УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ГРЕБНОГО ВИНТА СУДНА Российский патент 1998 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для измерения осевых усилий и крутящих моментов на гребных валах судов.

Известно устройство для измерения крутящего момента и усилия, содержащее тензорезисторы, установленные на вращающемся валу и соединенные в измерительный мост, токосъемник со скользящими щетками, усилительно-измерительную аппаратуру и источник питания, установленные стационарно на неподвижном объекте [1].

Недостатками известного устройства являются малая надежность и недостаточная точность измерений, обусловленная значительным влиянием помех контактного токосъемника ввиду того, что через него передаются очень низкие по уровню сигналы разбаланса тензометрических мостов, так как усилительная аппаратура установлена на стационарной части после токосъемника. Другим недостатком устройства является необходимость использования большого количества токосъемных дорожек для передачи информации (четыре дорожки для одного измерительного моста), что ограничивает возможности устройства при проведении испытаний современных судов и кораблей. У крупнотоннажных судов и кораблей диаметры валов превышают 500 мм, а у атомных ледоколов и специальных судов (например, атомный снабженец "Севморпуть") диаметры валов составляют 800 - 1100 мм. Конструкции токосъемников для таких валов становятся чрезвычайно громоздкими, металлоемкими и очень тяжелыми. Эти недостатки токосъемников особенно проявляются при их транспортировке и монтаже на гребной вал. В этих условиях и особенно при ограниченной протяженности свободной поверхности вала актуальным становится создание устройств, использующих минимальное количество токосъемных дорожек, обеспечивая при этом передачу информации от нескольких измерительных мостов.

Известно также устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна, содержащее установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные мосты тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы, выполненное по [2]. Это устройство обеспечивает передачу измерительной информации с вращающегося вала практически без помех благодаря тому, что усилители сигналов, установленные на валу до токосъемных колец, многократно повышают уровень передаваемых полезных сигналов. Кроме того, для передачи питания на два тензометрических моста и съема информации с них используются всего пять дорожек токосъемника (три дорожки - передача питания, две дорожки - съем информации с двух измерительных мостов).

Недостатком известного устройства является малая надежность и недостаточная точность измерений ввиду отсутствия возможности резервирования каналов измерения в заданных пределах токосъемных колец. Опасность снижения надежности работы устройства особенно велика, если с момента градуировки до проведения измерений проходит значительный промежуток времени, в течение которого тензорезисторы подвергаются действию повышенной влажности и агрессивных сред.

Заявленное изобретение решает задачу повышения надежности и достоверности измерений в сложных судовых или корабельных условиях при ограниченной протяженности поверхности вала, выделенной для размещения измерительной аппаратуры, и, как следствие, ограниченном числе токосъемных дорожек.

Для этого в устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровней по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещений уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно, причем выходы усилителей двух основных измерительных каналов через схемы уровней связаны с входами одного мультиплексора, а выходы усилителей двух дополнительных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами второго мультиплексора, управляемых тактовым генератором, при этом выход первого мультиплексора соединен с одной дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух основных измерительных каналов и формирователем тактовых импульсов, который управляет демультиплексором, а выход второго мультиплексора соединен с другой дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух дополнительных измерительных каналов, управляемым формирователем тактовых импульсов, причем выходы демультиплексоров соединены через устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры с регистраторами сигналов основных и дополнительных каналов измерения.

Заявленное устройство благодаря двукратному резервированию каналов измерения существенно повышает надежность, а также достоверность и точность измерений, будучи выполненным в пределах тех же границ протяженности гребного вала и при использовании того же комплекта токосъемных колец и щеток (пять дорожек).

Измерение одного и того же параметра (упор, крутящий момент) двумя независимыми измерительными каналами позволяет в процессе испытаний судна анализировать состояние тензорезисторных мостов по таким параметрам, как повторяемость результатов измерений при одинаковых режимах движения судна и частот вращения гребного вала, стабильность начальных отсчетов при остановках вала.

Результаты измерений ненадежно работающего канала исключаются. Заключения об измеряемых величинах делают по надежно работающим каналам. В этом случае предложенное устройство повышает достоверность измерений. В случае, когда все измерительные каналы (основной и дополнительный) работают надежно, результаты измерений по каждому параметру (упор или момент) осредняют. В этом случае устройство повышает точность измерений.

Для особо важных заказов или дорогостоящих комплексных испытаний судов и кораблей срыв испытаний или недостоверность результатов измерений может повлечь за собой значительные экономические затраты. В этих условиях резервирование каналов измерений является особенно целесообразным.

Заявленное устройство в зависимости от целей испытаний может быть использовано в различных сочетаниях измерительных каналов: два канала измерения осевого усилия и два канала измерения крутящего момента либо все четыре канала для измерения крутящего момента и др. варианты.

Настройкой фильтров нижних частот на соответствующие граничные частоты среза и используя различные регистраторы (ЭВМ, самописцы, измерительные магнитофоны и т.д.), устройство позволяет получать как средние характеристики процессов, так и анализировать их амплитудно-частотные спектры.

Сущность заявленного изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 показаны участок гребного вала судна с размещенными на нем элементами устройства и размещенная стационарно преобразовательно-регистрирующая аппаратура, на фиг. 2 - блок-схема устройства, на фиг. 3 - изменение упора и крутящего момента гребного винта судна во времени, на фиг. 4 - 8 - временная диаграмма преобразования сигналов в двух измерительных каналах.

Устройство (фиг.1, 2) содержит тензорезисторы 1, 2, 3, 4, установленные на гребном валу 5 по осям соответствующих главных напряжений: 0 и 90^o, а также 45 и 135^o (отсчет угла производится относительно продольной оси вала), и собранные в измерительные мосты осевого усилия и крутящего момента усилители сигналов 6, 7, 8, 9 и схемы смещения уровня 10, 11, 12, 13, входы которых соединены с выходами усилителей, а их выходы соединены с входами двух мультиплексоров 14 и 15. Работа мультиплексоров управляется тактовым генератором 16. Схемы смещения уровней, мультиплексоры и тактовый генератор размещены в одном блоке 17, который вместе с усилителями закреплен на гребном валу бандажной лентой 18. Выходы мультиплексоров соединены с соответствующими дорожками токосъемника 19, корпус которого жестко закреплен на гребном валу. Скользящие щетки 20 токосъемника соединены кабелем 21 с блоком питания 22 и преобразовательной аппаратурой 23, установленными стационарно на столе оператора. Преобразовательная аппаратура содержит два демультиплексора 24, 25, управляемых формирователем тактовых импульсов 26, выходы которых через устройства выборки-хранения 27, 28, 29, 30 соединены со схемами смещения уровня 31, 32, 33, 34 и фильтрами нижних частот 35, 36, 37, 38. Выходы измерительных каналов соединены с регистраторами 39, 40, 41, 42.

При работе ГВ в равномерном потоке на нем развиваются постоянные во времени гидродинамические силы и моменты. Однако за корпусом судна поток жидкости деформируется и на гребном винте возникают периодические силы и моменты, кратные частоте nZ (n - частота вращения, Z - число лопастей гребного винта). Практический интерес представляет только лопастная гармоника первого порядка с частотой f= nZ, амплитуда которой обычно не превышает 4 - 8% от среднего значения (гармоника второго порядка с частотой 2nZ, как правило, на порядок меньше лопастной, амплитуды гармоник более высокого порядка резко уменьшаются по мере роста порядкового номера гармоники).

На фиг. 3 показано изменение во времени упора и крутящего момента, возбуждаемых на гребном винте при работе его за корпусом судна (высокочастотные гармоники ввиду малости их амплитуд в принятом масштабе изображения не видны). Такой же вид имеют электрические сигналы на выходе измерительных мостов и усилителей. На фиг. 3 пунктирными линиями выделен короткий участок электрических сигналов с максимальным градиентом амплитуды протяженностью в четверть периода вращения гребного винта, для которого на фиг. 4 - 8 представлена временная диаграмма работы устройства.

Устройство работает следующим образом.

При вращении гребного винта на нем развиваются осевая сила и крутящий момент, деформирующие вал гребного винта. Закрепленные на нем тензорезисторы изменяют свое сопротивление и в диагоналях измерительных мостов 1, 2, 3, 4 возникают напряжения разбаланса, которые усиливаются усилителями 6, 7, 8, 9 и подаются на схемы смещения уровня 10, 11, 12, 13. Схемы смещения уровня 10 и 12 повышают уровень поступающего на них сигнала на некоторую постоянную величину + ΔU, в то время как схемы смещения уровня 11 и 13 понижают уровень поступающего на них сигнала на величину - ΔU . Величина уровня смещения ΔU выбрана таким образом, чтобы она превышала максимальный уровень сигнала, поступающего на схемы смещения с тензорезисторных мостов. Таким образом, электрические напряжения (сигналы), поступающие с основных 1, 2 и дополнительных 3, 4 тензорезисторных мостов оказываются смещенными по уровню и разнополярными на входах мультиплексоров 14 и 15 (см. фиг. 5). В устройстве использованы известные схемы смещения уровня (см. например, В.Л.Шило. Линейные интегральные схемы. - М.: Сов. Радио, 1979, с. 159, рис. 4. 7a). Мультиплексоры 14 и 15 управляются тактовым генератором 16, подключая к соответствующему кольцу токосъемника 19 с частотой генератора один или другой измерительный канал. Таким образом, на каждое кольцо токосъемника передается от мультиплексоров поочередно информация с двух измерительных каналов и представляет собой почти прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности с частотой тактового генератора (см. фиг. 6). Причем амплитуда импульсов положительной полярности соответствует сигналу одного измерительного канала (P), а амплитуда импульсов отрицательной полярности соответствует сигналу другого измерительного канала (Q). Частота тактового генератора выбрана примерно на два порядка выше частоты основной гармоники передаваемого устройством сигнала (частота основной гармоники сигнала f₁ = nZ = 2•4 = 8 Гц, частота тактового генератора f_тг = 1000 Гц; n≈ 120 об/мин = 2 с^-1; Z = 4). При таком соотношении частот сигнала и переключения мультиплексора устройство передает практически без динамических искажений весь спектр частот гидродинамических сил и моментов, которые могут представлять интерес. Отметим, что в настоящее время в практике натурных испытаний судов и кораблей из-за аппаратурных ограничений измеряют только средние значения упора и крутящего момента.

Измерительные сигналы в виде последовательностей почти прямоугольных импульсов (на фиг. 4 - 8 показана временная диаграмма только для двух измерительных каналов, например каналов, содержащих тензомосты 1 и 2; для двух других измерительных каналов временная диаграмма будет такая же) поступают на входы демультиплексоров 24 и 25; причем импульсы от мультиплексора 14 одновременно подаются на вход формирователя тактовых импульсов 26 (для нормальной работы формирователя требуются импульсы положительной и отрицательной полярности).

Формирователь импульсов 26 преобразует последовательность почти прямоугольных импульсов с переменной амплитудой и с частотой тактового генератора в последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и той же частотой тактового генератора. Этими импульсами формирователь тактовых импульсов 26 управляет работой (переключением) демультиплексоров 24 и 25 синхронно с работой мультиплексоров 14 и 15. Поэтому измерительный сигнал со схемы смещения 10 поступает через устройство выборки-хранения 27 на схему смещения уровня 31, а измерительный сигнал со схемы смещения 11 через устройство выборки-хранения 28 поступает на схему смещения 32 и т.д. Таким образом, благодаря синхронной работе мультиплексора 14 и демультиплексора 24 удается передать через одно кольцо токосъемника информацию от двух измерительных каналов, также при синхронной работе мультиплексора 15 и демультиплексора 25 передается через одно кольцо токосъемника информация от двух других измерительных каналов.

В предлагаемом устройстве использована известная схема мультиплексор - демультиплексор (см. например, В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы. - М. : Радио и связь, 1987, с. 229, рис. 2.30), в которой управление работой мультиплексора и демультиплексора осуществляется синхронными двоичными сигналами. Отличительной особенностью предложенной схемы является то, что управляющий двоичный код мультиплексора формируется тактовым генератором 16, расположенным на вращающемся валу, а управляющий двоичный код демультиплексора формируется синхронно с кодом генератора 16 схемой формирователя тактовых импульсов 26, расположенного стационарно, из передаваемого через токосъемник 19 полезного сигнала, несущего информацию о двух измерительных процессах.

Устройства выборки-хранения (УВХ) 27, 28, 29, 30, являются элементами памяти и преобразуют прерывистые сигналы в непрерывные во времени сигналы. Они хранят на запоминающем конденсаторе в течение некоторого времени (режим хранения) мгновенное значение входного напряжения. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а затем по команде запоминает его мгновенное значение и переходит в режим хранения. В устройстве использована известная схема УВХ (см. , например, А.Г.Алексенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985, с. 194, рис. 5, 11, a). Измерительные сигналы на выходе УВХ показаны на фиг. 7.

Схемы смещения 31, 32, 33, 34 преобразуют поступающие на их вход сигналы к первоначальному уровню, т.е. схемы 31 и 33 понижают уровень сигналов на величину ΔU , а схемы 32 и 34 повышают уровень поступающих на них сигналов на величину ΔU . Заметим, что преобразование уровней сигналов на передающей части устройства и обратное преобразование уровней сигналов на приемной части устройства не сказываются на точности измерения, если такое преобразование даже не будет одинаковым, так как это приводит только к изменению начального отсчета того или иного измерительного канала, который измеряется перед началом и после проведения испытаний при неподвижном судне и при вращении вала гребного винта на малых оборотах (n = 0,5 - 1,5 об/мин), т.е. на режиме, когда гидродинамические силы и моменты равны нулю.

С выхода схем смещения 31, 32, 33, 34 сигналы проходят через фильтры нижних частот 35, 36, 37, 38, приобретая свой первоначальный вид (см. фиг. 8), и подаются на регистраторы 39, 40, 41, 42.

Устройство относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для измерения осевого усилия и крутящего момента гребного винта судна в сложных судовых или корабельных условиях. Устройство содержит установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные мосты тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы. В устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными измерительными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровня по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно. Устройство решает задачу повышения надежности и достоверности измерений в сложных судовых и корабельных условиях. 8 ил.

Устройство для измерения осевого усилия и крутящего момента гребневого винта судна, содержащее установленные на гребном валу по осям соответствующих главных напряжений и собранные в измерительные тензорезисторы осевого усилия и крутящего момента, усилители сигналов, токосъемник со скользящими щетками и установленные стационарно источник питания и регистраторы, отличающееся тем, что в устройство введены два дополнительных тензорезисторных моста и усилители сигналов дополнительных мостов, образующие с основными измерительными мостами четырехканальную измерительную систему, схемы смещения уровня по числу каналов, два мультиплексора и тактовый генератор, закрепленные на гребном валу, два демультиплексора, формирователь тактовых импульсов, устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры нижних частот по числу измерительных каналов, установленные стационарно, причем выходы усилителей двух основных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами одного мультиплексора, а выходы усилителей двух дополнительных измерительных каналов через схемы смещения уровней связаны с входами второго мультиплексора, управляемых тактовым генератором, при этом выход первого мультиплексора соединен с одной дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух основных измерительных каналов и формирователем тактовых импульсов, который управляет демультиплексором, а выход второго мультиплексора соединен с другой дорожкой токосъемника, скользящая щетка которой соединена с демультиплексором сигналов двух дополнительных измерительных каналов, управляемых формирователем тактовых импульсов, причем выходы демультиплексоров соединены через устройства выборки-хранения, схемы смещения уровней и фильтры с регистраторами сигналов основных и дополнительных каналов измерения.