Применение тахометров EZM-4450 для измерения скорости движения полотна и скорости течения жидкости в трубопроводе

1. Обзор цифрового тахометра EMKO EZM-4450

Многие думают, что тахометр — это прибор только для измерения скорости вращения различных вращающихся деталей — роторов, валов, колес, дисков и так далее. Так например в автомобилях тахометры массово используются для измерения скорости вращения коленчатого вала двигателя. Однако, если имеешь дело с цифровыми тахометрами с возможностью масштабирования, то список применений может быть несколько шире.

В данной статье мы опишем несколько альтернативных применений тахометров на примере многофункционального цифрового тахометра серии EZM-4450 производства компании EMKO Electronik, и приведем пример расчета его параметров для измерения линейной скорости движения материалов, таких как пленка, ткань, полотно конвейера, а так же скорости течения жидкости в трубе. В обоих примерах скорость будет измеряться в метрах в секунду (м/с).

Промышленный тахометр для измерения скорости движения
Цифровой тахометр EMKO EZM-4450

Предварительно рассмотрим функционал и возможности измерителя скорости EZM-4450. Это цифровой универсальный прибор, поддерживающий несколько режимов работы: режим счетчика импульсов, таймера, хронометра и тахометра. Функциональная схема представлена на рисунке 1.

Схема работы цифрового тахометра EMKO
Рисунок 1 — Функциональная схема прибора

В один момент времени прибор может работать только в одном режиме, который задается предварительно DIP-переключателями.

Отличительной особенностью цифрового таймера EZM-4450 является простота и гибкость настройки, высокоскоростной счетный вход с возможностью счета до 10 кГц, возможность работы с любыми датчиками с выходом с открытым коллектором PNP/NPN типа или «сухой контакт», встроенный блок питания 12 В постоянного тока и наличие двух дискретных выходов. Более того, он имеет интерфейс RS-485 с протоколом передачи данных Modbus RTU. В режиме тахометра прибор измеряет время между фронтами приходящих импульсов и определяет частоту по формуле (1):

v = 1 T v= 1 over T

где:
Т — период следования импульсов (см. рисунок 2).

Показания на дисплее тахометра определяются формулой (2):

Показания = v Pro 29 Pro 30 Показания = v cdot Pro-29 cdot Pro-30

где:
v — определяется формулой (1);
Pro-29 и Pro-30 — настраиваемые множители тахометра для приведения частоты импульсов в пользовательские величины.

Отличие множителя Pro-29 от Pro-30 состоит только в диапазоне задания. Так у множителя Pro-29 значения задаются в диапазоне от 0 до 9999, а у множителя Pro-30 – в диапазоне от 0 до 99,9999.

Определение периода следования импульсов
Рисунок 2 — Определение периода следования импульсов

2. Измерение скорости движения полотна с помощью цифрового тахометра

Имеется мерильно-браковочная машина для перемотки ткани из рулона в рулон. Требуется измерять линейную скорость движения ткани в метрах в секунду.

Для решения поставленной задачи понадобятся:

  1. индуктивный датчик;
  2. цифровой тахометр EZM-4450;
  3. металлическая метка, установленная на одном из валов известного диаметра.

Упрощенный вид описываемого узла машины представлен на рисунке 3.

Измерение скорости вращения полотна (вала)
Рисунок 3 — Упрощенный вид описываемого узла машины

Для настройки тахометра в режиме измерения линейной скорости нам требуется знать вес импульса индуктивного датчика в метрах (м/имп). Найдём его.

Допустим, что диаметр вала равен 0,1 м, тогда длина окружности поперечного сечения вала будет равна:

L = π D = 3,14 0,1 = 0,314 L = %pi cdot D = 3,14 cdot 0,1 = 0,314

Так как на валу установлена одна металлическая метка, вес одного импульса индуктивного датчика будет равен 0,314 м/имп, и один оборот вала будет перемещать полотно на 0,314 м. Если бы меток было две, то вес импульса датчика был бы равен L / 2 и так далее. На этом разбор механической части заканчивается. Следующим этапом будет подключение бесконтактного индуктивного датчика к тахометру и его настройка.

Подключение индуктивного датчика осуществляется согласно схеме подключения, представленной на рисунке 4.

Подключение датчиков к тахометру
Рисунок 4 — Схема подключения датчиков
а) подключение датчиков NPN типа;
б) подключение датчиков PNP типа

Режим работы прибора и тип входного сигнала определяются положением 4-х DIP- переключателей, расположенных на верхней части корпуса электронного тахометра (см. рисунок 5).

DIP-переключатели тахометра
Рисунок 5 — Расположение DIP-переключателей

Для активации режима тахометра и выбора типа входного сигнала следует установить DIP-переключатели в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1 — положение DIP-переключателей
№ переключателя Положение
1 ON
2 OFF
3 OFF
4 OFF - для датчиков NPN типа (см. рисунок 5а)
ON - для датчиков PNP типа (см. рисунок 5б)

Далее требуется задать несколько параметров в приборе:

  • Pro-03 = 0 — выбор метода расчета частоты;
  • Pro-07 = 5 — время, выраженное в секундах, по истечении которого значение скорости обнулится при отсутствии входных импульсов;
  • Pro-20 = 1 — положение десятичной точки;
  • Pro-29 = 1 — множитель 1 с диапазоном задания от 0 до 9999;
  • Pro-30 = 3,14 — множитель 2 с диапазоном задания от 00,0001 до 99,9999.

На этом этапе процесс завершен! В результате настройки прибор будет отображать скорость движения полотна в формате ХХХХ,Х в м/с.

Выделим несколько важных моментов:

  1. параметр Pro-07 полезен при скорости вращения вала менее одного оборота в секунду. Так, при наличии на валу только одной метки, при медленном вращении с формированием импульса, например, один раз в 5 секунд и при параметре Pro-07 равном менее 5 секундам, на дисплее прибора будет отображаться 0;
  2. чем больше количество меток на валу, тем точнее измерения и быстрее реакция системы на изменение скорости движения. Особенно это критично для медленно вращающихся валов. Однако, нужно помнить о максимально возможной скорости счета входа тахометра. Так у EZM-4450 максимальная скорость счета в режиме тахометра 10 кГц;
  3. для отображения скорости с одним знаком после запятой требуется параметр Pro-20.

3. Измерение скорости движения течения жидкости в трубе. Реле протока

Имеется трубопровод диаметром 25 мм по которому течет вода. На трубопроводе установлен водяной счетчик с импульсным выходом типа VLF-I 15, у которого Qном = 1,5 м³/ч, а вес импульса равен 10 дм³/имп. Требуется контролировать скорость потока жидкости, и, при скорости ниже 2,5 м/с, включать сигнализацию. Упрощенный вид объекта представлен на рисунке 6.

Контроль скорости потока жидкости
Рисунок 6 — Упрощенный вид объекта

Для решения задачи нам понадобится дополнить систему промышленным тахометром EZM-4450, а также звуковым оповещателем (например зуммер). Нам известен вес импульса водяного счетчика в дм³/имп. Чтобы настроить тахометр на измерение линейной скорости потока нам требуется знать вес импульса в м/имп. Найдем его.

Во избежании ошибок с размерностью, сначала переведем все известные нам данные в систему СИ, то есть 10 дм³ = 0,01 м³, а 25 мм = 0,025 м. Длина трубопровода L, объем которого займет 0,01 м3, при диаметре трубопровода 0,025 м, будет определяться формулой(4):

L = V S L = V over S

где:
V — объем в м³$
S — площадь поперечного сечения трубопровода в м².

Участок трубопровода
Рисунок 7 — Участок трубопровода

Площадь поперечного сечения трубопровода S легко найти, зная диаметр трубопровода, по формуле (5):

S = π D 2 4 S = %pi cdot D^2 over 4

Искомая длина трубопровода L будет найдена формулой (6):

L = V S = 4 V π D 2 = 4 0,01 3,14 0,025 2 = 20,3821 L=V over S = 4 cdot V over {%pi cdot D^2} = 4 cdot 0,01 over {3,14 cdot 0,025^2 }=20,3821

Так как все величины, а именно V и D уже переведены соответственно в метры кубические и в метры, то полученный в формуле (6) результат, выражен также в метрах. Таким образом, вес импульса водяного счетчика равен 20,3821 м/имп. То есть, как только водяной поток пройдет 20,3821 м по трубопроводу диаметром 25 мм, водяной счетчик выдаст один импульс. Водяной счетчик может иметь на выходе либо транзисторный выход с открытым коллектором, либо геркон. Подключение обоих вариантов к EZM-4450 осуществляется согласно схемам подключения, представленным на рисунке 8. 

Схема подключения
Рисунок 8 — Схема подключения водяного счетчика к цифровому тахометру EZM-4450
а) транзисторный выход открытый коллектор NPN типа;
б) транзисторный выход открытый коллектор PNP типа;
в) выход типа геркон по NPN схеме подключения;
г) выход типа геркон по PNP схеме подключения

Представленный в примере водяной счетчик, имеет на выходе геркон, который может подключаться как по NPN, так и по PNP схеме подключения, соответственно для его подключения к EZM-4450 необходимо воспользоваться рисунком 9в или 9г.

Как уже описывалось выше, режим работы цифрового тахометра EMKO EZM-4450 и тип входного сигнала определяются положением 4-х DIP-переключателей, расположенных на верхней части корпуса прибора (см. рисунок 5). Для активации режима тахометра и работы с водяным счетчиком с выходом типа геркон, установим их в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2 — положение DIP-переключателей
№ переключателяПоложение
1ON
2OFF
3OFF
4OFF - при подключении по NPN схеме подключения (см. рисунок 9в)
ON - при подключении по PNP схеме подключения (см. рисунок 9г)

Для отображения скорости потока с одним знаком после запятой, по аналогии с предыдущим примером, требуется значение веса импульса умножить на 10 и параметр Pro-20 (положение десятичной точки) установить равным 1 (единице).

Таким образом в прибор необходимо задать вес импульса равным 203,821 м/имп. 

Но Pro-29 (множитель 1) имеет диапазон задания от 0 до 9999, а Pro-30 (множитель 2) имеет диапазон задания от 00,0001 до 99,9999. Ни там ни там нельзя задать число 203,821.

Вариант решения — так как показания на приборе определяются формулой (2), напомним:

Показания = v Pro 29 Pro 30 Показания = v cdot Pro-29 cdot Pro-30

Целую часть числа 203,821, то есть 203 задаем в параметр Pro-29, а в параметр Pro-30 задаем результат деления 203,821 на 203, то есть 1,004. 

Далее задаем уже знакомые нам параметры в тахометр:

  • Pro-03 = 0 — выбор метода расчета частоты;
  • Pro-07 = 10 — время, выраженное в секундах, по истечении которого значение скорости обнулится при отсутствии входных импульсов;
  • Pro-20 = 1 — положение десятичной точки;
  • Pro-29 = 203 — множитель 1 с диапазоном задания от 0 до 9999;
  • Pro-30 = 1,004 — множитель 2 с диапазоном задания от 00,0001 до 99,9999.

Отмечаем один важный момент. Параметр Pro-07 очень важен при маленькой скорости движения жидкости или при большом значении веса импульса. Так в нашем примере значение этого параметра должно быть не менее 10 с. При указанных настройках прибора на верхнем дисплее будет отображаться текущая скорость потока воды в формате ХХХХ,Х м/с.

Настроим теперь первый выход прибора таким образом, чтобы при потоке ниже 2,5 м/с, включалась сигнализация. Для этого нам достаточно установить следующие параметры:

  • Pro-09 = 2 — настройка первого выхода в качестве сигнализатора;
  • Pro-11 = 1 — сигнализатор типа «Нагреватель», то есть активация выхода осуществляется при снижении текущей скорости потока ниже заданного порога срабатывания, где порог срабатывания: Уставка-1 (SV1);
  • Pro-14 = 0 — типа выходного сигнала первого выхода: НО;
  • Pro-18 = 0 — начало контроля за скоростью потока сразу после включения прибора;
  • SV1 — Уставка-1: порог срабатывания первого выхода прибора.

Обратите внимание на параметр Pro-18. Он определяет начало контроля скорости потока, а именно:

  • при Pro-18 = 0 - начало контроля за скоростью потока сразу после включения прибора;
  • при Pro-18 = 1 - начало контроля за скоростью потока после достижения Уставки-1 (SV1);
  • при Pro–18 = 2 - начало контроля за скоростью потока после достижения Уставки-2 (SV2).

Таким образом, этот параметр может исключить включение сигнализации при первом включении системы. Звуковой оповещатель подключается к прибору согласно схеме, представленной на рисунке 9.

Подключение звукового оповещателя к тахометру
Рисунок 9 — Схема подключения звукового оповещателя к прибору

4. Вывод

В данной статье мы привели два примера, в которых мы использовали прибор EZM-4450 в режиме тахометра для измерения линейной скорости полотна и скорости течения воды в трубопроводе. Однако областей применения тахометров в целом и EZM-4450 в частности гораздо больше. Тахометры можно применять во всех случаях, если задачу можно привести к подсчету количества импульсов в единицу времени, а это об/мин, м&3sup;/ч, л/мин, м/с, км/ч, Гц и так далее. Благодаря наличию двух дискретных выходов и интерфейса RS-485 с протоколом Modbus RTU, кроме измерения физических величин цифровой прибор EMKO EZM-4450 можно использовать для контроля, управления, оповещения и передачи измеренных величин на верхний уровень АСУ ТП.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Матирный А.А.


 Наверх