TRADUCTOARE DE TURAŢIE

1. Introducere

În funcţie de precizia dorită, pentru măsurarea vitezei unghiulare (turaţiei) pe cale

electrică, există o mare diversitate de mijloace. Tahometrul complet sau sistemul de măsură a

turaţiei include traductorul de turaţie, circuitele auxiliare şi instrumentul de ieşire. Partea de

traductor se compune dintr-un element sau mai multe, montate, ataşate sau incluse în dispozitivul

a cărui mişcare de rotaţie se măsoară şi un element sau elemente situate în imediata apropiere a

dispozitivului în mişcarea de rotaţie.

Funcţia de traductor are la bază modificarea transferului de energie între aceste

elemente în funcţie de turaţie. Circuitele auxiliare constau din surse de excitaţie, amplificatoare,

demodulatoare, numărătoare, convertoare etc.

Traductoarele de turaţie se clasifică în traductoare analogice şi digitale. Traductoarele

de turaţie analogice convertesc turaţia într-un semnal electric a cărui amplitudine este dependentă

(în cele mai multe cazuri liniar) de valoarea acesteia. Traductoarele digitale de turaţie convertesc

turaţia într-un semnal electric a cărui frecvenţă, perioadă sau intervalul de timp între două

impulsuri succesive este dependentă de turaţie.

2. Traductoare analogice electrodinamice de turaţie

Se bazează pe principiul inducerii unei t.e.m. într-un conductor care se deplasează într-

un câmp magnetic. Tahogeneratoarele (sau generatoare tahometrice) se construiesc pentru

tensiune continuă şi pentru tensiune alternativă.

2.1. Tahogeneratorul de c.c.

Tahogeneratorul este o micromaşină de c.c. cu colector, al cărui indus este rotit de

arborele pentru care se măsoară viteza unghiulară. Excitaţia maşinii se realizează cu ajutorul

unor magneţi permanenţi care formează inductoare cu una sau mai multe perechi de poli. Fluxul

magnetic în întrefier fiind constant, t.e.m. ce se culege la perii (5-30 V) este proporţională cu

turaţia indusului. Această proporţionalitate se păstrează şi pentru sarcini relativ mari conectate la

periile maşinii. Turaţia este indicată de un voltmetru ce se conectează la tahogenerator prin

intermediul unor rezistenţe care stabileşte şi domeniul de măsurare. Polaritatea tensiunii furnizate

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

depinde de sensul de rotaţie al maşinii, acesta putând fi determinat fără scheme adiţionale.

Erorile de bază ale tahogeneratorului de c.c. sunt generate de variaţia temperaturii.

Aceasta antrenează modificarea fluxului magnetului permanent şi a rezistenţei indusului.

Variaţia rezistenţei poate fi neglijată dacă pentru măsurare sunt utilizate voltmetre cu rezistenţa

internă mare.

2.2. Tahogeneratoare de c.a.

Sunt cunoscute următoarele tipuri de tahogeneratoare de c.a.: tahogeneratorul sincron

mono şi trifazat şi tahogeneratorul cu rotorul în formă de pahar.

Tahogeneratorul sincron monofazat are înfăşurarea pe stator, iar rotorul format dintr-un

magnet permanent cu mai mulţi poli este cuplat pe axul la care se măsoară turaţia. Rotorul

produce în întrefierul maşinii un câmp magnetic învârtitor care induce în înfăşurarea de pe stator

o t.e.m. a cărui valoare este:

E0=K⋅Φ0⋅p⋅n (1)

unde: K – o constantă constructivă depinzând de parametrii înfăşurării indusului; p – numărul

perechilor de poli; n – turaţia arborelui; Φ0 – fluxul magnetic al întrefierului maşinii. Prin urmare

atât amplitudinea E0, cât şi frecvenţa f=n⋅p a t.e.m. induse este independentă de turaţia arborelui.

Căderea de tensiune la bornele tahogeneratorului în sarcină depinde de turaţia măsurată,

caracteristica sa de transfer U(n) este neliniară. Reducerea acestei neliniarităţi se poate realiza

prin utilizarea unui instrument de măsură cu rezistenţă de intrare mare, regimul tahogeneratorului

trebuind să difere cât mai puţin de cel de gol. Drept indicator de ieşire poate fi folosit

frecvenţmetrul deoarece frecvenţa tensiunii generate este dependentă numai de turaţie, erorile

datorate temperaturii sau invariabilităţii parametrilor circuitului magnetic sunt neglijabile.

10

20

30

40

50

1000 2000 3000

Ra=10 kΩ

Ra=2 kΩ

Ra=0.5 kΩ

Uout [V]

n [rot/min]

Fig. 1 Dependenţa neliniarităţii caracteristicii U(n) de sarcină

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Neavând perii colectoare, tahogeneratoarele de c.a. lucrează la viteze mai mari (pâna la

5000 rot/min) faţă de maşinile de c.c. care se opresc la 2000 rot/min, tensiunea de ieşire având

valori de zeci şi sute de V cu liniaritate (0.4÷4)%.

Structura unor astfel de traductoare este data în fig.2.

Tensiunea alternativă obţinută la ieşirea unui tahogenerator este convertită în frecvenţă

cu ajutorul unui limitator sau multivibrator, după care fie este redresată, integrată şi filtrată,

obţinându-se o tensiune continuă unipolară proporţională cu turaţia, fie filtrată şi discriminată,

obţinându-se un semnal continuu bipolar proporţional cu turaţia al cărei semn este dependent de

sensul de rotaţie.

De asemenea tahogeneratoarele de c.a. sunt frecvent utilizate în măsurarea diferenţei de

turaţie a doi arbori în mişcare de rotaţie.

În acest caz se utilizează două tahogeneratoare (fig. 3) a căror ieşiri sunt cuplate într-o

punte diferenţială. Tensiunea ce se culege pe rezistenţa R este dependentă de diferenţa turaţiilor

celor două elemente în mişcarea de rotaţie.

Limitator sau multivibrator

AC tahogen. R I F

F D

ε0

R.R.M.

R.R.M.

ε0

Fig. 2 Conversia frecvenţei unui tahogenerator în tensiune continuă proporţională cu turaţia

T1 T2

U=f(n1-n2)

R

Fig. 3. Măsurarea diferenţei de turaţie

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Tahogeneratorul cu rotorul în formă de pahar are o construcţie asemănătoare

servomotorului cu rotorul în pahar. Funcţionarea acestuia se bazează pe apariţia unei t.e.m. în

înfăşurarea de ieşire ce are frecvenţa constantă, dar este modulată de viteza de rotaţie – n – a

paharului, faţă de înfăşurarea statorică fixă.

2.3. Tahometrul cu curenţi turbionari

Acesta constă dintr-un magnet permanent multipolar (1), pus în mişcare de arborele a

cărui turaţie se măsoară cu ajutorul unei cuple flexibile (2) şi ale cărui linii de câmp intersectând

un disc sau un pahar metalic din cupru sau din aluminiu (3), induc tensiuni proporţionale cu

turaţia (Fig. 4). Interacţiunea dintre curenţi turbionari provocaţi de aceste tensiuni şi câmpul

magnetic permanent, crează un cuplu de torsiuni proporţional cu turaţia:

M1=K1Φ2n (2)

unde:

K1 – constanta dată de dimensiunile sistemului, de rezistivitatea discului şi numărul de

poli ai magnetului permanent;

Φ – fluxul magnetic al unui pol;

n – turaţia care se măsoară.

Cuplul activ M, este echivalat de un cuplu rezistent mecanic M2 dat de un resort spiral

(4):

M2=K2α (3)

Deviaţia acului indicator de pe cadranul (6) este proporţională cu turaţia, obţinându-se

la echilibrul celor două cupluri M1=M2:

n=K⋅α (4)

1

3

4

5

6

2

Fig. 4. Tahometru cu curenţi turbionari

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

deviaţia maximă a acului indicator fiind în general de 270º. Compensarea erorilor datorate

variaţiei de temperatură a rezistivităţii discului şi a valorii fluxului magnetului permanent se face

prin introducerea unui şunt termomagnetic.

Tahometrele cu curenţi turbionari se utilizează de obicei pentru măsurarea turaţiilor în

domenii cuprinse între 20 şi 10000 rot/min, asigurând precizii de 0.5÷1.5%, cu compensarea

erorilor de temperatură şi 1.5÷3% în lipsa compensării.

3. Traductoare de turaţie digitale

Faptul că montarea traductoarelor analogice de turaţie pe maşina a cărei viteză

unghiulară se măsoară nu este întotdeauna posibilă şi că maşinile de putere mică nu pot fi

încărcate cu mase relativ mari ale rotorului traductorului, constituie o limitare a acestora.

Înlăturarea acestor neajunsuri este posibilă prin utilizarea traductoarelor cu impulsuri. Precizia

acestora nu este afectată de parametrii liniei electrice de legătură între punctul de măsurare şi cel

de indicare. Producerea impulsurilor la rotaţia axului se obţine prin diferite metode: comutatoare

inductive, capacitive, fotoelectrice.

3.1. Traductoare de turaţie capacitive.

Cele mai simple traductoare capacitive de turaţie (fig. 5) se bazează pe obţinerea unei

capacităţi variabile prin salt, proporţională cu turaţia arborelui ce se măsoară.

Traductorul capacitiv de turaţie din fig. 5 este compus dintr-un stator plat alimentat la

tensiunea E şi un rotor plat, solidar cu axul a cărui turaţie se măsoară. Capacitatea între stator şi

rotor se modifică prin salt în funcţie de poziţia rotorului; tensiunea U ce se obţine la ieşire are

forma de impulsuri a căror număr este dependent de turaţie.

O funcţionare asemănătoare o au traductoarele din fig. 5-b,c. Pentru multiplicarea

impulsurilor la ieşire se folosesc soluţiile descrise în fig. 5-d,e,f.

Circuitele de conversie în tensiune a capacităţii unui traductor capacitiv pot fi:

- de c.c., ce presupune excitarea traductorului cu ajutorul unui generator electrostatic;

- de c.a., ce necesită măsurarea unei impedanţe variabile în circuite oscilante ce includ

capacitatea variabilă a traductorului.

În cazul excitării în c.c. de la un generator electrostatic tensiunea ce se obţine la ieşirea

traductorului (fig. 6.a) va avea valoarea:

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

tCC

CECU mωcos2

minmax

0= (5)

unde:

U – tensiunea generată în V;

E – parametrul de excitaţie în V;

C0=(Cmax+Cmin)/2;

C=(Cmax-Cmin)/2;

Cmax – capacitatea maximă a traductorului;

Cmin – capacitatea minimă a traductorului;

( )nPm 30πω = ;

t – timpul în secunde;

n – turaţia în rot/min;

P – rezoluţia, adica numărul de capacităţi pe o mişcare de rotaţie.

E U

a)

E U

b)

l

c)

d)

e) f)

Fig. 5 Traductoare capacitive

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Pentru excitarea traductorului în c.a. valoarea tensiunii U la ieşirea acestuia (fig.6.b)

este:

tnECRU mL ωπ sin30

10 6−−= (6)

unde: RL – rezistenţa în megohmi.

Metoda măsurării impedanţei presupune utilizarea unei punţi cu rezistenţa paralel (fig.

7). Semnalul de la ieşirea punţii este apoi amplificat şi detectat.

Măsurarea turaţiei cu ajutorul circuitelor oscilante a căror frecvenţa de oscilaţie este

dependentă de capacitatea traductorului, presupune în plus circuite de modulare şi circuite de

numărare a frecvenţei.

3.2. Traductoare inductive de turaţie

Traductorul inductiv de turaţie în forma sa cea mai simplă este prezentat în fig.8. La

rotirea rotorului (1) cu turaţia de măsurat – n – în intrefierul electromagnetului (2) excitat de la

sursa I, se modifică reluctanţa magnetică şi ca urmare în bobina secundară se vor induce

impulsuri de tensiune proporţională cu turaţia n.

a)

E

R

U

b)

U R

Fig. 6 Schemele echivalente ale traductoarelor pentru c.c şi c.a.

A D Af U

E

Fig. 7 Măsurarea turaţiei cu traductor capacitiv conectat în punte de c.a.

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Dacă sursa de excitaţie este de c.c., atunci valoarea tensiunii este:

tINNl

U mme ωωµ sin1021

8−

= (7)

unde: I – curentul de excitaţie;

N1,N2 – numărul de spire al bobinelor de excitaţie şi de ieşire;

nPm 602πω = , [rad/sec];

P – numărul de dinţi al rotorului (rezoluţia);

n – turaţia;

l – lungimea liniei de flux;

( ) m

me

ea µµµ

+=

1

µm – permeabilitatea magnetică a materialului;

a – mărimea întrefierului.

Dacă sursa de excitaţie este de c.a. atunci:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

−

ttINNl

U me

eme ω

µµωωµ cos1sin10

0000021

8

(8)

unde: tII 00 cosω= este curentul de excitaţie (A), iar

( )minmax0 21 µµµ +=e , ( )minmax2

1 µµµ −=em

U

l

I ba/2

2

1n

Fig. 8 Traductor inductiv de turaţie

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

U

I

U

a)

I

n

b)

Fig. 8. Pentru mărirea rezoluţiei de obicei se preferă varianta constructivă din fig. 8,a,b, unde

rotorul este înlocuit cu un disc cu mai mulţi dinţi (frecvent N=60 pentru a se obţine direct turaţia

în rot/min).

O altă metodă de conversie a turaţiei unui arbore în impulsuri este asocierea dintre un

disc dinţat şi un traductor inductiv de proximitate, fig. 9,b.

În fig. 9,a se prezintă un senzor magnetic de proximitate.

Fig. 9. b)1

3

2

a

Traductorul de proximitate se compune dintr-un magnet permanent (1), o piesă polară

(2), pe care se află depusă o bobină (3). Prezenţa în apropierea piesei polare a unui material

feromagnetic crează o perturbare a liniilor de flux ale magnetului permanent şi în bobina (3) se

induce o tensiune. Numărul de impulsuri ce se induc în bobină este determinat de turaţia şi

numărul de dinţi ai discului.

3.3. Traductoare de turaţie fotoelectrice

Cel mai simplu sistem de măsură fotoelectric al turaţiei este descris în fig. 10.

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Lumina emisă de sursa de lumină (1) este proiectată de sistemul optic compus din

lentilele (3) şi (4) pe fotoelementul (5). Între lentile este montat, pe arborele a cărui turaţie se

măsoară, un disc prevăzut cu orificiu, care permite razelor de lumină să treacă pentru scurt timp

spre fotoelement. Astfel că numărul de impulsuri electrice obţinute la ieşirea fotoelementului

este proporţional cu turaţia, rezoluţia fiind cu atât mai bună cu cât numărul de orificii este mai

mare (de obicei N=60).

O altă soluţie constă în dispunerea, pe axul a cărui turaţie se măsoară, a unor fâşii

alternante reflectorizante şi absorbante. Astfel că lumina trimisă de sursă este sesizată de

fotoelement cu un tact dependent de turaţie. Frecvenţa impulsurilor poate fi mărită prin mărirea

numărului de zone absorbante şi reflectorizante.

Cu această metodă se pot măsura cele mai mari turaţii intâlnite în tehnică 300÷300000

rot/min. În plus procedeele optice au avantajul că nu încarcă arborele a cărui mişcare se măsoară.

4. Strobotahometre

Sunt aparate de măsură a turaţiei bazate pe efectul stroboscopic, ce prezintă avantajul

că măsurarea vitezei unghiulare se realizează în absenţa oricărui contact mecanic cu obiectul

aflat în mişcarea de rotaţie.

Obiectul de rotaţie este iluminat periodic cu impulsuri de mare intensitate şi de scurtă

durată. Dacă între frecvenţa impulsurilor luminoase şi frecvenţa obiectului există egalitate sau

raport de numere întregi, obiectul va fi iluminat mereu în aceeaşi poziţie şi datorită inerţiei

ochiului se va obţine o imagine imobilă.

Schema bloc a unui stroboscop electronic este prezentată în fig. 11.

A

1

2

n

45

3

Fig. 10 Traductor optic de turaţie

SENZORI ŞI TRADUCTOARE Traductoare de turaţie

Impulsurile de mare intensitate şi scurtă durată sunt furnizate de lampa stroboscopică L

cu descărcare în xenon, obţinându-se o repartiţie a energiei luminoase în spectrul vizibil. Prin

lampă se descarcă energia înmagazinată într-un condensator la apariţia unui impuls de comandă

de la blocul de comandă a lămpii B.C.L. Acest impuls se obţine prin formare de la un generator

intern G. Frecvenţa impulsurilor este indicată de un frecvenţmetru F. Când între frecvenţa

iluminatului şi cea a mişcării există relaţia:

.. miscilum fnmf =

m, n – numere întregi prime între ele, se obţine o imagine fixă de multiplicitate m.

Pentru a determina frecvenţa mişcării se variază frecvenţa iluminării începând de la

frecvenţe mari pâna se obţine o imagine stabilă.

5. Lucrări de efectuat în laborator

Se vor studia un traductor de tip tahogenerator şi un altul strobotahometric în comparaţie cu un

traductor fotoelectric. Tahogenerator se înseriază într-un circuit împreună cu un instrument de

măsură gradat în rotaţii pe minut şi o rezistenţă decadică. Se reglează din aceasta egalitatea

indicaţiei la turaţie maximă cu cea dată de traductorul fotoelectric. Se variază turaţia motorului

de la 1000 rot-min la 0 din sută în sută şi se notează într-un tabel indicaţiile celor trei traductoare.

Se vor trasa grafic cele două caracteristici şi se vor determina erorile de neliniaritate.

G B. E. D B.C.L. L

F

Fig. 11 Strobotahometru