POLITECHNIKA

ŚLĄSKA       

              WYDZIAŁ MECHANICZNY

TECHNOLOGICZNY

AUTOMATYKA I ROBOTYKA
 

LABORATORIUM  Z PODSTAW METROLOGII

Lab. 4

POMIARY PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ.

                                                                                                                                  GRUPA AC4

22 12 2000 r

Sekcja 4

semestr VII

                                                                                                     Sobańska Ilona

                                                                                                                                  Mańka Adam

                                                                                                                                Gendarz Krzysztof

                                                                                                                                Stankiewicz Krzysztof

                                                                                                                                Sotoła Tomasz

Wstęp teoretyczny:

              Prędkość obrotowa określona jest jako liczba obrotów obiektu w czasie 1 minuty. W układzie SI nie występuje wielkość – prędkość obrotowa n [obr/min] lecz zdefiniowana jest prędkość kątowa w [rad/s]. Między tymi wielkościami istnieje ścisły związek

Zwykle mierzy się średnią prędkość obrotową w określonym przedziale czasu. Średnia prędkość obrotowa charakteryzuje badany obiekt w ustalonych warunkach pracy.

Prędkość obrotową wałów, kół, tarcz itp. Mierzy się licznymi metodami elektrycznymi. Do najczęściej stosowanych należy pomiar prądniczką tachometryczną, metodami elektromagnetycznymi, fotoelektrycznymi, stroboskopową i innymi.

              Prądniczka tachometryczna (z wirującą cewką) wytwarza napięcie (na ogół stałe) proporcjonalne do prędkości obrotowej. Woltomierz magnetoelektryczny, dołączony do prądniczki sprzęga się mechanicznie z częścią, której prędkość obrotową należy zmierzyć. Dokładniejszy pomiar prędkości uzyskuje się stosując prądniczkę o zmiennym napięciu na wyjściu. Częstotliwość indukowanego napięcia jest ściśle proporcjonalna do prędkości obrotowej. Połączenie prądniczki z częstościomierzem, np. cyfrowym, daje możliwość dokładnego pomiaru prędkości obrotowej.

              Metoda elektromagnetyczna przetwarzania prędkości obrotowej w częstotliwość polega na obracaniu stalowej tarczy z odpowiednią ilością zębów w pobliżu obwodu magnetycznego czujnika z magnesem trwałym i z cewką na nabiegunniku. Przesunięcie jednego zęba w pobliżu nabiegunników czujnika powoduje wzrost i następnie zmniejszenie strumienia magnetycznego, a tym samym zaindukowanie w cewce jednego okresu napięcia przemiennego. Jeśli tarcza ma m zębów na obwodzie, to podczas jednego obrotu tarczy w cewce indukuje się m okresów napięcia.

              Metoda fotoelektryczna jest bardzo zbliżona do powyżej opisanej metody, gdyż również wykorzystuje się w niej przetwarzanie prędkości obrotowej na częstotliwość, poprzez umieszczenie na wirującej osi z mierzoną prędkością

(n obrotów na minutę) tarczy np. aluminiowej, posiadającej otwory rozmieszczone równomiernie na okręgu koncentrycznym z osią obrotów. Wskutek obrotu tarczy jest przerywany strumień świetlny padający z żarówki na fotoelement (fotodiodę, fotorezystor itp.), włączony w obwód przetwornika. Następują więc zaniki prądu w obwodzie, a napięcie wyjściowe na oporniku R jest napięciem pulsującym o częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej tarczy.

              Metoda stroboskopowa jest stosowana do dorywczych pomiarów prędkości obrotowej części maszyn, silników itp. Polega ona na oświetleniu części wirującej światłem impulsowym z bezinercyjnego źródła światła (np. rtęciową lampą wyładowczą). Częstotliwość błysków światła jest regulowana za pomocą zmian częstotliwości napięcia generatora elektronicznego wbudowanego do stroboskopu. Jeżeli odstępy czasu błysków są zgodne (synchroniczne) z prędkością obrotową, to mierzący widzi część wirującą jako nieruchomą. Wtedy jednemu błyskowi odpowiada dokładnie 1 obrót (lub pełna wielokrotność, np. na jeden błysk przypadają dokładnie 1 lub 3 obroty). Pomiar wykonuje się przy zmniejszaniu częstotliwości błysków od wartości największych. Zaobserwowanie efektu stroboskopowego świadczy o tym, że częstotliwość błysków jest równa liczbie obrotów na minutę zgodnie ze skalą pokrętła. Niezbędnym warunkiem wystąpienia zjawiska stroboskopowego jest zaznaczenie na powierzchni obiektu wirującego przynajmniej jednego znaku, widocznego dla obserwatora. Jeśli ten warunek jest spełniony, to w czasie wirowania, w ustalonym miejscu przestrzeni pojawia się z częstotliwością f obraz impulsowy znaku. Gdy obiekt wiruje z dużą prędkością, a oświetlenie jest stałe, to z powodu bezwładności oka ludzkiego obraz znaku zostaje rozmazany wzdłuż trajektorii ruchu. Jeżeli jednak oświetlenie jest błyskowe to z częstotliwością błysków pojawiają się obrazy znaku w różnych miejscach trajektorii. Stwarza to wrażenie, że znak przesuwa się wzdłuż trajektorii, lub obraz jest rozmazany. Jeśli częstotliwość błysków f­S jest wielokrotnością częstotliwości obrazu impulsowego znaku f0 to obrazy impulsowe pojawiają się ciągle w tych samych miejscach przestrzeni (pozorne zatrzymanie w tych miejscach). Liczba obserwowanych pozornie zatrzymanych obrazów tego samego znaku wynosi:

                                      (k = 1, 2, 3 ....)                         (1)

Wtedy:

                                                                                    (2)

Należy zwrócić uwagę, że pojedynczy, nieruchomy obraz znaku występuje nie tylko, gdy fS = f0, ale także zawsze, gdy:

                                       (k = 1, 2, 3 ....)                         (3)

W tych przypadkach znak jest oświetlany zawsze w tym samym miejscu przestrzeni, z częstotliwością k razy mniejszą niż pojawia się tam obraz impulsowy. W tym przypadku zastosowanie wyrażenia (2) dla k = 1 spowodowałoby błąd nadmierny. Aby tego uniknąć należy zwiększać częstotliwość błysków fS aż do momentu, gdy pojedynczy obraz znaku pojawi się ostatni raz. Dopiero wtedy słuszne jest wyrażenie (1).

Tabela wyników pomiarów dokonanych podczas laboratorium

Dla serii pomiarów: