частота вращения связана определенной зависимостью с какой-либо электрической величиной. Приборы, предназначенные для измерения частоты вращения, (тахометры) по виду преобразования можно подразделить на две группы:
- тахометры, в которых напряжение на выходе первичного преобразователя (далее по тексту «преобразователь») пропорционально измеряемой частоте вращения;
- тахометры, в которых частота выходного напряжения преобразователя пропорциональна частоте вращения.
Частотный метод измерения исключает инструментальные погрешности преобразователя и погрешности, вносимые линией передачи, так как частот сигнала на выходе преобразователя определяется лишь угловой скоростью вращения и конструкцией задающего элемента преобразователя. Кроме того, тахометры этого типа позволяют легко получить цифровой отсчет частоты вращения. В частотных тахометрах используются индукционные фотоэлектрические, емкостные, индуктивные и другие типы преобразователей Часть из них может так же использоваться и в тахометрах первой группы.
2.2. Индукционные тахометры
Принцип действия индукционных тахометров основан на явлении электромагнитной индукции, заключающейся в том, что индуцированная э.д.с. пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф, сцепленного с катушкой индуктивности из W витков:
. (1)
Индукционные преобразователи для тахометров выполняются в виде небольшого генератора постоянного или переменного тока, вал которого механически связывается с валом испытуемого двигателя.
Используемый в лабораторном стенде тахометр представляет собой трехфазный генератор с постоянным магнитом – ротором.
При синусоидальном распределении магнитной индукции в воздушном зазоре генератора действующее значение переменной э.д.с, индуцируемой в обмотке статора, равно:
, (2)
где: Ф – магнитный поток в Вб;
N – число витков обмотки статора;
n – частота вращения якоря в 1/мин.
Частота генерируемой э.д.с. определяется через число пар полюсов ротора генератора выражением
. (3)
Таким образом, информационным параметром при измерении час вращения вала может служить э.д.с. Е или частота f. Измерение частоты дает большую точность, так как в тахометрах, основанных на изменении напряжения, имеет место значительная температурная погрешность и заметно влияние линии передачи.
2.3. Фотоэлектрические тахометры
Принцип действия фотоэлектрических тахометров основан зависимости модуляции освещенности рабочей поверхности фотоэлектрического преобразователя (фоторезистора, фотодиода и т.п) от числа оборотов вала двигателя. Например, световой поток может прерываться диском с калиброванными отверстиями, насаженным на вал двигателя (рис 1). При этом фотодиод VD1 и резистор Rh составляют делитель напряжения, который подключается к источнику стабилизированного напряжения. При освещении фотодиода его сопротивление уменьшается, ток через делитель увеличивается и падение напряжения на сопротивлении Rh возрастает; при затемнении рабочей поверхности фотодиода падение напряжения на сопротивлении RH уменьшается. Таким образом, при вращении вала двигателя на сопротивлении RH формируются импульсы напряжения, амплитуда и длительность которых определяется временем освещения фотодиода (время освещения рабочей поверхности фотодиода зависит от диаметра отверстия и скорости его перемещения). При этом частота выходных импульсов fИ пропорциональна частоте вращения n вала двигателя и определяется из соотношения:
, (4)
где k – число отверстий в диске;
n – частота вращения вала двигателя в 1/мин.
Принцип действия преобразователя фотоэлектрического тахометра приведен на рисунке 1.
Основным достоинством фотоэлектрических тахометров является простота конструкции, широкие возможности расширения пределов измерения путем изменения числа отверстий в диске, малая нагрузка на вал испытуемого объекта. Очевидным достоинством фототахометров при измерении малых частот вращения является возможность увеличения числа выходных импульсов за один оборот вала путем увеличения числа отверстий в диске.
|
Рисунок 1 – Преобразователь фотоэлектрического тахометра
2.4. Цифровые тахометры
Принцип действия цифровых тахометров основан на подсчете количества импульсов напряжения (которые формируются на выходе первичного преобразователя тахометра) за фиксированный интервал времени.
На рисунке 2 представлена структурная схема цифрового тахометра.
|
Рисунок 2 – Структурная схема цифрового тахометра
Импульсы тока, которые поступают с выхода первичного преобразователя (например, фотоэлектрического), формируют на сопротивлении R1 (рисунок 4) импульсы напряжения uH(t), частота следования которых fХ пропорциональна частоте вращения вала двигателя. Импульсы uH(t) усиливаются усилителем напряжения (У) и через схему разрешения (СР) поступают на счетный вход счетчика (СЧ).
Блок автоматики (БА) формирует импульс определенной длительности Dt0. Интервал Dt0 формируется путем пересчета в БА импульсов образцовой частоты f0 = 1 Гц, вырабатываемых генератором задающих импульсов (БА формирует два коротких импульса («старт» и «стоп»), которые следуют друг за другом с интервалом времени Dt0. С приходом импульса «старт» на управляющий вход схемы разрешения (СР) начинается счет импульсов, поступающих на счетный вход СЧ счетчика импульсов, а с приходом импульса «стоп» счет импульсов прекращается. Число импульсов N, зафиксированное счетчиком и отображаемое цифровым индикатором (ЦИ), равно:
, (5)
где n – частота вращения вала двигателя в 1/мин;
k – число отверстий в диске;
Dt0 – время счета в секундах.
Из соотношения (5) следует, что если обеспечить выполнение условия 
, то показания ЦИ будут численно равны частоте вращения вала n.
2.5. Стробоскопические тахометры
Стробоскопический метод основан на способности глаза удерживать в течение некоторого времени зрительное впечатление от предмета, скрывшегося из поля зрения. В наиболее распространенных строботахометрах вал периодически освещается безынерционным источником света (строботроном). При частоте вспышек, синхронной с частотой вращения вала, последний будет казаться неподвижным. Обычно для управления вспышками строботрона используется генератор с регулируемой частотой, а шкала частот генератора градуируется в единицах измерения частоты вращения. Уравнение строботахометра имеет следующий вид:
, (6)
где m =1,2,…- коэффициент кратности;
n – частота вращения вала в 1/мин;
F – частота следования световых импульсов в Гц.
Погрешность измерений строботахометром зависит от стабильности частоты генератора. Недостатком этих приборов является трудность построения измерителей малых частот вращения. Для исключения ложных отсчетов, измерение всегда следует начинать с наибольшей частоты следования световых импульсов. Правильному отсчету соответствует наибольшая частота, при которой наблюдается одно неподвижное изображение (m = 1).
2.6. Дистанционные магнитоэлектрические тахометры.
На рисунке 3 приведена структурная схема дистанционного магнитоэлектрического тахометра ИСТ-2, используемого в лабораторной установке.
|
Рисунок 3 – Структурная схема дистанционного
магнитоиндукционного тахометра
Дистанционное измерение частоты вращения основано на принципе дистанционной электрической передачи вращения вала двигателя к валу магнитоиндукционного измерительного узла и преобразования частоты вращения в угловое перемещение стрелки прибора.
Ток тахогенератора 1 через линию передачи подводится к обмотке статора синхронного электродвигателя 2. Ротор электродвигателя состоит из двух постоянных магнитов и трех гистерезисных дисков, соединенных вместе, и вращается синхронно с магнитным полем, создаваемым статором, то есть частота вращения ротора пропорциональна частоте вращения вала тахогенератора 1. На конце ротора укреплен магнитный узел 3, имеющий несколько пар полюсов постоянных магнитов, между которыми расположен чувствительный элемент 4. При вращении магнитного узла 3 в чувствительном элементе 4 возникают вихревые токи, которые при взаимодействии с магнитным полем узла 3 создают вращающий момент МВр чувствительного элемента, пропорциональный частоте вращения магнитного узла. Вращающемуся моменту противодействует момент МПр спиральной пружины 5:
МПр = Wуд·a,
где Wуд – удельный противодействующий момент, зависящий от упругих свойств материала и геометрических размеров пружины;
a – угол закручивания пружины.
При равенстве МВр = МПр система находится в равновесии и указатель 7 отклоняется на угол, пропорциональный частоте вращения вала тахогенератора.
Для создания момента успокоения, повышающего устойчивость показаний стрелки, используется магнитоиндукционный успокоитель 6.
3. Описание лабораторной установки
Лабораторная работа выполняется на установке, которая монтируется на приборной доске, размещенной на лабораторном столе в вертикальном положении.
В качестве объекта измерений используется двигатель постоянного тока с регулируемой частотой вращения якоря, на валу которого установлены диск с отверстиями и метка в виде цветного конуса. Вал двигателя жестко сочлен с валом тахогенератора.
3.1 Лабораторная установка содержит следующие средства измерения, контроля и управления:
- аналоговый микроамперметр М 906, обеспечивающий возможность измерения тока фототахометра в диапазоне от 0 до 50 мкА;
- магнитоэлектрический индукционный тахометр ИСТ-2, предназначенный для измерения частоты вращения вала двигателя в процентах от номинальной частоты 2500 1/мин;
- прибор счетный одноканальный ПС02-08, предназначенный для счета количества выходных импульсов в схеме фототахометра, представленной на рисунке 3; подключается к клеммам «ВЫХОД»;
- частотомер Ф5043, предназначенный для измерения частоты э.д.с. на выходе тахогенератора в диапазоне от 0 до 200 Гц; подключается к клеммам «ЧАСТОТА»;
- вольтметр действующих значений Э 30, предназначенный для измерения напряжения на выходе тахогенератора в диапазоне от 0 до 30 В; подключается к клеммам «U»;
- строботахометр СТ-5, предназначенный для генерации световых импульов синхронно с частотой вращения вала двигателя в диапазоне частот от 250 до 2500 1/мин;
- лабораторный автотрансформатор, предназначенный для установки напряжения питания двигателя в диапазоне от 0 до 127 В;
- диодный мост; его входная диагональ соединена с выходом лабораторного автотрансформатора, а выходная – с зажимами двигателя; предназначен для выпрямления переменного напряжения;
- тахогенератор, предназначен для работы в комплекте с прибором ИСТ-2; обеспечивает генерацию э.д.с, действующее значение и частота которой пропорциональны измеряемой частоте вращения вала двигателя;
- фотоэлектрический преобразователь (содержит фотодиод и лампу накаливания); установлен под валом двигателя в соответствии с рисунком 1;
- клеммы «СТАРТ», «СТОП», «СБРОС», предназначенные для контроля работы схемы блока автоматики (рисунок 4);
- выключатель ИСТ-2, предназначенгный для включения (отключения) прибора ИСТ-2;
- выключатель СЧЕТ АВТ. – предназначен для включения (отключения) автоматического режима работы прибора ПС02-08; в положении ВКЛ устанавливается режим счета импульсов в течение одной секунды с периодом обновления показаний ПСО2-08 каждые 10 с; в положении ВЫКЛ время счета импульсов не ограничено;
- выключатель СЕТЬ – обеспечивает подачу сетевого напряжения 220 В для питания стабилизированного источника напряжения + 5 В.
Лабораторная установка также содержит следующие вспомогательные устройства:
- блок фотоэлектрического тахометра;
- цифровую схему.
3.2 Принципиальная схема фотоэлектрического тахометра представлена на рисунке 4.
|
Рисунок 4 – Принципиальная схема фотоэлектрического тахометра
Здесь УМ – усилитель мощности, МВ – ждущий мультивибратор.
Примечания:
1. Как отмечалось в п.2.2, длительность и амплитуда импульсов напряжения, которые формируются на резисторе R1 (Rh), зависят от отверстий в диске и от скорости их перемещения при вращении диска. При этом информационным параметром является частота следования импульсов.
2. При изменении частоты вращения диска пропорционально изменяются как длительность tx, так и период следования Тх импульсов напряжения, поступающих на вход усилителя мощности (УМ). Поэтому скважность импульсов (отношение Тх/ tx) на входе УМ остается неизменной и определяется конструктивными параметрами диска.
3. В схеме фотоэлектрического тахометра УМ предназначен для усиления и ограничения амплитуды импульсов напряжения (на выходе УМ амплитуда импульсов не зависит от частоты вращения диска; скважность импульсов – величина постоянная).
4. Ждущий мультивибратор (MB) предназначен для формирования последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности tи = С1´R5 и амплитуды Um, (на выходе MB формируются импульсы скважностью больше пяти; значение скважности зависит от частоты вращения диска).
5. Микроамперметр РА выполняет функцию интегратора. На его вход поступает последовательность равноотстоящих импульсов одинаковой амплитуды Um. Величина среднего тока IСр, протекающего через рамку РА, зависит от скважности импульсов (tи /Тх):
, (6)
где RПР – сопротивление постоянному току рамки РА;
Ucp – среднее за период напряжение импульсов, поступающих на вход РА;
R6 – сопротивление регулировочного резистора;
k – количество отверстий в диске;
f - частота вращения вала двигателя;
1/Тх = fx = kf - частота следования импульсов
Из соотношения (6) следует, что шкала микроамперметра может быть проградуирована в единицах частоты вращения вала двигателя.
3.3. Цифровая схема (ЦС) содержит блок автоматики, генератор з импульсов и схему разрешения. ЦС формирует интервал счета импульсов Dt0 = 1с и управляющий импульс «сброс», который периодически обнуляет показания прибора ПС02-08 через каждые 10 с.
4. Порядок выполнения экспериментальных
исследований
4.1. Подготовка установки к работе
Изучить инструкции к используемым приборам. Включить все приборы и лабораторную установку в сеть и прогреть в течение 10 минут.
Произвести калибровку приборов в соответствии с инструкциями эксплуатации.
4.2. Измерение частоты вращения вала двигателя
С помощью лабораторного автотрансформатора установить стробоскопическому тахометру последовательно частоты вращения от 20% до 100% от номинальной частоты nном = 2500 1/мин.
Для каждого установленного значения частоты вращения вала двигателя произвести отсчеты информационных параметров по шкалам магнитоиндукционного тахометра, вольтметра, частотомера, фототахометра (по показаниям микроамперметра) и цифрового индикатора (ЦИ).
Примечание. Отсчет показаний ЦИ Ni производить в режиме многократных измерений (с последующим усреднением). Результаты измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты измерений частоты вращения вала двигателя n
|
n |
ИСТ-2, % |
U, в |
I, мкА |
F, Гц |
Ni |
NCp |
fц, Гц |
||
|
% от nном |
СТ-5, 1/мин |
||||||||
|
20 |
|||||||||
|
40 |
|||||||||
|
60 |
|||||||||
|
80 |
|||||||||
|
100 |
4.3. Методическая погрешность измерения
Произвести измерения, позволяющие определить методическую погрешность измерения частоты вращения индукционным тахометром для чего:
1. Выключателем ИСТ-2 отключить магнитоиндукционный тахометр;
2. С помощью лабораторного автотрансформатора установить фототахометру (или строботахометру) частоту вращения вала, например, 1000 1/мин;
3. Измерить напряжение U1 прибором Э30;
4. Включить магнитоиндукционный тахометр и повторить onepaции по п.2;
5. Измерить напряжение U2 прибором Э30.
5. Порядок выполнения теоретических расчетов
5.1. По результатам измерений Ni рассчитать среднее значение импульсов NCp за время Dt поступления импульсов со счетчика и частоту следования импульсов fЦ:
(8)
и 
, (9)
где m – количество измерений (выбирается по согласованию с преподавателем).
Результаты расчетов по п.5.1 занести в таблицу 1.
5.2. Принимая показания стробоскопического тахометра за действительные значения измеряемой частоты вращения вала двигателя построить статические (градуировочные) характеристики тахометров в виде зависимостей от частоты вращения вала n:
- выходного напряжения тахогенератора U = j1(n);
- частоты напряжения тахогенератора f = j2(n);
- тока микроамперметра фототахометра I = j3(n);
- частоты fЦ = j4(n).
5.3. Построить соответствующие линейные характеристики. Для их построения использовать по две точки: с начальной абсциссой n = 0 и конечной n = 2500 1/мин.
5.4. Найти наибольшее отклонение Dmaх реальных характеристик от линейных и дать приближенную оценку возможному классу точности тахометра (использовать стандартный ряд значений классов точности, установленных для показывающих приборов).
5.5. В соответствии с пунктом 4.3 по результатам эксперимента найти относительное изменение частоты вращения вала (методическую погрешность индукционного тахометра) по формуле:
, (%).
Сделать заключение об особенностях применения индукционного тахометра для измерения частоты вращения вала электродвигателя, использованного в лабораторной установке.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА О ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ
РАБОТЫ
Отчет, представляемый к защите после окончания исследования, должен содержать:
- титульный лист;
- цель исследования;
- принципиальную (или функциональную) схему лабораторной установки;
- перечень используемых приборов;
- результаты эксперимента;
- результаты расчетов;
- графический материал;
- выводы по результатам исследования.
На оформление студентом индивидуального отчета отводиться внеаудиторное время в количестве 0,5 от числа аудиторных часов. Защита отчета производиться на очередном занятии.
Студент, не оформивший или не защитивший отчет по предыдущей работе, к выполнению очередной работы не допускается.
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назначение тахометров и их разновидности.
2. Устройство и принцип действия индукционного тахометра.
3. Устройство и принцип действия фотоэлектрического тахометра.
4. Принцип действия стробоскопического тахометра.
5. Назначение, основные узлы и принцип действия дистанционных магнитоэлектрических тахометров.
6. Методика выполнения эксперимента по снятию статических характеристик исследуемых тахометров.
7. Дать сравнительную оценку полученных результатов по определению классов точности исследуемых тахометров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Основы метрологии и электрические измерения / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин; Под ред. Е.М. Душина.- Л.: Энергоатомиздат, 1987.-488 с.
2. Головко Д. Б. Основи метрологи та вимірювань/ Д.Б. Головко, К.Г. Рего, Ю.О. Скрипник. – Кшв: Либщь, 2001. – 408с.
3. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология. Часть 1. Общая теория измерений: учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. / И.Ф. Шишкин. – СПб.: Питер, 2010. – 192 с. (Учебник для вузов).
4. Сергеев А.Г. Метрология: учебник / А.Г. Сергеев. – М.: Логос,2005. -272 с.
5. Хрусталева З.А. Электротехнические измерения: учебник. / З.А. Хрусталева. – М.: КноРус, 2011. – 208 с.
6. Панфилов В.А. Аналоговые методы и средства электрических измерений / В.А. Панфилов. – М.: Энергопресс, 2006. – 112 с.
7. Шишмарев В.Ю. Средства измерений / В.Ю. Шишмарев.. – М.: ИЦ «Академия», 2010.- 320 с.
8. Хромоин П.К. Электротехнические измерения: уч. пособие / П.К. Хромоин. – М.: Форум, 2008. – 288 с., ил. (Профессиональное образование).
9. Пустовая О.А. Электрические измерения: уч. пособие / О.А. Пустовая. – М.: КноРус, 2010. – 247 с. (Высшее образование).
10. Афанасьев А.А. Физические основы измерений: учебник / А.А. Афанасьев. – М.: ИЦ «Академия», 2010. (Высшее профессиональное образование).
11. Кудасов Ю.Б. Электротехнические измерения: уч. пособие / Ю.Б. Кудасов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. – 184 с.
12. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин: підруч. для студ. вищ. навч. закл. / Є. С. Поліщук, М. М. Дорожовець, Б. І. Стадник и др.; Ред. Є. С. Поліщук; Ін-т інновац. технологій і змісту освіти. – Львів : Бескид Біт, 2008. – 618 с. : іл.
13. Сергеев А.Г. Метрология и метрологическое обеспечение: учеб. для студ. вузов, обуч. по спец. "Метрология и метрологическое обеспечение", "Стандартизация и сертификация" и "Управление качеством" / А. Г. Сергеев. – М. : Высшее образование, 2008. – 576 с.: ил.
14. Назаров Н.Г. Метрология : основные понятия и математические модели: учеб. пособие для студ. вузов / Н. Г. Назаров. – М.: Высшая школа, 2002. – 348 с.: ил.
15. Желєзна А.О. Основи взаємозамінності, стандартизації та технічних вимірювань: навч. посіб. для студ. машинобуд. та приладобуд. спец. / А. О. Желєзна, В. А. Кирилович ; Житомир. держ. технолог. ун-т. – К.: Кондор, 2004. – 796 с.: ил.
16. Методы электрических измерений: учеб. для студ. вузов, обуч. по спец. "Информац.-измер. техника" / Ред. Э. И. Цветков. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. – 388 c.: ил.
Заказ №______ от «_ »_____ 2013 г. Тираж _экз.
Изд-во СевНТУ