Канал измерения угловой скорости

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,                                           (3.4)

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. 7.

 

 

Рис. 7 Датчик магнитоиндукционного тахометра Д – 3 – 2: 1 – хвостовик; 2, 6 –крышки; 3, 7 – шарикоподшипники; 4 – ротор; 5 – статор; 8 – болт.

 

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 и 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.

 

Рис. 8.Электрокинематическая схема тахометра: 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 – шала; 14 – стрелка; 15 – якорь; 16 – обмотка статора.

 

 

Рис. 9. Кинематическая схема показывающего прибора тахосигнальной аппаратуры.

 

 

Рис. 10. Показывающий прибор тахометра ИТЭ – 1:

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

 

Совместное рассмотрение рисунков 8-10 позволяет изучить конструкцию показывающего прибора и работу комплекта магнитоиндукционного тахометра типа ИТЭ.

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

Синхронный двигатель  состоит из статора с трехфазной обмоткой 10 и ротора, собранного из двух крестообразных магнитов 5 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, как 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 5. 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.

К магнитоиндукционным  тахометрам относится и тахометрическая  сигнальная аппаратура (ТСА), которая  может обеспечивать либо только выдачу дискретных сигналов соответствующих определенным частотам вращения вала (ТСА-12), либо выдачу дискретных сигналов и индикацию частоты вращения вала (ТСА-6). Конструкция показывающих приборов ТСА аналогична конструкции ИТЭ-1 (рис. 10). Отличие заключается лишь в наличии сигнального устройства,   которое   состоит   из   осветителей Л1, Л4 и фоторезисторов Bl, B4, разделенных между собой профилированным диском. Диск укреплен на оси измерительного узла. При изменении скорости вращения профильный диск поворачивается, в результате меняется степень освещенности тех или иных фоторезисторов, включенных в схему управления, и тахометр выдает сигналы, соответствующие определенным частотам вращения, на исполнительные устройства.

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.

Основная погрешность  выдачи дискретных сигналов ТСА не превышает ±2%.

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.

4. Цифровой  тахометр, его достоинства и недостатки, анализ погрешностей

В последнее время широкое распространение  получили тахометры с цифровой частью, то есть цифровые тахометры.

Рис. 11 . Нормирующий усилитель тахометра

Они строятся на основе тех  же датчиков, что и аналоговые, добавляется только цифровая часть. Рассмотрим подробнее цифровую часть.

Цифровая часть представляет собой нормирующий усилитель, генератор  тактовых импульсов, АЦП, блок счета  и индикации. Нормирующий усилитель  как правило состоит из операционного  усилителя и группы резисторов, включенных по определенной схеме, например как на рис. 11.

Он служит для усиления и нормирования аналогового сигнала, поступающего на вход цифровой части. Диоды представленные на схеме служат для ограничения сигнала в  пределах от 0 до 5 В.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) предназначен для синхронизации и получения необходимой частоты

 

Рис. 12. Генератор тактовых импульсов.

 

 

ГТИ нетрудно реализовать  используя интегральную микросхему К555ЛН1. Частоту генерируемых импульсов  можно найти по формуле

                                      

                                    (4.1)

где  С1 – емкость конденсатора С1

R4 – сопротивление резистора R4

Зная f_ИМП и R4 можно определить емкость конденсатора С1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13 . Принципиальная схема цифровой части тахометра.

 

Блок счета и индикации  в зависимости от того, что требуется  получить на выходе цифровой части, может  присутствовать или отсутствовать. Если необходимо получить только код, то этот блок будет отсутствовать.

Реализовать АЦП достаточно просто, используя цифроаналоговый  преобразователь (ЦАП) на однокристальной  микросхеме К572ПА1, операционный усилитель  К140УД9 и компаратор напряжения К554СА3.

Рассмотрим более подробно компаратор напряжения К554СА3. Компаратор осуществляет переключение выходного напряжения, когда изменяющийся выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня. Компаратор принадлежит к классу формирователей, предназначенных для перехода от аналоговых сигналов к цифровым. Поэтому оконечные каскады компараторов обычно конструируют таким образом, чтобы выходное напряжение соответствовало бы принятым логическим уровням распространенных цифровым микросхем. Компаратор напряжения К554СА3 может питаться как от +-15 В так и +-9 В и даже +-5 В связи с этим применение компаратора становится разнообразным.