Авиамодельный тахометр

Описываемый в статье тахометр предназначен для измерения частоты вращения воздушного винта авиамоделей, но его можно использовать для контроля работы и других лопастных механиз­мов — роторов, крыльчаток, обтюраторов. Принцип действия этого прибора основан на измерении частоты прерывания лопас­тями воздушного винта модулированного потока инфракрасного излучения, создаваемого тахометром и падающего на его фото- чувствительный элемент.

По сравнению с тахометрами анало­гичного назначения [1—3], схожи­ми с описываемым по принципу дейст­вия, предлагаемый прибор более поме­хоустойчив. Им можно измерять часто­ту вращения воздушных винтов, содер­жащих две, три и четыре лопасти. Тахометр оснащён стрелочным индика­тором частоты вращения, что обеспе­чивает не только количественную, но и качественную информацию о динамике изменения контролируемого параметра [4].

Прибор имеет два предела изме­рений частоты вращения воздушно­го винта: до 3000 об/мин и до 30000 об/мин. Погрешность измере­ния — не более ±2,5 %. Имеется квар­цевый калибратор, что повышает точ­ность измерения и позволяет опера­тивно контролировать работоспособ­ность прибора. Тахометр выполнен на доступной элементной базе и прост в налаживании.

Функциональная схема прибора изо­бражена на рис. 1. Кварцевый генера­тор вырабатывает периодическую по­следовательность прямоугольных им­пульсов, следующих с частотой 100 кГц. С выхода генератора эти импульсы по­ступают на делители частоты на 20000 и на 2000, формирующие импульсы, сле­дующие с частотой 50 и 500 Гц соответственно. Эти импульсы предназна­чены для калибровки тахометра перед проведением измерения. Частота 50 Гц соответствует частоте вращения воз­душного винта 3000 об/мин (макси­мальной на первом пределе измере­ния), а частотой 500 Гц — 30000 об/мин (максимальной на втором пределе из­мерения). Переключателем SA1 выби­рают предел измерения, а переключа­телем SA2 — режим работы прибора (калибровку или проведение измере­ний).

Рис. 1

В режиме калибровки прибора им­пульсы частотой 50 или 500 Гц по­ступают через переключатели SA1.1 и SA2.1 на один из входов логического элемента И, на второй вход которого поданы импульсы частотой 100 кГц с выхода кварцевого генератора. На вы­ходе логического элемента формиру­ется последовательность следующих с частотой 50 или 500 Гц пачек импульсов частотой 100 кГц. Эта последователь­ность поступает на сигнальный вход ИК-передатчика, работу которого раз­решают нажатием и удержанием кноп­ки SB1. Триггер в цепи кнопки устра­няет дребезг её контактов.

Достигнув ИК-приёмника, удалённо­го от передатчика на некоторое расстояние и расположенного с ним на одной оптической оси, ИК-излучение вновь преобразуется в электрический импульсный сигнал. Его усиливает и отфильтровывает от помех полосовой усилитель. Усиленный сигнал детекти­руется по амплитуде и превращается в последовательность импульсов, сле­дующих с частотой повторения пачек ИК-излучения. После усиления и фор­мирования триггером Шмитта эти им­пульсы становятся прямоугольными с крутыми перепадами.

В режиме калибровки импульсы с выхода триггера Шмитта запускают одновибратор, нормирующий их длитель­ность. которую, в зависимости от вы­бранного предела измерения, изменяет переключатель SA1.2. Постоянную со­ставляющую выходного напряжения одновибратора, прямопропорциональную частоте, измеряет вольтметр из микроамперметра РА1 и добавочных резисто­ров R_доб1, и R_доб2. выбираемых переклю­чателем SA1.3. Эти резисторы — подстроечные. с их помощью в режиме ка­либровки устанавливают стрелку микро­амперметра РА1 на последнее деление шкалы на каждом пределе измерения.

При переводе переключателя SA2 в положение «Измер.» на вход клапана (логического элемента И) вместо ка­либровочных импульсов поступает по­стоянный уровень логической единицы, в результате чего последовательность излучаемых ИК-импульсов частотой 100 кГц становится непрерывной. ИК-излучение на пути от передатчика к приёмнику периодически прерывают лопасти вращающегося воздушного винта авиамодели, введённого в зазор между передатчиком и приёмником. Поэтому частота импульсов на выходе триггера Шмитта равна произведению частоты вращения воздушного винта на число его лопастей. Их может быть две, три или четыре. Для учёта этого факто­ра в тракт сигнала между триггером Шмитта и одновибратором включают с помощью переключателей SA3 и SA2.2 делитель частоты следования импуль­сов на два, три или четыре.

Принципиальная схема тахометра приведена на рис. 2. Генератор им­пульсов частотой 100 кГц состоит из ло­гических элементов DD1.1, DD1.2, ре­зистора R4 и кварцевого резонатора ZQ1. Логический элемент DD1.3 — бу­ферный. Делители частоты построены на двоичных счётчиках DD2, DD7 и логи­ческих элементах DD1.4, DD4.1—DD4.3, DD6.1. Импульсы частотой 50 Гц сни­мают с вывода 15 счётчика DD7, а им­пульсы частотой 500 Гц — с вывода 13 счётчика DD2.

Рис. 2

Элементы DD8.1, DD8.2 выполняют логическую функцию И. Триггер, фор­мирующий разрешающий работу пере­датчика сигнал, состоит из логических элементов DD8.3, DD8.4. Логические элементы DD6 2—DD6.4, соединённые параллельно, и транзистор VT4 обра­зуют усилитель импульсов, питающих ИК излучающий диод VD4.

ИК-приёмник состоит из фотодиода VD1 и истокового повторителя на тран­зисторе VT1. Полосовой усилитель по­строен на ОУ DA1 и транзисторе VT2. Цепь R7R8C5 задаёт постоянное сме­щение на неинвертирующем входе ОУ, а резистор R10 — его ток управления. Цепь отрицательной обратной связи усилителя образована резистором R12 и разделительным конденсатором С4. Конденсатор С6 служит для частотной коррекции ОУ. Транзистор VT2 — эмиттерный повторитель, повышающий на­грузочную способность ОУ DA1.

В изготовленном автором тахометре коэффициент усиления полосового усилителя по напряжению на частоте 100 кГц равен 400. Граничные частоты полосы пропускания по уровню -3 дБ — 75 и 135 кГц. От образца к образцу при­бора значения этих параметров могут отличаться от приведённых на 15…20 %, что не оказывает существенного влия­ния на работу прибора. Однако частота максимального усиления должна нахо­диться в пределах 100±5 кГц. При не­обходимости её корректируют подбор­кой резисторов R10, R12 и конденсато­ров С4, Сб. Обычно бывает достаточно подобрать резистор R10.

Амплитудный детектор собран на диодах VD2 и VD3, а усилитель продетектированных импульсов — на ОУ DA3. Цепь R16R24C10 обеспечивает необхо­димое постоянное смещение на неин­вертирующем входе ОУ. Резистор R31 задаёт его ток управления. Конденса­тор С12 — разделительный. Цепь отри­цательной обратной связи усилителя образована резисторами R27, R33 и конденсаторами С16, С18. Коэффици­ент усиления по напряжению в середи­не полосы пропускания равен 5. Кон­денсаторы С12, С16 формируют час­тотную характеристику усилителя в низ­кочастотной области (частота среза 1… 2 Гц), а конденсатор С18 — в верхне- частотной (частота среза 8 кГц). Вход­ное сопротивление усилителя задано резистором R22.

Триггер Шмитта состоит из логиче­ских элементов DD3.1, DD3.2 и задаю­щих пороги его переключения резисто­ров R3, R5. Сдвоенный двоичный счёт­чик DD5 и логические элементы DD3.3, DD3.4 образуют делители частоты на два, три и четыре.

Одновибратор выполнен на интег­ральном таймере DA2, времязадающие элементы которого — конденсатор С13 и переключаемые при изменении пре­дела измерения резисторы R25 и R26. Конденсатор С15 — фильтрующий. Электронный ключ на транзисторе VT3 и дифференцирующая цепь R21C8 формируют короткие импульсы запуска одновибратора в моменты нарастаю­щих перепадов импульсов на входе электронного ключа.

Резисторы R29, R30, R34, R35 обра­зуют добавочные сопротивления для микроамперметра РА1. Конденсатор С17 уменьшает дрожание стрелки мик­роамперметра на нижнем пределе из­мерения. Контакты кнопки SB1.2 шун­тируют микроамперметр РА1, когда кнопка не нажата, и считывать показа­ния прибора не требуется. Это устраняет опасные для микроамперметра резкие колебания его стрелки в момен­ты включения и выключения тахометра, переключения пределов измерения и режимов работы.

Прибор питают от источника стаби­лизированного напряжения +9 В с мак­симальным выходным током не менее 0,5 А. Конденсаторы С2, СЗ, С9, С14 — фильтрующие в цепи питания.

Детали тахометра смонтированы навесным способом на макетной плате. Излучающий диод VD4 и фотодиод VD1 расположены вне платы на расстоянии 150…200 мм один от другого, образуя промежуток, который при измерении частоты вращения пересекают лопасти вращающегося воздушного винта.

В приборе применены оксидные конденсаторы К50-35, вместо них можно использовать другие аналогич­ные. Керамические конденсаторы — К10-17, вместо них подойдут КМ-6 или импортные. Времязадающий конденса­тор С13 — К73-17, он может быть заме­нён конденсатором К73-9, К73-24 или другим плёночным Постоянные резис­торы — С2-33. Подстроенные резисто­ры — СП2-2а или другие подобные. В приборе применены галетные переклю­чатели ПГК и сдвоенная кнопка KM2-I, вместо которых можно использовать другие аналогичные. Микроампер­метр — М906 или другой с током полно­го отклонения стрелки 100 мкА.

Диоды КД522Б можно заменить дио­дами этой же серии или, например, се­рий КД503, КД521. Вместо ИК-излучающего диода АЛ129А подойдут диоды такого же назначения серий АЛ107, АЛ118 или импортные. Фотодиод ФД- 256 можно заменить фотодиодами ФД-21КП, ФД-25К, ФД-26К. Замена полевого транзистора КП307Г — тран­зисторы той же серии с другим индек­сом или серии КПЗОЗ, транзисторов КТ315Б — другие маломощные крем­ниевые структуры n-p-n. Вместо транзистора КТ973А допустимо применить КТ973Б.

При замене ОУ КР1407УДЗ и КР140УД1208 на соответственно 1407УДЗ и 140УД12 следует учитывать их различия в типе корпуса и назначе­нии выводов. Микросхемы серии К561 могут быть заменены микросхемами серии 564 или импортными аналогами, а микросхема КР1006ВИ1 — импортной серии 555.

Налаживание функциональных узлов тахометра особенностей не имеет и производится по известным методи­кам. Совмещение оптических осей из­лучающего диода VD4 и фотодиода VD1 контролируют по максимуму амплитуды сигнала частотой 100 кГц на выходе полосового усилителя (эмиттере тран­зистора VT2) при нажатой кнопке SB1. Стрелку микроамперметра РА1 уста­навливают на последнее деление шка­лы при калибровке прибора на преде­лах измерений 3000 и 30000 об/мин соответственно подстроенными резис­торами R35 и R34.

При измерении частоты вращения воздушного винта, лопасти которого изготовлены из материала, слабо по­глощающего ИК-излучение, нормаль­ной работы тахометра добиваются уменьшением его чувствительности к ИК-излучению. Для этого подстроеч­ным резистором R6 уменьшают ампли­туду сигнала на входе полосового уси­лителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Миль Г. Электронное дистанционное управление моделями. — М ДОСААФ. 1980
2. Евстратов В. Винт на контроле. — Моделист-конструктор, 1992, № 11, с. 6, 7.
3. Оптический тахометр. — URL: http:// radiokot.ru/circuit/digital/measure/03/ (23.06.15).
4. Межлумян А. Цифровая или аналого­вая? — Радио, 1986, № 7, с. 25, 26

Автор: О. ИЛЬИН, г. Казань, Татарстан

Источник: журнал Радио №10, 2015