ДАТЧИК ЧАСТОТЫ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК G01L3/04 G01L3/12 

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для контроля скорости и крутящего момента в механической части приводов различных устройств.

Известно устройство для непосредственного измерения крутящего момента в шарнирном соединении, возникающего при перемещении дистанционного приводного механизма [1] содержащее ведущий узел, ведомый узел, устройство для установки этих узлов на общем валу с возможностью относительного углового перемещения; муфту, установленную на валу соосно с ним и соединяющую ведущий узел с дистанционным приводным механизмом; устройство блокировки, в соответствии с перемещением дистанционного приводного механизма поворачивающего ведомый узел относительно ведущего узла, по меньшей мере один датчик усилия, установленный в устройстве блокировки и занимающий такое положение, которое обеспечивает передачу вращающего усилия с устройства измерения этого усилия.

В этом устройстве измерение момента передачи усилия основано на смещении ведомого узла относительно ведущего. Общие признаки с предлагаемым изобретением состоят в наличии ведущего и ведомого узла.

Однако устройство обладает следующими недостатками: измерение усилий производится в статическом режиме, устройство имеет достаточную сложность, меньшую компактность. Невозможность достижения технического результата обусловлено сложностью организации измерения момента, наличия вносимых погрешностей в устройство его элементами.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для измерения крутящего момента [2] Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения крутящего момента на гребном валу (измерительный элемент, ведущий и ведомый узел) судового двигателя. На гребном валу устанавливается два диска, с прорезями при помощи втулок. Втулки закрепляются при помощи пружиннозажимных колец. На корпусе судна перед дисками устанавливаются светодиоды, за дисками фототранзисторы. Кроме того, в электрической цепи, имеется фазовый компаратор, усилители, измерительное устройство и индикатор. При вращении вала фототранзисторы формируют сигналы, пропорциональные частоте вращения, сдвинутые по фазе на величину угла скручивания. Угол скручивания генерируется фазовым компаратором и в измерительном устройстве определяется крутящий момент. Общими признаками с предлагаемым изобретением является наличие светодатчиков, компаратора, устройства сравнения и индикации.

Недостатком прототипа является следующее: измерение момента на гребном валу возможно в диапазоне больших нагрузок и ограниченно с одной стороны упругой деформацией (малым максимальным углом сдвига между первым и вторым импульсом) с другой стороны способностью считывания фотоимпульсов (крутизны фронтов). В электронном устройстве отсутствует индикация знака, а также возможность последующей обработки данных частоты и крутящего момента управляющей ЭВМ.

Невозможность достижения технического результата заявляемого изобретения у аналога обусловлена слабой чувствительностью измерительного элемента (участка вала между пружинно-зажимными муфтами).

Технический результат заключается в расширении диапазона измерения момента.

Технический результат достигается тем, что в датчик частоты и крутящего момента, содержащий механический узел, состоящий из измерительного элемента ведущего и ведомого валов, двух фотодатчиков и светодатчиков и электрический узел, состоящий из компаратора, блока сравнения и индикатора отличающийся тем, что в механический узел введен измерительный элемент представляющий собой цилиндр, жесткость материала и определена в диапазоне измеряемых моментов, жестко закрепленный к ведущему и ведомому валам посредством крепежных цилиндров с поперечными отверстиями, через которые свет светодатчиков попадает на фотодатчики расположенные напротив друг друга и связанные через пороговые блоки электронного узла с делителем частоты и компаратором, состоящим из двух блоков запрещения совпадения, двух триггеров связи, элемента совпадения и счетчика частоты, выход компаратора через элемент "и" и первый электронный ключ блока сравнения соединен с первым входом счетчика момента блока индикации, второй вход которого подключен ко второму входу счетчика частоты вращения и элемента определения знака и к выходу делителя частоты, выход генератора стандартных импульсов соединен со вторым входом первого и второго электронных ключей, первый вход последнего подключен к выходу делителя частоты, выход электронного ключа связан с первым входом счетчика частоты вращения, первый вход элемента определения знака соединен с выходом второго триггера компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока, выход которого соединен с входом первого блока запрещения совпадения, выход которого соединен с первым триггером, второй вход сброса которого соединен со выходом второго порогового блока, который также связан с первым входом второго блока запрещения совпадения, выход которого связан с первым входом триггера, второй вход сброса которого соединен с выходом первого порогового устройства, выходы первого и второго триггеров через элемент "или" соединены с элементом разрешения второй вход которого соединен с выходом элемента совпадения, выход второго порогового блока соединен с входом делителя частоты.

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизны". Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "изобретательский уровень", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками заявляемого решения от прототипа. Изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Возможность достижения технического результата обусловлена (подтверждается) следующими теоретическими выводами: согласно закону Гука, физические тела имеют линейный участок в области упругой деформации. В данном случае момент, приводимый к ведущему узлу, компенсируется силой, вызываемой упругой деформацией скручивания. Угол между ведущим и ведомым узлами обратно пропорционален жесткости измерительного элемента, зависит также от длинны измерительного элемента и момента скручивания. Точность обработки зависит от коэффициента заполнения импульсов интервала разности фронтов между импульсами первого и второго фотодатчиков во времени и величины угла деформации.

Предлагаемое изобретение поясняется прилагаемыми чертежами; на фиг. 1 приведена общая схема датчика частоты и крутящего момента на фиг. 2 раскрыт электронный блок датчика частоты и крутящего момента.

На фиг. 1 изображен датчик, который состоит из электронного узла 1 и механического узла 2, имеющего измерительный элемент 3, который посредством скоб с креплениями 4 жестко крепится с обоих концов к крепежным цилиндрам 6. В крепежных цилиндрах сделаны отверстия 5 для прохождения света через светодатчики 7, 8 к фотодатчикам 9, 10 которые жестко закреплены на неподвижном корпусе 11. В свою очередь, крепежные цилиндры 6 жестко закреплены на ведомом 12 и ведущем 13 валах.

На фиг. 2 изображен электронный узел устройства, состоящий из пороговых блоков 14, 15, компаратора 16, делителя частоты 17, блока сравнения 18, блока индикации 19 и генератора стандартных импульсов 20. Фотодатчики 9, 10 через пороговые блоки 14, 15 соединены с элементом совпадения 21 компаратора 16 и с входом делителя частоты 17; входы элемента совпадения 21 соединены с входами блоков запрещения совпадения 22 и 23, выходы которых связаны со входами триггеров 24, 25, входы сброса которых связаны с входами блоков запрещения совпадения 23, 22 соответственно. Выходы триггеров 24, 25 связаны с входами элемента "или" 26, выход которого соединен с вторыми входами блоков запрещения совпадения 22, 23. Выход элемента совпадения 21 связан с входом элемента "и" 27, второй вход которого соединен с выходом элемента "или" 26. Один выход компаратора 16 через элемент "и" 27 соединен с входом блока сравнения 18, второй выход компаратора 16 соединен с входом блока индикации 19. Блок сравнения 18 состоит их двух электронных ключей 28, 29, входы которых связаны с выходом генератора стандартных импульсов 20. Второй выход электронного ключа 29 соединен с выходом делителя частоты 17, состоящего из третьего блока запрещения совпадения 30 и элемента задержки 31. Выход делителя частоты 17 соединен с входами блока индикации 19, состоящего из счетчика момента 32, счетчика частоты вращения 33 и элемента определения знака 34.

Блоки запрещения совпадения 22, 23, 30 могут быть представлены сумматором по модулю два. Электронный ключи 28, 29 и элемент совпадения 21 могут быть представлены в виде элементов "и". Счетчики 32, 33 могут быть выполнены как устройства последовательного счета с параллельным выходом двоичного кода. Блоки 31, 34 могут быть выполнены в виде D триггеров.

Устройство работает следующим образом: при прямом или реверсивном вращении ведущего и ведомого валов 13, 12 свет со светодатчиков 7, 8 в момент пересечения линии света отверстия 5, сделанными в крепежных цилиндрах 6 формируется импульс в цепи фотодатчиков 9, 10, затем через пороговые устройства 14, 15 подается на компаратор 16, и блок сравнения 18, преобразующий два входных импульса в последовательность фиксированных во времени импульсов генератора стандартных импульсов 20, количество которых подсчитывается счетчиком момента 32, сброс счетчика происходит при полном обороте вала 13 и снимается с делителя частоты 17. Частота вращения вала определяется набором импульсов, снимаемых с блока сравнения 18 и подсчитываемых счетчиком частоты вращения 33. Знак момента определяется на выходе триггера 25 и фиксируется элементом определения знака 34. На выходе счетчиков 32, 33 формируется параллельный двоичный код.

Использование совокупности существенных признаков позволяет повысить точность расширить диапазон измерения за счет того, что измерительный элемент подбирается непосредственно в диапазоне измеряемых моментов, использование светодатчиков и фотодатчиков исключает наличие электромагнитных помех, а их расположение компактность механического узла. Электронный узел обеспечивает наличие полной информации о механическом движении помехозащиты с заданной точностью и возможностью ввода информации в ЭВМ.

Сущность изобретения: датчик содержит механический узел, состоящий из измерительного элемента, ведущего и ведомого валов, двух фотодатчиков, двух светодатчиков, и электрический узел, состоящий из компаратора, блока сравнения и индикатора. Измерительный элемент представляет собой цилиндр, жесткость материала которого определена в диапазоне измеряемых моментов, жестко закрепленный к ведущему и ведомому валам посредством крепежных цилиндров с поперечными отверстиями, через которые свет светодатчиков попадает на фотодатчики, расположенные напротив друг друга и связанные через пороговые блоки электронного узла с делителем частоты и компаратором, состоящим из двух блоков запрещения совпадания, двух триггеров, элемента совпадения элементов "ИЛИ", "И". Выход компараторов с элемента "И" и через первый вход первого электронного ключа блока сравнения соединен с первым входом счетчика момента блока индикации, второй вход которого подключен ко второму входу счетчика частоты вращения и элемента определения знака и к выходу делителя частоты, выход генератора стандартных импульсов соединен со вторым входом первого и второго электронных ключей, первый вход последнего подключен к выходу делителя частоты, выход второго электронного ключа связан с первым входом счетчика частоты вращения, первый вход элемента определения знака соединен с выходом второго триггера компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока, выход которого соединен с входом первого блока запрещения совпадения, выход которого соединен с первым триггером, второй вход сброса которого соединен с выходом второго порогового блока, который также связан с первым входом второго блока запрещения совпадения, выход которого связан с первым входом второго триггера, второй вход сброса которого соединен с выходом первого порогового блока, выходы первого и второго триггеров через элемент "ИЛИ" соединены с элементом "И", второй вход которого соединен с выходом элемента совпадения, а выход второго порогового блока соединен со входом делителя частоты. 2 ил.

Датчик частоты и крутящего момента, содержащий механический узел, состоящий из измерительного элемента, ведущего и ведомого валов, двух фотодатчиков, двух светодатчиков, и электрический узел, состоящий из компаратора, блока сравнения и индикатора, отличающийся тем, что в механический узел введен измерительный элемент, представляющий собой цилиндр, жесткость материала которого определена в диапазоне измеряемых моментов, жестко прикрепленный к ведущему и ведомому валам посредством крепежных цилиндров с поперечными отверстиями, через которые свет светодатчиков попадает на фотодатчики, расположенные напротив друг друга и связанные через пороговые блоки электронного узла с делителем частоты и компаратором, состоящим из двух блоков запрещения совпадения, двух триггеров, элемента совпадения и элементов ИЛИ, И, выход компаратора с элемента И через первый вход первого электронного ключа блока сравнения соединен с первым входом счетчика момента блока индикации, второй вход которого подключен к второму входу счетчика частоты вращения и элемента определения знака и к выходу делителя частоты, выход генератора стандартных импульсов соединен с вторым входом первого и второго электронных ключей, первый вход последнего подключен к выходу делителя частоты, выход второго электронного ключа связан с первым входом счетчика частоты вращения, первый вход элемента определения знака соединен с выходом второго триггера компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока, выход которого соединен с входом первого блока запрещения совпадения, выход которого соединен с первым триггером, второй вход сброса которого соединен с выходом второго порогового блока, который также связан с первым входом второго блока запрещения совпадения, выход которого связан с первым входом второго триггера, второй вход сброса которого соединен с выходом первого порогового блока, выходы первого и второго триггеров через элемент ИЛИ соединены с элементом И, второй вход которого соединен с выходом элемента совпадения, выход второго порогового блока соединен с входом делителя частоты.