Устройство для измерения крутящего момента и мощности

 

Изобретение относится X е поизмеритёльной технике и может использоваться для измерения средщпс начений крутящего момента и моврости любого знака эращающегося в пронзв ольном направлении вала раздаи ньк двигательных установок в маштюетроении, на морском и дрзйгнх отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - по1вьцвёние точдости измерений . Устройство содержит диекй I и 2, упругий участок вала Э, кнпульсные датчики меток 4 н 5, тронные кдвочи 6, 22 и 23, разнозцачности 7 и 8, схемн совпадения 9 и IО, индикатор И, конденсатор

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

Я@1 фЦ1ИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Д11 4 С 01 1. 3/10

Р

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ1 "

К АЬ ГОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Г10 ДЕЛЯМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3833339/24-10 (22) 29.12,84 (46) 30.05.86. Бюл. Ф 20 (71). Ленинградское ордена Октябрьской Революции высшее инженерное морское училище им. адм. С.О.Макарова (72) А.Н..Никитин .и Э.П.Штумл4 (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 664063, кл. С 01 L 3/24, 1977.

Авторское свидетельство СССР

В 1101695 А, кл. G 01 L 3/10, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯ-.

ЩЕГО МОМЕНТА И МОЩНОСТИ

„„SU„„1234735 A 1

I (57)Изобретение относится к сщлоизмерительной технике и может использоваться для ивмерения средних.значений крутящего момента и мощности любого знака вращающегося s произвольном направлении вала разщянцх двигательных установок в машиностроении, на морском транспорте и других отраслях народного хозяйства. Цель изобретения — повышение точности намерений. Устройство содержит диски

1 н 2, упругий участок вапа Э, импульсные датчики меток 4 и 5, элек тронные ключи 6, 22 и- 23, схемы рав:нозначности 7 и 8, схемы совпадения

9 и 10, индикатор 11, конденсатор

1234735

F, --а bUd Ь, 12, постоянные резисторы 13, 14 и

15, датчик частоты вращения вала 16, датчик направления вращения 17, узел блокировки. !8, источники постоянного напряжения 19 и 20, переключатель на два положения 21, инвертор 24 .и резисторы 25 и 26. Введение новых

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения средних значений крутящего момента и мощности любого знака вращающегося в произвольном направлении вала различных двигательных установок в машиностроении, на морском транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет компенсации погрешности установки угла взаимного смещения импульсных датчиков меток в определенном диапазоне.

На фиг. l приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 †. схема установки импульсных датчиков меток, на фиг. 3 — амплитудно-временные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме измерения крутящего момента! на фиг. 4 приведены амплитудно-временные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме измерения- мощности на валу.

Устройство для измерения крутящего момента и мощности (фиг. !) содержит первый и второй диски 1 и 2, упругий участок вала 3, импульсные датчикИ меток 4 и 5, первый электронный ключ 6, первую и вторую схемы равнозначности 7 и 8, первую и вторую схемы совпадения 9 и !0, индикатор Il конденсатор !2, три постоянных резистора 13, !4 и 15, датчик частоты вращения вала 16, дат-. чик направления вращения вала 17, узел блокировки 18, первый и второй источники постоянного напряжения 19 и 20, переключатель на два положения

2!, второй и третий электронные ключи 22 и .23, инвертор 24, два резистора 25 и 26. элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет компенсировать погрешности установки угла взаимного смеще— ния импульсных датчиков ме— ток 4 и 5 в определенном, диапазоне. 4ил.

Д ски 1 и 2, укрепленные на концах упругого участка вала 3, служат .для линейного преобразования угла закручивания этого участка в угловой сдвиг между метками на дисках, причем диск 1 установлен на валу со стороны двигателя, а диск 2 — со стороны нагрузки.

Импульсные датчики меток 4 и 5 !

О регистрируют проходящие мимо них при вращении вала метки путем формирования короткого импульса на выходе .

Электронный ключ 6 выполнен на триггере с раздельными входами и формирует на одном выходе сигнал положительного уровня пропорциональный по длительности фазовому сдвигу им2О пульса от датчика 4 относительно импульса от датчика 5. Второй выход этого ключа является инвертирующим, Схемы равнозначности 7 и 8 предназначены для управления инверсией сигналов, поступающих с выходов электронного ключа 6. Каждая из них реализует на выходе логическую функцию вида где a,b — соответствуищие входные сигналы.

Схемы совпадения 9 и 10 предназна33 чены для отключения индикатора 11 при поступлении от устройства блокировки 18 сигнала логического "0".

Каждая из них реализует на выходе логическу; функцию вида

У =с. cj, где с и d — с ос тве тс тв уюшие входные сигналы, 1234735 в измерительной схеме устройства в зависимости от режима измерения. На фиг. 1 он показан в положении измерения крутящего момента.

Второй и третий электронные клю— чи 22 и 23 предназначены для соединения резисторов 25 или 26 соответственно с общим проводом при поступлении на вход сигнала логической "1"

1П и могут быть выполнены, например, на логических элементах НЕ с открытым коллекторным выходом.

Инвертор 24 реализует на выходе логическую функцию инверсии входного сигнала и предназначен для обеспечения противофазной работы электронных ключей 22 и 23.

Резисторы 25 и 26 предназначены для шунтирования левого и правого плеч измерительного моста соответственно при замыкании электронных ключей 22 и 23. Они имеют одинаковое .сопротивление и выполнены переменными, что позволяет добиться измед нением их сопротивления нулевых показаний индикатора 11 при отсутствии нагрузки на валу для каждого кон« кретного значения угла взаимного смещения импульсных датчиков меток 4 и

5 допустимого диапазона.

Кроме того, импульсные датчики меток 4 и 5 установлены с взаимным угловым смещением ы, отсчитываеяам в плоскости, параллельной плоскости

35 дисков 1 и 2, от оси второго диска

2 в направлении вращения вала, условно принятом за положительное и лежащем в диапазоне

f +nP+ V « +(2n+1) — — ч

Р

40 о о

1 т.

S0 з и может быть выполнена на логическом элементе И-НЕ с открытым коллекторным выходом.

Конденсатор 12 и резистор 13 образуют усредняющую цепь и выделяют постоянную составляющую напряжения в измерительной диагонали моста, два верхних плеча которого образованы резисторами 14 и 15, а два нижних — коллекторными.выходами, схем совпадения 9 и 10.

Индикатор 11 служит для измерения величины и знака постоянной составляющей напряжения .в измерительной диагонали моста.

Датчик частоты вращения вала 16 служит для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное напряжение постоянного тока постоянной полярности и осуществляет амплитудную модуляцию напряжения в измерительной диагонали моста в режиме измерения мощности на валу. Выходкое напряжение датчика частоты вращения вала 16 при номинальной частоте вращения вала равно по величине и знаку напряжению первого источника постоянного напряжения 19.

Датчик направления вращения вала

17 формирует на выходе сигнал логической "1" при вращении вала в направлении условно принятом за положительное, и сигнал логического "0" при вращении вала в противном направлении. Этот датчик может быть реализован, например, на основе тахогенератора постоянного тока со схемой определения полярности его выходного напряжения.

Узел блокировки 18 формирует на выходе сигнал логической "1", если частота вращения вала превышает некоторое заданное пороговое значение, ниже которого вал считается неподвижным, и сигнал логического "0"

45 в противном случае.

Источник постоянного напряжения

19 служит для питания измерительного моста в режиме измерения крутящего момента.

Второй источник постоянного напряжения 20 служит для создания напряжения уровня логической ".l", которое подается на входы схем равнозначности 7 и 8 в режиме измерения 55 мощности на валу.

Переключатель 21 предназначен для обеспечения необходимых соединений где У вЂ” угол смещения осей дисков

1 и 2 при отсутствия нагрузки на валу, отсчитываемой от оси второго диска 2 в направлении вращения вала, условно принятом за положительное;

n=0,1,2,...; б — угол между смежными метками на дисках 1 и 2;

«Г — угол закручивания упругого участка вала 3 при максимальном измеряемом крутящем моменте.

Устройство для измерения крутящего момента и мощности работает следующим образом.

1234735

< т — г гдео = — — 21t ао Р взаимное угловое смещение импульсных датчиков меток 4 и 5, измеряемое в электрических радианах; коэффициент пропорциональности. с= — ° 211

КЬ

Р!

О!

20 при >0; при 3 0.

Со стороны двигателя направление вращения вала против часовой стрелки можно принять за положительное.

С этой же стороны (фиг. 2) показаны сечения вала в плоскостях дисков

1 и 2, которые рассматривают во вращающейся вместе с валом системе координат.

Знак. крутящего момента (М ) определяются направлением его пространственной ориентации. Момент (N), направленный против часовой стрелки .в плоскости дисков 1 и 2 со стороны двигателя принимают эа положительный. йри вращении нагруженного вала угол смещения осей О, и О, дисков и 2 в общем случае равен ф ф +Ц)

Где чт угол закручивания- упругого участка вала 3, обусловлен ный крутящим моментом.

Знак угла У В этОИ Выражении (фиг. 2) онределяется направлением смещения оси О; первого диска 1 относительна оси О второго диска 2.

Если это смещение совпадает с направлением отсчета .угла (в данном

30 случае направлено против часовой

I стрелки) - положение О, оси О,, то угол у берется с положительным знаком, в противном случае (положение

О оси О, ) - с отрицательным. 1

Как видно из фиг.. 2, знак угла З5 ф при принятых положительных направлениях и осях отсчета совпадает со знаком крутящего момента на валу, поэтому можно записать

4О! т+К.N где К - коэффициент пропорциональЬ ности, определяемый через конструктивные параметры и

45 физ иче с к не свойств а упругого участка взла 3„

И - крутящий момент на валу.

При вращении нагруженного вала с частотой и1 >О сигнал У„от им- . пульсного датчика меток 4 сдвинут по фазе относительно сигнала U от импульсного датчика меток 5 на угол о, измеряемый в электрических раме

55 дианах (фиг. 3) и равный

При изменении угла oL в допустимом диапазоне величины. углов д., и с(лежат в интервале (О,1!), как при вращении своббодного вала, так и при его нагружении до максимального измеряемого момента.

Для длительностей положительных импульсов напряжений У и Об на неинвертирующем и инвертирующем выходах электронного ключа 6 соответственно и можно записать (фиг.З), 6 ( при > 0

=20- д

6 ЭМ

При изменении направления вращения вала картина импульсов напряжения U меняется на противоположб ную (фиг. 3) при „)а0 т =2%- и

Эти импульсы поступают на вторые входы схем равнозначности 7 и 8.

В режиме измерения крутящего момента на первые входы этих схем поступает от датчика направления вала 17 напряжение логической "1" при

О>0 и логического "О" при 1<О.Тогда в первом случае импульсы g и не ь инвертируются на выходах этих схем, а во втором †иивертируются. Таким образом, на выходах схем равнознач" ности 7 н 8 формируются импульсы напряжения U, и ц (фиг. 3), по длительности равные соответственно

В режиме-измерения крутящего момента независимо от направления вращения вала имеют место равенства эи т, =2к-y з

Эти импульсы поступают на вторые входы схем совпадения 9 и 10. Если

1234

Кш, В э5 л

U (э ) 19 8 R + ю

ys "Ж

35 — коэффициент пропорциональности напряжение первого источника постоянного напряжения 19. где К„

4О

U„= -„-" U„, ((2Й-,эС )q — Ы +(ф, +l )c ° Ml, частота вращения вала превышает заданное пороговое значение, то на первые входы этих схем поступает сигнал логической "1" от узла блокировки 18, при этом схемы совпадения 9 н 10 инвертируют импульсы, поступающие на их вторые входы, и формируют на выходе импульсы напряжения по длительности, равные соответственно

У< = э -2!i d и=2!1-с +c M;

1О м — =а =. -с -M ю Я э,„ и

На вход электронного ключа 22 поступает напряжение логической "1" от второго источника постоянного напряжения 20, при этом ключ замыкается и соединяет резистор 25 с об— щим приводом, В измерительной диагонали моста, куда включены последовательно конден- 0 сатор 12 и резистор 13, дей тцует знакопеременное напряжение прямо.— угольной формы П„ (фиг. 3). Это напряжение имеет две части — положи тельной и отрицательной полярности разной длительности, причем амплитуда части, имеющей большую длительность (i ), имеет меньшую величину, определяемую, при прочих равных условиях, делителем напряжения из ре1зисторов 14 н 25, 30

Для среднего значения напряжение в измерительной диагонали моста U и можно записать

735 8 ле (0; ). С учетом принятой величины о можно записать

Кн

U = -«™ U (q +1).с.И. м 2Я и

Среднее значение направления в измерительной диагонали моста, а значит, и показания индикатора ll пропорциональны крутящему моменту с учетом его знака, и, устанавливая определенное значение сопротивления резистора 25, можно добиться нулевых показаний индикатора 11 при отсутствии нагрузки на валу (И О).

В режиме измерения мощности на валу выходные сигналы электронного ключа б аналогичны режиму измерения крутящего момента, а положение переключателя 21 противоположно показанному на фиг. 1.

В режиме измерения мощности на первые входы схем равнозначности

7 и 8 поступает напряжение ло! ической "1" от второго источника постоянного напряжения 20, при этом эти схемы не инвертируют входные сигналы и формируют на выходе импульсы напряжения U u U (фиг. 4), по длительности равные соответственно л л

7 6 л л

8 независимо от направления вращения вала.

Эти импульсы поступают иа входы схем совпадения 9 и 10, которые аналогично режиму измерения крутящего момента формируют иа выходе импульсы, по длительности равные соответст венно л с(r б

te 8 6

При вращении вала с частотой <3>0

Я где q = "— -"- — коэфФициент переда-25 чи левого плеча моста

ыэо

2II Ы

Поскольку угол,, изменяется на интервале (О; 7 ), то величина q, изменяется на интервале (О; 1) . Любую величину q из этого интервала можно

1 установить изменением величины сопротивления резистора 25. на интерва45 7. =2й-d =2!1-J +сИ 3 М Г эр

=о = -сИ.

1о Ю

При этом на вход электронного ключа 22 поступает напряжение логичесИ 11 кой 1 от датчика направления вращения вала 17, этот ключ замыкается и соединяет резистор 25 с общим проводом. Поэтому аналогично случаю измерения крутящего момента для среднего значения напряжения в измерительной диагонали моста

К

U„= 2д U (q +1)c И, I 1234735!

Аналогично случаю измерения крутящего момента необходимую величину q, лежащую на интервале (О, 1), можно установить изменением сопротивления резистора 2б на интервале (О; ). С учетом принятой величины записывается выражение для U npu <0

И«-К„!D 1, 1О

Поскольку q =q.=q, то, сравнивая полученные выражейия для О„ при д>0 и при « 0, можно получить общее выражение для режима измерения мощности на валу

Среднее значение напряжения в измерительной диагонали моста, а значит, и показания индикатора 11 про-. порциональны мощности на валу И =ИМ с учетом ее знака.

Кроме того, устанавливая определенные значения сопротивления резистора 26 s режиме измерения мощности при!сО и резистора 25 в режиме измерения крутящего момента или мощности при »О, можно добиться нулевых показаний индикатора 11 при отсутствии нагрузки на валу как в режиме измерения крутящего момента, так и мощности при произвольном направлении вращения вала.

При. уменьшении частоты вращения вала ниже определенного порога устройство блокировки !8 вырабатывает на выходе сигнал логического "0", который поступает на первые входы схем совпадения 9 и 10 и запирает их, при этом ток через резисторы 14 и 15 прекращается и показания индикатора становятся нулевыми вплоть до полной остановки вала, чем обеспечивается защита индикатора 11 от перенапряжений при остановке вала.

Формула изобретения устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по

55 окружности, два импульсных датчика меток, датчики частоты и направления вращения вала, первый электронный где U — выходное напряжение датчика 6 частоты вращения вала 1б.

Поскольку U„ ïðîïîðöèîíàëüíî частоте вращения вала и имеет постоянную полярность. .S где К вЂ” коэффициент пропорциональ1ь ности то для U прииЬО .получают

U - — -- (q +1) с 1.З) И.

К,эК,ь

2 П акакии образом, показания индикатора 11, пропорциональные П, пропорциональны и мощности на валу

Яе=й, а при отсутствии нагрузки на валу (И О) равны нулю.

При вращении вала с частотой 0 можно записать

<,= =d. -сИ эээ уо ь =28 -ot. =2в-ы +сИ. ю ум ю

При этом на входи электронного ключа 22 и инвертора 24 поступает 25 напряжение логического "О" от датчика направления вращения вала 17 и этот ключ закрывается, а на вход электронного ключа 23 поступает напряжение логической l" от инвертора

24, поэтому электронный ключ 23 открывается и соединяет резистор 26 с общим проводом.

В измерительной диагонали моста действует знакопеременное напряжение прямоугольной формы (фиг. 4 0 ), 35 раэнополярные части которого имеют . разную длительность, причем амплитуда части, имеющей большую длительность (имеет меньшую Величину 4О определяемую при прочих равных условиях делителем .Напряжения из резисторов 15 и 26.

Для напряжения U„s этом случае но записать

Км, Rgg м П ) е

2!! .эь в R +й. э

П = - - - 11! Lq (»- )-с! +

K K

2R э. эО эо

+(q +1)cN

R где q — -- — .коэффициент передаR +R м 5 чи правого плеча. моста

6 (с! +!)с 1)! И. и 2 й

О = - - — — (q+1)с дИ.

Кэ6

21

l234?35 где

Ы ие ключ, первый и второй источники постоянного напряжения, первая и вторая схемы равнозначности, первая и вторая схемы совпадения, переключа" тель на два положения, узел блокиров- ки, три резистора, индикатор и конденсатор, включенный параллельно индикатору, один вход которого через третий резистор подключен к выходу схемы совпадения и выходу второго ре- lg зистора, второй вывод которого под" ключен к входу первого направления переключателя, первое положение которого соединено с первым источником постоянного напряжения, а второе— с датчиком частоты вращения вала, который через узел блокировки соединен соответственно с вторыми входами первой и второй схем совпадения, причем выходы первого и второго импульсных датчиков меток подключены соответственно к первому-второму входам первого электронного ключа, а первое положение второго направления переключателя связано с датчиком д направления вращения вала, второе положение — с вторым источником постоянного напряжения, выход второго направления переключателя связан с первыми входами первой и второй схем равнозначности, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами первого электронного ключа, а выходы — с вторыми входами первой и второй схем совпадения, выход второй схемы совпадения через первый резистор подключен к выходу первого направления переключателя, о т л ич.а ю щ е е с я тем, что, с целью повьпнения точности измерений за счет компенсации погрешности установки угла взаимного смещения импульсных датчиков меток, в него введены второй и третий электронные ключи, четвертый и пятый резисторы и инвертор, а в переключатель — третье направление, первое положение которого связано с вторым источником постоян ного напряжения, второй — с датчиком направления вращения вала, выход третьего направления переключателя связан с входами соответственно .второго электронного ключа и инвертора, выход которого соединен с входом третьего электронного ключа, а выхо,ды второго и, третьего электронных ! кшочей через четвертый и пятый резисторы соединены соответственно с выходами первой и второй схем совпадения, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угловым смещениемс, отсчитываеьиам в плоскости, параллельной плоскости дисков, и лежащим в диапазоне

f +пр+ у (gag+(2n+I) - — ч

Р

О Р о 2 и угол смещения осей дисков при отсутствии нагрузки .на валу, 0,1,2... ., угол между смежными метками на,дисках; угол закручивания упругого участка вала, соответствую» щий максимальному зацеплению измеряемого крутящего момента.

1234735 р

Составитель А. Пашков

Редактор Д.Повхан Техред Л.Сердюкова Корректор 8 сутяга

Заказ 2977/46 Тираж ?78 Подписное

ВНИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений ы открытий

)13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4