Магнитоиндукционный тахометр принцип работы

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 20.09.2024

Действие магнитоиндукционных тахометров основано на измерении сил, возникающих в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с индукционными токами, наведенными этим полем в сплошном металлическом роторе.

Вращающееся магнитное поле создается намагниченным по диаметру постоянным магнитом 1, вращающимся вместе с валом 5, частота вращения которого измеряется. Расположенный во вращающемся магнитном поле чувствительный элемент 2 в виде тонкостенного металлического цилиндра укреплен на отдельной оси, сосной с осью магнитной системы, и удерживается от вращения спиральной пружиной 3.

При вращении магнитной системы с угловой скоростью ω в стенках цилиндра наводится ЭДС, вызывающая ток, замыкающийся в теле цилиндра.

Взаимодействуя с магнитным полем, этот ток создает вращающий момент, пропорциональный скорости вращения магнита и стремящийся увлечь цилиндр вслед за вращающейся магнитной системой.

Под действием вращающего момента цилиндр поворачивается и закручивает спиральную пружину 3, которая создает противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания. Угол отклонения стрелки 4 будет пропорционален угловой скорости постоянного магнита.

Принципиальная схема магнитоиндукционного тахометра

Постоянный магнит обычно выполняют многополюсным, причем для увеличения магнитной индукции вокруг цилиндра 2 располагают магнитный экран, вращающийся вместе с магнитом (на рисунке не показан). Цилиндр чувствительного элемента часто выполняют в виде металлического диска.

Магнитоиндукционные тахометры выполняют дистанционными, соединив

тахометр электрической дистанционной передачей с валом, частоту вращения которого нужно измерить.

Схема дистанционного магнитоиндукционного тахометра:

1 — магнит генератора; 2 — магнит-ротор синхронного двигателя; 3 — гистерезисный диск; 4 — постоянный магнит; 5 — диск ЧЭ; 6 — противодействующая пружина; 7 — магнит демпфера; 8 — диск демпфера; 9 — стрелка; 10 — обмотка генератора; 11 — статорная обмотка синхронного электродвигателя

Постоянный магнит 2 свободно помещен на валу и соединен с ним пружиной, через которую передает вращение валу синхронного двигателя указателя. Благодаря этому магнит может свободно сделать один оборот и только в конце этого оборота передать вращение валу двигателя. Это дает возможность двигателю войти в синхронный режим еще до того, как он воспримет на себя полную нагрузку.

На конце вала синхронного двигателя укреплен магнитный узел, состоящий из двух плат с запрессованными в них цилиндрическими магнитами. На схеме условно показан двухполюсный магнит 4.

Чувствительный элемент в виде диска 5 находится в воздушном зазоре магнитного узла. Пружина 6 создает противодействующий момент.

Для устранения колебаний стрелки в приборе имеется демпфирующее устройство, состоящее из неподвижного магнитного узла 7, аналогичного магнитному узлу 4, и металлического диска 8, укрепленного на оси стрелки.

Описание

Тахометры (рис. 45 и 46) предназначены для непрерывного измерения частоты вращения валов машин и механизмов. Применяются в моторостроении, станкостроении и других областях народного хозяйства.

Рис. 45. Тахометр типа ТМ, подсоединяемый к объекту измерения с помощью муфты

Принцип действия магнитоиндукционного тахометра основан на взаимодействии магнитного поля вращающихся постоянных магнитов с индукционными токами, наведенными этим полем в металлическом диске. В результате этого взаимодействия возникает вращающий момент диска (связанного со стрелкой), пропорциональный числу оборотов в минуту вращающихся магнитов, уравновешиваемый противодействующей пружиной.

Тахометр состоит из измерительного механизма и привода, смонтированных в корпусе. При вращении вала // (рис. 47) через конические шестерни 10 и I

Рис. 46. Тахометр типа ТМ, подсоединяемый к объекту измерения с помощью гибкого вала

нижнюю плату запрессованы магниты. Между торцами магнитов и верхней платой расположен алюминиевый диск 3, укрепленный на оси подвижной системы.

Тахометры выполняются с диаметрами циферблатов 80 или 125 мм. Тахометры с диаметром циферблата 80 мм выпускаются с односторонней шкалой левого или правого вращения приводного вала. Тахометры с диаметром циферблата 125 мм выпускаются с односторонней шкалой левого или правого вращения приводного вала или с двухсторонней шкалой. Относительно циферблата приводной вал тахометра имеет следующее расположение: снизу, сверху, справа, слева.

Технические характеристики

Класс точности 1,0. Пределы и диапазоны измерений указаны в табл. 11.

Масса тахометра: с диаметром циферблата 80 мм 1,1 кг; с диаметром циферблата 125 мм 1,4 кг; с амортизатором (без учета массы гибкого вала) 1,6 кг. Габаритные и монтажные размеры тахометров приведены на рис. 48 и 49.

Вероятность безотказной работы в течение 2000 ч составляет 0,94.

Тахометры предназначены для работы при температуре окружающего воздуха -60. +60°С и относительной влажности до 80%; в тропическом исполнении-при относительной влажности до 95% при 40°С.

Тахометры устойчивы к воздействию вибрации с ускорением до 20 м/с 2 в диапазоне частот 5 . 80 Гц.

Рис. 47. Принципиальная схема тахометра типа ТМ

Вращающему моменту чувствительного элемента противодействует момент спиральной пружины 5, укрепленной на оси 6 чувствительного элемента. На другом конце оси стрелка 5, показывающая по равномерной шкале 4 число оборотов вала объекта.

Для повышения устойчивости стрелки и улучшения отсчета показаний применено демпфирование подвижной системы тахометра. Демпфер 7 представляет собой магнитный узел, состоящий из двух плат, в

Рис. 48. Габаритно-монтажный чертеж тахометра, подсоединяемого к объекту измерения с помощью пружинной муфты:

Д1. мм	Дг, мм	Дз, мм	li, MM	lj, MM
101, 145	25	g+0,2	77	30
40	12+0,2	112	40

В комплект поставки входят: тахометр, гибкий вал (только для тахометров, подсоединяемых к объекту

Типоразме	Пределы	Рабочий ди	апазон из-	Коэффици
ры тахо	измерений,	мерения,	об/мин	ент тахо
метра	об/мин	метра
нижний	верхний
ТМ0.5	25 . 500	150	500	2:1; 4:1
ТМО,75	40. 750	250	750	2:1; 4:1
ТМ 1	50. 1000	300	1000	1:1; 2:1
ТМ1,5	75. 1500	450	1500	1:1; 2:1
ТМ2	100 . 2000	600	2000	1:1; 1:2
ТМЗ	150 . 3000	900	3000	1:1
ТМ4	200 . 4000	1200	4000	1:1; 1:2; 1:4
ТМ6	300 . 6000	1800	6000	1:3
ТМ8	400 . 8000	2400	8000	1:4
ТМ12	600 .	3600	12000	1:6
12000
ТМ 16	800 .	4800	16000	1:8
16000
ТМ 2,5	125. 2500	750	2500	1:1

Примечания. Шкала тахометра ТМ 2,5 отградуирована в процентах. 2. Под коэффициентом тахометра понимается отношение значения входной частоты вращения к значению частоты, показываемой тахометром.

Рис.15 Принципиальная схема магнитоиндукционного тахометра

Магнитоиндукционные тахометры выполняют дистанционными, соединив

тахометр электрической дистанционной передачей с валом, частоту вращения которого нужно измерить.

Рис.16. Схема дистанционного магнитоиндукционного тахометра:

Индукционные тахогенераторы редко применяются как измерительные приборы вследствие больших погрешностей, но они незаменимы в качестве датчиков угловой скорости в системах автоматики.

Рис.8.5. Кинематические схемы магнитоиндукционных тахометров:

а – с полым цилиндром;б– с диском;1– чувствительный элемент;2–магнит;3– магнитопровод.

К ним относятся магнитоиндукционные тахометры, которые бывают двух типов: с чувствительным элементом в виде тонкостенного электропроводящего полого цилиндра 1 (рис.8.5,а), помещенного в зазоре между вращаемым магнитом 2 и магнитопроводом 3, или с чувствительным элементом в виде диска 1 (рис.8.5,б), помещенного в зазоре между вращаемыми цилиндрическими магнитами 2. Обычно постоянные магниты вращаются с частотой, пропорциональной измеряемой частоте вращения вала двигателя, а чувствительные элементы (цилиндры и диски) закреплены на самостоятельных осях и могут поворачиваться лишь на некоторый угол, ограниченный спиральной противодействующей пружиной П.

При вращении магнитной системы в теле чувствительного элемента (ЧЭ) за счет магнитной индукции наводится ЭДС, прямо пропорциональная скорости вращения магнита:

Е=k₁n_m, (8.7)

где k₁ - коэффициент, зависящий от индукции магнитного потока, пронизывающего ЧЭ; п_м — угловая скорость вращения магнита.

ЭДС, индуцированная в ЧЭ, вызывает появление в нем индукционных токов i, величина которых зависит от ЭДС, вызвавшей их, числа пар полюсов магнита, размеров и материалов ЧЭ. Индукционные токи, в свою очередь, создают магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей ЧЭ и постоянных магнитов возникает вращающий момент, стремящийся повернуть ЧЭ вслед за вращающимся магнитом. Вращающий момент, действующий на элемент, пропорционален величине индуцированного в нем вихревого тока, а следовательно, и скорости вращения магнита:

(8.8)

где к₂ — постоянный коэффициент пропорциональности.

Под действием вращающего момента ЧЭ поворачивается и закручивает пружину П, создающую противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания пружины:

Мпр=с, (8.9)

где с - жесткость пружины;  — угол закручивания пружины.

На одной оси с ЧЭ укреплена стрелка, угол отклонения которой пропорционален угловой скорости вращения постоянного магнита.

Угол поворота стрелки прибора определяется равенством моментов откуда

M_ВР=М_ПР к, (8.10)

где к=к₂/с — коэффициент, зависящий от жесткости пружины, конструкции и материала магнита и ЧЭ.

На самолетах и вертолетах находят применение магнитоиндукционные тахометры типа ТЭ (ТЭ-15, 2ТЭ-15-1, ТЭ-5-2М и др.) со шкалой, отградуированной в оборотах в минуту, и типа ИТЭ (ИТЭ-1, ИТЭ-2 и др.) со шкалой, отградуированной в процентах. Разница в устройстве их незначительна.

В комплекты тахометров этого типа могут входить один-два датчика и один показывающий прибор, либо один датчик и один-два указателя. В частности, комплект тахометра может состоять из одного датчика ДТЭ-1 и одного показывающего прибора ИТЭ-1. Соответственно датчик ДТЭ-2, Д-ЗМ или Д-3-2 должен работать в системе измерения оборотов совместно с двумя измерителями типа ИТЭ-1 (ИТЭ-1Т) или с показывающим прибором ИТЭ-2 (ИТЭ-2Т), объединяющим в одном корпусе две измерительные системы.

Конструкция датчика Д-3-2 представлена на рис. 8.6.

Датчик представляет собой трехфазный генератор переменного тока с четырехполюсным постоянным магнитом - ротором 4.

Ротор напрессован на валу, заканчивающемся квадратным хвостовиком 1, которым вал генератора соединяется с приводом вала авиадвигателя. Эта передача обладает достаточной гибкостью.

Рис.8.6. Датчик магнитоиндукционного тахометра Д – 3 – 2:

1– хвостовик;2,6–крышки;3, 7– шарикоподшипники;4– ротор;5– статор;8– болт.

Она компенсирует скручивающие колебания и перекосы, которые могут возникнуть при монтаже датчика. Ротор вращается в шарикоподшипниках 3 и 7, которые установлены в крышках 2 и 6.

Статор 5 датчика набран из пластин электротехнической стали. В целях уменьшения потерь в статоре от вихревых токов пластины изолированы одна от другой клеем. Обмотка статора - трехфазная, выполнена из медного провода. Фазовые обмотки соединены звездой.

Магнитоиндукционный тахометр является дистанционным прибором. Синхронная дистанционная передача состоит из трехфазного генератора переменного тока (датчика), расположенного на авиадвигателе, трехпроводной линии и синхронного двигателя, размещенного в указателе. Электрокинематическая схема тахометра показана на рис.8.7.

Совместное рассмотрение рисунков 8.6-8.8 позволяет изучить конструкцию показывающего прибора и работу комплекта магнитоиндукционного тахометра типа ИТЭ в целом.

Показывающий прибор включает в себя два узла, смонтированные в одном корпусе, синхронный двигатель и измерительную систему (тахометр).

Рис. 8.7. Электрокинематическая схема тахометра:

1– плата с магнитами;2– диск демпфера;3– пружина;4– диск;5термомагнитный шунт;6– постоянные магниты; 7 – пружина;8– крестообразный магнит;9– гистерезисные диски;10– обмотка двигателя;11– дисковая плата;12 – ось;13– шала;14– стрелка;15– якорь;16 – обмотка статора.

Рис.8.8. Показывающий прибор тахометра ИТЭ – 1:

1– плата с магнитами;2– диск демпфера;3– пружина;4– диск;5– термомагнитный шунт;6– постоянные магниты; 7 – пружина;8– крестообразный магнит;9– гистерезисные диски;10 – обмотка двигателя;11– дисковая плата;12– ось;13– шкала;14–стрелка.

Синхронный двигатель состоит из статора с трехфазной обмоткой 10 и ротора, собранного из двух крестообразных магнитов 8 и трех гистерезисных дисков 9. Постоянные крестообразные магниты насажены на вал свободно и могут поворачиваться относительно вала на некоторый угол, так как соединяются с ним пружиной 7, через которую передают крутящий момент на вал синхронного двигателя.

Это обеспечивает вхождение двигателя в синхронизм до того момента, когда он разовьет полную мощность.

Гистерезисные диски 9 изготовляются из магнитотвердого материала. В синхронном режиме работы диски взаимодействуют с вращающимся полем так же, как и постоянные магниты, но с меньшей силой взаимодействия.

Измерительная часть прибора состоит из магнитного узла с двумя дисковыми платами 11 с впрессованными в них шестью парами постоянных магнитов 6. На магниты надет термомагнитный шунт 5, предназначенный для компенсации температурной погрешности. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницаемость которого с возрастанием температуры уменьшается.

В воздушном зазоре между торцами противоположных полюсов магнитов расположен чувствительный элемент - диск 4, изготовленный из медно-марганцевого сплава с малым температурным коэффициентом.

Таким образом, магнитный узел укреплен на конце вала синхронного двигателя и вращается с синхронной скоростью, а чувствительный элемент - диск связан, через ось 12 со стрелкой 14, перемещающейся по шкале 13.

Для уменьшения колебаний стрелки около установившегося положения в конструкции прибора предусмотрен демпфер, по устройству аналогичный измерительному узлу 11.

Платы 1 магнитного демпфера закреплены неподвижно. Между торцами шести пар неподвижных магнитов находится алюминиевый диск 2 демпфера, связанный с осью измерительного узла.

Взаимодействие наводимых в алюминиевом диске вихревых токов с магнитным потоком магнитов приводит к превращению энергии колебаний в тепловую и к повышению устойчивости стрелки прибора.

Тахометр ИТЭ-1 работает следующим образом. Напряжение статорной обмотки 16 генератора датчика с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора авиадвигателя, возбуждает в статорной обмотке 10 синхронного двигателя показывающего прибора вращающееся магнитное поле, которое приводит к намагничиванию гистерезисных дисков двигателя. Гистерезисные диски выполнены из ферромагнитного материала с большой коэрцитивной силой, поэтому создаваемое ими магнитное поле из-за большого гистерезиса отстает на некоторый угол от намагничивающего поля статора.

В результате возникает вращающий момент дисков ротора двигателя, направление которого совпадает с направлением вращающегося поля статорных обмоток.

При частоте вращения ротора, близкой к синхронной, когда обороты ротора и поля статора становятся одинаковыми, постоянные магниты 8 успевают взаимодействовать с полем статора, входят в синхронизм и, постепенно закручивая пружину 7, начинают воспринимать полную нагрузку. В синхронном режиме работы двигателя основной вращающий момент создается в результате взаимодействия поля постоянных магнитов с вращающимся полем статора, а гистерезисные диски создают лишь незначительный дополнительный момент.

При резких увеличениях частоты вращения авиадвигателя, следовательно, и скорости вращения магнитного поля статора возможен переход двигателя в асинхронный режим работы. В этом случае полюсы постоянных магнитов вращаются с некоторым отставанием от полюсов поля статора. Гистерезисные диски помогают ротору следовать за магнитным полем статора и вводят постоянные магниты ротора в синхронную работу.

Ротор двигателя вращает магнитную систему 11 измерительного узла. В результате взаимодействия полей магнитов 6 и диска 4 чувствительный элемент (диск) с закрепленной на его оси стрелкой 14 поворачивается и закручивает противодействующую пружину 3. Таким образом, угол поворота диска пропорционален значению измеряемой частоты вращения. Демпфер, укрепленный на оси чувствительного элемента, успокаивает подвижную систему и облегчает снятие показаний стрелки указателя.

Указатели ИТЭ-2 предназначены для измерения частоты вращения валов двух двигателей или двух ступеней компрессора одного двигателя. В корпусе указателя ИТЭ-2 размещены два измерительных узла, аналогичные рассмотренным, движение которых передается на две соосные стрелки. Магнитоиндукционный демпфер в них отсутствует. Демпфирование колебаний осуществляется за счет моментов трения зубчатых передач.

Шкала показывающего прибора ИТЭ отградуирована в процентах, измерительный предел - (0-110) %, цена деления -1%, погрешность измерения не превышает ±0,5% в рабочем диапазоне шкалы от 60 до 100% и 1% - в остальном диапазоне.

Датчики магнитоиндукционных тахометров не имеют методической погрешности.

Основная инструментальная погрешность указателя тахометра определяется трением в подшипниках и ошибками градуировки шкалы.

Дополнительные погрешности обусловлены прежде всего влиянием температуры и вызываются изменением электрического сопротивления чувствительного элемента, магнитной проводимости магнитопроводов и упругих свойств противодействующей пружины. Конструктивная погрешность из-за изменения температуры окружающей среды частично компенсируется подбором материалов деталей. В частности, чувствительный элемент - диск изготовляется из марганцовистой меди (96,1% Сu, 3,9% Мn) с положительным температурным коэффициентом. Противодействующая пружина из фосфористой бронзы и магниты из соответствующих сплавов имеют отрицательные температурные коэффициенты. Для компенсации остаточной температурной погрешности применяется температурный шунт 5, надетый на магниты 6. Шунт выполнен из сплава, магнитная проницаемость которого с возрастанием температуры уменьшается. Действие шунта заключается в следующем. С увеличением температуры окружающей среды увеличивается сопротивление токопроводящего диска 4 и уменьшается сила наведенного тока. Одновременно с этим уменьшается магнитная проницаемость шунта, который меньшую часть магнитного потока пропускает через себя, вследствие чего увеличивается магнитная индукция в зазоре измерительного магнитного узла. При этом сила взаимодействия постоянных магнитов 6 и токов в диске 4, а следовательно, и движущий момент практически остаются неизменными.

Рис. 6. Кинематические схемы магнитоиндукционных тахометров: а – с полым цилиндром; б – с диском; 1 – чувствительный элемент; 2 –магнит; 3 – магнитопровод.

К ним относятся магнитоиндукционные тахометры, которые бывают двух типов: с чувствительным элементом в виде тонкостенного электропроводящего полого цилиндра 1 (рис. 6. а), помещенного в зазоре между вращаемым магнитом 2 и магнитопроводом 3, или с чувствительным элементом в виде диска 1 (рис. 6. б), помещенного в зазоре между вращаемыми цилиндрическими магнитами 2. Обычно постоянные магниты вращаются с частотой, пропорциональной измеряемой частоте вращения вала двигателя, а чувствительные элементы (цилиндры и диски) закреплены на самостоятельных осях и могут поворачиваться лишь на некоторый угол, ограниченный спиральной противодействующей пружиной П.

где k₁ - коэффициент, зависящий от индукции магнитного потока, пронизывающего ЧЭ; п_м — угловая скорость вращения магнита.

где к₂ — постоянный коэффициент пропорциональности.

где с - жесткость пружины; a — угол закручивания пружины.

Угол поворота стрелки прибора определяется равенством моментов откуда

где к=к₂/с — коэффициент, зависящий от жесткости пружины, конструкции и материала магнита и ЧЭ.

Датчики магнитоиндукционных тахометров не имеют методической погрешности.

Акселерометры

Для измерений ускорений и перегрузок, воздействующие на отдельные элементы и на весь ЛА в целом, используются акселерометры. Знание перегрузок необходимо для управления самолетом. Акселерометры могут измерять линейные и угловые ускорения и перегрузки. Ускорения, воздействующие на ЛА могут измеряться относительно осей, связанных с центром масс ЛА и относительно осей связанных с Земной поверхностью. Ускорение можно определить следующими медодами: 1)инерциальным;2)дифференцированием известных скоростей;3)двойным дифференцированием перемещений.

Линейное и угловое перемещения могут быть определены с помощью: реостатного, индуктивного и емкостного преобразователей перемещений.

Акселерометры могут быть реализованы с применением схем прямого преобразования, компенсационных схем. Необходимо иметь 3 угловых и 3 линейных акселерометра по 3 осям координат.

Читайте также: