Fråga:
Hur kan jag bestämma varvtalet för ett hjul som snurrar riktigt snabbt?
Pritt Balagopal
2017-08-26 10:23:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Låt oss säga att jag har en motor som snurrar riktigt snabbt.Jag vill verkligen veta motorns vinkelhastighet.Att använda en stoppklocka kommer definitivt inte att fungera eftersom ingen kan tid så snabba rotationer.Så hur skulle jag hitta rotationsfrekvensen i ett sådant fall?

Tja, om din rotation är "riktigt snabb" måste detta vara "riktigt svårt" att mäta.Du kanske kan använda en enhet som är "riktigt snabb" också.Hjälper det att besvara din fråga?Kanske kan du lägga till siffror så att folk vet vad "riktigt snabbt" betyder.Dessutom bör du berätta för oss målet: Lösningen beror t.ex.på priset på din maskin.Om du har en maskin för en halv miljon USD letar du antagligen inte efter billiga lösningar.
Det skulle hjälpa om du beskrev vad du menar med "riktigt snabbt" - nätdrivna motorer snurrar ofta med knappt 3600 varv per minut, långt över metodens tak.Universalmotorer, små fläktar och många andra saker kan snurra upp till 10 000 varv / min.
@SomeoneSomewhere Min metod är endast begränsad av kapaciteten för min telefons strobefrekvensgräns.Med stroboskopljus med högre frekvens kan snabbare vinkelhastigheter mätas.
Om du letar efter praktiska saker kan du förmodligen hitta RPM-räknare som fungerar med en bit reflekterande tejp i din lokala verktygsbutik.Att beräkna vinkelmoment därifrån handlar bara om matematik, och de mäter betydligt snabbare rotationer än vad en smartphone kan ta på sin blixt för att hitta.
Förutsatt att motorn (eller åtminstone axeln) är synlig, fäst en skiva med en markör.Du kan ha en bit färg, ett hål eller en magnet för en hall-effekt-sensor.För "riktigt snabbt" använder du ett stroboskopljus eller räknar händelser (ljuset lyser genom hålet, magneten passerar sensorn).
Det verkar som att du också kan mäta ljudfrekvensen från det roterande objektet.Se den här videon: https://www.youtube.com/watch?v=OWCAlJ1vsqc.Jag är dock inte säker på att denna metod är sund.Det fungerar inte heller om det roterande objektet är homogent.
Det skulle också hjälpa att känna till önskad noggrannhet för mätningarna.Om du mäter ett litet fläkt vid 10 000 RPM som @SomeoneSomewhere nämner, är du förmodligen inte så noga med att vara borta med 100 RPM.Om du kör en urancentrifug av Zippe-typ vid 90 000 varv per minut och driver gränserna för draghållfastheten för titan i rotorerna, vill du förmodligen veta dina varvtal inom 1 varv så att du kan kontrollera dem ordentligt.
Baumer Hubner är ett företag som producerar kodare, olika typer av dem.Se http://www.baumerhuebner.com/download.0.html?L=1&suchstr=OG_6 för några av dem.
Tio svar:
Pritt Balagopal
2017-08-26 10:26:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Det finns ett väldigt intressant sätt att hitta vinkelhastigheten på ett hjul som snurrar så snabbt att du inte kan mäta med en stoppur. Vi använder ett stroboskopljus (ett ljus som blinkar på och av flera gånger) och ett mycket intressant koncept som kallas Wagon Wheel-effekten under stroboskopiska förhållanden.

Lite om konceptet:

Wagon Wheel-effekten är ett fenomen där ett snurrhjul kan se ut att vara stillastående under ett stroboskopljus. Anledningen till att detta händer är ganska enkelt, rotationsfrekvensen för det roterande hjulet är en integrerad multipel av strobljusets på-och-av-frekvens. Som ett resultat kommer hjulet i samma läge som tidigare varje gång lampan blinkar. Detta skapar en illusion om att hjulet var stillastående.

Men hur ska vi använda detta koncept för att hitta varvtalet för ett snurrhjul? Låt oss ta reda på det.

Experimentet:

Du behöver bara ett stroboskoplampa (du kan ladda ner stroboskopappar för Android och förmodligen också för iOS) och ditt snurrhjul. I det här svaret använder jag en fidget spinner för att demonstrera.

enter image description here

Håll rummet så mörkt som möjligt och sätt i hjulet i rörelse. Slå på stroboskopljuset och börja med en hög blixtfrekvens och sänk gradvis frekvensen tills du ser att hjulet blir stillastående. Vi gör detta eftersom vi inte vill att andra integrerade multiplar av frekvensen ska matcha det snurrande hjulet.

enter image description here

Anteckna strobljusfrekvensen $ \ nu $ . I mitt fall verkar fidget-spinnaren stationär med en frekvens på 13,3 Hz. Som vi nämnde tidigare verkar hjulet bara stilla när frekvenserna matchar. Så, strobelysningsfrekvensen är hjulets rotationsfrekvens. Så jag kan säga att min fidget-spinner gör 13,3 varv per sekund. Och naturligtvis är det varvtalet 798.


Jag hoppas att du gillade det här roliga experimentet.Om du har några frågor, vänligen släpp dem vid kommentarerna.Om du har ett bättre sätt att hitta vinkelhastigheten, tveka inte att skriva ett svar.

Jag tror att du också kan avgöra om du är synkroniserad, eller vid någon multipel, genom att ändra stroffrekvensen något och sedan observera hur objektets hastighet verkar förändras.Till exempel om stroben reduceras med 1 Hz men objektet verkar förändras med 3 Hz, kan du härleda förhållandet mellan strobe och objekt är 1: 3.
Observera att för ett ordentligt experiment vars data du vill använda måste du veta hur korrekt strobfrekvensen visas, annars blir du oförmögen att uppriktigt uppskatta felet vid mätningen.
Tack för din insikt @ACuriousMind.Jag var inte så angelägen om noggrannheten för den frekvens som min telefon visar.Naturligtvis är detta experiment inte utan begränsningar, eftersom det huvudsakligen är ett icke-sofistikerat experiment, vilket kan göras med lättillgängliga hushållsartiklar.Tack för ditt råd ändå.
Detta gör att du kan uppskatta frekvenser ganska högre än att bara räkna varv, men det är fortfarande ganska begränsat.Även en 50Hz-strobe (aka LED-glödlampa) ser ut som kontinuerlig belysning för det mänskliga ögat.
@PhilFrost Visst, men om ditt hjul snurrar vid 600 000 rpm kommer det ändå att göra många varv under varje avfyrning av stroben.Att mäta den typen av rotationshastighet kommer att bli en stor utmaning med all utrustning!
Jag har sett att många människor betonar begränsningarna i detta experiment, till exempel den begränsade vinkelhastigheten som kan mätas på detta sätt.Jag funderar för närvarande på sätt att förlänga gränsen medan jag fortfarande använder den här metoden.Jag gör en uppdatering om en liten stund.
Egentligen, om hjulets vinkelhastighet är stabil, kommer denna metod att vara mycket exakt, eftersom en liten avstämning kommer att synas som en liten men märkbar drift.Som beskrivet kommer metoden strängt taget bara att ge dig $ f / n $, där f är frekvens på hjulet och n är något okänt positivt heltal (om du vet att du börjar nära rotationsfrekvensen så kommer nvara 1, men om hjulet snurrar "väldigt snabbt" kan stroffrekvensen vara många gånger lägre).Men om du mäter f1 = f / n1 och kontinuerligt förskjuter strobfrekvensen tills du hittar * nästa * ...
... högre frekvens f2 som gör att hjulet ser stilla ut, då f2 = f / (n1-1).Det ger dig två ekvationer i två okända, och du kan lösa f.Så även om din strobe inte är nästan lika snabb som hjulet kan du fortfarande få hjulets rotationshastighet.(Eller, om nästa högre frekvens ger en dubbelbild av hjulet, var f1 i första hand den faktiska hjulfrekvensen.)
SomeoneSomewhereSupportsMonica
2017-08-26 17:18:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En lasertachometer:

https://www.amazon.com/Neiko-20713A-Digital-Tachometer-Non-contact/dp/B000I5LDVC

Markera en gång på motorn och låt den snurra.Rikta varvräknaren mot den.Genom att skina en laser på ytan och mäta förändringarna i returnerat ljus när märket passerar kan den bestämma varvtalet.

Det här svaret liknar min inställning med högfrekventa ljusblixtar.Kan du förklara hur ditt svar skiljer sig fundamentalt från mitt?
För en kommer han att vara en kontinuerlig stråle - blixtarna kommer från att ha en reflekterande fiducial markör på det roterande objektet.
@PrittBalagopal Den grundläggande skillnaden ligger egentligen i noggrannhet.En specialbyggd enhet kommer att ge mer exakta svar än att ögonbollar den via strober, och de är verkligen inte ens så dyra idag.Det handlar verkligen om ansökan.Behöver du veta att det är 9998 RPM vs 9999 RPM?Eller är du bara nyfiken på hur snabbt det går?Jag kan lätt se hur båda svaren kan vara användbara beroende på omständigheterna.
@PrittBalagopal Nej, det här skiljer sig helt från din inställning.Tillvägagångssättet här är bara att titta på saken snurra och räkna varv, men att göra det med en optisk sensor som kan räkna mycket snabbare än det mänskliga ögat.Dessutom kan dina ögon inte skilja en mycket snabb strobe från kontinuerlig belysning (t.ex. en LED-lampa är i grunden en nätfrekvensstråle, men du ser den som kontinuerligt ljus).
@PrittBalagopal Om du riktar telefonen mot en 3000 (eller 3600 om i ett land med 60Hz effekt) RPM-induktionsmotor kommer du inte att se något användbart.Det här kommer med glädje att berätta.Dessutom behöver det inte vara i ett mörkt rum, det är snabbare och du behöver inte göra matematik.
@PrittBalagopal antar att den "riktigt snabba" rotorn snurrar med cirka 100 000 varv per minut.Det är cirka 1600 varv per sekund.Det finns inget sätt att ett billigt stroboskopljus kan producera användbar ljusflöde vid den frekvensen, men en mycket enkel fotodioddetektor kan enkelt konvertera en reflekterad ljusblixt per varv till en 1,6 kHz elektrisk signal, och vilken dator eller mobiltelefon som helst kan mäta frekvensengenom att ansluta den signalen till en ljudingång.
Jag skulle också se upp för symmetri i det som snurrar.Fidget-spinnaren på fotot har olika färger, men om det inte gjorde det skulle det vara lätt att få ut frekvensen med en faktor 3!
Gregor Michalicek
2017-08-26 15:51:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En idé för ett tillvägagångssätt kan vara att spela in ljudet som motorn producerar och sedan transformera Fourier den signalen.Antagandet är att frekvensen du letar efter kommer att vara tydligt synlig i signalens spektrum.Naturligtvis är det inte klart om denna frekvens är så lätt att identifiera som den låter.

Du har också en intressant idé.Jag har alltid märkt att snabba snurrmotorer "skriker" vid högre tonhöjd jämfört med långsammare snurrande.Kan du förklara detta mer detaljerat?
Relaterat: https://engineering.stackexchange.com/a/2009/846
@Emil: Det är en mycket trevlig och praktisk förverkligande av detta tillvägagångssätt med mycket mer förklaring.Jag visste inte att det finns smarttelefonapplikationer som kan användas för att göra detta.Men att tänka på detta borde jag ha vetat.Tack för länken.
Eric Lippert
2017-08-27 01:25:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Skriv ut en disk som ser ut så här:

https://tse4.mm.bing.net/th?id=OIP.qG8sKBCIE0u9o56v1624GQEsEr&pid=15.1

Fäst det på det snurrande föremålet och observera det med ett 60 Hz stroboskopljus.Genom att bestämma vilka ringar som ser ut som om de stoppas av en 60 Hz-strobe kan du härleda objektets varvtal.

Som du kan se har den inre ringen åtta segment (4 vita, 4 svarta), nästa ring har 10 segment etc. Om du roterar skivan 90 grader kommer inte mönstret på den inre ringen att ha skiftat.Om du roterar disken 72 grader kommer inte mönstret på nästa ring att ha skiftat.Så med en 60 Hz-strobe kan du hitta vilken ring som verkar vara stillastående.Ring antalet segment i den ringen N, då måste skivan ha flyttat 720 / N grader på 1/60 sekund.det är 2 / N varv på 1/60 sekund, så 7200 / N RPM.

Gör en webbsökning efter "utskrivbar strobe RPM" för mer information.

Jag skulle inte kalla 1800 varv per minut "riktigt snabbt."En bil turboladdare kan till exempel komma nära 100 000 varv / min.Och i alla fall är turboladdare alldeles för små för att fästa den typen av strobdisk till dem.
Detta svar skulle förbättras avsevärt genom att inkludera åtminstone en skiss över hur denna metod fungerar.
Floris
2017-08-28 19:37:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jag har gjort det exakta experimentet under helgen - detaljerad beskrivning nedan. I grund och botten handlade det om en laserpekare, en fotodiod, två motstånd, en transistor och en Arduino. Ställ in Arduino-timern så att den körs vid 10 kHz, och utgången från fotodioden (till avbrottsingången på Arduino) utlöser en "läsning" av timern. När minst en sekund har gått skriver du ut förhållandet, återställer räknarna och börjar igen. Fungerar riktigt bra över stora varvtal. Jag använde den faktiskt för att mäta spindeln till en fidget spinner - för att visa att processen är olinjär, vilket bevisar att luftmotstånd spelar en roll.

Här är en bild av "setup" (på det röriga skrivbordet i min "den"):

enter image description here

En enkel kartong innehöll en fotodiod till vänster (20 stycken för $ 4,99 på Amazon * ) och en liten laserdiod till höger (10 för $ 6,99 på Amazon). Jag kunde hålla en roterande fidget spinner i strålen, och Arduino skulle göra resten.

Och en spårning av signalen: (lite suddig - skalan är 20 ms per division, så det finns cirka 30 avbrott per sekund när jag tog bilden)

enter image description here

Uppenbarligen hjälper det att ha utrymme att ställa upp något liknande korrekt - men om du har en laserpekare som är riktad mot din fotodiod och ett sätt att avbryta strålen ordentligt när hjulet roterar har du mycket spelrum.

UPPDATERING

Här är Arduino-koden som jag använde för att skapa RPM-mätaren:

  // kod för att skapa en RPM-mätare baserad på en avbruten optisk stråle
lång tid = 0; // tid sedan senaste mätning
långa klick = 0; // optiska avbrott sedan senaste mätning
lång total tid = 0; // total förfluten tid sedan återställningen

ogiltig installation () {
  // konfigurera stift 2 för ingång:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // inställningstimer:
  cli (); // stoppa avbrott

  // ställ timer1 avbrott vid 10 kHz
  TCCR1A = 0; // ställ hela TCCR1A-registret till 0
TCCR1B = 0; // samma för TCCR1B
  TCNT1 = 0; // initialisera räknarvärdet till 0;
  // ställa in timerantal för steg om 10 kHz
  OCR1A = 199; // = (16 * 10 ^ 6) / (10000 * 8) - 1
  // aktivera CTC-läge
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // Ställ in CS11-bit för 8 prescaler
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // aktivera timer jämför avbrott
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // tillåta avbrott
  // END TIMER SETUP

  // slå på serieport vid 9600 baud:
  Serial.begin (9600);
}

ogiltig slinga () {
// inget här - allt är avbrott
}

ogiltig reportTime () {
  klick ++;
  if (tid > 10000) {
    // åtminstone en hel sekund har gått
    totaltime + = tid;
    Serial.print (totaltime);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600000 * klick / float (tid));
    Serial.write ("rpm \ r \ n");
    tid = 0;
    klick = 0;
  }
}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // Avbryt vid freq på 10 kHz
  tid ++;
}
 

Kretsschemat är super enkelt. Jag anslöt en 5 V-matning till laserdiodmodulen (som har sin egen interna strömregulator); det är möjligt att det kan springa av Arduino 5 V (det tar bara 10 mA) men jag försökte inte det. Den optiska pickupen gjordes med den här kretsen:

enter image description here

När dioden tänds delas strömmen mellan R1 och transistorns bas. När spänningen över R1 når 0,6 volt kommer transistorn att "slå på" och dra ström från kollektorn. Detta drar ner signalen som är ansluten till stift 2 (med hjälp av Arduinos interna pullup). När strålen avbryts reduceras strömmen och transistorn stängs av. Att slå på "(dra ner) är mycket snabbare än att stänga av" med denna krets, så vi utlöser den fallande kanten. Du kan göra kretsen mer känslig genom att öka R1 - ju större den är, desto mindre ljusnivå behövs för att utlösa. Men det blir också mer känsligt för omgivande ljus och svaret är långsammare. Med laserdioden fann jag att 420 Ohm var ett bra värde: snabb respons, okänslig för omgivande ljus. Men det är definitivt ett värde att spela med.

Jag testade kretsen vid frekvenser upp till 1 MHz (körde lasern med en signalgenerator med en fyrkantig våg), och det var bra - så svarstiden är långt under 1 oss. Detta bör göra det tillräckligt snabbt för många applikationer.

Ett exempel på att använda detta för att mäta RPM för en fidget spinner:

enter image description here

Det finns tre avbrott per varv på spinnaren - och jag har inga problem att mäta 1200 rpm (3600 avbrott per minut = 60 per sekund). Jag körde lasern med en signalgenerator, jag kunde gå mycket snabbare ... upp till 30 kHz. Vid den tidpunkten finns det något överflöde i programmet och siffrorna är nonsens (jag misstänker att Arduino inte är tillräckligt snabb för att hantera 10 000 klockavbrott och 30 000 optiska avbrott; vissa ändringar i skalningen kan förlänga räckvidden, men du behöver inte det för de flesta ändamål).

Kör lasern vid 1 kHz såg jag 59988 rpm - det är uppenbarligen "60 000" med något numeriskt avrundningsfel (eller klockan på Arduino är inte exakt 16 MHz, eller ...), så det är bra.När du trycker på kretsen för hårt kommer avbrott att komma i vägen för varandra.Den högsta "korrekta" avläsningen jag fick var med 3 kHz-ingång, 179904 rpm-utgång.Det borde vara tillräckligt bra för de flesta applikationer ... Även ett cykelhjul (med 32 ekrar) som går 100 varv per sekund (ungefär 2/3 av ljudets hastighet) kan stämmas med detta.Naturligtvis skulle hjulet riva sönder långt innan det nådde den hastigheten ...


* Jag är inte ansluten till Amazon eller de företag som tillverkar dessa komponenter;ville bara göra det enkelt för dig att hitta sådana delar

Eric Towers
2017-08-27 00:45:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Fäst din motor i en reduktionsväxellåda.Mät utgångens vinkelhastighet och multiplicera med reduceringsförhållandet för att få den ursprungliga vinkelhastigheten.

Observera att människor för närvarande håller på att skriva ut tre miljoner 11 miljoner: 1 eller miljarder: 1 reduktionsväxlar. Exempel.Utgången från en växellåda kan också vara ingången till nästa (även om man bör vara medveten om friktionsförluster och minimalt erforderligt vridmoment), så löjligt snabb motorvinkelhastighet kan reduceras till väsentligen stationär effekt.

Jag tror att detta är rätt svar om man behöver upprepa mätningar.
vsz
2017-08-28 13:43:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Anslut en likströmsmotor och mät dess EMF genom att plotta den spänning du mäter vid de anslutningar som du vanligtvis skulle försörja DC-motorn om du hade använt den som motor.

De flesta enkla likströmsmotorer har tre spolar, så på ett oscilloskop kommer du att se något som liknar absolut en sinus, där tre sådana "kullar" kommer att motsvara en fullständig varv.

enter image description here

Det är förmodligen mycket enklare att installera än en växellåda, och du kommer att ha mycket mindre problem med friktion, särskilt om hastigheten är riktigt snabb.

user3035260
2017-08-28 20:12:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mitt första försök skulle vara en slow motion-video på min smartphone, räkna varv i 10 sekunder och gånger det med 6 för att få en idé). Framraterna kan dock vara för låga för dig.(Det finns en ny Sony-smartphone med 1000 bilder per sekund dregling , det är ungefär 60 000 bilder per minut. Samsung S5 har 120 bilder per sekund.).

Victor Palea
2017-08-31 22:25:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Min uppfattning om den här frågan är baserad på denna video.Tanken bakom detta är att om du lyckas överföra vinkelhastigheten från motorn till en roterande skiva och skapa inställningen från videon kan du, baserat på geometrin för inställningen och precessionens hastighet, beräkna vinkelhastigheten förmotor.

Beräkningen hittar du här, sidorna 4-6, problem W14D3-2 Tabellproblem Suspenderad gyroskoplösning .I slutet av problemet har du följande formel där alla parametrar definieras i dokumentet:

$$ \ Omega = \ frac {d \ cdot m \ cdot g} {I_ {cm} \ omega_s} $$

För ditt scenario kan du använda formeln ovan, men för att beräkna $ \ omega_s $ genom att mäta $ \ Omega $.

Jag hoppas att detta lägger till ett annat perspektiv på problemet än vad som hittills föreslogs.

Ajinkya Naik
2017-08-29 22:20:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Som vi ser finns det dussintals experiment som kan hjälpa dig, men ett enklare och ganska exakt sätt kan vara genom att fästa ett mycket litet ljus vid valfri punkt på hjulet och sätt på det.Då kan du snurra på hjulet vid önskat varvtal och fästa en slags ljussensor med hög intensitet (lika med det lilla ljuset som sitter på ditt hjul).Sedan kan sensorn räkna, i hur mycket tid ljuset med given intensitet detekterades, kan du ändra det så att varje gång en ljusstråle med given intensitet detekteras, kommer sensorn att markera det med ett pip och räkna det totala antaletpip.



Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...