ТАХОМЕТР, ОСНОВАННЫЙ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА

Е. КУЧИС,Т. ЯЗБУТИС Радио №3/1964 ст.26

Высокий уровень современной тех­ники обусловливает широкое при­менение самых разнообразных ме­ханизмов с одним или многими вращающимися валами, При этом возникает необходимость измерения не только скорости вращения в широком диапазоне частот, но и определения равномерности враще­ния,

Известные бесконтактные измери­тели скорости вращения, такие как импульсные (емкостные, индуктив­ные и фотоэлектрические), индук­ционные и стробоскопические имеют ряд недостатков. К ним относятся сложность измерений, особенно при малых скоростях вращения, зави­симость амплитуды электрического сигнала от скорости вращения и не­возможность контроля за равномер­ностью вращения.

Разработанный тахометр, принцип действия которого основан на эф­фекте Холла, не имеет упомянутых недостатков и дает возможность оп­ределить равномерность вращения. Принцип его работы заключается в следующем. При пропускании по­стоянного тока через датчик Холла ДХ, представляющий собою пла­стинку полупроводника, размещен­ную в магнитном поле Я постоянного магнита SN, на зондах Холла, перпендикулярных току, появится электродвижущая сила Холла Е_хол, величина которой зависит от угла наклона плоскости датчика к на­правлению линий магнитного поля:

где К — коэффициент, прямо про­порциональный постоянной Холла, силе тока в образце и обратно пропорциональный толщине датчи­ка, Я — напряженность магнитного поля в зазоре магнита.

Следовательно, при вращении дат­чика в зазоре магнита эдс Холла будет изменяться по синусоидаль­ному закону и может быть измерена электронным частотомером. Если принять во внимание, что напряжен­ность магнитного поля в объеме вращения легко можно сделать од­нородной, то форма эдс Холла будет точно воспроизводить закономерность вращения датчика Холла. Преиму­ществом тахометра с датчиком Холла является также независимость ве­личины эдс Холла от скорости вращения. Таким образом, можно измерять и наблюдать сколь угодно малую скорость вращения. Однако основным достоинством является воз­можность достижения очень большой точности измерения скорости вра­щения, ограничиваемой лишь точ­ностью измерителей частоты. Если принять во внимание точность ча­стотомеров, достигающую 10 ~^э, то очевидно, что возможная точность тахометра с датчиком Холла на четыре — пять порядков выше по сравнению с лучшими современными тахометрами.

Тахометр предназначен для бес­контактного измерения скорости вра­щения в диапазоне скоростей от 30 до 6000 оборотов в минуту (от 0,5 до 100 гц) с точностью 1,5%. Соот­ветственно требованиям была вы­брана схема измерения. С целью получения возможности бесконтакт­ного измерения скоростей вращения датчик Холла ДХ закрепляется не­подвижно на вспомогательном шта­тиве, расположенном в зазоре постоянного магнита. Магнит же прикрепляется к торцу вращающе­гося вала. Таким образом отпадает необходимость в применении сколь­зящих контактов для соединения датчика с измерительным устрой­ством. В качестве датчика Холла применена пластинка германия п- типа. Питание датчика осуществ­ляется от выпрямителя на диодах Д₁₀— Д13 (Д7Ж) с RC фильтром (R17, R18, С14— C16). Емкость С14 служит для уменьшения уровня пульсации выпрямленного напря­жения. С датчика снимается пе­ременная эдс Холла с частотой вращения вала, которая подается на вход транзисторного измери­теля частоты. В основу схемы ча­стотомера положена схема, пред­ложенная инженерами Ивановым И. Н. и Сафоновым В. И. Частотомер позволяет получить точность изме­рения 1,5%.

Измеритель состоит из усилителя напряжения на транзисторе Т1., жду­щего мультивибратора на транзи­сторах Т2 и Т3, зарядного устройства (С7—С11, Д1—Д3, R11—R12) с ин­дикатором, выпрямителя (Д6—Д9) с фильтром (R13—R15, С12—С13) и стабилизатором напряжения (Д4— Д5)_;

Усиленное переменное напряже­ние отпирает в отрицательный полу­период мультивибратор, на выходе которого (в цепи коллектора Т3) образуется отрицательный импульс с длительностью, определяемой це­почкой С3—С5R9 и амплитудой, ограничиваемой кремниевым стаби­литроном Д3. Эти импульсы, сле­дующие с частотой измеряемого сиг­нала, заряжают один из конденса­торов С8— C11. Разрядный ток ука­занных конденсаторов протекает че­рез индикатор прибора. Таким об­разом, показания индикатора про­порциональны частоте следования импульсов и величине емкости одного из конденсаторов С8— С11. Пере­ключатель П1 позволяет менять диа­пазоны измерения частоты (0—3, 0—10, 0—30 и 0—100 гц соответ­ственно) и в пятом положении вклю­чает калибровку частоты (50 гц от отдельной обмотки трансформа­тора), которая дает возможность калибровать показания индикатора потенциометром R12. Потенциометр R6 служит для установки порога срабатывания ждущего мультиви­братора, что необходимо при на­личии паразитных сигналов с ам­плитудой меньше измеряемого сиг­нала.

Конструктивно датчик и сам при­бор выполнены следующим образом. Пластинка германия, размерами 8Х X 6X0,3 мм, помещена в медную трубку с наружным диаметром 6 мм, заполненную компаундом. Эта труб­ка является как защитным чехлом, так и несущей конструкцией, так как она прикрепляется к штативу. С помощью четырехжильного кабеля датчик электрически соединяется с измерительным прибором. Магнит имеет форму кольца с магнитными полюсами, расположенными по диа­метру внутри кольца. Кольцо на­ружным диаметром 35 мм изготов­лено из стали. Магнитные полюса трапецеидальной формы вырезаны из любого магнита. С помощью со­ответствующей цанги, выточенной из латуни, магнит закрепляется на кон­це вращающегося вала.

Собственно измеритель частоты с источником питания датчика смон­тированы в отдельном блоке, раз­мерами 170X200X240 мм. На ли­цевой панели находятся индикатор А, потенциометр уровня R6, пере­ключатель диапазонов П1 включа­тель сети Вк1, индикаторная нео­новая лампочка Л1 и штепсельный разъем. Силовой трансформатор Тр1 взят от радиоприемника «Рекорд», в котором перемотаны вторичные обмотки (обмотки II, III и IV имеют по 650, 400 и 5 витков соответственно, намотанных проводом ПЭВ 0,12). Следует отметить, что размеры магнита и датчика легко могут быть уменьшены в 2—3 раза. Также и блок измерителя может быть зна­чительно уменьшен, если использо­вать малогабаритные детали и спе­циальный силовой трансформатор.