Устройство для измерения крутящего момента

 

Устройство для измерения крутящего момента относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения напряжения деформации крутящих моментов и мощности на валах. Устройство содержит последовательно включенные тензорезистор 1, резистор 2 и источник 3 питания. Тензорезистор 1 соответствующим образом закреплен на роторе и соединен с элементами схемы, расположенными на статоре, через токосъемные контакты 4-7 токосъемника. Устройство содержит также три повторителя 8-10 напряжения на операционных усилителях, дифференциальный усилитель 11, двухвходовой сумматор 12 напряжений и устройство 13 деления. Технический результат: повышение точности. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся валов, таких как напряжение, деформация, а также крутящих моментов и мощности на валах.

Известно устройство для измерения крутящего момента по патенту РФ 2068550 МПК G 01 L 3/10, содержащее измерительный мост, размещенный на валу, токосъемные контакты, источник питания моста, два дифференциальных усилителя и устройство деления.

Недостатком известного устройства являются недостаточные надежность и точность, сложность и ограниченные функциональные возможности из-за большого числа тензопреобразователей, размещенных на вращающемся валу в условиях повышенных возмущающих воздействий со стороны контролируемого объекта, и большого числа токосъемных контактов для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, которая расположена на статоре.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является инвариантный измерительный преобразователь в виде делителя напряжения по патенту РФ 2118826 МПК G 01 R 17/10, 27/02, содержащий последовательно включенные измерительный преобразователь с переменными параметрами, выполненный в виде терморезистора, преобразователь с постоянными параметрами в виде резистора и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, в котором общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, а другие их выводы через первый и второй повторители напряжения подключены к схеме обработки сигналов, содержащей двухвходовой сумматор напряжений и устройство деления.

Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности и влияние на результат измерения нестабильности переходных сопротивлений токосъемных контактов при размещении тензорезистора на вращающихся элементах конструкции контролируемого объекта, что приводит к снижению надежности и точности измерений.

Положительный эффект, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении надежности и точности устройств для измерения крутящего момента и расширении их функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство, содержащее последовательно включенные тензорезистор, резистор и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, где общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, а другие их выводы через первый и второй повторители напряжения подключены к схеме обработки сигналов, содержащей двухвходовой сумматор напряжений и устройство деления, дополнительно снабжено четырехканальным токосъемником (если использован бесконтактный токосъемник, то в качестве его параметров в изобретении используются сопротивления соответствующих токосъемных каналов), третьим повторителем напряжения на операционном усилителе и дифференциальным усилителем, причем один из выводов тензорезистора через первый токосъемный контакт токосъемника соединен с общей точкой схемы, а через второй токосъемный контакт токосъемника с соответствующим выводом резистора и входом третьего повторителя напряжения, другой вывод тензорезистора соединен с одним из полюсов источника питания и входом первого повторителя напряжения соответственно через третий и четвертый токосъемные контакты токосъемника, выход третьего повторителя напряжения соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, с прямым входом которого соединен выход второго повторителя напряжения, выход дифференциального усилителя соединен с соответствующим входом устройства деления и одним из входов сумматора напряжений, с другим входом которого соединен выход первого повторителя напряжения, а выход сумматора напряжений соединен со вторым входом устройства деления.

На чертеже приведена схема устройства для измерения крутящего момента.

Устройство для измерения крутящего момента содержит последовательно включенные тензорезистор 1, резистор 2 и источник 3 питания. Тензорезистор 1 соответствующим образом закреплен на роторе и соединен с элементами схемы, расположенными на статоре через токосъемные контакты 4-7 токосъемника. Устройство содержит также три повторителя 8-10 напряжения на операционных усилителях, дифференциальный усилитель 11, двухвходовой сумматор 12 напряжений и устройство 13 деления. Один вывод тензорезистора 1 через первый токосъемный контакт 4 соединен с общей точкой схемы, а через второй токосъемный контакт 5 с соответствующим выводом резистора 2 и входом третьего повторителя 10 напряжения, другой вывод тензорезистора 1 соединен с одним из полюсов источника 3 питания и входом первого повторителя 8 напряжения соответственно через третий 6 и четвертый 7 токосъемные контакты. Второй полюс источника 3 питания соединен со вторым выводом резистора 2 и входом второго повторителя 9 напряжения, выход которого соединен с прямым входом дифференциального усилителя 11, с инвертирующим входом которого соединен выход третьего повторителя 10 напряжения. Выход дифференциального усилителя 11 соединен с соответствующим входом устройства 13 деления и одним из входов сумматора 12 напряжений, с другим входом которого соединен выход первого повторителя 8 напряжения, а выход сумматора 12 напряжений соединен со вторым входом устройства 13 деления.

Устройство для измерения крутящего момента работает следующим образом.

При изменении сопротивления тензорезистора 1 в результате деформации соответствующих элементов ротора, напряжения на входах повторителей 8-10 напряжения относительно общей точки схемы с учетом их высокого входного сопротивления определяются соответственно выражениями где U₁ - напряжение на входе повторителя 8; U₂ - напряжение на входе повторителя 9; U₃ - напряжение на входе повторителя 10; Е - ЭДС источника 3 питания; r₁ - начальное значение сопротивления тензорезистора 1; Δr - информативное приращение значения сопротивления r₁;
r₂ - сопротивление резистора 2;
r₃, r₄ - переходные сопротивления токосъемных контактов 5 и 6 токосъемника.

Ввиду малости входных токов повторителей напряжения падением напряжения на токосъемном контакте 7 можно пренебречь. Поэтому сигналы на выходах повторителей 8, 9 и 10 напряжения соответственно равны



где U₁* - напряжение на выходе повторителя 8;
U₂* - напряжение на выходе повторителя 9;
U₃* - напряжение на выходе повторителя 10;
k₁, k₂, k₃ - коэффициенты передачи повторителей 8, 9 и 10 напряжения.

Сигналы U₂* и U₃* поступают соответственно на прямой и инверсный входы дифференциального усилителя 11, на выходе которого при k₃=k₂=1 получаем

где U₄ - напряжение на выходе усилителя 11.

Сигналы (4) и (7) поступают соответственно на входы инвертирующего сумматора 12, на выходе которого при k₁=k₂=k₃=1 и r₁=r₂ получаем

где U₅ - напряжение на выходе сумматора 12.

Сигналы (7) и (8) поступают на соответствующие входы устройства 13 деления. Соответственно сигнал на его выходе, являющийся выходным сигналом устройства, определяется выражением

Данное устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными аналогами и прототипом. Как видно из выражения (9), его функция преобразования является линейной и не зависит от нестабильности источника питания и параметров токосъемника. Применение данного изобретения повышает надежность и точность устройства за счет сокращения количества тензопреобразователей, устанавливаемых в жестких эксплуатационных условиях, сокращает количество каналов токосъемника для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, расположенную на статоре. Расширяются функциональные возможности, так как во многих случаях разместить более одного тензопреобразователя из-за недостатка места на роторе вообще невозможно. Вследствие использования одного тензопреобразователя устройство может быть использовано для измерения напряжений и деформаций на вращающихся валах, связанных не только с наличием крутящего момента, но и с другими явлениями, приводящими к деформациям элементов конструкций.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента, содержащее последовательно включенные тензорезистор, резистор и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, причем общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, а другие их выводы через первый и второй повторители напряжения подключены к схеме обработки сигналов, содержащей двухвходовой сумматор напряжений и устройство деления, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено токосъемником с четырьмя токосъемными каналами, третьим повторителем напряжения на операционном усилителе и дифференциальным усилителем, причем один из выводов тензорезистора через первый токосъемный канал соединен с общей точкой схемы, а через второй токосъемный канал - с соответствующим выводом резистора и входом третьего повторителя напряжения, другой вывод тензорезистора соединен с одним из полюсов источника питания и входом первого повторителя напряжения соответственно через третий и четвертый токосъемные каналы, выход третьего повторителя напряжения соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, с прямым входом которого соединен выход второго повторителя напряжения, выход дифференциального усилителя соединен с соответствующим входом устройства деления и одним из входов сумматора напряжений, с другим входом которого соединен выход первого повторителя напряжения, а выход сумматора напряжений соединен со вторым входом устройства деления.

РИСУНКИ

Рисунок 1