Misura Precisa Velocita' Angolare

[effebi]

Vorrei misurare con grande precisione ( 1 parte su 100 000 almeno) la velocita' di rotazione di un volano. Il volano ha il diametro di circa un metro ed e' molto preciso meccanicamente, ed e' di acciaio pieno.

C'e' gia' montato un encoder da 5000 impulsi / giro, ma non e' sufficiente derivare la velocita' da li.

Ah , il range e' tra 50 e 200 rpm e la misura dovrebbe durare almeno un'ora.

L'ideale sareppe poter ricavare un segnale o meglio un dato numerico memorizzabile in qualche maniera.

Magari si potrebbe utilizzare qualcosa che rilevi la velocita' tangenziale della faccia curva sentendone la rugosità con un sonar od un doppler.

Qualcuno conosce un sensore adatto?.

grazie in anticipo

effebi

[pibizi1]

Io insisterei sull'encoder.

Non è chiaro perchè non sia adatto, forse che le frequenze che escono, 15MHz-60MHz non sono raggiungibili dall'encoder?

Montane uno con minore risoluzione.

Le misure di tempo e di frequenza sono tra le più facili a raggiungere e superare la precisione che chiedi. Basta avere un riferimento adeguato.

Un quarzo termostatato raggiunge le unità di parte per milione e se non basta si possono ricavare frequenze di riferimento dal GPS.

[Livio Orsini]

5000 imp/giro danno 16.666,666 imp/1" @ 200 rpm e 4.166,66 imp/1" @ 50 rpm. Per avere la risoluzione richiesta anche a velocità minima è necessario avere una base tempi >=24".

Se ti puoi permettere di effettuare la prima lettura dopo 30" circa il tuo problema facilmente risolvibile.

[effebi]

Scusatemi, mi sono spiegato male. Quello che mi interessa indagare sono oscillazioni minime della velocita' angolare all'interno di un singolo giro. In pratica la velocita' angolare si mantiene come valore medio costante o ha un drift molto lento all'interno di un'ora di lavorazione, ma a volte ad essa sono sovrapposte piccole oscillazioni armoniche. Queste possono essere dovute a problemi meccanici introdottii dai cuscinetti o dalla trasmissione , o dal sistema di controllo gausto o mal tarato. Eviterei l'encoder perche' fa appunto parte del sistema di controllo, ed inoltre non e' a priori abbastanza preciso. Ad esempio, piccoli disallineamenti di montaggio dell'encoder (piu' di 25 um) causano gia' errori rilevanti. Per questo mi piacerebbe provare qualcosa di svincolato dal montaggio assiale come un sensore ad ultrasuoni che sentisse la rugosita' superficiale del volano. Oppure stavo pensando, molto piu' semplicemente, di mettere una ruota tachimetrica di un 100 mm di diametro a contatto col volano, in modo che almeno ruotasse a velocita' 10 volte maggiore.

So che non e' una passeggiata....

ciao

effebi

[Livio Orsini]

Le altre ipotesi che hai considerato sono decisamente più imprecise di un encoder montato direttamente sul motore o sull'albero del volano. se ti interessano le variazioni istantanee puoi misurare il tempo di durata del singolo impulso con un periodimeto preciso. Probabilmente dovrai costruirti o far costruire uno strumento ad hoc per la misura.

[pibizi1]

Concordo.

Potresti pensare ad una tacca riflettente sul volano, peresempio dipinta ed un sensore fotoelettrico che deve essere STABILE eppoi misurare il tempo tra un fronte e l'altro. Oppure anche mediare le letture di più giri per ricuperare le incertezze del sistema ottico-meccanico. Questo consentirebbe di misurare la velocità media di un giro.

Equispaziare più tacche e renderle simmetriche otticamente la vedo dura.

Inutile dire anche che la risposta della fotocellula deve scendere alle unità di microsecondo ed anche sotto. Non pensare di usare fotocellule industriali.

[rguaresc]

così in teoria: incollare una serie equidistante di specchietti lavorati otticamente sulla periferia del volano, puntare un raggio laser dove passano gli specchietti e misurare il tempo di passaggio del raggio riflesso tra due sensori. Siccome i sensori possono essere assai distanti il movimento del raggio riflesso si puo' amplificare notevolmente e il problema e' ricondotto ad una misura di tempo.

[effebi]

Ribadisco che la velocita' media sul giro non mi interessa, in quanto sono sicuro che va bene. Mi interessano le variazioni all'interno del giro. Quindi una sola tacca non serve, molte tacche = encoder fatto a mano, sicuramente meno preciso dell'encoder vero da 5000 tacche ( del tipo anulare e montato rigidamente sull'albero del volano e con staffa di fissaggio elastica).

Abbiate pazienza, so che e' un casotto, altrimenti mica mi mettevo a disturbare il Forum.... :-)

Per Livio: si, avevo pensato anchio di costruirmi con un PIC un data logger che misuri il periodo di ogni impulso encoder e lo salvi in una memoria (che so, una flash seriale).Analizzando i dati a posteriori si potrebbe desumere poi l'andamento preciso della velocita'. Pero' un PIC non e' in grado di contare sufficientemente veloce per avere una precisione a 5 cifre significative stando che la durata degli impulsi encoder puo' essere meno di 50 us.

Inoltre parlavo di ruota metrica intendendola collegata al suo encoder dedicato, sempre della classe 5-10K impulsi.

Questo per svincolarmi dall'encoder inserito nell'anello di regolazione.

Mi chiedevo se esistesse in commercio qualcosa del genere, sufficientemente preciso. Oppure magari basta un buon frequenzimetro da laboratorio (che misura anche il periodo) dotato di interfaccia per il computer?

Io ho uno stumento da campo a 4 cifre, con una base dei tempi da circa 100 MHz (20 MHz di fondoscala), che e' del tutto insufficente per questo scopo.

ciao

effebi

[Livio Orsini]

...stando che la durata degli impulsi encoder puo' essere meno di 50 us.

Con i dati che hai dato il periodo minimo è pari a 240us. A perte questo non si deve perdere di vista il cuore del problema che è fisico.

Tu parli di volano. Secondo un principio fondamentale della meccanica classica un corpo tende a permanere nel suo stato di quiete o di moto sino a che non intervenga una forza esterna a modificarne lo stato.

Applicato al tuo caso significa che il tuo volano ruota ad una velcoità costante sino a che qualche evento esterno non la modifica.

L'evento esterno tipico sono gli attriti. In base a questi il volano tenderebbe a rallentare sino a fermarsi. Per evitare questo viene fornita una coppia motrice in grado di compensarli. Se il bilancio tra coppia resistente (attriti) e coppia motrice è nullo la velocità permane costante.

Cosa può variare questo bilancio istantaneamente? Un disturbo di coppia.

Che tipo di distrurbo di coppia può accadere? Due tipi: disturbo di coppia resistente, disturbo di copia motrice.

Disturbo di coppia resistente. Se non hai prese di carico esterne, freni o altre perturbazioni come, ad esempio, grippaggio dei cuscinetti, questo tipo di disturbo non accade. Inoltre il sistema tende a compensarli, con i limiti che analizziamo di seguito.

Disturbi di coppia motrice. E' il tipo di disturbo che tu temi di più. Però questo tipo di disturbo ha un limite ben preciso. Questo limite è determinato da due costanti della macchina: il momento d'inerzia totale e la coppia massima disponibile. Quando dimensioni l'azionamento stabilisci anche la massima accelerazione ammissibile. Se nel tuo caso, ad esempio, hai fissato che il tuo volano accelera da 0 a 200 rpm in 10", ed hai dimensionato il tuo azionamento per questo dato, hai stabilito quale può essere il amssimo disturbo di coppia. In altri termini il tuo sistema potrà avere una variazione di velocità pari a 20,944 rad/sec*sec cioè a 3,33 rps*s (giri al secondo per secondo).

A questo punto dovresti determinare qual'è la massima accelerazione che hai a disposizione. Questo ti fissa il limite di tempo di campionamento. Con i dati che ho usato come esempio, le variazioni di velocità che avvengono in un periodo <= 0.05" non sono sicuramente apprezzabili, pertanto è inutile spingere oltre la misura.

E' chiaro che se tu, per assurdo, avessi un grippaggio istantaneo dei cuscinetti potresti avere un'accelerazione maggiore. Però questo evento lo percipiresti senza bisogno di misure sofisticate.

Modificato: 2 ottobre 2009 da Livio Orsini