Существует множество различных конструкций тахометров промышленного и любительского изготовления.
Механические и электрические тахометры обеспечивают высокую точность, но приборы механических систем предназначены лишь для периодических измерений, а электрические имеют, как правило, большие габариты и использование их (особенно на подвесных моторах) сопряжено с необходимостью механического соединения вала генератора прибора с коленчатым валом двигателя. Электронные системы тахометров наиболее удобны в эксплуатации: они не требуют механической связи с коленчатым валом двигателя, компактны и надежны, но обладают одним общим недостатком — низкой точностью определения частоты вращения. Точность электронных тахометров даже в лучшем случае составляет ±200 об/мин. Этот недостаток объясняется слишком большой ценой деления шкалы стрелочного показывающего прибора. Для повышения точности отсчета следовало бы снизить цену деления, увеличив размеры шкалы (что привело бы к увеличению размеров и веса всего прибора) либо уменьшив размеры делений (и, следовательно, ухудшив условия считывания результата).
Авторы предлагаемой вниманию читателей сборника статьи — Ю. В. Беляцкий и И. Н. Савин — избрали другой путь — «растягивание» отдельных участков необходимого диапазона измерений на всю шкалу.
Сконструированный ими электронный тахометр с растянутыми диапазонами «БЕС-1» (название образовано из начальных букв фамилий авторов), кроме общего «обзорного» диапазона 0—6000 об/мин, имеет еще шесть диапазонов, выбираемых переключателем, в которых каждая тысяча оборотов растянута на всю шкалу. Цена деления без увеличения габаритов прибора и ухудшения считываемое™ результата повышается на порядок (до 10—30 об/мнн).
Конструкция тахометра защищена авторским свидетельством № 607143 (см. «Бюллетень» № 18, 1978 г.).
Работа электронного тахометра с растянутыми диапазонами основана на сравнении параметров измерительного и опорного каналов, причем параметры последнего можно произвольно менять в зависимости от выбранного диапазона.
Тахометр состоит из шести функциональных блоков (рис. 1): задающего генератора 1 и ждущего мультивибратора 2 опорного канала, отсчетного прибора 3, ждущего мультивибратора 4 и датчика сигнала 5 измерительного канала и источника питания 6.
Задающий генератор формирует последовательность импульсов частотой следования F0 (рис. 2,а), которые, в свою очередь, запускают ждущий мультивибратор. С выхода мультивибратора снимаются импульсы постоянной амплитуды и частоты, однако длительность их может меняться переключателем в зависимости от выбранного диапазона измерений (рис. 2,6). Сформированные таким образом импульсы поступают на левое плечо отсчетного прибора.
С датчика сигнала снимается последовательность импульсов с частотой следования, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала двигателя (рис. 2,в), и подается на ждущий мультивибратор измерительного канала, который формирует импульсы постоянной амплитуды и длительности с частотой, пропорциональной количеству оборотов двигателя (рис. 2,г). С выхода второго мультивибратора импульсы поступают на правое плечо отсчетного прибора, который в данной схеме выполняет роль интегратора. Отклонение стрелки прибора равно алгебраической сумме средних значений токов, создаваемых последовательностью импульсов, поступающих на левое и правое плечо отсчетного прибора.
Среднее значение тока / равно
где А — амплитуда последовательности импульсов; Т — длительность; F — частота; К — коэффициент пропорциональности.
Сигналы, поступающие из опорного канала, имеют постоянную частоту и амплитуду и переменную длительность, а импульсы, поступающие из измерительного «канала, имеют постоянную амплитуду и длительность и переменную частоту. Для уравновешивания отсчетного прибора необходимо, чтобы средние значения токов опорного Iо и измерительного каналов Iи были равны.
Учитывая, что схемы ждущих мультивибраторов полностью идентичны и питание их осуществляется от общего источника, можно сказать, что при равенстве токов каналов справедливо равенство
т. е. отношение длительностей импульсов обратно пропорционально частотам их следования.
Это можно проиллюстрировать на диаграммах напряжения (см. рис. 2), где сплошные линии и индексы 1 соответствуют низкой, а пунктирные линии и индексы 2 — более высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Как видно из диаграмм, в опорном канале среднее значение тока изменяется за счет варьирования длительности импульса, а в измерительном канале — за счет частоты их следования. Таким образом, можно установить нулевое положение стрелки отсчетного прибора на любой частоте следования измерительных импульсов, соответствующей выбранному режиму работы двигателя, а не на нулевой частоте, как это происходит в обычных промышленных электронных тахометрах. Эта особенность дает возможность «растянуть» любой интересующий участок диапазона частоты вращения двигателя на всю шкалу отсчетного прибора и тем самым повысить точность измерения.
Наиболее целесообразно для удобства отсчета показаний весь диапазон разбивать на участки по 1000 об/мин. В этом случае погрешность отсчета показаний в зависимости от типа используемого стрелочного прибора будет равна 10—30 об/мин.
Принципиальная схема тахометра «БЕС-1» изображена на рис. 3. Задающий генератор представляет собой мультивибратор, выполненный на транзисторах V4 и V5. Колебания мультивибратора через эмиттерный повторитель на транзисторе V3 подаются на ждущий мультивибратор, собранный на транзисторах V4 и V5. Длительность импульсов ждущего мультивибратора может быть изменена в зависимости от выбранного диапазона измерений с помощью переключателя В1а, коммутирующего времязадающие цепи — резисторы R9—R13. Эмиттерный повторитель на транзисторе V6 обеспечивает усиление по мощности сформированных ждущим мультивибратором прямоугольных импульсов, которые затем поступают на левое плечо отсчетного прибора. Резисторы R17—R23 и переключатель В1б обеспечивают установку чувствительности прибора на каждом из выбранных диапазонов.
Запускающие импульсы на ждущий мультивибратор измерительного канала, собранный на транзисторах V9 и VI0, подаются с датчика L1. Датчик представляет собой катушку из нескольких витков (10—20) изолированного провода, намотанного непосредственно на высоковольтный провод системы зажигания. На четырехтактных двигателях с батарейной системой зажигания она размещается на проводе, идущем от катушки зажигания к распределителю; на двухтактных двухцилиндровых двигателях — на одном или обоих проводах, идущих к свечам зажигания. Мультивибратор формирует импульсы, параметры которых — амплитуда и длительность — определяются времяза-дающей цепью R27C8. Импульсы через эмиттерный повторитель VII подаются на правое плечо отсчетного прибора.
Тахометр измеряет частоту вращения в семи диапазонах — одном общем от 0 до 6000 об/мин и шести растянутых по 1000 об/мин. На диапазонах 0—6000 и 0—1000 об/мин опорный канал не используется.
Питание тахометра стабилизировано. Стабилизатор собран на транзисторах V13, V14 и V15. Источником питания может служить любая батарея сухих элементов или аккумулятор, обеспечивающие напряжение 9—12 В при токе нагрузки 40 мА.
Тахометр собран на широко распространенных транзисторах. Кроме указанных в схеме, в качестве транзисторов V1—V6, V9—V12 могут быть использованы транзисторы МП39—МП42 с любыми индексами; VI4 — ГТ403, П213—П217 с любыми индексами; V15 — МП37, МП38.
Времязадающие конденсаторы С1, С2, С4 и С8 должны иметь минимальный температурный коэффициент емкости. Лучше всего применить слюдяные или металлобумажные конденсаторы КСО или МБМ. Электролитические конденсаторы (С3, С7, С11) могут быть применены любых типов на рабочее напряжение не менее 15 В. Резисторы могут быть любого типа; R34 и R35 — на мощность рассеяния 0,5, остальные — 0,25 Вт.
Переключатель В1 — любого типа двухплатный на 11 положений, из которых используется 7.
Измерительный стрелочный прибор следует применить с током полного отклонения не более 50—100 мкА и с классом точности не ниже 1,5, так как от этого зависит точность всего устройства.
При подборе резисторов R9—R13 и R17—R23 при настройке тахометра удобно использовать переменные резисторы, заменив их затем постоянными или приняз меры для надежной фиксации движка резистора нитрокраской или клеем.
Для настройки тахометра потребуется генератор звуковой частоты, авометр любого типа и источник питания с напряжением 9—12 В. Налаживание собранного тахометра производят в следующей последовательности.
Сначала проверяют работу стабилизатора. Для этого отключают тахометр в точке 1 (см. рис. 3), подбором резистора R33 устанавливают напряжение на выходе, равное 6,5—7 В. Оно не должно изменяться при подключении нагрузки — резистора величиной 180—200 Ом или изменении напряжения питания от 9 В и выше. Убедившись в работоспособности стабилизатора, к нему подключают тахометр. Для проверки генерации задающего генератора и работы ждущих мультивибраторов необходимо поставить переключатель В1 в положение «2000», подать на вход измерительного канала сигнал соответствующей этому диапазону частоты, затем авометром проверить напряжения в точках 2, 3 и 4.
Частота импульсов, поступающих от датчика сигнала и от генератора, при наладке зависит от типа двигателя, числа контролируемых цилиндров, частоты вращения и может быть определена по формуле
где n — частота вращения в 1 мин; k — тактность; т — число контролируемых цилиндров.
Так, для двухтактного мотора (k=2) с контролем импульсов по двум цилиндрам (m=2) и частотой вращения 1000 1/мин частота запускающих импульсов будет равна 33,33 Гц. Это значение частоты, соответствующее нулевому показанию тахометра на диапазоне «2000» и максимальному показанию на диапазоне «1000», подают с генератора звуковой частоты на вход измерительного канала через сопротивление R24. Желательно использовать при этом прямоугольные импульсы с амплитудой 1—1,5 В. При подаче синусоидального напряжения его амплитуда должна быть не менее 6—7 В.
С помощью резистора R17 стрелка показывающего прибора устанавливается в крайнее правое положение при установке переключателя В1 в положение «1000». Не изменяя частоты генератора, переключатель переводится в положение «2000» и резистором R9 стрелка ставится на нулевое показание. Затем на генераторе устанавливают частоту «2000» и подбором резистора R18 стрелку устанавливают в крайнее правое положение. Эту же частоту используют при установке «0» на диапазоне «3000» и т. д. на остальных растянутых диапазонах.
Для удобства работы с прибором приводим формулу, по которой определяется частота вращения двигателя:
где N — измеренное значение частоты вращения; n — положение переключателя диапазонов (n=0÷5); С — значение показаний отсчетного прибора.