Pregunta:
¿Cómo puedo determinar las rpm de una rueda que gira realmente rápido?
Pritt Balagopal
2017-08-26 10:23:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Digamos que tengo un motor que gira muy rápido.Realmente quiero saber la velocidad angular del motor.Definitivamente, usar un cronómetro no funcionará ya que nadie puede cronometrar rotaciones tan rápidas.Entonces, ¿cómo encontraría la frecuencia de rotación en tal caso?

Bueno, si su rotación es "realmente rápida", entonces esto debe ser "realmente difícil" de medir.Quizás también podría utilizar un dispositivo que sea "realmente rápido".¿Ayuda esto a responder su pregunta?Tal vez podría agregar números para que la gente sepa lo que significa "realmente rápido".Además, debe indicarnos el objetivo: La solución depende, p. Ej.sobre el precio de su máquina.Si tiene una máquina por medio millón de dólares, probablemente no esté buscando una solución barata.
Sería útil si describiera lo que quiere decir con 'realmente rápido': los motores alimentados por la red a menudo giran a poco menos de 3600 RPM, muy por encima del techo de su método.Los motores universales, los ventiladores pequeños y muchas otras cosas pueden girar a más de 10,000 RPM.
@SomeoneSomewhere Mi método solo está limitado por la capacidad del límite de frecuencia estroboscópica de mi teléfono.Con luces estroboscópicas de mayor frecuencia, se pueden medir velocidades angulares más rápidas.
Si lo que busca es práctico, probablemente pueda encontrar contadores de RPM que funcionen con un trozo de cinta reflectante en su tienda de herramientas local.Calcular el momento angular desde allí es solo una cuestión de matemáticas, y miden rotaciones significativamente más rápidas de las que un teléfono inteligente puede encontrar con el flash.
Suponiendo que el motor (o al menos el eje) sea visible, coloque un disco con un marcador.Puede tener un poco de pintura, un agujero o un imán para un sensor de efecto Hall.Para "realmente rápido", utiliza una luz estroboscópica o cuenta eventos (la luz brilla a través del orificio, el imán pasa al sensor).
Parece que también puede medir la frecuencia del sonido proveniente del objeto giratorio.Vea este video: https://www.youtube.com/watch?v=OWCAlJ1vsqc.Sin embargo, no estoy seguro de que este enfoque sea sólido.Tampoco funcionará si el objeto giratorio es homogéneo.
También ayudaría a conocer la precisión deseada de las mediciones.Si está midiendo un pequeño ventilador a 10,000 RPM como menciona @SomeoneSomewhere, probablemente no sea demasiado exigente para estar apagado a 100 RPM.Si está ejecutando una centrífuga de uranio tipo Zippe a 90,000 RPM, empujando los límites de la resistencia a la tracción del titanio en los rotores, entonces probablemente desee conocer sus RPM dentro de 1 RPM para poder controlarlas adecuadamente.
Baumer Hubner es una empresa que produce codificadores, diferentes tipos.Consulte http://www.baumerhuebner.com/download.0.html?L=1&suchstr=OG_6 para ver algunos de ellos.
Diez respuestas:
#1
+49
Pritt Balagopal
2017-08-26 10:26:12 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Existe una forma muy interesante de encontrar la velocidad angular de una rueda que gira tan rápido que no se puede medir con un cronómetro. Usaremos una luz estroboscópica (una luz que se enciende y apaga repetidamente) y un concepto muy interesante conocido como efecto Rueda de carro en condiciones estroboscópicas.

Un poco sobre el concepto:

El efecto Wagon Wheel es un fenómeno en el que una rueda giratoria puede parecer inmóvil bajo una luz estroboscópica. La razón por la que esto sucede es bastante simple, la frecuencia de rotación de la rueda giratoria es un múltiplo integral de la frecuencia de encendido y apagado de la luz estroboscópica. Como resultado, cada vez que la luz estroboscópica parpadea, la rueda vuelve a la misma posición que antes. Esto crea la ilusión de que la rueda estaba parada.

¿Pero cómo usaremos este concepto para encontrar las rpm de una rueca? Averigüemos.

El experimento:

Solo necesitará una luz estroboscópica (puede descargar aplicaciones de luz estroboscópica para Android y probablemente también para iOS) y su rueca. En esta respuesta, usaré un fidget spinner para demostrarlo.

enter image description here

Mantenga la habitación lo más oscura posible y ponga el volante en movimiento. Encienda la luz estroboscópica y comience con una frecuencia de destello alta y baje gradualmente la frecuencia hasta que vea que la rueda se detiene. Hacemos esto porque no queremos que otros múltiplos enteros de la frecuencia coincidan con la rueca.

enter image description here

Tome nota de la frecuencia de la luz estroboscópica $ \ nu $ . En mi caso, el fidget spinner parece estacionario a una frecuencia de 13,3 Hz. Como mencionamos antes, la rueda aparece estacionaria solo cuando las frecuencias coinciden. Entonces, la frecuencia de la luz estroboscópica es la frecuencia de rotación de la rueda. Entonces, puedo decir que mi fidget spinner hace 13.3 revoluciones por segundo. Y, por supuesto, sus rpm serían 798.

Espero que hayas disfrutado de este divertido experimento.Si tiene alguna consulta, déjela en los comentarios.Si tiene una mejor manera de encontrar la velocidad angular, no dude en escribir una respuesta.

Creo que también puede determinar si está sincronizado, o en algún múltiplo, cambiando ligeramente la frecuencia de la luz estroboscópica y luego observando cómo parece cambiar la velocidad del objeto.Por ejemplo, si la luz estroboscópica se reduce en 1 Hz pero el objeto parece cambiar en 3 Hz, puede deducir que la relación entre luz estroboscópica y objeto es 1: 3.
Tenga en cuenta que para un experimento adecuado cuyos datos desea usar, necesitará saber con qué precisión se muestra la frecuencia de la luz estroboscópica; de lo contrario, no podrá estimar honestamente el error en la medición.
Gracias por tu conocimiento @ACuriousMind.Realmente no estaba tan interesado en la precisión de la frecuencia mostrada por mi teléfono.Por supuesto, este experimento no está exento de limitaciones, ya que es principalmente un experimento no sofisticado, que se puede realizar con artículos domésticos fácilmente disponibles.No obstante, gracias por tu consejo.
Esto le permitirá estimar frecuencias un poco más altas que simplemente contar revoluciones, pero aún es bastante limitado.Incluso una luz estroboscópica de 50 Hz (también conocida como bombilla LED) parece una iluminación continua para el ojo humano.
@PhilFrost Seguro, pero si tu rueda gira a 600.000 rpm, de todos modos, hará muchas rotaciones durante cada disparo de la luz estroboscópica.¡Medir ese tipo de velocidad de rotación será un desafío significativo con cualquier equipo!
He visto que mucha gente está enfatizando las limitaciones de este experimento, como la velocidad angular limitada que se puede medir de esta manera.Actualmente estoy pensando en formas de extender el límite, mientras sigo usando este método.Haré una actualización en un momento.
En realidad, si la velocidad angular de la rueda es constante, este método será muy preciso, ya que una pequeña desafinación será visible como una pequeña pero notable deriva.Sin embargo, como se describe, el método estrictamente hablando solo le dará $ f / n $, donde f es la frecuencia de la rueda y n es un entero positivo desconocido (si sabe que está comenzando cerca de la frecuencia de rotación, entonces nsea 1, pero si la rueda gira "muy rápido", la frecuencia de la luz estroboscópica puede ser muchas veces menor).Sin embargo, si mide f1 = f / n1 y cambia continuamente la frecuencia estroboscópica hasta encontrar el * siguiente * ...
... frecuencia más alta f2 que hace que la rueda parezca estacionaria, entonces f2 = f / (n1-1).Eso le da dos ecuaciones en dos incógnitas y puede resolver para f.Entonces, incluso si su luz estroboscópica no es tan rápida como la rueda, aún puede obtener la velocidad de rotación de la rueda.(O, si la siguiente frecuencia más alta da una imagen doble de la rueda, entonces f1 era la frecuencia real de la rueda en primer lugar).
#2
+26
SomeoneSomewhereSupportsMonica
2017-08-26 17:18:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Un tacómetro láser:

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

Haz una marca en un punto del motor y luego ponlo a girar.Apunte el tacómetro hacia él.Al hacer brillar un láser en la superficie y medir los cambios en la luz devuelta a medida que pasa la marca, puede determinar las RPM.

Esta respuesta es muy similar a mi enfoque, usando destellos de luz de alta frecuencia.¿Puede explicar cómo su respuesta es fundamentalmente diferente a la mía?
Bueno, para empezar, el suyo será un rayo continuo: los destellos provienen de tener un marcador fiducial reflectante en el objeto giratorio.
@PrittBalagopal La diferencia fundamental realmente radica en la precisión.Un dispositivo especialmente diseñado dará respuestas más precisas que mirarlo a través de luces estroboscópicas, y en realidad ni siquiera son tan caros en estos días.Realmente es una cuestión de la aplicación involucrada.¿Necesita saber que son 9998 RPM frente a 9999 RPM?¿O simplemente tienes curiosidad por saber qué tan rápido va?Puedo ver fácilmente cómo ambas respuestas podrían ser útiles según las circunstancias.
@PrittBalagopal No, esto es completamente diferente a su enfoque.El enfoque aquí es simplemente mirar la cosa girando y contar las revoluciones, pero hacerlo con un sensor óptico que puede contar mucho más rápido que el ojo humano.Además, sus ojos no pueden distinguir una luz estroboscópica muy rápida de una iluminación continua (por ejemplo, una bombilla LED es básicamente una luz estroboscópica de frecuencia de red, pero la ve como luz continua).
@PrittBalagopal Si apunta su teléfono a un motor de inducción de 3000 (o 3600 si está en un país con una potencia de 60 Hz) RPM, no verá nada útil.Esto te lo dirá muy felizmente.Además, no tiene que estar en una habitación oscura, es más rápido y no tienes que hacer ningún cálculo.
@PrittBalagopal suponga que el rotor "realmente rápido" gira a unas 100.000 RPM.Eso es aproximadamente 1600 revoluciones por segundo.No hay forma de que una luz estroboscópica barata pueda producir una salida de luz útil a esa frecuencia, pero un detector de fotodiodo muy simple puede convertir fácilmente un destello de luz reflejado por revolución en una señal eléctrica de 1.6kHz, y cualquier PC o teléfono celular puede medir la frecuencia.conectando esa señal a una entrada de audio.
También tendría cuidado con la simetría en la cosa que gira.El fidget spinner de la foto tiene diferentes colores, pero si no fuera así, sería fácil obtener la frecuencia en un factor de 3.
#3
+24
Gregor Michalicek
2017-08-26 15:51:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Una idea para un enfoque puede ser grabar el sonido que produce el motor y luego transformar la señal de Fourier.La suposición es que la frecuencia que busca será visible de manera prominente en el espectro de esa señal.Por supuesto, no está claro si esta frecuencia es tan fácilmente identificable como parece.

Tú también tienes una idea interesante.Siempre he notado que los motores de giro rápido "chirrían" a un tono más alto en comparación con los de giro más lento.¿Puede explicar esto con más detalle?
Relacionado: https://engineering.stackexchange.com/a/2009/846
@Emil: Esa es una realización muy agradable y práctica de este enfoque con mucha más explicación.No sabía que existen aplicaciones para teléfonos inteligentes que se pueden usar para hacer esto.Pero pensando en esto debería haberlo sabido.Gracias por el enlace.
#4
+21
Eric Lippert
2017-08-27 01:25:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Imprima un disco con este aspecto:

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

Conéctelo al objeto giratorio y luego obsérvelo con una luz estroboscópica de 60 Hz.Al determinar qué anillos parecen estar detenidos por una luz estroboscópica de 60 Hz, puede deducir las RPM del objeto.

Como puede ver, el anillo interior tiene 8 segmentos (4 blancos, 4 negros), el siguiente anillo tiene 10 segmentos, etc. Si gira el disco 90 grados, el patrón del anillo interior no se habrá movido.Si gira el disco en 72 grados, el patrón en el siguiente anillo no habrá cambiado.Entonces, con una luz estroboscópica de 60 Hz, puede encontrar qué anillo parece estar estacionario.Llame al número de segmentos en ese anillo N, entonces el disco debe haberse movido 720 / N grados en 1/60 de segundo.eso es 2 / N revoluciones en 1/60 'de segundo, entonces 7200 / N RPM.

Realice una búsqueda en la web de "RPM estroboscópico imprimible" para obtener más detalles.

Yo no llamaría 1800 RPM "realmente rápido".El rotor de un turbocompresor de automóvil puede alcanzar cerca de 100,000 RPM, por ejemplo.Y en cualquier caso, los turbocompresores son demasiado pequeños para acoplarles ese tipo de disco estroboscópico.
Esta respuesta se mejoraría enormemente si se incluyera al menos un bosquejo de cómo funciona este método.
#5
+10
Floris
2017-08-28 19:37:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Sucede que hice este experimento exacto durante el fin de semana; descripción detallada a continuación. Básicamente se trata de un puntero láser, un fotodiodo, dos resistencias, un transistor y un Arduino. Configure el temporizador Arduino para que funcione a 10 kHz, y la salida del fotodiodo (en la entrada de interrupción del Arduino) activa una "lectura" del temporizador. Cuando ha transcurrido al menos un segundo, imprime la relación, pone a cero los contadores y empieza de nuevo. Funciona muy bien en un amplio rango de RPM. De hecho, lo usé para medir el giro de un fidget spinner, para demostrar que el proceso no es lineal, lo que demuestra que la resistencia del aire juega un papel.

Aquí hay una imagen de la "configuración" (en el desordenado escritorio de mi "estudio"):

enter image description here

Una simple caja de cartón contenía un fotodiodo a la izquierda (20 piezas por \ $ 4,99 en Amazon * ) y un pequeño diodo láser a la derecha (10 por \ $ 6,99 en Amazon). Podría sostener un fidget spinner giratorio en la viga, y el Arduino haría el resto.

Y un rastro de alcance de la señal: (un poco borroso, la escala es de 20 ms por división, por lo que hay aproximadamente 30 interrupciones por segundo cuando tomé la foto)

enter image description here

Obviamente, es útil tener un visor para configurar algo como esto correctamente, pero si tiene un puntero láser que apunta a su fotodiodo y una forma de interrumpir el rayo correctamente a medida que gira la rueda, tiene bastante mucha libertad de acción.

ACTUALIZAR

Aquí está el código Arduino que utilicé para crear el medidor de RPM:

  // código para crear un medidor de RPM basado en un haz óptico interrumpido
mucho tiempo = 0; // tiempo desde la última medición
clics largos = 0; // interrupciones ópticas desde la última medición
tiempo total largo = 0; // tiempo total transcurrido desde el reinicio

configuración vacía () {
  // configurar el pin 2 para la entrada:
  pinMode (2, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt (0, reportTime, FALLING);

  // temporizador de configuración:
  cli (); // detener interrupciones

  // establece la interrupción del temporizador1 a 10 kHz
  TCCR1A = 0; // establece todo el registro TCCR1A en 0
TCCR1B = 0; // lo mismo para TCCR1B
  TCNT1 = 0; // inicializa el valor del contador a 0;
  // establece el contador de tiempo para incrementos de 10 khz
  OCR1A = 199; // = (16 * 10 ^ 6) / (10000 * 8) - 1
  // activa el modo CTC
  TCCR1B | = (1 << WGM12);
  // Establecer el bit CS11 para 8 prescaler
  TCCR1B | = (1 << CS11);
  // habilitar interrupción de comparación del temporizador
  TIMSK1 | = (1 << OCIE1A);

  sei (); // permitir interrupciones
  // FIN DE LA CONFIGURACIÓN DEL TEMPORIZADOR

  // activa el puerto serie a 9600 baudios:
  Serial.begin (9600);
}

bucle vacío () {
// nada aquí - todo es interrupciones
}

void reportTime () {
  clicks ++;
  if (time > 10000) {
    // ha pasado al menos un segundo completo
    tiempo total + = tiempo;
    Serial.print (tiempo total);
    Serial.print ("\ t: \ t");
    Serial.print (600000 * clics / flotante (tiempo));
    Serial.write ("rpm \ r \ n");
    tiempo = 0;
    clics = 0;
  }
}

ISR (TIMER1_COMPA_vect) {
  // Interrumpir a una frecuencia de 10 kHz
  tiempo ++;
}
 

El diagrama del circuito es súper simple. Conecté una fuente de 5 V al módulo de diodo láser (que tiene su propio regulador de corriente interno); es posible que pueda funcionar con Arduino 5 V (solo toma 10 mA) pero no lo intenté. La captación óptica se hizo con este circuito:

enter image description here

Cuando el diodo está iluminado, la corriente se divide entre R1 y la base del transistor. Una vez que el voltaje a través de R1 alcanza 0,6 voltios, el transistor se "encenderá" y extraerá corriente del colector. Esto baja la señal que está conectada al pin 2 (usando el pullup interno del Arduino). Cuando se interrumpe el haz, la corriente se reduce y el transistor se apaga. Encender (tirar hacia abajo) es mucho más rápido que apagar con este circuito, por lo que activamos el borde descendente. Puede hacer que el circuito sea más sensible aumentando R1: cuanto más grande es, menor es el nivel de luz necesario para disparar. Pero también se vuelve más sensible a la luz ambiental y la respuesta es más lenta. Con el diodo láser, encontré que 420 Ohm era un buen valor: respuesta rápida, insensible a la luz ambiental. Pero definitivamente es un valor para jugar.

Probé el circuito a frecuencias de hasta 1 MHz (impulsando el láser con un generador de señal con una onda cuadrada) y estaba bien, por lo que el tiempo de respuesta está muy por debajo de 1 us. Esto debería hacerlo lo suficientemente rápido para muchas aplicaciones.

Un ejemplo de cómo usar esto para medir las RPM de un fidget spinner:

enter image description here

Hay 3 interrupciones por revolución en la rueda giratoria, y no tengo problemas para medir 1200 rpm (3600 interrupciones por minuto = 60 por segundo). Conduciendo el láser con un generador de señal, pude ir mucho más rápido ... hasta 30 kHz. En ese punto, hay un desbordamiento en el programa y los números no tienen sentido (sospecho que el Arduino no es lo suficientemente rápido para lidiar con 10,000 interrupciones de reloj y 30,000 interrupciones ópticas; algunos cambios en la escala pueden extender el rango, pero usted no lo necesitará para la mayoría de los propósitos).

Al ejecutar el láser a 1 kHz, estaba viendo 59988 rpm, eso es obviamente "60,000" con algún error de redondeo numérico (o el reloj en el Arduino no es exactamente 16 MHz, o ...), así que eso es bueno.Cuando presionas demasiado el circuito, las interrupciones se interpondrán en el camino del otro.La lectura "correcta" más alta que obtuve fue con una entrada de 3 kHz y una salida de 179904 rpm.Eso debería ser lo suficientemente bueno para la mayoría de las aplicaciones ... Incluso una rueda de bicicleta (con 32 radios) a 100 revoluciones por segundo (aproximadamente 2/3 de la velocidad del sonido) podría sincronizarse con esto.Por supuesto, la rueda se rompería mucho antes de alcanzar esa velocidad ...


* No estoy afiliado a Amazon ni a las empresas que fabrican estos componentes;solo quería facilitarle la búsqueda de dichas piezas

#6
+8
Eric Towers
2017-08-27 00:45:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Conecte su motor a una caja de cambios reductora.Mida la velocidad angular de la salida y multiplíquela por la relación de reducción para obtener la velocidad angular original.

Tenga en cuenta que las personas actualmente imprimen en 3D cajas de engranajes reductores de 11 millones: 1 o miles de millones: 1. Ejemplo.Además, la salida de una caja de cambios puede ser la entrada a la siguiente (aunque se deben tener en cuenta las pérdidas por fricción y el par mínimo requerido), por lo que la velocidad angular del motor ridículamente rápida se puede reducir a una salida esencialmente estacionaria.

Creo que esta es la respuesta correcta si se necesitan mediciones repetidas.
#7
+4
vsz
2017-08-28 13:43:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Conecte un motor de CC y mida su EMF, trazando el voltaje que mide en las conexiones que normalmente suministraría al motor de CC, si lo hubiera usado como motor.

La mayoría de los motores de CC simples tienen 3 bobinas, por lo que en un osciloscopio verá algo similar al absoluto de un seno, donde tres de tales "colinas" corresponderán a una revolución completa.

enter image description here

Probablemente sea mucho más sencillo de instalar que una caja de cambios, y tendrá muchos menos problemas con la fricción, especialmente si la velocidad es realmente rápida.

#8
+3
user3035260
2017-08-28 20:12:07 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mi primer intento sería un video en cámara lenta en mi teléfono inteligente, contar las revoluciones durante 10 segundos y multiplicarlas por 6 para tener una idea). Sin embargo, las velocidades de fotogramas podrían ser demasiado bajas para ti.(Hay un nuevo teléfono inteligente Sony con 1000 cuadros por segundo babeo , eso es como 60,000 cuadros por minuto. El Samsung S5 tiene 120 fps).

#9
+1
Victor Palea
2017-08-31 22:25:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mi opinión sobre esta pregunta se basa en este video.La idea detrás de esto es que si logra transferir la velocidad angular del motor a un disco giratorio y crea la configuración a partir del video, puede, según la geometría de la configuración y la velocidad de precesión, calcular la velocidad angular de lamotor.

El cálculo se puede encontrar aquí, páginas 4-6, problema Tabla W14D3-2 Solución de giroscopio suspendido .Al final del problema tienes la siguiente fórmula donde todos los parámetros están definidos en el documento:

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

Para su escenario, puede usar la fórmula anterior, pero para calcular $ \ omega_s $ midiendo $ \ Omega $.

Espero que esto agregue una perspectiva diferente al problema de lo que se sugirió hasta ahora.

#10
  0
Ajinkya Naik
2017-08-29 22:20:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Como se vio, hay docenas de experimentos que pueden ayudarlo, pero una forma más simple y bastante precisa puede ser colocando una luz muy pequeña en cualquier punto aleatorio de la rueda y encenderla.Luego, puede girar la rueda a las rpm que desee y conectar una especie de sensor de luz de alta intensidad (igual a la pequeña luz colocada en su rueda).Entonces el sensor puede contar, en cuánto tiempo se detectó la luz de determinada intensidad, puede modificarla de modo que cada vez que se detecte un haz de luz de determinada intensidad, el sensor lo marque con un pitido y cuente el número total depitidos.



Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 3.0 bajo la que se distribuye.
Loading...