Capitolul 7

CAPITOLUL 7 Traductoare de viteză şi turaţie Noţiuni fundamentale : Viteza, prin definiţie, este o mărime vectorială. Dacă direcţia (suportul) de deplasare a corpului în mişcare este dată, atunci traductoarele de viteză furnizează un semnal care reprezintă modulul vitezei şi uneori sensul acesteia.

Viteza liniară a unui punct material în mişcare pe o dreaptă la momentul t este dată de relaţia : v( t ) =

dx ( t ) ; [ m / s] dt

(7.1)

Pentru un interval de timp ∆ t, suficient de mic (astfel încât viteza să poată fi considerată constantă) viteza liniară se poate exprima prin : v=

∆x ; ∆t

(7.2)

unde : Δx este distanţa parcursă pe dreaptă de punctul material în intervalul de timp Δt , considerând mişcarea uniformă. În cazul unui punct material în mişcare circulară, viteza unghiulară la momentul t va fi : ω( t ) =

dϕ ( t ) ; dt

[ rad / s ]

(7.3)

unde : ϕ( t ) este poziţia unghiulară a punctului material la momentul t faţă de origine.

Pentru intervalul de timp Δt suficient de mic, astfel încât viteza unghiulară să poată fi considarată constantă, aceasta se exprimă prin relaţia : ω=

∆ϕ ; ∆t

(7.4)

Δφ - măsura unghiului parcurs (" măturat ") de raza vectoare în timpul Δt.

Observaţie: De obicei, în loc de viteza unghiulară se foloseşte mărimea denumită turaţie sau viteză de rotaţie, exprimată în [rot/min] sau [rot/s].

7.1 Principii şi metode utilizate în măsurarea vitezei Principiile de măsurare a vitezei derivă din relaţiile (7.2) şi (7.4). Uneori principiile şi metodele de măsurare pot fi consecinţe ale unor legi fizice ca de exemplu: legea inducţiei electromagnetice, efectul Doppler etc. a) Măsurarea vitezei (liniare sau unghiulare) prin intermediul distanţei parcurse într-un interval de timp dat.

Capitolul 7

140

- Se marchează pe traiectoria mobilului, repere situate la o distanţă constantă şi relativ mică între ele, notate cu Δx respectiv Δφ.

Considerând un interval de timp T0 cunoscut, suficient de mare, astfel încât mobilul să treacă prin dreptul mai multor repere ( i ) - distanţa parcursă de mobil în acest timp va fi : x = i ⋅ ∆x , (7.5) respectiv, unghiul parcurs în cazul mişcării circulare va fi : ϕ = i ⋅ ∆ϕ ; (7.6) Viteza liniară a mobilului se exprimă prin: v= Kx =

unde

∆X = constant, T0

i ⋅ ∆x = Kx ⋅i T0

(7.7)

iar i este numărul de repere.

Viteza unghiulară se exprimă prin : ω=

unde

Kϕ =

∆ϕ = ct.

T0

i ⋅ ∆ϕ = Kϕ ⋅ i T0

(7.8)

Rezultă că operaţia de măsurare a vitezei constă în determinara numărului i. În subcapitolul 7.2 se prezintă un exemplu de traductor pentru măsurarea vitezei liniare, care utilizează principiul menţionat mai înainte. b) Cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanţe date.

Considerând pe dreapta ( pe suportul) pe care se deplasează mobilul, două repere fixe situate la distanţa L0 (cunoscută), viteza mobilului se poate determina prin măsurarea intervalului de timp ∆t în care mobilul parcurge distanţa L0 dintre cele două repere. Se obţine :

L v= 0; ∆t

(7.9)

1 ; ∆t

(7.10)

Analog se detrmină viteza unghiulară, considerând cele două repere pe circumferinţa pe care se deplasează un punct material solidar cu mobilul aflat în mişcare de rotaţie: ω = ϕ0 ⋅

unde ϕ0 -este unghiul la centru determinat de cele două repere, iar ∆t - timpul în care mobilul parcurge arcul dintre cele două repere.

Un exemplu de traductor pentru măsurarea vitezei liniare, bazat pe principiul menţionat anterior, este prezentat în cele ce urmează. c) Legea inducţiei electromagnetice.

Tensiunea electromotoare indusă pe o curbă închisă (C) nedeformabilă, din material conductor, este egală şi de semn contrar cu viteza de variaţie în timp a fluxului magnetic φc printr-o suprafaţă oarecare, Sc , care se sprijină pe curba c :

e c (t) = −

dφ c ( t ) d = − ∫ B ⋅d A; dt dt S c

unde:

B este

inducţia magnetică, iar

dA

- elementul de arie.

(7.11)

Traductoare de viteză şi turaţie

141

În cazul unei bobine cu N spire, fluxul total prin bobină va fi de N ori mai mare decât fluxul printr-o spiră: φ = N ⋅ φc , (7.12) iar tensiunea electromotoare indusă în bobină va fi: e ( t ) = -N ⋅

dφ c ; dt

(7.13)

În aplicaţiile industriale, mişcarea de translaţie se obţine dintr-o mişcare de rotaţie. Cunoscând viteza unghiulară ω, a unui disc de rază r, viteza liniară (pe direcţia tangentei) la periferia discului va fi : v= ω⋅r (7.14) Aceasta relaţie arată proporţionalitatea vitezei liniare cu cea unghiulară. Întrucât traductoarele de turaţie sunt mai uşor de realizat decât traductoarele de viteză liniară, în aplicaţiile industriale, cele mai utilizate sunt traductoarele de turaţie.

Excepţie fac cazurile în care măsurările de viteză liniară sunt obligatorii (în cazul benzi transportoare, laminoare etc).

7.2. Traductoare de viteză liniară 7.2.1. Traductor de viteză liniară bazat pe măsurarea distanţei parcurse într-un interval de timp dat.

Mobilul se mişcă solidar cu rigla gradată (R). Reperele sunt fante echidistante cu ∆x. Rigla se află între sursa de lumină (SL) şi elementul sensibil fotoelectric (ES).

Schema de principiu a traductorului de viteză liniară utilizează principiul traductorului de deplasare incremental şi este prezentată în figura 7.1

Fig. 7.1 – Traductor numeric de viteză liniară

Impulsul de durată T este obţinut de la un generator de tact (GT) prin intermediul generatorului monoimpuls (GMI) – la comanda “Start”. Poarta logică P (care reprezintă un circuit ŞI) este deschisă pe durata T, iar impulsurile generate de elementul sensibil şi formate prin circuitul formator de semnal (FS) sunt numărate de numărătorul N. În acest numărător (pe durata T) se înscrie numărul : n = f⋅T. (7.15) unde : f este frecvenţa impulsurilor date de elementul sensibil ES.

Capitolul 7

142

Dacă pe durata T mobilul parcurge distanţa X, atunci :

Deci Întrucât

T =K= ∆x

f =

X ; ∆x ⋅ T

n=

x T ⋅ ; T ∆x

(7.17)

n =k⋅v .

(7.18)

constant, rezultă:

(7.16)

Deci numărul de impulsuri (n) înscris în numărătorul N, este direct proporţional cu viteza liniară (v).

7.2.2. Traductor de viteză liniară bazat pe cronometrarea timpului de parcurgere a unei distanţe cunoscute.

Se montează, paralel cu traiectoria mobilului (M) două sonde fotoelectrice SF1 şi SF2 (formate din emiţător şi receptor de flux luminos) în dreptul punctelor fixe x1 şi x2 situate pe traiectoria mobilului. Distanţa dintre punctele (fixe) x1 şi x2 este L0 . Pe mobilul M ,ce se deplasează ,se aplică o bandă reflectorizantă (BR) , figura 7.2.

Când mobilul ajunge cu BR în dreptul reperului x1 sonda SF1 dă un impuls care pune bistabilul B în starea " 1" logic (iniţial B se află în starea " 0 " logic), iar când ajunge cu BR în dreptul reperului x 2 , sonda SF2 dă un impuls care determină trecerea bistabilului în starea " 0 " logic.

Fig. 7.2 – Schema de principiu a unui traductor numeric de viteză liniară, bazat pe măsurarea timpului de parcurge a unei distanţe cunoscute

Notând cu t durata impulsului dat de bistabil (timp ce reprezintă durata în care mobilul parcurge distanţa L) şi raportând distanţa L la timpul t rezultă viteza liniară : v= L/t ;

(7.19)

Observaţie: raportul L t se calculează cu ajutorul unei scheme utilizată la adaptorul numeric de turaţie cu inversarea perioadei, prezentată în subcapitolul

Traductoare de viteză şi turaţie

143

7.4.

7.3. Traductoarele de turaţie Aceste traductoare convertesc turaţia într-un semnal electric calibrat, utilizând principiile de măsurare menţionate.

O primă clasificare a traductoarelor de turaţie trebuie făcută după destinaţia acestora în sistemele de reglare a turaţiei. Astfel, traductoarele de turaţie pot fi: a) Traductoare analogice de turaţie, când acestea au semnalul de ieşire unificat (curent continuu sau tensiune continuă) fiind utilizate în cadrul sistemelor de reglare analogică a turaţiei. b) Traductoare numerice de turaţie, când acestea generează la ieşire semnale numerice (într-un anumit cod) fiind utilizate în cadrul sistemelor de reglare numerică a turaţiei.

O altă clasificare a traductoarelor de turaţie se poate face după tipul (natura) elementelor sensibile. Din acest punct de vedere, traductoarele de turaţie sunt: a) Traductoare cu elemente sensibile generatoare, la care semnalul de ieşire este o tensiune electrică dependentă de turaţie, obţinută pe baza legii inducţiei electromagnetice. Din această categorie, cele mai utilizate sunt tahogeneratoarele de curent continuu sau de curent alternativ şi elemente sensibile cu reluctanţă variabilă. b) Traductoare cu elemente sensibile parametrice, la care variaţia turaţiei modifică un parametru de circuit electric (R, L, C ), care modulează o tensiune sau un curent generat de o sursă auxiliară. Cele mai utilizate elemente sensibile în construcţia traductoarelor de turaţie sunt cele fotoelectrice sau de tip senzori integraţi de proximitate, descrişi în capitolul 5.

7.3.1. Tahogeneratoare de curent continuu Acestea sunt micromaşini electrice (microgeneratoare) de c.c. care furnizează la borne o tensiune continuă proporţională cu turaţia având nivele şi puteri suficient de mari, încât pot fi folosite direct în SRA. Excitaţia poate fi separată sau cu magneţi permanenţi (cea mai răspândită).

Rotorul poate fi de tip cilindric, de tip disc sau de tip pahar.

Rotorul cilindric este realizat din tole de oţel electrotehnic, iar înfăşurarea este plasată în crestături înclinate în raport cu generatoarea.

Constantele de timp ale tahogeneratoarelor de c.c. sunt sub 10 ms ( TTg ≤10 ms ). Pentru constante de timp mai mici se cer utilizate tahogeneratoare cu rotor disc sau pahar.

- Rotorul disc este realizat din fibre de sticlă sau răşină epoxidică, pe care sunt lipite înfăşurările (utilizând tehnica circuitelor imprimate) şi care se roteşte în faţa magneţilor permanenţi - plasaţi paralel cu axa.

- Rotorul pahar are înfăşurările lipite pe un pahar realizat din fibre de sticlă sau răşină epoxidică, iar magneţii permanenţi sunt plasaţi la fel ca la tahogeneratorul cu rotor cilindric. Prin aceste soluţii constructive ultimele două tipuri de rotoare oferă constante de timp mult mai mici. Astfel, constantele de timp mecanice se reduc sub o milisecundă, iar

144

Capitolul 7

constantele de timp electrice sunt mai mici decât 0,05 ms.

Schema de principiu unui tahogenerator de curent continuu cu magneţi permanenţi şi rotor cilindric este dată în figura 7.3.

Fig. 7.3 - Schema constructivă a unui tahogenerator de curent continuu

Fig. 7.4 – Forma tensiunii de la ieşirea tahogeneratorului de curent continuu

Semnificaţia notaţiilor din figura 7.3 este: MP - magneţi permanenţi; SM - şunt magnetic; P - perii ; R - rotor ; C - colector ; K- carcasă;ALNICO - aliaj care asigură stabilitate în timp şi cu temperatura.

Magneţii permanenţi (MP) sunt realizaţi din aliaje de tip ALNICO, care au o bună stabilitate în timp cu temperatura. Tot pentru stabilitate cu temperatura se prevăd şunturile magnetice de compensare (SM). Colectorul (C) are lamelele din cupru, iar periile sunt realizate din grafit. În cazul tensiunilor mici (sub 1V), corespunzătoare turaţiilor mici, colectorul se realizează din aliaje metalice ce conţin argint, iar periile sunt din argint grafitat. Ansamblul colector – perii fiind un redresor mecanic, tensiunea u e ( t ) de la ieşirea tahogeneratorului nu este strict continuă, ci prezintă ondulaţii (figura 7.4.), datorită fenomenului de comutaţie între lamelele colectoare şi perii. Aceste ondulaţii devin mai mici, dacă numărul lamelelor colectoare este mare. Se caută o soluţie de compromis deoarece creşterea numărului de lamele duce la creşterea inacceptabilă a gabaritului. În acelaşi scop de reducere a ondulaţiilor se pot folosi filtre “trece – jos” la ieşirea tahogeneratorului, care însă conduc la creşterea timpului de răspuns (creşte constanta de timp a tahogeneratorului). Tahogeneratoarele de c.c au sensibilitate redusă datorită legii inducţiei electromagnetice şi nu pot funcţiona corect la turaţii mici (cresc erorile de neliniaritate şi de ondulaţie). De regulă, gama de turaţii acoperită de tahogeneratoarele de curent continuu este de 50 rot/min … 5000 rot/min .

Observaţie:

Traductoare de viteză şi turaţie

145

Tahogeneratoarele de curent continuu pot fi utilizate şi în acţionările reversibile.

Funcţionarea tahogeneratorului se analizează în două regimuri: a) la funcţionarea în gol - caracteristica statică este liniară , exprimată prin relaţia : E 0 = K Tg ⋅ n;

(7.20)

unde: E 0 este tensiune electromotoare, n - turaţia [ rot min ], iar K Tg sensibilitatea tahogeneratorului, numită şi constanta tahogeneratorului care depinde de : numărul perechilor de poli (p); numărul căilor de curent din rotor (2a); numărul de conductoare (N); fluxul dat de magneţii permanenţi ( φ0 ).

K Tg =

Uzual

sensibilitatea ( K Tg

p ⋅ N ⋅ φ0 a ⋅ 60

(7.21)

mV . ) are valori cuprinse între 1 şi 10 rot min

b) la funcţionarea în sarcină - tensiunea la borne este exprimată prin relaţia : U e = E 0 −K i ⋅ n ⋅ I −R A ⋅ I −∆U p (7.22) K i ⋅ n ⋅ I este căderea de tensiune ce reprezintă reacţia indusului, fiind unde: proporţională cu turaţia (n) şi curentul rotoric ( I ); RA⋅I - căderea de tensiune pe circuitul rotoric, iar ∆UP - căderea de tensiune la perii.

Eroarea relativă ( εr ) de conversie a turaţiei în tensiune la mersul în sarcină este dată de relaţia: εr =

R A + Ki ⋅ n = RS + R A + Ki ⋅ n

1 RS +1 R A + Ki ⋅ n

(7.23)

Din ultima relaţie se observă că pentru a reduce eroarea ( εr ) trebuiesc îndeplinite condiţiile R S să fie mare, R A să fie mică şi reacţia indusului ( K i ⋅ n ) să fie mică.

Principalele caracteristici tehnico – funcţionale ale tahogeneratorului de c.c. sunt: a) Tensiunea electromotoare la 1000 rot / min ( K E ) care este dată

  V   în 1000 rot  şi    min 

reflectă sensibilitatea tahogeneratorului; b) Rezistenţa electrică (internă) la borne R A (necesară pentru dimensionarea rezistenţei de sarcină); se adoptă : R S >> R A c) Turaţia maximă n max . d) Curentul nominal IN (necesar pentru dimensionarea rezistenţei de sarcină). e) Eroarea maximă de neliniaritate definită prin relaţia:

Capitolul 7

146

 E − EC   ε n =  M ⋅ 100 [%] E C   max

(7.24)

unde EM este tensiunea electromotoare măsurată la diferite turaţii (n), iar: EC = K E

n [V] .

1000

f) – eroarea de reversibilitate la 1000 rot min , definită prin relaţia: ε rev =

K Edr - K Est. 100 [%] ; min( K Edr. , K Est )

(7.25)

unde K Edr şi K Est reprezintă valoarea KE la rotirea spre dreapta, respectiv spre stânga, cu n= 1000 rot min ; g) - ondulaţia maximă (pe diferite domenii de turaţie) exprimată prin raportul: U  B =  R max  ⋅ 100 [%] ;  U e  max

(7.26)

unde: U R max - este valoarea maximă a tensiunii de ondulaţie iar U e este valoarea medie a tensiunii de ieşire.

Observaţie: Tahogeneratoarele de curent continuu se construiesc astfel încât B să nu depăşească 3%.

7.3.2. Tahogeneratoare de curent alternativ Aceste tahogeneratoare pot fi de tip sincron sau asincron. Cele mai utilizate sunt tahogeneratoarele sincrone (datorită simplităţii constructive) şi se prezintă în cele ce urmează.

Tahogeneratoarele sincrone de curent alternativ generează o tensiune sinusoidală monofazată a cărei, valoare efectivă şi frecvenţă sunt dependente de turaţie. Constructiv, acest tahogenerator, este format din : stator realizat din tole de oţel electrotehnic pe care se află bobine, iar rotorul este construit din magneţi permanenţi - ce formează mai multe perechi de poli (figura 7.5).

Domeniul turaţiilor de lucru este de 100 rot min …5000 rot min . Funcţionarea la turaţii mici este limitată de faptul că viteza de variaţie a fluxului magnetic nu este suficientă pentru încadrarea în limitele de eroare.

Traductoare de viteză şi turaţie

147

Fig. 7.5. – Schema constructivă a tahogeneratorului sincron de curent alternativ

În domeniul de funcţionare (precizat anterior) tensiunea electromotoare generată este sinusoidală fiind dată de relaţia : e0 ( t ) =

2π n  2π  W K w φ 0 sin  nt ; 60  60 

(7.27)

unde: n este turaţia în [ rot/min ]; W - numărul de spire (pentru un pol); Kw - o constantă ce depinde de tipul înfăşurării; φ0 -amplitudinea fluxului magnetic (rotoric).

Amplitudinea tensiunii din (7.27) poate fi ordinul sutelor de volţi. Valoarea efectivă a tensiunii electromotoare induse este proporţională cu turaţia fiind exprimată prin relaţia : E0 =

π 2 w K W φ0 n = K ⋅ n 60

(7.28)

Observaţie : Deoarece frecvenţa tensiunii e 0 ( t ) depinde de turaţie, la funcţionare pe impedanţă de sarcină ( ZS ) finită, liniaritatea poate fi afectată ajungându-se la erori inadmisibile. Ca urmare, în locul valorii tensiunii efective sau a valorii maxime a tensiunii se utilizează (pentru conversia turaţiei) frecvenţa tensiunii e 0 ( t ) , conform cu relaţia (7.27), dată de relaţia : f =

n 60

;

(7.29)

Principalele caracteristici tehnico – funcţionale sunt : - valoarea efectivă a tensiunii E0 , la 1000 rot/min.

- turaţia maximă; curentul nominal (la turaţia maximă); - rezistenţa înfăşurării statorice; - frecvenţa tensiunii electromotoare la 1000 rot/min.

Adaptoarele pentru tahogeneratoarele de c.a. sunt simple, fiind formate dintr-un redresor şi un filtru dacă pentru măsurarea turaţiei este folosită amplitudinea tensiunii e0 ( t ) .

Dacă este folosită frecvenţa (f) pentru măsurarea turaţiei, tahogeneratorul se conectează la un adaptor numeric, similar cu cele prezentate în subcapitolul 7.4.

7.3.3. Traductoare de turaţie cu reluctanţă variabilă Elementul sensibil la aceste traductoare este compus dintr-un magnet permanent prelungit cu un miez de fier (pe care este înfăşurată o bobină) aflat la mică distanţă de periferia unui disc din material feromagnetic figura 7.6. Discul poate fi danturat sau prevăzut cu fante echidistante. Acesta este montat pe axul a cărui turaţie se măsoară

Capitolul 7

148

a) – Element sensibil care generează mai multe impulsuri la o rotaţie

b) – Element sensibil care generează un singur implus la o rotaţie

a’) – Forma tensiunii Ue(t)

b’) – Forma tensiunii Ue(t)

Fig. 7.6. – Modalităţi de realizare a elementului sensibil cu reluctanţă variabilă şi forma tensiunii Ue(t)

Magnetul, miezul de fier şi discul formează un circuit magnetic a cărui reluctanţă variază în funcţie de poziţia dinţilor discului faţă de miezul magnetic.

Când un dinte al discului se află în prelungirea miezului, reluctanţa este minimă, iar când în prelungirea miezului se află un spaţiu liber al discului, reluctanţa este maximă. Variaţia de reluctanţă duce la variaţia de flux magnetic prin bobină, ceea ce va induce o tensiune u e ( t ) în bobină conform legii inducţiei electromagnetice: u e (t) = −

dΦ ; dt

(7.30)

La o rotirea discului (cu o viteză suficient de mare încât derivata fluxului să poată crea o tensiune electromotoare sesizabilă) se obţine un număr de impulsuri egal cu numărul de dinţi (z) de pe circumferinţa discului, figura 7.6.

Frecvenţa (f) a tensiunii electromotoare induser în bobină este : f = n⋅Z (7.31) unde : Z este numărul de dinţi (fante), iar n – turaţia în rot/ s.

Elementele sensibile cu reluctanţa variabilă nu se pot utiliza la turaţii joase şi foarte joase, deoarece în aceste cazuri amplitudinea implusurilor fiind dependentă de turaţie, poate să scadă sub pragul de sensibilitate al adaptorului. Creşterea sensibilităţii la turaţii mici este posibilă prin utilizarea unor discuri cu un număr mare de dinţi.

Pentru obţinerea unui semnal unificat la ieşirea traductorului, proporţional cu turaţia, elementul sensibil trebiue conectat la un adaptor analogic.

Schema bloc a traductorului analogic de turaţie (ES+ADAPTOR) cu reluctanţă

Traductoare de viteză şi turaţie

149

variabilă este prezentată în figura 7.7.

Fig. 7.7 - Schema bloc a traductorului analogic de turaţie cu reluctanţă variabilă

Semnificaţia notaţiilor este: ES- element sensibil; A + R - amplificator + redresor; F.S. - formator de semnal; M – monostabil; DM - dispozitiv de mediere; EE - etaj de ieşire.

Funcţionarea traductorului se explică cu ajutorul diagramei de semnale dată în figura 7.8. Semnalul UES, având perioada T, furnizat de elementul sensibil (ES) este amplificat şi redresat monoalternanţă de către blocul amplifcator – redresor (A+R). După ce este format de către blocul FS, semnalul purtător de informaţie referitor la turaţie este aplicat monostabilului M care generează impulsuri dreptunghiulare de amplitudine constantă (U0) şi durată fixată ( t 0 ), având aceeaşi perioadă T. Tensiunea UM de la ieşirea monostabilului este mediată prin dispozitivul de mediere DM pe o durată T0 >> T , rezultând o tensiune continuă UDM proporţională cu turaţia: T

1 0 1 i⋅T i U DM = ⋅ ∫ U M ( t ) ⋅ dt ≈ ⋅ ∫ U M ( t ) ⋅ dt = ⋅ t 0 ⋅ U0 = T0 0 i⋅T 0 i⋅T t0U0

(7.32)

1 n = U0t 0 = K ⋅ n T 60

în condiţia: i ⋅ T ≤ T0 < (i + 1) ⋅ T , unde i este numărul de impulsuri.

150

Capitolul 7

Fig. 7.8 – Diagrama de semnale pentru traductorul analogic de turaţie cu reluctanţă variabilă

Etajul de ieşire (EE) furnizează un semnal unificat de tensiune (U E) sau de curent (IE) proporţional cu turaţia (n). Acest traductor poate fi utilizat la măsurarea turaţiilor într-un domeniu larg (100 rot/min…300.000 rot/min).

Observaţie: Elementul sensibil cu reluctanţă variabilă poate fi conectat la un adaptor numeric, crescând astfel precizia şi timpul de răspuns.

7.3.4. Traductoare de turaţie cu elemente fotoelectrice Aceste traductoare utilizează elemente sensibile de tip fotoelectric care detectează variaţiile unui flux luminos, dependente de viteza de rotaţie, folosind în acest scop un dispozitiv modulator acţionat de axul a cărui turaţie se măsoară (figura 7.9).

După modul în care se obţin variaţiile fluxului luminos, dispozitivele modulatoare sunt de două tipuri: a – cu întreruperea fluxului luminos b – cu reflexia fluxului luminos. În cazul întreruperii fluxului luminos, elementul sensibil este de forma celui din figura 7.9-a fiind alcătuit dintr-o sursă de radiaţii luminoase (SL) în spectrul vizibil sau infraroşu şi un element fotoelectric (EF), între care se află un disc opac (D) prevăzut cu orificii (fante) echidistante aşezate pe un cerc concentric discului. Uneori discul D este transparent şi fantele sunt opace.

Elementul fotoelectric (fotodiodă sau fototranzistor) şi sursa de radiaţii luminoase (SL) sunt aliniate pe o dreaptă paralelă cu axul discului şi care intersectează cercul cu orificii de pe disc. Când un orificiu se găseşte pe dreapta ce uneşte SL cu EF, radiaţia luminoasă produce deblocarea elementului fotoelectric, iar când între EF şi SL se găseşte partea opacă a discului, elementul

Traductoare de viteză şi turaţie

151

fotoelectric este blocat. Atât SL cât şi EF sunt prevăzute cu lentile de focalizare (L1 şi L2). Când discul se roteşte, orificiile sale trec succesiv prin calea de lumină dintre SL şi EF, obţinându-se impulsuri luminoase, care, ajungând pe EF, sunt convertite cu ajutorul unor circuite electronice, în impulsuri dreptunghiulare de tensiune compatibile (compatibile TTL). Frecvenţa acestor impulsuri este egală cu viteza de rotaţie a discului (în rot/s) multiplicată cu numărul de orificii de pe disc. Rezultă o relaţie de dependenţă de tipul (7.31), în care z reprezintă numărul de orificii: f=n.z.

a) - Element sensibil fotoelectric cu întreruperea fluxului luminos

b)- Element sensibil fotoelectric cu reflexia fluxului luminos

Fig. 7.9 – Principii de funcţionare ale elementelor sensibile fotoelectrice

Observatii: -Constructiv, sursa SL, lentilele L1 şi L2 cât şi elementul fotoelectric (FF) sunt încapsulate într-o sondă sau cap de citire.

-Creşterea sensibilităţii elementului sensibil presupune utilizarea unui fototranzistor ca element fotoelectric (EF).

-Pentru eliminarea erorilor de măsurare, cauzate de lumina naturală se utilizează optocuploare cu funcţionare în domeniul infraroşu. Astfel, SL este înlocuită de un LED cu emisie în infraroşu, iar EF este un fototranzistor pentru domeniul de infraroşu. În figura 7.10-a este prezentată schema circuitului de formare a impulsurilor pentru un element sensibil cu fotodiodă, iar în figura 7.10-b se prezintă forma tensiunii de ieşire, furnizată de circuitul de formare. Valorile U H (nivel înalt) şi UL (nivel scăzut) corespund nivelelor de tensiuni specifice circuitelor integrate TTL. Varianta realizării elementului sensibil fotoelectric prin reflexia fluxului luminos este prezentată în figura 7.9-b. În acest caz turaţia unui disc sau a unei piese aflate în mişcare de rotaţie este convertită într-un tren de impulsuri fără a necesita un disc auxiliar montat pe ax. Pe axul sau piesa care se roteşte se

152

Capitolul 7

marchează un reper (sau mai multe repere echidistante) sub forma unui dreptunghi, cu vopsea reflectorizantă sau se lipeşte o bandă reflectorizantă (figura 7.9-b).

Reperele reflectorizante trebuie să alterneze cu zone înnegrite care absorb radiaţia luminoasă. Sursa SL şi elementul fotoelectric EF se dispun în aşa fel încât, radiaţia luminoasă emisă de SL şi reflectată de reperul reflectorizant să cadă pe EF, care devenind activ să emită un impuls de tensiune. Formatorul de impulsuri poate fi de acelaşi tip cu cel prezentat în figura 7.10-a, iar frecvenţa impulsurilor este dată de aceeaşi relaţie (7.31), în care z reprezintă numărul de repere reflectorizante de pe ax sau de pe piesa în mişcare de rotaţie.

Fig. 7.10 a) – circuit electronic de formare a impulsurilor; b) – forma tensiunii de ieşire

Domeniul de utilizare al elementelor sensibile fotoelectrice este cuprins între 1 rot/m in şi 107 rot/min, dacă discul sau axul în rotaţie este prevăzut cu un singur reper, dar limita superioară poate fi micşorată la turaţii mai mici, folosind mai multe repere pe disc (sau ax).

Traductoarele de turaţie cu elemente fotoelectrice sunt foarte răspândite datorită următoarelor avantaje: gamă largă de turaţii (inclusiv turaţii foarte joase); construcţie simplă; încărcare a axului cu un cuplu neglijabil sau nul (în cazul ES cu reflexie) şi lipsa uzurii mecanice. Dezavantajul esenţial îl reprezintă apariţia erorilor de măsurare în medii cu praf, fum sau lumini exterioare puternice.

Schemele adaptoarelor numerice pentru elemente sensibile de tip fotoelectric sunt date în § 7.4 7.3.5 Elementele sensibile magnetice pentru traductoarele de turaţie Frecvent utilizat ca element sensibil magnetic în construcţia traductoarelor de turaţie este senzorul magnetic comutator, integrat, bazat pe efectul Hall, care a fost prezentat în cap.5 (seriile βSM 230 şi βSM 240). În figura 7.12-a s-a prezentat un detector de turaţie cu senzor magnetic comutator (SMC) cu ecranarea câmpului magnetic, iar în figura 7.12-b este prezentat detectorul de turaţie cu senzor magnetic comutator ce funcţionează prin

Traductoare de viteză şi turaţie

153

concentrarea câmpului magnetic.

a) Detector de turaţie cu senzor magnetic comutator prin ecranarea câmpului magnetic

b) Detector de turaţie cu senzor magnetic comutator prin concentrarea câmpului magnetic

Fig. 7.11 Principii de realizarea a detectorului de turaţie cu senzor magnetic

Se observă că în figura 7.11-a, ecranarea câmpului magnetic se obţine aşezând senzorul (SMC) şi magnetul M de o parte şi de alta a discului feromagnetic D, fixat pe axul a cărui turaţie se determină. Discul D este prevăzut cu o decupare mai mare decât suprafaţa activă a senzorului, iar SMC şi magnetul M sunt situaţi pe o axă comună paralelă cu axul A. Distanţa dintre SMC şi M se alege astfel încât atunci când centrul decupării se află pe axa comună a celor două elemente (SMC şi M) să fie atins pragul de deschidere (activare) a senzorului, iar când senzorul este ecranat de discul D, senzorul să se blocheze.

Pentru o ecranare sau concentrare sigură a câmpului magnetic, grosimea discului trebuie să fie mai mare de 1 mm. În cazul detectorului din figura 7.11-b, pe axul A a cărui turaţie se măsoară, este fixat tamburul T din material feromagnetic a cărui grosime trebuie să asigure prin decupare o fantă cu suprafaţa mai mare decât suprafaţa activă a senzorului magnetic comutator (SMC). Funcţionarea acestui detector se bazează pe concentrarea liniilor câmpului magnetic de către tamburul T, atunci când senzorul este plasat într-un câmp magnetic insificient de intens pentru a realiza comutarea (deschiderea) lui.

Astfel, când tamburul T se află în dreptul senzorului se depăşeşte pragul magnetic de deschidere a senzorului, iar când decuparea tamburului este în dreptul senzorului are loc blocarea acestuia, datorită dispersiei liniilor de câmp magnetic.

Fig. 7.12 - Forma tensiunii de ieşire pentru detectorul de turaţie cu senzor magnetic comutator: a) prin ecranarea câmpului (fig. 7.11 - a); b) prin concentrarea câmpului (fig.7.11-b)

154

Capitolul 7

Notând cu Ue tensiunea de ieşire a SMC şi menţionând că pentru senzor “deschis” Ue este de nivel logic “0”, iar pentru senzor “închis” Ue este de nivel logic “1”, formele de variaţie a tensiunii Ue pentru detectoarele de turaţie din figura 7.11-a şi b sunt prezentate în figura 7.12 (a şi b).

Modul de conectare a senzorului magnetic cu adaptorul este prezentat în figura 7.13, unde Rp este rezistenţa de polarizare a colectorului tranzistorului din etajul de ieşire al senzorului integrat.

Fig. 7.13 - Conectarea senzorului magnetic comutator (detector de turaţie) cu adaptorul

Domeniul de turaţii în care poate fi utilizat senzorul magnetic comutator este larg: 1 … 107 rot/min.

Un avantaj important îl constituie structura integrată, miniaturizată a SMC. Dezavantaje: Necesitatea ataşării unui disc feromagnetic pe axul aflat în mişcare de rotaţie. Senzorul magnetic comutator, ca oricare detector de turaţie cu funcţionare în impulsuri, poate fi introdus într-o schemă de traductor analogic pentru turaţie, ca cea din figura 7.7.

7.4. Adaptoare numerice pentru traductoare de turaţie În principiu, schemele adaptoarelor aferente traductoarelor numerice de turaţie sunt asemănătoare cu cele ale frecvenţmetrelor numerice. După modul cum se determină turaţia din trenul de impulsuri furnizate de elementul sensibil, aceste adaptoare sunt de două feluri: a) cu numărarea impulsurilor; b) cu inversarea perioadei.

Schema funcţională a unui traductor de turaţie bazat pe numărarea impulsurilor este prezentată în figura 7.14, unde ES este elementul sensibil care furnizează impulsuri adaptorului format din: A+FI – amplificator şi formator de impulsuri; GT – generator de impulsuri de tact; DF – divizor de frecvenţă; SG – selector de gamă; P – poartă logică “ŞI” ; N – numărător; DA – dispozitiv de afişare numeric.

La ieşirea divizorului de frecvenţă se obţine, potrivit gamei alese, un impuls dreptunghiular de durată fixă T0, astfel încât pe durata acestui impuls numărătorul va număra n = kncT0/60 impulsuri, nc reprezentând valoarea cuantizată a turaţiei în rot/min, iar k – o constantă egală cu numărul de impulsuri furnizate de ES la o rotaţie. Luând T0 = 60⋅10a /k, unde a se alege în funcţie de

Traductoare de viteză şi turaţie

155

precizia şi de timpul de măsurare dorite, se obţine n = 10anc.

Fig. 7.14. Schema de principiu a traductorului numeric de turaţie bazat pe numărarea impulsurilor

Acest adaptor are avantajul că, datorită medierii pe un interval suficient de mare T0, indicaţia nu este afectată de eventualele fluctuaţii de viteză ale axului a cărui turaţie se măsoară. Ea prezintă însă dezavantajul unui timp de măsurare foarte mare comparativ cu perioada mişcării de rotaţie. Pentru a elimina acest inconvenient se utilizează o schemă de adaptor după principiul b).

Schema funcţională a traductorului numeric de turaţie bazat pe inversarea perioadei este prezentată în figura 7.15.

Elementul sensibil ES este oricare dintre cele cu funcţionare în impulsuri furnizând adaptorului un tren de impulsuri dreptunghiulare de perioadă T, egală cu perioada de rotaţie a axului a cărui turaţie urmează să se determine. Aceste impulsuri se aplică generatorului monoimpuls GMI1 pe intrarea I1' . Atunci când de la blocul de comandă BC se aplică un semnal de “start” pe intrarea

", I1

GMI1 generează la ieşirea E1 un monoimpuls de durată T care deschide poarta “ŞI” P1 pe intervalul de timp T. Pe acest interval numărătorul N1 numără impulsuri de frecvenţă fixă f1 primite prin divizorul de frecvenţă DF de la generatorul de semnal dreptunghiular GSD. Tot de la divizorul de frecvenţă, generatorul monoimpuls GMI2 primeşte pe intrarea I1' un semnal dreptunghiular de frecvenţă fixă f2 = 1/T2. La terminarea intervalului de timp T (deci după o perioadă de rotaţie) poarta P1se blochează, numărătorul N1 având înscris numărul Tf1. In acest moment generatorul monoimpuls GMI 2 primeşte comandă pentru generarea unui monoimpuls de durată T 2, care deschide poarta “ŞI” P2. Numărătorul N2 numără impulsurile primite prin poarta I '2 . Când informaţia conţinută în N2 coincide cu informaţia conţinută în N1, circuitul de coincidenţă CC dă un impuls care este numărat de numărătorul N 3 şi, totodată,

156

Capitolul 7

şterge numărătorul N2. Ciclul de numărare al lui N2 se reia până la şfârşitul intervalului de timp T2. Astfel, pe intrarea de numărare a lui N 2 au trecut T2f0 impulsuri. Coincidenţele numărate de N3 reprezintă partea întreagă a rezultatului împărţirii T2f0/Tf1 = n . Luând, de exemplu, T2f0 = 60f110a, se obţine n = nc10a, unde nc reprezintă valoarea cuantizată a turaţiei n în rot/min, iar a este un coeficient întreg care se alege din considerente de precizie. Rezultatul ciclului este memorat de memoria tampon MT şi afişat de către dispozitivul de afişare numeric DAN.

Fig. 7.15 Schema bloc a traductorului numeric de turaţie cu inversarea perioadei

Adaptorul bazat pe inversarea perioadei prezintă avantajul calculului foarte rapid al turaţiei (mai puţin de două perioade de rotaţie), furnizând informaţie în timp real, şi din acest motiv este indicat la măsurarea turaţiilor joase şi foarte joase. În schimb, prezintă dezavantajul că dacă viteza de rotaţie sa modificat în perioada în care s-a făcut măsurarea, rezultatul va fi eronat, deoarece nu s-a mai făcut o mediere a turaţiei.

La adaptoarele numerice ale traductoarelor de turaţie de tipul a) se pot conecta direct elementele sensibile ale traductoarelor numerice de deplasare unghiulară de tip incremental, modificându-se corespunzător sensibilitatea, în funcţie de caracteristicile acestor elemente.

Traductoare de viteză şi turaţie

157