Введение

Тахометр (счетчик оборотов, тах, прибор для измерения оборотов, указатель RPM) – это прибор, измеряющий скорость вращения вала или диска, например, в двигателе или другой машине. Устройство обычно отображает обороты в минуту (RPM) на калиброванном аналоговом циферблате, но цифровые дисплеи становятся все более распространенными. Слово происходит от греческих слов τάχος (táchos – "скорость") и μέτρον (métron – "мера"). По сути, слова "тахометр" и "спидометр" имеют идентичное значение: прибор для измерения скорости. В автомобильной сфере по условному соглашению один из них используется для измерения оборотов двигателя, а другой – скорости транспортного средства. В формальной инженерной терминологии для их разграничения используются более точные обозначения.

История

Первый тахометр был описан Брайаном Донкином в статье для Королевского общества искусств в 1810 году, за что он был удостоен золотой медали общества. Он состоял из чаши с ртутью, сконструированной таким образом, что центробежная сила заставляла уровень в центральной трубке понижаться при вращении, что приводило к снижению уровня в более узкой трубке над ней, заполненной цветным спиртом. Чаша соединялась с измеряемым механизмом посредством шкивов. Первые механические тахометры основывались на измерении центробежной силы, подобно принципу работы центробежного регулятора. Считается, что изобретателем был немецкий инженер Дитрих Ульхорн, который использовал его для измерения скорости машин в 1817 году. С 1840 года он применялся для измерения скорости локомотивов.

В автомобилях, грузовиках, тракторах и самолетах

Тахометры или счетчики оборотов на автомобилях, самолетах и других транспортных средствах показывают частоту вращения коленчатого вала двигателя и обычно имеют разметку, указывающую безопасный диапазон скоростей вращения. Это может помочь водителю выбрать оптимальные настройки дроссельной заслонки и передач в зависимости от условий движения. Длительная работа на высоких оборотах может привести к недостаточной смазке, перегреву (превышению пропускной способности системы охлаждения), превышению допустимой скорости для деталей двигателя (например, клапанов с возвратными пружинами), что вызовет повышенный износ, необратимые повреждения или выход двигателя из строя. На аналоговых тахометрах скорости, превышающие максимальную безопасную рабочую скорость, обычно обозначаются красной зоной, что и дало название выражению "достижение красной зоны" – когда двигатель раскручивается до максимально допустимого предела. Большинство современных автомобилей оснащены ограничителем оборотов, который электронно ограничивает скорость двигателя для предотвращения повреждений. Дизельные двигатели с традиционными механическими системами впрыска имеют встроенный регулятор, предотвращающий превышение скорости, поэтому тахометры в транспортных средствах и машинах с такими двигателями иногда не имеют красной зоны. На транспортных средствах, таких как тракторы и грузовики, тахометр часто имеет дополнительную разметку, обычно зеленую дугу, показывающую диапазон оборотов, в котором двигатель развивает максимальный крутящий момент, что особенно важно для операторов этих машин. Тракторы, оснащенные валом отбора мощности (ВОМ), имеют тахометры, показывающие скорость вращения двигателя, необходимую для вращения ВОМ на стандартизированной скорости, требуемой большинством навесного оборудования с приводом от ВОМ. Во многих странах тракторы должны быть оснащены спидометром для использования на дорогах общего пользования. Чтобы избежать установки дополнительного прибора, на тахометре часто наносится вторая шкала в единицах скорости. Эта шкала точна только для определенной передачи, но поскольку многие тракторы имеют лишь одну передачу, пригодную для движения по дороге, этого обычно достаточно. Тракторы с несколькими "дорожными передачами" часто оснащаются тахометрами с несколькими шкалами скорости. Тахометры самолетов имеют зеленую дугу, показывающую диапазон крейсерских скоростей двигателя. В старых автомобилях тахометр приводится в действие волнами напряжения RMS со стороны низковольтной (LT) системы зажигания (контактного прерывателя), в то время как в других (и почти во всех дизельных двигателях, в которых нет системы зажигания) скорость двигателя определяется частотой сигнала с выхода тахометра генератора. Этот сигнал снимается со специального соединения, называемого "AC-выводом", которое представляет собой подключение к одному из выходов катушки статора перед выпрямителем. Тахометры, приводимые в действие вращающимся тросом от привода, установленного на двигателе (обычно на распределительном вале), встречаются, как правило, на простых дизельных машинах с базовой или отсутствующей электрической системой. В современных системах управления двигателем (EMS), используемых в современных автомобилях, сигнал для тахометра обычно генерируется электронным блоком управления (ECU), который получает информацию либо от датчика скорости коленчатого вала, либо от датчика скорости распределительного вала.

Инженеры дорожного движения

Тахометры используются для оценки скорости и интенсивности (потока) движения. Автомобиль оснащается датчиком и выполняет "замеры пробега", которые регистрируют данные о трафике. Эти данные могут использоваться в качестве замены или дополнения к данным индукционных датчиков. Для получения статистически значимых результатов требуется большое количество замеров, и на результаты влияет время суток, день недели и сезон. Однако, из-за стоимости, интервалов между датчиками (снижение плотности индукционных датчиков уменьшает точность данных) и относительно невысокой надежности индукционных датчиков (часто 30% или более находятся вне строя в любой момент времени), замеры пробега остаются распространенной практикой.

В поездах и легкорельсовых транспортных средствах

Устройства для измерения скорости, известные как "генераторы импульсов колеса" (WIG), генераторы импульсов, датчики скорости или тахометры, широко используются в железнодорожном транспорте. К распространенным типам относятся датчики с дисковыми прорезями на основе оптоизоляторов и датчики эффекта Холла. Датчики эффекта Холла обычно используют вращающийся мишень, закрепленный на колесе, редукторе или двигателе. Эта мишень может содержать магниты или представлять собой зубчатое колесо. Зубья на колесе изменяют плотность магнитного потока внутри головки датчика. Датчик монтируется таким образом, чтобы его головка находилась на точном расстоянии от мишени, и обнаруживает проходящие мимо зубья или магниты. Одной из проблем этой системы является то, что необходимый зазор между колесом-мишенью и датчиком позволяет железной пыли из-под рамы вагона оседать на датчике или мишени, ухудшая его работу. Датчики на основе оптоизоляторов полностью герметизированы для предотвращения попадания внешних воздействий. Открытыми остаются только герметичный разъем и приводная вилка, которая через подшипник и уплотнение соединена с диском с прорезями внутри. Диск с прорезями обычно расположен между двумя печатными платами, содержащими фотодиод, фототранзистор, усилитель и фильтрующие схемы, которые формируют выходной импульсный сигнал прямоугольной формы, настроенный под требуемое напряжение и количество импульсов на оборот. Эти типы датчиков обычно обеспечивают от 2 до 8 независимых выходных каналов, которые могут использоваться другими системами в транспортном средстве, такими как системы автоматического управления поездом и контроллеры тяги/торможения. Датчики, установленные по окружности диска, обеспечивают квадратурный выходной сигнал, что позволяет бортовому компьютеру определять направление вращения колеса. Это является обязательным требованием в Швейцарии для предотвращения скатывания при трогании с места. Строго говоря, эти устройства не являются тахометрами, поскольку они не предоставляют прямое измерение скорости вращения диска. Скорость необходимо вычислять внешним путем, подсчитывая количество импульсов за определенный промежуток времени. Сложно однозначно установить, что транспортное средство неподвижно, кроме как выждать определенное время, чтобы убедиться в отсутствии дальнейших импульсов. Это одна из причин, по которой часто наблюдается задержка между остановкой поезда, воспринимаемой пассажиром, и открытием дверей. Датчики с дисками с прорезями обычно используются в системах учета пройденного пути для железнодорожного транспорта, например, в системах защиты поездов, в частности, в Европейской системе управления поездом (ETCS). Помимо измерения скорости, эти датчики часто используются для расчета пройденного расстояния путем умножения количества оборотов колеса на его окружность. Они могут использоваться для автоматической калибровки диаметра колеса путем сравнения количества оборотов каждой оси с эталонным колесом, измеренным вручную. Поскольку все колеса проходят одинаковое расстояние, диаметр каждого колеса пропорционален количеству его оборотов по сравнению с эталонным колесом. Эта калибровка должна выполняться при движении накатом с постоянной скоростью, чтобы исключить возможность внесения ошибок в расчет из-за проскальзывания колес. Автоматическая калибровка такого типа используется для получения более точных сигналов тяги и торможения, а также для повышения точности обнаружения проскальзывания колес. Недостатком систем, полагающихся на вращение колеса для тахометрии и одометрии, является то, что колеса поезда и рельсы очень гладкие, а трение между ними низкое, что приводит к высокой вероятности ошибок при проскальзывании или блокировке колес. Для компенсации этого во вторичные входы одометрии используются доплеровские радарные устройства, расположенные под поездом, для независимого измерения скорости.

В аналоговой записи звука

Тахометр – это устройство, измеряющее скорость движения звуковой ленты при прохождении через магнитную головку. На большинстве магнитофонов тахометр (или просто "тах") представляет собой относительно большой шпиндель, расположенный рядом со стеком головок ERP, изолированный от подающего и принимающего шпинделей натяжными роликами. На многих магнитофонах шпиндель тахометра соединен осью с вращающимся магнитом, который индуцирует изменяющееся магнитное поле в транзисторе на эффекте Холла. В других системах шпиндель соединен со стробоскопом, который попеременно создает свет и тень на фотодиоде. Электроника привода магнитофона использует сигналы от тахометра для обеспечения воспроизведения ленты с правильной скоростью. Этот сигнал сравнивается с опорным сигналом (кварцевым генератором или переменным током из сети). Сравнение этих двух частот регулирует скорость движения ленты. Когда тахосигнал и опорный сигнал совпадают, считается, что лента "на скорости". (До сих пор на съемочных площадках режиссер командует "Звук!", а звукооператор отвечает "Скорость звука!". Это пережиток тех времен, когда записывающим устройствам требовалось несколько секунд для достижения стабильной скорости.) Точная регулировка скорости ленты критически важна, поскольку человеческое ухо очень чувствительно к изменениям высоты тона, особенно резким. Без саморегулирующейся системы контроля скорости ленты, высота тона может отклоняться на несколько процентов. Этот эффект называется "вау-флаттер", и у современного тахометр-регулируемого кассетного магнитофона "вау-флаттер" составляет 0,07%. Тахометры подходят для высококачественного воспроизведения звука, но не для записи в синхронизации с кинокамерой. Для этих целей необходимо использовать специальные магнитофоны, записывающие пилотный тон. Сигналы тахометра можно использовать для синхронизации нескольких магнитофонов, но только если вместе с тахосигналом передается направленный сигнал, указывающий ведомым устройствам направление движения ведущего.