СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ЗАКРУТКИ ВАЛА, ЗАКРУЧЕННОГО ДЕЙСТВИЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШКАЛЫ НОНИУСА ПРИ НЕПРЕРЫВНО ВРАЩАЮЩЕМСЯ ВАЛЕ Российский патент 1998 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения или регулирования крутящего момента в установках со значительными располагаемыми и потребляемыми мощностями, например, на морских судах для измерения крутящего момента на валах гребных винтов, на валах прокатных металлургических станов, на валах несущего ротора вертолета, на валу газоперекачивающего агрегата, на валу редуктора турбо-винтового авиационного двигателя и т.д.

Описанные в технической литературе способы измерения крутящего момента сводятся к измерению фазового сдвига двух напряжений, формируемых двумя генераторами.

В известных устройствах (независимо от применения индукционных или емкостных датчиков) формируются, в конечном итоге, сдвинутые по фазе два напряжения, что и измеряется как сдвиг фаз двух напряжений, пропорциональный действующему крутящему моменту.

Изобретение относится к числу пионерских, так как в нем впервые описывается способ измерения крутящего момента в чисто цифровой форме, начиная от датчиков формируемых сигналы в цифровой форме (в цифровом виде) и кончая видом выходной информации в виде единичного кода. Впервые описывается использование свойств шкал Нониуса на вращающихся валах (деталях), позволяющих трансформировать без потерь незначительный измеряемый угол закрутки вала в значительный угол, на котором происходит совпадение импульсов, что и измеряется в цифровой форме суммой числа импульсов.

Цель изобретения заключается в обеспечении повышенной точности измерения крутящего момента (M_кр), а следовательно в повышенной точности измерения механической мощности, передаваемой валом от источника мощности к потребителю с приборной погрешностью не хуже, чем 0,25% от максимально измеряемого значения, кроме того изобретение направлено на обеспечение системы регулирования изделия цифровой информацией о текущем значении уровня крутящего момента M_кр, например в виде единичного кода.

Изобретение обеспечивает возможность проведения сквозной проверки технического состояния в целом всей системы без применения внешних контрольных систем, а так же при отладке измерителя крутящего момента обеспечивает приборным способом возможность корректировки технологических неточностей и допусков на изготовление деталей и сборку изделия с целью устранения этих неточностей на заключительном этапе его сборки.

На фиг. 1 приведены взаимосвязанные элементы, обеспечивающие последовательность и условия проведения действий способа измерения угла закрутки вала, где 1 - источник мощности, 2 - потребитель мощности, 3 - вал измерительный (O₁ - O₂), 4 - счетная шестерня, 5 - нониусная шестерня, 6 - датчик счета (Д_сч), 7 - нониусный датчик (Д_нон), 8 - датчик нулевого импульса (Д₀), 9 - индуктор (диск) управления, 10 - вычислитель нониусного цифрового измерителя крутящего момента.

На валу со стороны источника мощности установлен датчик частоты вращения с диском индуктором 9. Диск индуктора имеет одну впадину, что обеспечивает за один оборот вала один начальный импульс И₀. Этот импульс И₀ разрешает начало действий измерения в одном каждом совершаемом обороте вала, он же сбрасывает (обнуляет) схему вычислителя 10 по завершению полного оборота валом. Впадина на диске индуктора смещена с опережением в угловом направлении вращения вала по отношению к "нулевому" зубу датчика Д_сч с учетом направления вращения вала по стрелке n, например, на 1/8 ± 20% шага расстановки нулевого зуба шестерни счета датчика Д_сч (фиг. 3).

Датчик Д_сч 6 формирует импульсы счета И_сч по мере прохождения зубьями шестерни датчика Д_сч. Шестерня нониуса 5 датчика Д_нон 7, установленная на выходном конце вала со стороны потребителя мощности, формирует в датчике нониуса Д_нон свои импульсы И_нон с угловым запаздыванием по направлению вращения вала пропорционально величине закрутки вала.

Нулевые зубья обоих шестерен (они же по счету последние, например 0/68/, 0/69) в угловом направлении совмещены по условиям сборки их по валу.

На холостых оборотах вала при отсутствии крутящего момента (при М_кр = 0) оба нулевые импульсы датчика счета и датчика счета и датчика нониуса совмещены. Остальные импульсы, формируемые по мере поворота вала другими зубьями при проходе осей своих датчиков, не обеспечивают совпадения по углу поворота вала. При этом в вычислителе схема совпадения импульсов, принадлежащих соответственно нулевым зубьям датчиков Д_сч, Д_нон, фиксирует совпадение импульсов и как следствие фиксируется отсутствие закрутки вала с результатом измерения, равным нулю.

Последовательность действий выше описанных взаимосвязанных элементов сводится к следующему.

При вращении вала сформированный начальный импульс - И₀ обнуляет схему и разрешает доступ импульсного счета - И_сч на схему совпадения в вычислителе.

На эту схему совпадения поступают и импульсы датчика нониуса Д_нон. При дальнейшем повороте вала схема совпадения вычислителя фиксирует угол поворота вала, на котором произошло совпадение И_сч и И_нон (угол совпадения ϕ_совп ), формируя импульс совпадения И_совп. Импульс совпадения И_совп прекращает отсчет измерительных импульсов, он же служит и разрешением (командой) для выдачи из счетчика замеренного числа импульсов на цифровой индикатор вычислителя. С очередным формированием начального импульса И₀ датчика схема вычислителя сбрасывается, а цикл измерения вновь повторяется каждый последующий оборот вала.

Причино-следственная связь средств известных до даты приоритета (шестерни, импульсные датчики, вал, электронные устройства) обусловлена причиной, как таковой, разницей числа зубьев шестерен счета и нониусной на один зуб. Изменение угла закрутки вала изменяет порядковый номер зуба счетной шестерни, следовательно и номер счетного импульса, на котором счетный и нониусный импульсы совпадают. При этом сумма измерительных импульсов от начала счета (от нулевого счетного импульса) при повороте вала до угла совпадения прямопропорциональна измеряемому углу. Электронные узлы отыскивают нулевой зуб, формируют длительность импульсов, фиксируют совпадение импульсов, суммируют измерительные импульсы и, как технический результат, индицируют число прямопропорциональное искомому углу.

Датчик нулевого импульса Д₀ по углу поворота первый формирует свой импульс И₀, по сравнению с импульсами датчиков И_нон. Этот импульс И₀ обнуляет схему, поступая в схему управления, в схему управления датчика полезного сигнала СПС, в схему управления счетчика холостого хода СХХ, в декадную схему индикатора.

Следующая последовательность по углу поворота вала осуществляется формированием импульса датчика счета Д_сч. Этот импульс преобразуется, формируется в ФФ, ФД, приобретая параметры И_сч. Импульс счета И_сч (первый пришедший после И₀) поступает на вход схемы совпадения СС и в схему управления СУ. Схема управления по этому первому (по счету) импульсу счета И_сч, открывает доступ измерительным импульсам на вход счетчика холостого хода СХХ. При переполнении заданной (технологической) емкости счетчика СХХ, что задается внешними ключами К₁, К₂ - К_n в процессе отладки нониусного цифрового измерителя крутящего момента измерительные импульсы поступают на вход счетчика полезного сигнала СПС до момента формирования схемой совпадения СС импульса совпадения И_совп. Этот импульс И_совп схемой управления СУ, удерживается в качестве действующего сигнала до окончания оборота вала, где вновь сформируется нулевой импульс И₀.

Преобразованный импульс И_нон датчика Д_нон, нулевого зуба шестерни при М_кр > 0, сдвинут с отставанием по углу поворота вала от импульса И_сч пропорционально углу закрутки вала. Вследствие наличия закрутки вала θ импульсы И_сч и И_нон окажутся совмещенными (совпадут) на большем угле поворота вала. Это совмещение (совпадение) фиксируется схемой совпадения СС, с формированием импульса И_совп. Импульс И_совп, как сказано выше, схемой управления преобразуется в сигнал и уровень которого удерживается до окончания оборота валом до прихода очередного импульса И₀.

Импульс совпадения И_совп (и его сигнал) в системе СУ прекращает доступ измерительных импульсов И_изм на вход СХХ и далее на вход СПС.

Сумма измерительных импульсов И_изм в счетчике полезного сигнала СПС и есть фактически результат измерения. Этот же импульс И_совп включает декадную схему индикатора ИНД в режим индикации до завершения оборота валом, где вновь сформированный импульс И₀ произведет обнуление схемы и даст разрешение следующему циклу измерения.

При включении и выключении измерительных импульсов И_изм на суммирование в СХХ, СПС, из-за несовпадения команд коммутации в системе управления, возможна потеря одного, двух импульсов счета. Чтобы уменьшить "вес" потерянных импульсов и он был бы незначительным, суммируются (считаются) специально подготовленные импульсы умножителем частоты измерительных импульсов УЧИИ.

Угловая длительность импульсов И_сч, И_нон задается формирователями угловой длительности ФД₁, ФД₂, используя фиксированное число импульсов после умножителя частоты следования импульсов умножителя частоты шаговых импульсов - УЧШИ, преобразуя кратковременные начальные импульсы И_сч.нач, И_{нон.нач} до угловой длительности действия δ_у .

Такой прием формирования угловой длительности δ_у импульсов И_сч, И_нон позволяет избежать погрешности измерения в широком диапазоне частоты вращения вала. Ключ КП в нажатом положении при холостом ходе (М_кр = 0) позволяет измерить технологическую неточность установки шестерен обоих датчиков Д_сч, Д_нон, возникшую из-за несовмещения нулевых зубьев шестерен и установки датчиков частоты вращения. Эта измеренная технологическая неточность в процессе отладки нониусного цифрового измерителя крутящего момента в виде числа импульсов вводится в счетчик холостого хода СХХ внешними ключами К₁, К₂ - К_n, а в рабочем режиме измерения при М_кр > 0 не поступает в счетчик полезного сигнала СПС. Ключ КП при работе изделия (когда М_кр > 0) позволяет осуществлять сквозную проверку работоспособности системы. Разница показаний индикатора при обоих положениях ключа КП соответствует набранному значению на ключах К₁ - К_n при технологической
отладке нониусного цифрового измерителя крутящего момента.

Выход в систему регулятора изделия предусмотрен в виде единичного кода посылками серий импульсов И_изм каждый совершенный цикл измерений (т.е. каждый совершенный оборот вала), а также и импульсов И₀.

Для подтверждения возможности осуществления изобретения приведен пример способа измерения угла закрутки вала, закрученного действием крутящего момента с использованием шкалы Нониуса при непрерывно вращающемся вале на авиационном двигателе.

1. Исходные данные для расчета.

Частота вращения вала (обороты двигателя).

n_min = 4000 об/мин; n_max = 9000 об/мин.

Номинальная закрутка вала крутящим моментом θ = 2^° (при длине вала l = 350 мм).

Требуемая точность измерения крутящего момента не хуже, чем 0,25% от номинального значения М_кр.

1.1. Датчики частоты вращения - ДЧВ
Выбраны с учетом характеристик и конструктивных особенностей, серийно освоенных в производстве, датчики ДЧВ-2500 (2500 Гц - верх. диапазон по Т.У. ).

1.2. Возбудители датчиков.

По конструктивным и технологическим соображениям, возбудители датчиков эвольвентные шестерни с числом зубьев:
шестерня счета Z₁ = 68 зуба
шестерня нониуса Z₂ = Z₁ + 1 = 69 зуба.

Возбудитель датчика нулевого импульса принят в виде диска с одной впадиной Z₀ = 1. Примечание. При необходимости наружный диаметр шестерен Z₁ и Z₂ отшлифовать на два радиуса по делительным окружностям шестерен.

2. Угловой шаг шестерен.

.

3. Угловая разность шага возбудителей (Дискретный угол).

.

4. Диаграмма угловой расстановки импульсов датчиков Д_сч, Д_нон (фиг. 4) (при М_кр = 0 по повороту вала за один оборот)
Импульсы счета И_сч и нониуса И_нон при М_кр = 0 совпадают (и совмещаются) передними фронтами в начале и конце каждого оборота.

Длительность импульсов δ_у (угловая) И_сч, И_нон равна
.

5. Совпадение импульсов И_сч, И_нон при θ > 0 и М_кр > 0.

На предыдущей диаграмме при М_кр = 0 совпадают нулевые импульсы. По мере приращения θ последовательность совпадения импульсов при каждом приращении θ на угол Δ_у выполняется последовательно на первой паре импульсов И_сч1, И_нон1, на второй паре и т.д.

Таким образом, угол ϕ_c совпадения импульсов каждой пары зубьев пропорционален углу закрутки вала.

В угол шага шестерни нониуса угловая разность шага шестерен Δ_у укладывается Z₁ раз.

,
т.е. угол Δ_у= 0,0767^° кратно укладывается в шаг Ш_нон = 5,2174^o.

Так как требуемый диапазон измерения закрутки вала равен θ = 2^° номер пары совмещенных импульсов N_пси (соответствующий углу закрутки вала) определится как
.

При этом передние фронты импульсов И_сч и И_нон не совпали, но эти импульсы с угловой длительностью δ_у совместились для формирования импульса (и сигнала) совпадения И_совп (фиг. 5).

Проверка. Что "весит" 0,0685 "зуба" в угловых единицах?
.

Несовпадение передних фронтов импульсов И_сч и И_нон на X = 0,00526^o меньше, чем δ_у= 0,03835^° , что и должно выполняться при цифровом (дискретном) способе обработки информации.

6. Угол совпадения ϕ_c , при котором прекращается суммирование импульсов счета.

.

При закрутке вала на θ = 2^° угловой коэффициент передачи K_пс способа составит
.

7. Погрешность способа.

Относительная погрешность, отнесенная к номинальному значению θ = 2^° составит
.

8. Формирование постоянной величины угловой длительности импульсов И_сч, И_нон при изменении оборотов вала.

На фиг. 2 представленная блок-схема, которая предусматривает использование в качестве генератора импульсов преобразованные по форме импульсы И_исх датчика Д_сч, частота следования которых отслеживает частоту вращения вала.

Следовательно, и длительность δ_у импульсов И_сч, И_нон должна отслеживаться по оборотам вала в той же зависимости (пропорции). Для этой цели в схеме предусмотрены формирователи длительности ФД₁, (ФД₂) в одинаковом схемном исполнении.

Ниже приведена диаграмма импульсов И_сч.нач, И_сч, И_учши, δ_τ , И₀, по каналу датчика Д_сч. Длительность И_сч.нач по времени формирует ФД₁ /2/.

Угловая длительность δ_у импульса счета И_сч формируется передним фронтом импульса И_сч.нач и заканчивается по мере накопления (заданных) импульсов И_учши, поступающих после умножителя частоты шаговых импульсов в количестве 32 импульсов.

Шаговые импульсы И_учши формируются после умножителя частоты сигналов Д_сч, сигнал которого в силу принятого числа зубьев шестерни счета Z₁ = 68 близок к гармонической форме и позволяет выполнять действие умножения.

Примем коэффициент умножителя импульсов И_счисх умножителем частоты шаговых импульсов равным K = 2¹² = 4096, тогда (фиг. 6, диаграмма) число импульсов ∑ U_учши формируемые угловую длительность будет:
.

В целях схемного решения формирователя ФД₁ (ФД₂) примем число ∑U_учши= 2⁵= 32 . Такое упрощение внесет дополнительную ошибку в измерение. С учетом этой дополнительной (внесенной) ошибки погрешность измерения составит
.

9. Сумма измерительных импульсов (емкость счетчика полезного сигнала СПС и счетчика холостого хода СХХ).

Номинальный угол совпадения ϕ_c при θ = 2^° составляет 136^o поворота вала (п. 6) и соответствует совпадению на 26 паре зубьев шестерен датчиков Д_сч, Д_нон.

Чтобы уменьшить "вес" потерянного импульса И_изм при несовпадении команд формируемых системой управления СУ, применен умножитель частоты измерительных импульсов УЧШИ. Исходя из этого при ϕ_c= 136^° (совпадает 26-я пара зубьев) коэффициент УЧШИ принимается равным
K_изм = 2⁷ = 128.

При принятом значении K_изм за поворот вала на угол, равный Ш_сч = 5,2941^o сформируется 128 импульсов И_изм, а к моменту совпадения импульсов И_сч и И_нон на 26-й паре зубьев (ϕ_c= 136^°) шестерен сумма измерительных импульсов составит
.

Цена "потерянного" импульса И_изм в процентах составит
.

10. Полная емкость счетчика полезного сигнала счетчика полезного сигнала СПС принимается с резервом
.

11. Полная емкость счетчика холостого хода - СХХ принимается равной емкости СПС.

12. Погрешность.

Суммарная погрешность измерения при принятых и заданных значениях Z₁, Z₂, θ составит при арифметическом подсчете методом суммирования составляющих и потери импульса И_изм из-за несовпадения команд СУ.

.

13. Угловая длительность δ_у (п. 8) импульсов И_сч, И_нон формируется 32 импульсами И_учши - умножителя частоты шаговых импульсов.

Временная длительность δ_τ начальных импульсов И_сч.нач принимается равной половине времени, потребного на совершение поворота вала на угол δ_у (фиг. 6).

Период оборота вала при n_max = 9000 об/мин
.

Период оборота вала при n_min = 4000 об/мин
,
временная длительность δ_τ на этих оборотах вала будет
.

В целях упрощения схемы ФФ₁ (ФФ₂, ФФ₃) принимается длительность начальных импульсов И₀; И_сч.нач; И_{нон.нач} одинаковой .

14. Уравнение способа нониусного цифрового измерителя М_кр.

В пункте 5 расчета показано, что в угол шага нониусной шестерни Ш_нон, разность Δ_у шагов шестерен счета и нониуса укладывается кратно Z₁ раз (68 раз)
Принимая во внимание, что приращение угла закрутки вала θ на величину Δ_у пропорционально сумме числа измерительных импульсов ∑ U_изм , эквивалентно коэффициенту умножения измерительных импульсов K_изм (п. 9), следует, что сумма измерительных импульсов от начала счета измерения до номера пары зубьев шестерен N_пси, на которой происходит совмещение импульсов И_сч, И_нон, обеспечивающих формирование импульса совпадения И_совп. выразится как:
.

В конкретном случае расчета при Z₁ = 68, Z₂ = 69 и K_изм = 128
.

Используя характеристику упругой закрутки вала от приложенного момента кручения, полученную в статических условиях тарировки (т.е. θ = f/M_кр(по числу ∑ U_изм определится действующий крутящий момент во время работы изделия.

Результаты расчета конкретного применения данного способа показывают:
1. Погрешность измерения крутящего момента на номинальном режиме изделия обеспечивается не хуже, чем 0,25% (По расчету 0,1% п. 12).

2. Данный способ обеспечивает выходную информацию для системы регулирования изделия в виде единичного кода (фиг. 2).

3. Способ обеспечивает возможность проведения сквозной проверки технического состояния измерителя в процессе эксплуатации изделия без применения внешних контрольных систем (фиг. 2).

4. При отладочных работах нониусным цифровым измерителем крутящего момента обеспечивается приборным методом возможность корректировки технологических неточностей и допусков на изготовление и сборку узлов измерителя, учитывающих эти неточности набором положения внешних электрических ключей (фиг. 2).

Сущность изобретения: в способе используются прямоугольные электрические счетные и нониусные импульсы, число которых за один полый оборот вала отличается на один импульс из-за разницы числа зубьев счетной и нониусной шестерен, что и образует электрическую шкалу Нониуса. При пересечении зубьями счетной и нониусной шестерен геометрических осей омпульсных датчиков, оси которых расположены в плоскости, проходящей через геометрическую ось закручиваемого вала, формируются начальные импульсы, которые с помощью формирователей преобразуются в счетные и нониусные импульсы. Датчики и, соответственно шестерни, разнесены по длине закручиваемого вала. При угле закрутки вала равным нулю, нулевой зуб шестерни счета совмещается по профилю с зубом нониусной шестерни, счетный и нониусный импульсы формируются одновременно и совпадение импульсов проходит на новом порядковом номере зуба счетной шестерни, принятого при сборке за нулевой. При увеличении угла закрутки вала импульсы совпадают на другом порядковом номере зуба счетной шестерни. Измертилеьные импульсы формируются умножением частоты следования импульсов датчика счета и суммируются за период поворота вала, начиная с нулевого счетного импульса до факта совпадения очередного импульса счета с нониусным импульсом. При этом сумма измерительных импульсов прямо пропорциональна углу закрутки вала и не зависит от частоты вращения вала. 6 ил.

1. Способ измерения угла закрутки вала, закрученного действием крутящего момента с использованием шкалы Нониуса при непрерывно вращающемся вале, отличающийся тем, что датчик нулевого импульса, индуктор управления с прорезью, смещенное с опережением в угловом направлении вращения вала относительно нулевого зуба шестерни датчика счета, и формирователь формы импульсом формируют прямоугольные нулевые импульсы с заданной длительностью действия по времени, датчик счета с умножителями частоты соответственно измерительных и шаговых импульсов непрерывно формируют соответствующие кратковременные прямоугольные измерительные и шаговые импульсы, датчик счета со счетной шестерней и нониусный датчик с нониусной шестерней с соответствующими формирователями формы импульсов, а также формирователями угловой длительности формируют прямоугольные импульсы счета и нониусные импульсы, длительность которых ограничена числом периодов частоты следования шаговых импульсов, при совпадении счетных и нониусных импульсов по углу поворота вала формируют импульсы совпадения схемой совпадения и сигналы совпадения схемой управления, по сигналу совпадения прекращают наполнение прямоугольными измерительными импульсами счетчиков холостого и полезного сигнала и сбрасывают измерительные импульсы на индикатор до углового положения вала, при котором датчик нулевого импульса и индуктор управления формируют прямоугольные нулевые импульсы.