Analog Yöntemler
9.2.1 Analog Yöntemler
Analog yöntemlerde çıkış sinyalinin türüne göre d.c. takojeneratör, a.c. sabit mıknatıslı ve a.c. endüksiyon takojeneratörler bulunmaktadır. Mekanik çıkışlı olan takometre ise, sürüklenme kupası (drag-cup tachometer) ya da eddy akım takometre olarak adlandırılmaktadır.
9.2.1.1 DC Takometreler
Bir takometre açısal hızın ölçülmesinde kullanılan bir elektrik üretecidir. Bir fırça tipi d.c. takometre Şekil 9.1’de gösterilmiştir. Bobin armatür (endüvi) denilen bir metal silindir üzerine yerleştirilmiştir. Endüvi iki sabit mıknatıs alan kutupları tarafından üretilen manyetik alan içinde serbestçe dönmektedir. Bobinin iki ucu komütatör (kollektör) denilen parçalı bir bağlantı halkasının zıt yarıklarına bağlanmıştır. Endüvideki her bir bobin için komütatör üzerinde iki kısım vardır (Şekil 9.1’de bunlardan yalnızca biri gösterilmiştir). Örneğin 11 bobinli bir endüvi
22 kısımlı bir komütatöre sahiptir.
Hız
Sabit
Komütatör
mıknatıs
Döner
Döner bobin bobin
Şekil 9.1 Sabit mıknatıs d.c. takometre (Mechatronics, C.W. De Silva) Şekil 9.2’de d.c. sabit mıknatıs takojeneratörde yay yüklemeli karbon fırçalarla temas eden
Bölüm 9 Açısal Hız ve İvme Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
yalıtımlı bakır segmanlara bağlı rotor sarımlarının (endüvi) iletkenleri gösterilmiştir. İki tane karbon fırça bobin uçlarını komütatör kısımlarına bağlamaktadır. Bu komütatör aracılığıyla
yapılan işlem aslında her zaman aynı konumda olan iletkenlerle çıkış terminallerinin temasını sağlamaktır. Fırçalar ve komütatör bobin bağlantılarını endüvinin her bir 180 ’lik dönüşü için bir defa ters çeviren anahtar gibi çalışmaktadır. Dolayısıyla, bu anahtarlama işlemi hareketi dönen bobinde endüklenen a.c. gerilimi bir d.c. gerilime çevirir. Diğer bir deyişle, komütatör ve fırça bir a.c.d.c. çevirici görevini görür.
Sabit mıknatıs
İletkenler
Bakır segman
Komütatör
Karbon
fırça
Şekil 9.2 Sabit mıknatıs d.c. takojeneratör yapım ayrıntıları (Engineering Instrumentation and Control, Haslam, Summers Williams)
Takometre endüvinin açısal hızı ile orantılı bir d.c. gerilim üretir. Eş.(9.1) ve (9.2) bir d.c. takometre için sabit elektromotor kuvvetini (emk) ve çıkış gerilimini tanımlamaktadır.
E : takometre çıkışı (volt) K E : emk sabiti (Vrpm)
S : açısal hız (rpm) : açısal hız (rads) R : ortalama yarıçap (m)
B : manyetik alanın akı yoğunluğu (Wbm 2 ) N : iletkenlerin efektif sayısı
L : her bir iletkenin uzunluğu (m) Kötü bir endüstriyel ortam fırça tipi takometrelere zarar verebilir. Fırçalar üzerinde parçacıkların
birikmesi aşınmalara neden olur. Buhar (yağ, vb.) birikmeleri komütatörde ince bir film tabakasının oluşmasına ve dolayısıyla hatalara neden olur. Kapalı bir kaba yerleştirilmesi aşırı ısınmaya neden olur. Bu sorunları çözmek için fırçasız bir d.c. takometre kullanılabilir. Bu durumda sabit mıknatıs ve bobinin konumlarını ters çevirmek gerekir. Burada sabit mıknatıs endüvi olur ve bobin sabittir. Endüviye elektriksel bağlantı yapılmadığından fırçalar ve komütatöre gerek yoktur. Ancak endüvinin konumunu algılamak için ek bir devreye ve bir d.c. çıkış elde etmek için uygun bir katıhal anahtarlamaya gerek vardır. Katıhal anahtarlama devresi
Bölüm 9 Açısal Hız ve İvme Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
fırçalar ve komütatörün yaptığı görevi üstlenir.
Örnek 9.1:
Bir d.c. takometre şu özelliklere sahiptir: R = 0.03m, B = 0.2Wbm 2 , N = 220, L = 0.15m
K E ‘yi ve aşağıdaki hızlar için çıkış gerilimi hesaplayınız. S = 1000, 2500 ve 3250 rpm
Çözüm:
S=1000 rpm için:
Ölçme Aralığı
0 … 8000rpm
Tipik Özellikler
Çıkış duyarlığı
1000 rpm başına 16V
Maksimum hız
8000 rpm
Çıkış doğrusallığı
5000 rpm’ye kadar 0.5
rms dalgacığı
0.6 (3000 rpm’de 0.25ms zaman sabiti ile)
Tablo 9.1’de 2000 devdak’ya kadar açısal hızların ölçümünü yapabilen örnek bir d.c. takojeneratörün karakteristik özellikleri verilmiştir.
Tablo 9.1 Örnek bir d.c. takojeneratörün karakteristik özellikleri (Processindustrial instruments and controls handbook, McMillan Considine)
1000 devdak’daki gerilim çıkışı
6V±1
Doğruluk
±1
EMK doğrusallığı
±0.15
İzin verilen akım drain
50 mA
a.c. dalgacığın maksimum rms değeri
Maksimum çalışma sıcaklığı
120 C
25 C’taki iç direnci
20 ±2
Fırçaların birleşimi
Palladyum-gümüş alaşımı
Endüvi
12 çubuk, 12 yarık
Sıcaklık kompanzasyonu
10 C’lik değişim başına
Bölüm 9 Açısal Hız ve İvme Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
Normal sürekli hız
2000 devdak
Minimum üst hız sınırı
100 devdak
Maksimum üst hız sınırı
2000 devdak
9.2.1.2 AC Takometreler
Bir a.c. takometre çıkışında üç fazlı doğrultucu olan üç fazlı bir elektrik üretecidir. Şekil 9.3(a)’da büyüklüğü mıknatısın açısal hızına bağlı olan bir gerilim endükleyen stator bobin
içinde dönen sabit mıknatıslı bir takojeneratör görülmektedir. Şekil 9.3(b)’de ise kutup sayısı bir öncekinin iki katı olan bir a.c. takojeneratörün çıkış genliği sabit iken frekansının iki katı olduğu görülmektedir. Hız değiştikçe gerilimin frekansı da değişecektir ve bu da Şekil 9.4’te görülmektedir (hızlardan birinin frekansı diğerinin iki katıdır). Daha yüksek hızda, hem büyüklük hem de düşük hızdakinin iki katıdır.
Sabit
mıknatıs Stator
Şekil 9.3 Sabit mıknatıs a.c. takojeneratör ve dalga şekilleri
Şekil 9.4 İki farklı hız için a.c. takojeneratör dalga şekilleri Bu frekans değişimi empedansı veya bir a.c. devredeki akıma karşı gösterilen zorluğu etkiler ve
çıkış akımıgiriş hızı ilişkisinde doğrusal olmayan bir özellik gösterir. Bu etki frekansla değişmeyen büyük bir seri direncin devreye eklenmesiyle azaltılabilir. Ancak duyarlıkta bir
Bölüm 9 Açısal Hız ve İvme Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
azalma olacaktır. Şekil 9.5’te görülen bir köprü diyot ve RC filtresi kullanan doğrultucu devresi örneğin bir
kalemli kaydediciyi veya bir hareketli bobin ölçü aletini doğrudan sürmek için uygun bir d.c. çıkış gerilimi üretmek için kullanılabilir. Frekans arttıkça istenmeyen dalgacığın azalması daha etkin bir şekilde gerçekleşir.
BR1
R
a.c. tako
Köprü doğrultucu
DC çıkış RL
C
Şekil 9.5 AC takojeneratör ile birlikte kullanılan doğrultucu ve filtre devreleri AC takometre yüksek hızlarda iyi çalışır, ancak çıkışı doğrultucuların üzerindeki 0.7V’luk
gerilim düşümünden dolayı düşük hızlarda doğrusal çıkış vermez. Bu nedenle, a.c. takometreler 100’e 1 oranında hız ölçme aralığıyla sınırlandırılmıştır (d.c. takometrelerde bu oran 1000’e 1’dir).
AC takojeneratörün üstünlüğü rotorun bir sabit mıknatıs olası, karbon fırçalar ve kayar bileziklerle 1 yapılan bağlantıların olmamasıdır. Dolayısıyla bir d.c takojeneratörden daha
dayanıklıdır ve beklenen devir ömrü daha uzundur. Aynı zamanda, fırçasız d.c. üreteçle aynı kirli ortam koşullarına karşı dayanıklıdır.
Ölçme Aralığı
10 … 5000rpm
Tipik Çıkış
3000 rpm’de 60V rms , yani devs başına 1.2V
9.2.1.3 Sürüklenme Kupası (Drag-cup Tachometer)
Şekil 9.6’daki sürüklenme kupası takometre bir alüminyum veya bakır silindir içinde dönen bir sabit mıknatıstan oluşmaktadır. Mıknatıs ve silindir arasında mekanik bir bağlantı yoktur. Mıknatıs, hızı ölçülecek mile bağlıdır. Mıknatıs döndükçe, alüminyumda eddy (fuko) akımları endüklenir ve bunlar sabit mıknatısı izlemeye çalışan bir manyetik alan yaratırlar. Oluşan elektromanyetik torka bir spiral yayın torku tarafından karşı konulur ve silindir torkların dengeye ulaştığı konuma doğru hareket eder. Eddy akımlarından kaynaklanan elektromanyetik tork
1 Slip ring: kayar bilezik. Genel olarak dönen bir mil üzerine monte edilen fakat milden yalıtılan bir iletken bilezik; sabit bir fırça ile birlikte bir devrenin sabit ve hareket eden
parçalarını birleştirmek için kullanılır. Özellikle bir a.c. makinenin rotor şaftı üzerine monte edilen ve adı geçen şaftlardan yalıtılan, sargısından akım almak için kullanılan aracı oluşturan bilezikler.
Bölüm 9 Açısal Hız ve İvme Ölçümü
Yrd.Doç.Dr. Dilşad Engin
mıknatısın hızıyla ve dolayısıyla silindirin açısal hızıyla orantılıdır. Bu çeşit bir takometrenin uygulama alanı arabadaki hızölçerdir. Bu hızölçer araba tekerleklerinin
açısal hızını bir dişli mekanizması aracılığıyla ölçer.
Ölçme Aralığı
0 … 10,000rpm
Tipik Çıkış
8000 rpm’de 270 ’lik ibre hareketi
Hız kadranı
İbre
Alüminyum Kupa
Sabit mıknatıs
Spiral Yay
Mil
Şekil 9.6 Sürüklenme kupası (Engineering Instrumentation and Control, Haslam, Summers Williams)