Космпютеризована вимірювальна система вимірювання залежності кутової швидкості від часу

Міністерство освіти і науки України

 

Вінницький державний технічний університет

 

Факультет АКСУ

 

Кафедра метрології і промислової

 

автоматики

 

КУРСОВА РОБОТА

 

Комп’ютеризована вимірювальна система

 

вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

Виконав : ст. гр. 1АМ-04

 

Опаріна О.М.

 

Прийняв : к.т.н., доц.

 

Кулаков П.І.

 

Вінниця – 2008

 

ВСТУП

 

Специфічною особливістю тахометрії є вимога високої точності вимірювання: в більшості випадків вимірювання швидкостей повинні виконуватись з точністю на один-два порядку вище, ніж вимірювання інших параметрів руху. В останній час ця вимога накладається ще на динамічний режим роботи тахометра, обумовлюючи ще одну вимогу — високу швидкодію.

 

Дуже важливим елементом вимірювального кола кутової швидкості є тахометричний перетворювач. В сучасних вимірюваннях, в основному використовуються два види тахометричних перетворювачів — частотні та амплітудні, інформативними параметрами вихідного сигналу яких є, відповідно, частота (період) та амплітуда.

 

Нині найточнішими вважаються дискретні методи вимірювання кутової швидкості. Вони грунтуються на квантуванні сигналів за рівнем та дискретизації у часі [1].

 

Для більшості електродвигунів, які працюють у різноманітних пристроях автоматики, системах точних електроприводів, різноманітних побутових пристроях, динамічний режим є основним режимом їх роботи. Велике значення, особливо для апаратури відео та звукозапису, систем автоматики, має високоточне вимірювання відхилень кутової швидкості електродвигуна від номінального значення.

 

Широке застосування математичних моделей електродвигунів обумовлює необхідність перевірки їх адекватності. Це краще за все робити шляхом порівняння розрахункової динамічної характеристики з експериментальною.

 

В останній час з’явилось багато наукових праць, що присвячені ідентифікації параметрів електродвигунів за їх математичними моделями, що дозволяє значно скоротити час їх випробувань. Використовуємі при цьому алгоритми обумовлюють необхідність високоточного вимірювання динамічних характеристик електромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ).

 

Незважаючи на те, що відома велика кількість різноманітних тахометрів, тахометричних перетворювачів, багато з яких може бути застосовано для динамічних вимірювань, вітчизняна промисловість таких пристроїв не випускає. Це обумовлює необхідність розробки високоточного пристрою для динамічних вимірювань кутової швидкості.

 

1 Огдяд методів вимірювання кутової швидкості

 

В основі побудови цифрових тахометрів лежить визначення лічильними методами відношення

 

, (1.1)

 

де — середня кутова швидкість; відповідно кут та час повороту дискретного перетворювача кута, який встановлено на валу досліджуємого приводу.

 

Найпоширеними в теперішній час є частотні фотоелектричні дискретні перетворювачі кута, частота вихідного сигналу яких прямо пропорційна кутовій швидкості. У частотний фотоелектричний сенсор входить джерело світла, фотоприймач, модулятор, який уявляє собою диск з прорізями вздовж кола. При обертанні модулятора, світловий потік, що попадає на фотоприймач, змінюється, і на його виході формуються імпульси напруги, частота яких прямо пропорційна кутовій швидкості, тобто здійснюється апаратне диференціювання кута повороту за часом [2].

 

При вимірюванні за допомогою такого сенсора кутової швидкості у перехідному режимі миттєва кутова швидкість обертання визначається як

 

, (1.2)

 

де - кутова швидкість; - часовий інтервал між двома слідуючими один за одним імпульсами; z - кількість прорізів модулятора.

 

Тобто миттєва кутова швидкість є величиною зворотньо пропорційною часовому інтервалу між двома імпульсами та уявляє собою дискретну функцію часу із змінним кроком, який залежить від вхідної величини. Це приводить до того, що при низьких значеннях кутової швидкості похибка первинного перетворення значно збільшується. Крім того сенсор нечутлив до напрямку обертання.

 

При вимірюванні середнього значення кутової швидкості, тобто коли тахометр працює в режимі частотоміру, кутова швидкість і чаcтота обертання зв’язані між собою співвідношенням [3]:

 

 = , (1.3)

 

де f - частота вихідного сигналу ТП;

 

При роботі тахометра в такому режимі проведення динамічних вимірювань кутової швидкості неможливе.

 

В залежності від того, який із указаних у (1.1) параметрів вимірюється, розрізняють цифрові тахометри середнього значення (ЦТСЗ) та цифрові тахометри миттєвого значення (ЦТМЗ).

 

В ЦТСЗ методом підрахунку імпульсів первинного тахоперетворювача визначають кут повороту валу досліджуємого об’єкту за фіксований інтервал часу, який задається зразковою мірою часу.

 

В ЦТМЗ здійснюється вимірювання періоду вихідного сигналу первинного тахометричного перетворювача, шляхом заповнення його імпульсами від генератору зразкової частоти.

 

У першому випадку методом підрахунку імпульсів від частотного тахометричного перетворювача з одночасним кодуванням результату визначають частоту обертання валу за фіксований зразковий часовий інтервал. Тахометри, реалізуючі такий метод вимірювання ефективно працюють в області високих частот обертання.

 

Для зменьшення похибки таких тахометрів перспективним є застосування вагових методів підвищення точності [4], суть яких полягає у наступному. Особливістю класичних ЦТСЗ є те, що інформація про фазу досліджуємого сигналу використовується тільки лише в моменти початку та закінчення вимірювань. Інформація про фазу сигналу в проміжних точках не використовується. Це вказує на принципову можливість подальшого підвищення точності вимірювання кутової швидкості шляхом використання інформації про фазу інформативного сигналу на протязі всього інтервалу вимірювання. Таку можливість мають цифрові тахометри у яких інформативний сигнал тахометричного перетворювача додатково квантується за рівнем з метою підвищення розрізнювальної здатності і в яких можливе управління розрізнювальною здатністю по відповідному алгоритму. Це дає можливість одержувати інформацію про фазу сигналу, тобто використовувати осереднюючи вікна.

 

Більш високими метрологічними характеристиками в області низьких частот наділені методи, що грунтуються на інформативності періоду вихідного сигналу тахометричного перетворювача Т_Ñ. Проте при вимірюванні високих частот обертання похибки вимірювання значно зростають [5] і залежать також від динамічних характеристик досліджуємого об’єкту.

 

Застосування засобів комп’ютерної техніки при вимірюванні кутової швидкості дозволяє поєднати два вище згаданих методи вимірювання. А саме алгоритмічно вибирати необхідний режим роботи — ЦТСЗ чи ЦТМЗ (табл. 1), для чого початково визначається критична кутова швидкість , для якої похибки обох режимів однакові. При досягненні об’єктом вимірювання кутової швидкості , здійснюється перехід на необхідний режим роботи. Таким шляхом можна досягнути нормування похибки на всьому часі проведення вимірювання, що має особливе значення при проведенні динамічних вимірювань.

 

Застосування комп’ютерної техніки дозволяє також реалізувати адаптивні тахометри. Значення для різних типів двигунів, тобто для різних сталих часу записуються у постійний запам’ятовуючий пристрій. При зміні об’єкту дослідження змінюється перший період інформативного сигналу, а звідси, і значення . Тобто цифровий тахометр адаптується під об’єкт дослідження [6]. Якщо < , то тахометр працює в режимі ЦВМЗ, а при > — в режимі ЦТСЗ.

 

У роботі [7] наведено аналіз похибок ЦТМЗ. Основним висновком цієї роботи є те, що для кожного значення вимірюємої кутової швидкості є оптимальне число штрихів первинного тахометричного перетворювача, при якому результуюча середньоквадратична похибка вимірювання мінімальна. Оптимальне число штрихів знаходиться із виразу

 

,(1.4)

 

де — оптимальне число штрихів модулятора, — вимірюєма кутова швидкість, f₀ — частота опорного генератору, — результуюча середньоквадратична похибка нанесення штрихів ДПУ, — максимальне прискорення досліджуємого механізму.