dinamo tachimetrica - Digilander

RELAZIONE DI SISTEMI LABORATORIO
DINAMO
TACHIMETRICA
RELAZIONE SVOLTA DAGLI ALUNNI : Michele Parrella, Marco Vigano,
Andrea Borghetti, Claudio Mariani
RELAZIONE N’: 2
ANNO SCOLASTICO: 2005/2006
DATA SVOLGIMENTO DELLA PROVA: 19/12/2005
DOCENTI RESPONSABILI: I.T.P. Giuseppe Rizzaro, doc. teorico Dante Bezzi.
ASSISTENTE DI LABORATORIO: Giacomo Mingirulli.
LUOGO SVOLGIMENTO PROVA: Laboratorio di sistemi.
TRASDUTTORI DI VELOCITA’:
I trasduttori di velocità sono elementi che trasformano una grandezza meccanica: in questo caso
velocità angolare in una grandezza elettrica che può essere:
1) Una tensione continua direttamente proporzionale al numero di giri fornita da una dinamo
tachimetrica ( DT );
2) Una serie di impulsi ad ampiezza costante e frequenza proporzionale alla velocità angolare o ai
numero dei giri.Questi impulsi sono ottenuti sia con trasduttori fotoelettrici che con trasduttori
magnetici o generatori tachimetrici ( piccoli alternatori ).
DINAMO TACHIMETRICA :
Questo tipo di trasduttore è una dinamo a magnete permanente con comportamento analogo alla
dinamo con eccitazione costante.
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Queste macchine per poter essere usate nei servomeccanismi devono essere caratterizzate da bassi
valori del momento di inerzia e devono fornire in uscita una tensione lineare in funzione della
velocità di rotazione (V = f ( ng )).
caratteristiche di una dinamo tachimetrica al variare
dei carichi
18
16
14
12
10
V
8
6
4
2
0
R (infinita)
R2<R1
R3<R2
Il grafico riporta teoricamente la
caratteristica della tensione di
uscita in funzione del numero di
giri in base al carico.
R4<R3
0
1000
2000
3000
4000
giri/min
Vediamo ora quali sono i parametri che caratterizzano maggiormente la dinamo tachimetrica:
a) non ci sono problemi di sfasamento fra tensione erogata e corrente generata non che di
forma d’onda;
b) a velocità nulla ,anche la tensione di uscita è nulla.
ELEMENTI DI DISTURBO:
Gli elementi di disturbo della dinamo sono:
a) CARICO:questo è forse l’elemento che maggiormente influenza la linearità della
caratteristica V= f (ng) essa agisce sul gradiente. Modificando la tensione in uscita a parità
di numero di giri, e sia sulla linearità vera e propria della curva in uscita, (per bassi valori
della resistenza di carico, la caratteristica tende a una curva).
b) EFFETTI SMAGNETIZZANTI:questi possono alterare il gradiente o la costante della dinamo.
Per evitare tali effetti devono evitare accidentali cortocircuiti sui morsetti della dinamo. Un
altro effetto smagnetizzante è dovuto all’invecchiamento dei materiali o al basso valore della
f.e.m. coercitiva intrinseco del materiale magnetico impiegato.
La relazione che lega la tensione indotta al numero di giri si può indicare come e=Kd*n dove e è
uguale alla tensione generata dalla dinamo, n è uguale al numero di giri al minuto e Kd è uguale alla
2
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costante della dinamo (Kd = MΦ) MΦ = momento, il cui valore è considerato costante in quanto la
dinamo è a magnete permanente, tale valore è espresso in volt su giro o volt su mille giri.
ELEMENTO FOTOELETTRICO:
L’intero elemento fotoelettrico si trova all’interno di un piccolo integrato.
Lo schema di funzionamento del rilevatore fotoelettrico è dato come in figura e si basa su un
principio molto semplice:
Schema del
rilevatore
fotoelettrico
FASCIO LUMINOSO
C
DIODO CHE
EMETTE FASCIO
B=BASE
C=COLLETTORE
B
LUMINOSO
TRANSISTOR
E=EMETTITORE
E
se un dischetto forato (schematizzato a pagina 5) lungo la sua circonferenza viene fatto girare in
modo che i fori periferici interrompano il passaggio della luce un certo numero di volte ogni giro, si
ottiene in uscita del fototransistor una serie di impulsi direttamente proporzionali alla velocità di
rotazione del motore.
La relazione che lega la frequenza al numero di giri è:
f = (nt *ng)/60
oppure
ng = (60*f)/nt
nt =numero di tacche; ng =numero di giri
Nel caso nt sia pari a 60, la frequenza degli impulsi è uguale al numero di giri del motore;
nel nostro caso l’unità di studio DTS6 è previsto con nt =60.
FUNZIONAMENTO DEL TRANSISTOR:Quando il fascio luminoso sensibilizza la base B,chiude
il circuito ed il segnale passa dal collettore C all’emettitore E.
ELEMENTO AD EFFETTO HALL:
Questo sensore fornisce informazioni analoghe a quelle del rilevatore fotoelettrico, cioè fornisce u n
treno di impulsi con frequenza proporzionale al numero di giri del motore.
Funziona secondo l’effetto hall (effetto di tipo induttivo) e rileva una differenza con variazione di
flusso magnetico.
Il flusso magnetico è fornito da un magnete permanente; la variazione del flusso è dovuta dalla
vicinanza o meno di un blocco di ferro.
La relazione è uguale a:
ng =(60*f)/nt
3
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N.B. Nel nostro caso è prevista con nt =6, pertanto la frequenza misurata va moltiplicata per un
fattore =10 per avere il numero di giri effettivi del motore.
ELENCO DELLE APPARECCHIATURE E DELLE STRUMENTAZIONI DI
MISURA NECESSARI PER LA REALIZZAZIONE DEGLI ESPERIMENTI
PROPOSTI.
ESPERIMENTI
ESP.1
ESP.2 ESP.3 ESP.4 ESP.5 ESP.6
APPARECCHIATURE
UNITA’ DTS 6/1
UNITA’ DTS 6/2
DVM(MULIMETRO DIGITALE)
OSCILLOSCOPIO
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
GEN. FUNZIONI
FREQUENZIMETRO
DVM ( ADDIZIONALE )
REGISTRATORE X / Y
MASTER BOARD ( MB-1A )
UNIT DTS – 6/1 e UNIT DTS – 6/2:
*
*
*
*
*
*
*
*
*
(viste dall’alto)
4
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UNIT DTS - 6/2
MOTOR GROUP
UNIT
VEL
FOTOEL
OUT
_ 12 V
X100
X10
X1
S - 6/1
TY TRANSDUCER
+12 V
R1 10 K
Vin.
Vin.
AMP. GAIN
R2 1 K
_
Vp
M
_
DT
_
R3 500
_
COMP.
AMP.
+
+
TACH. LOAD
Voff.
TRA
VELO
Vref.
CER
MPUT
P1
P2
P3
FREQ.
MAGNETIC
OUT
VOLT
CONVERT.
Vp ADJUST
Voff. ADJUST
Vref ADJUST
UNIT DTS – 6/2:
(vista dal
davanti)
ESPERIMENTO 1:
OBIETTIVO: studio delle caratteristiche di funzionamento e del collegamento di un rilevatore
fotoelettrico come trasduttore di velocità
5
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Apparecchiatura richiesta: vedere tabella a pagina precedente
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO
Prima di
modo:
1.1
1.2
1.3
1.4
procedere col rilievo delle caratteristiche occorre tarare i circuiti elettronici nel seguente
montare il circuito come in figura 1.1
alimentare il circuito
ruotare il potenziometro P1 fino ad ottenere 1V in uscita dalla dinamo tachimetrica
scollegare il canale 2 dell’oscilloscopio dall’uscita del comparatore e collegarlo all’uscita
del dispositivo fotoelettrico
1.5 visualizzare sullo schermo dell’oscilloscopio la forma di onde del segnale sul canale 2
1.6 selezionare il guadagno *100 dell’amplificatore e ruotare il potenziometro P2 in modo da
visualizzare sul canale 1 il segnale amplificato
1.7 scollegare il canale 2 del dispositivo fotoelettrico e collegarlo all’uscita del comparatore
1.8 ruotare P3 in modo da ottenere sul canale 2 dell’oscilloscopio un’onda quadra
proporzionale al segnale d’ingresso
1.9 la taratura dei circuiti per rilevare le forme d’onda in modo corretto è finita, spegnere
l’alimentatore
N.B.:I 2 segnali dei 2 canali devono essere uguali.La taratura consiste nel trovare il valore medio
offset dove le onde quadre dei 2 segnali non devono uscire dalle 2 linee rette che rappresentano il
valore massimo ed il valore minimo, come rappresentato nella figura 0.1
Figura 0.1
VALORE MASSIMO
OFFSET
VALORE MINIMO
6
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Figura 1.1
2
CARATTERISTICA DEL RILEVATORE FOTOELETTRICO:
2.1
2.2
2.3
Utilizzare il circuito di figura 1.1 collegando il canale 1 dell’oscilloscopio all’uscita del
rivelatore fotoelettrico, ed il canale 2 all’uscita dell’amplificatore
Ruotare P1 in senso orario in modo da portare la tensione all’uscita di Vp a 1 V leggere sul
frequenzimetro la frequenza misurata e riportare il valore in tabella 1.1
N.B. Il rivelatore ha 60 tacche il che equivale a una corrispondenza diretta tra le frequenze
indicate e il numero dei giri
Ripetere la prova per tutti i valori di Vp della tabella
Tabella 1.1
Vp (V)
1
1,3
2,6
3,9
5,2
6,5
7,8
9
10
Freq. (Hz)
470
640
1440
2220
2970
3700
4450
5220 5600
RPM (g/min)
470
640
1440
2220
2970
3700
4450
5220 5600
7
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2.4
Riportare la tensione Vp a zero
ANALISI DEI RISULTATI:
Come indicato nella parte teorica la frequenza indicata è pari al numero di giri in quanto
(per nt = 60):
ng = (60 * freq)/ nt = freq
Completare la tabella 1.1 con il numero di giri del motore, dopo di che si riporta in figura la
caratteristica V= f(ng) cioè tensione applicata al motore in funzione del numero di giri rilevati al
suo asse
CARATTERISTICA DEL RILEVATORE
FOTOELETTRICO
10
9
8
7
6
Vp 5
4
3
2
1
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
rpm
OSSERVAZIONI:In uscita dall’amplificatore abbiamo un segnale quadrato,e dal comparatore un
segnale quadrato proporzionale al segnale d’ingresso
8
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ESPERIMENTO 2:
OBIETTIVO: studio del convertitore frequenza-tensione accoppiato con il rivelatore fotoelettrico
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO
1
Rilievo della caratteristica del convertitore frequenza-tensione
1.1
Montare il circuito sottostante
FREQUENZ.
FREQ.
VOLT
CONVERTER
TTL
OUT
GENERAT.
FUNZIONI
1.2
1.3
1.4
1.5
DVM
Alimentare il circuito
Impostare una frequenza di 10 Hz sul generatore di frequenza utilizzando l’uscita TTL
oppure 5 Vpp
Riportare in tabella 2.1 il valore della tensione misurata sul voltmetro
Riportare i passi 1.3 e 1.4 per i valori di frequenza riportati in tabella 2.1
Tabella 2.1
Freq. (Hz)
10
20
50
100
200
500
1000
2000
5000
Vout FVC
(mV)
12
23
56
109
216
537
1079
2150
5270
K= Vout/freq
(V/Hz)
1,2
1,15
1,12
1,09
1,08
1,074
1,079
1,075
1,054
1.6
Spegnere l’alimentatore
OSSERVAZIONI:ttl out è un segnale digitale già prefissato sullo strumento (generatore funzioni )
e ha un valore di 5 V
Il generatore di funzioni può generare diverse forme d’onda:sinusoidale,
quadrata e a dente di sega
9
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Il freq. volt converter serve a convertire una frequenza in una tensione
CARATTERISTICA DEL CONVERTITORE FREQUENZA-TENSIONE
6000
5000
4000
f (Hz) 3000
2000
1000
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
V (mV)
2
TARATURA DEI CIRCUITI ELETTRONICI:
Ripetere la procedura riportata nell’esperimento 1 a pag.6
3
3.1
3.2
COLLEGAMENTO DEL RILEVATORE FOTO ELETTRICO AL CONVERTITORE:
Collegare il circuito di figura 2.2
Alimentare il circuito
figura 2.2
10
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3.3
3.4
3.5
3.6
Portare P3 circa nella posizione centrale e P2 a 12,70
Ruotare P1 in modo da ottenere su Vp una tensione di 1 V
Riportare in tabella 2.2 i dati rilevati dalla strumentazione
Ripetere la misura per tutte le tensioni Vp indicate
Spegnere l’alimentazione
tabella 2.2
Vp ( V )
1
1.3
2.6
3.9
5.2
6.5
7.8
9
10
RPM
470
640
1440
2220
2970
3700
4450
5220
5600
Vout
0,54
0,72
1,53
2,35
3,15
3,96
4,73
5,41
5,98
K * RPM
23,38
23,04
44,064
52,17
46,777
29,304
21,0485
14,094
6,608
ANALISI DEI RISULTATI:
Calcolare il coefficiente K di tabella 2.2 in base alla seguente formula:
K=1/n
Vout /Freq. =………. ( V / freq. )
2.1
Il coefficiente K moltiplicato per la frequenza in ingresso fornisce la tensione in uscita del
convertitore
Vout /Freq. = K * f ing. = K * N =……….( V )
2.2
In base alla formula 2.2 completare la tabella 2.2
Confrontare il valore misurato di Vout con il valore teorico calcolato con la formula 2.2
ESPERIMENTO 3:
(Questo esperimento non siamo riusciti a svolgerlo per problemi alle
apparecchiature,comunque vi sono riportate qui sotto tutte le procedure per
svolgerlo)
OBIETTIVO: studio del funzionamento e del collegamento di un rilevatore ad effetto Hall come
trasduttore di velocità
Apparecchiature richieste: vedi tabella apparecchiature
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO
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1
TARATURA DEI CIRCUITI ELETTRONICI:
Ripetere la procedura riportata nell’esperimento 1 a pag.6
2
CARATTERISTICA DEL RILEVATORE AD EFFETTO HALL:
figura 3.1
2.1 Montare il seguente circuito
2.2 Alimentare il circuito
2.3 Ruotare P1 in modo da ottenere su Vp una tensione di 1 V
Riportare in tabella 3.1 i dati rilevati dalla strumentazione
tabella 3.1
Vp (V)
1
1,3
2,6
3,9
5,2
6,5
7,8
9
10
Freq. (Hz)
RPM (g/min)
2.4 Ripetere le misure per le varie tensioni Vp indicate in tabella 3.1
12
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2.5 Spegnere l’alimentazione
ANALISI DEI RISULTATI:
Completare la tabella 3.1 sapendo che:
ng = (60 * freq)/ nt = (60 * freq)/6 = 10 freq.
Dopo di che riportare in figura la caratteristica tensione applicata numero di giri del motore
ESPERIMENTO 4:
(Questo esperimento non siamo riusciti a svolgerlo per problemi alle
apparecchiature,comunque vi sono riportate qui sotto tutte le procedure per
svolgerlo)
OBIETTIVO: studio del convertitore frequenza tensione accoppiato con il rilevatore ad effetto Hall
Apparecchiature richieste: vedi tabella apparecchiature
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO:
1
RILIEVO DELLA CARATTERISTICA DEL CONVERTITORE FREQUENZA TENSIONE:
Ripetere la procedura riportata nell’esperimento 2 a pag.8
2
TARATURA DEI CIRCUITI ELETTRONICI:
Ripetere la procedura riportata nell’esperimento 1 a pag.6
3
COLLEGAMENTO DEL RILEVATORE AD EFFETTO HALL AL CONVERTITORE:
3.1
Collegare il circuito di figura 4.1
13
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Figura 4.1
3.1 Alimentare il circuito
3.2 Ruotare P1 in modo da ottenere su Vp una tensione di 1 V
Riportare in tabella 4.1 i dati rilevati dalla strumentazione
3.3 Ripetere la misura per tutte le tensioni Vp indicate
3.4 Spegnere l’alimentatore
Vp ( V )
1
1.3
2.6
3.9
5.2
6.5
7.8
9
10
RPM
Vout
K * RPM
Tabella 4.1
ANALISI DEI RISULTATI:
Calcolare il coefficiente K di tabella 4.1 in base alla seguente formula:
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Vout /Freq. =………. ( V / freq. )
K=1/n
4.1
Il coefficiente K moltiplicato per la frequenza in ingresso fornisce la tensione in uscita del
convertitore
Vout /Freq. = K * f ing. = K * N =……….( V )
4.2
In base alla formula 4.2 completare la tabella 4.1
Confrontare il valore misurato di Vout con il valore teorico calcolato con la formula 4.2
ESPERIMENTO 5:
OBIETTIVO: determinazione per punti della caratteristica d’uscita della dinamo tachimetrica
Apparecchiature richieste: vedi tabella apparecchiature
PROCEDURA DELL’ESPERIMENTO:
1
TARATURA DEI CIRCUITI ELETTRONICI:
Ripetere la procedura riportata nell’esperimento 1 a pag.6
2
CARATTERISTICA A VUOTO:
2.1
2.2
Utilizziamo il circuito di figura 5.1
Alimentiamo il circuito
Figura 5.1
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tabella 5.1
RPM
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 5759
VOULTAGE
OUT PUT
TACH. DIN
(V)
0,41
0,82
2.3
2.4
2.5
2.6
3
1,25
1,68
2,07
2,56
3,94
3,36
3,57
4,27
4,52
4,77
Ruotare il potenziometro P1 in modo da leggere sul frequenzimetro 500 Hz ( equivalenti
a 500 giri del motore )
Riportare in tabella 5.1 il valore della tensione misurata dal voltmetro
Ripetere il passo 2.3 e 2.4 per i valori riportati in tabella 5.1
Spegnere l’alimentatore
CARATTERISTICA SOTTO CARICO:
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3.1
Montare il circuito di figura 5.1 e collegare sull’uscita della dinamo tachimetrica la
resistenza R3 da 500 Ohm
Ruotare il potenziometro P1 completamente in senso antiorario
Alimentare il circuito
Ruotare il potenziometro P1 in modo da leggere sul frequenzimetro 500 Hz ( pari al
numero di giri del motore )
Riportare in tabella 5.2 il valore della tensione misurata dal voltmetro
Ripetere i passi 3.3 e 3.5 per i valori riportati in tabella 5.2
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
RPM
OUT PUT
VOLTAGE
DIN.
TACHIM.
LOAD
R=500
Ω
LOAD
R=1
KΩ
(V)
LOAD
R=10
KΩ
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 5759
0,27
0,58
0,87
1,18
1,48
1,83
2,12
2,44
2,76
3,07
3,37
3,54
0,32
0,67
1,04
1,37
1,72
2,13
2,47
2,82
3,2
3,57
3,92
4,12
0,38
0,78
1,2
1,6
1,98
2,44
2,84
3,25
3,68
4,12
4,52
4,75
Tabella 5.2
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
Ruotare il potenziometro P1 completamente in senso antiorario
Scollegare la resistenza R3 dall’uscita della dinamo tachimetrica e collegare la R2 pari a
1 KΩ
Ripetere i punti 3.3 e 3.7 con tale valore di carico
Scollegare la resistenza R2 e collegare la R1
Ripetere i punti 3.3 e 3.7 con tale valore di carico
Spegnere l’alimentazione
ANALISI DEI RISULTATI:
Riportare in figura 5.2 la caratteristica di uscita della dinamo tachimetrica usando i dati riportati in
tabella 5.1
figura 5.2
17
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Vout (V)
CARATTERISTICA DI USCITA DELLA DINAMO
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
rm p
Riportare in figura 5.3 la caratteristica di uscita della dinamo tachimetrica usando i dati riportati in
tabella 5.2
Figura 5.3
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Caratteristica sotto carico dinamo tachimetrica
V
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
R=500
ohm
R=1
Kohm
R=10
Kohm
5759
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
RPM
Rilevare sulle figure 5.2 e 5.3 il coefficiente angolare della retta ( curva della dinamo tachimetrica )
approssimando i punti della caratteristica
OSSERVAZIONI:In questa prova notiamo che la dinamo tachimetrica più viene posta sotto
carico,più il numero dei giri a parità di tensione diminuisce (es. con la R=500
Ohm con 3 V il numero di giri è 5000,con la R=10 KOhm con 3 V il numero
Di giri è 4000).Fino ad un Volt il numero di giri rimane invariato con qualsiasi
carico
19
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