Радиоволновый тахометр (часть 2)
В.ЩЕРБАТЮК, П.ШТУРБИН, г.Минск.
Схема показывающего прибора приведена на рис.7, а основного модуля А1, входящего в его состав - на рис.8. Рассмотрим сначала узлы модуля А1.
Рис. 7
Схема основного модуля А1 (часть 1)
Схема основного модуля А1 (часть 2)
Фильтр верхних частот (ФВЧ). Используемый в тахометре ФВЧ является активным RC-фильтром второго порядка. Он построен на операционном усилителе D5. Частоты среза ФВЧ определяются резисторами R2...R6, R14, R19, R20 и конденсаторами С4, С8. Они равны для диапазонов 1, 2, 3, 4 соответственно 10 Гц, 50 Гц, 150 Гц, 500 Гц и переключаются нажатием кнопок переключателя "Диапазон 1,2,3,4" (SA1... SA3). "Диапазон 1" включается при отжатии всех кнопок. Фильтр обеспечивает затухание 12 дБ/октаву.
Усилитель с автоматической регулировкой усиления (УАРУ). Принцип действия УАРУ основан на изменении коэффициента усиления операционного усилителя D11 в зависимости от амплитуды сигнала на входе. Изменение коэффициента усиления обеспечивается введением отрицательной обратной связи, глубина которой регулируется изменением сопротивления оптрона VU2. УАРУ выполнен на двух операционных усилителях D11 и D14, первый из которых является собственно усилителем, второй - интегратором, вырабатывающим управляющий сигнал для оптрона. При увеличении уровня сигнала на выходе УАРУ этот сигнал детектируется, и из него с помощью интегратора выделяется постоянная составляющая, которая усиливается и инвертируется транзистором VT3 и подается на лампочку оптрона VU2. При этом сопротивление оптрона увеличивается, вызывая тем самым уменьшение коэффициента усиления операционного усилителя. При уменьшении сигнала процесс происходит аналогично, но в обратном направлении. Динамический диапазон регулировки составляет 50 дБ, полоса пропускания по уровню -3 дБ - 10 Гц...20 кГц. Выходной сигнал поддерживается на уровне 1,5 В. Переключатель SA8 переводит УАРУ в режим компаратора напряжения.
Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Система ФАПЧ состоит из фазового детектора, фильтра нижних частот, цифрового фазовращателя, преобразователя уровня и опорного генератора. Фазовый детектор собран по последовательно-параллельной схеме на аналоговых ключах D1. Управляющий сигнал на ключи подается с цифрового фазовращателя через преобразователь уровня на транзисторах VT6, VT7. ФНЧ первого порядка собран на операционном усилителе D3. Цифровой фазовращатель выполнен на D-триггерах D9.2, D12. На его выходе имеются две пары противофазных сигналов, сдвинутых друг относительно друга на 90°. Для предотвращения сбоя фазировки выход триггера D12.2 соединен с D-входом триггера D12.1.
Опорный генератор (ОГ). Опорный генератор выполнен по схеме релаксационного генератора на операционном усилителе D6. Для перестройки частоты используется оптрон VU1, управление которым осуществляется с помощью переменных резисторов RP1 и RP2 и эмиттерного повторителя на транзисторе VT2. Для автоподстройки частоты используется полевой транзистор VT1, включенный в цепь положительной обратной связи в качестве управляемого сопротивления. Для согласования по уровню с цифровой частью прибора используется формирователь на резисторах R30, R31 и диоде VD5. Диапазон перестройки генератора (О... 100 кГц) устанавливается подстроечными резисторами RP3, RP4. Делитель частоты на 10 выполнен на микросхеме D10.
Индикатор захвата (ИЗ). ИЗ состоит из синхродетектора, ФНЧ, стрелочного индикатора, компаратора и светодиода. Синхродетектор и ФНЧ - такие же, как и в системе ФАПЧ, и выполнены на микросхемах D2, D4. Уровень постоянной составляющей после ФНЧ измеряется с помощью стрелочного прибора РА1 (рис.7) и показывает величину, полученную при автосопровождении гармоники (при настройке системы ФАПЧ). Компаратор на операционном усилителе D7 реагирует на превышение постоянной составляющей заданного уровня, при этом загорается светодиод VD2 (рис.7). Порог компаратора выбирается таким, чтобы он срабатывал при захвате гармоник с уровнем более 30% от уровня всего спектра сигнала, и задается подстроечным резистором RP2. Управляющий сигнал на ключи D2 подается с цифрового фазовращателя через преобразователь уровня, выполненный на транзисторах VT4, VT5.
Делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД). ДПКД выполнен на двух реверсивных счетчиках D20, D22. Принцип работы ДПКД заключается в обратном счете приходящих на его вход импульсов, начиная от заранее заданного числа N, значение которого устанавливается программным переключателем SA4. N +1 импульс устанавливает счетчик в исходное состояние, и на выходе "< 0" появляются импульсы, частота следования которых в N + 1 раз меньше частоты входных импульсов.
Частотомер (Ч). Цифровой частотомер выполнен на ИМС по стандартной схеме. В качестве формирователя "временных ворот" используется кварцевый генератор на микросхеме D18 и делитель частоты на микросхемах D25, D28, D31, D32, D35, D37. Частота кварцевого генератора выбрана равной 100 кГц. Длительность "временных ворот" определяется коэффициентом деления делителя и устанавливается с помощью переключателей "ВРЕМЯ ИЗМЕРЕНИЯ 0,5 с; 0,3 с; 3 c"(SA4... SA6). Для измерения скорости вращения в оборотах в секунду время измерения выбирается равным 0,5 с, а для измерения в оборотах в минуту - 0,3 или 3 с. Счетчиком на микросхемах D30, D34, D38, D42 подсчитывается число импульсов, приходящих на его вход за время действия "временных ворот". На регистрах D27, D33, D36, D41, D43, которые совмещают в себе функции коммутаторов и элементов памяти, выполнена динамическая индикация. Микросхема D26 является дешифратором двоично-десятичного кода счетчиков в семипозиционный код индикаторов. Значение измеряемой величины индицируется на светодиодном цифровом табло, расположенном на передней панели показывающего прибора.
Формирователь (Ф). Формирователь выполнен на двух инверторах D13.1 и D13.2 по схеме с положительной обратной связью. Для согласования входа формирователя с выходом УАРУ служит резистор R38.
Преобразователь частота/напряжение (ПЧН). ПЧН предназначен для аналогового вывода информации о скорости вращения на самописец. Он выполнен на микросхеме D3. Диапазон ПЧН составляет 20...3000 Гц. Линейность преобразования - не хуже 5%.
Блок питания (БП). БП состоит из силового трансформатора Т1 (рис.7), выпрямителей и стабилизаторов напряжения. Стабилизаторы обеспечивают прибор следующими напряжениями: +15 В/0,35 А, -15 В/0,1 А, +5 В/0,8 А. Амплитуда пульсации выходного напряжения +15 В не превышает 5 мВ, -15 В - 20 мВ, +5 В - 50 мВ.
Конструкция тахометра. Конструктивно тахометр выполнен из двух узлов - первичного преобразователя и показывающего прибора, соединенных между собой кабелем. Первичный преобразователь состоит из корпуса генератора СВЧ с фланцем, к которому с помощью 4 винтов крепятся сменные приемно-передающие антенны.
Показывающий прибор состоит из передней и задней панелей, металлического шасси, присоединенного к передней панели, и боковых направляющих. На передней панели расположены все основные органы управления и входной разъем.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Вращая ручку настройки "V" (RP2 на рис.7), установите предполагаемую частоту вращения по индикаторному табло. Плавно вращая ручку "VV" (RP1), добейтесь максимального отклонения стрелки прибора, при этом должен загореться светодиод НАСТРОЙКА (VD2), что свидетельствует о захвате (настройке) системы ФАПЧ. Если частота вращения неизвестна, то, медленно вращая ручку настройки, пройдите весь диапазон частот от 0 до момента отклонения стрелки прибора и загорания светодиода. Затем по индикаторному табло снимите отсчет измеренной частоты вращения (частоты сигнала).
Естественно, что принцип действия тахометра накладывает определенный отпечаток на методику работы с ним. При работе с тахометром рекомендуется экспериментально определять угол между первичным преобразователем и осью вращения измеряемого объекта типа вентилятор по максимальному отклонению стрелки прибора (угол - в пределах 10...90°, как показано на рис.9а). Иногда при недостаточном отклонении стрелки измерительного прибора светодиод НАСТРОЙКА может не загореться. В этом случае первичный преобразователь прибора необходимо сдвинуть на 0,5... 1,0 см вперед или назад по направлению к измеряемому объекту до загорания светодиода.
Рис. 9
При измерении частоты вращения валов двигателей, не имеющих насадок, необходимо располагать антенну первичного преобразователя под углом 90° к оси вращения (рис.96). Если вал имеет малые геометрические размеры, необходимо использовать антенну в виде отрезка волновода (рис.9в).
Если первичный преобразователь расположен близко к направлению оси вращающегося объекта типа вентилятор (угол О... 10°), то переключатель "ДЕЛИТЕЛЬ N - 1" необходимо установить в нулевое положение, независимо от количества лопаток на измеряемом объекте.
Иногда при проведении измерений возможно получение показаний частоты вращения, завышенных в 2 или 3 раза. В этом случае измените положение первичного преобразователя и повторите измерения. Диапазон 1 (10 Гц...20 кГц) включается при всех отжатых кнопках переключателя "ДИАПАЗОН".
Для измерения частоты вибрации направьте ось рупора антенны под углом 90° к плоскости объекта. При измерении частоты вращения шестерен направьте антенну на ее зубья (рис.10а). Если между тахометром и объектом имеется преграда с радиопрозрачными щелями, используйте антенну в виде отрезка волновода (рис.10б).
Рис.10
РМ 12/2001, с.29-32.