ДАТЧИК МГНОВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ УГЛОВ РАССОГЛАСОВАНИЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к области измерений кутящих моментов на тормозном валу, а также углов рассогласования вращающихся валов и может быть использовано в следящих приводах, а также для измерений мгновенных значений крутящих моментов в фиксированных положениях вращающегося вала.

Для измерения углов рассогласования в следящих приводах часто используются сельсины.

Однако устройства эти относительно дороги, материалоемки, используют ограниченное число сельсин-приемников для одного сельсин-датчика и не предназначены для контроля мгновенных значений углов рассогласования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является "Устройство для измерения мгновенных значений крутящего момента". Его используют в случае передачи крутящего момента посредством гибкого вала. Устройство включает два растровых диска, закрепленных на каждом из валов, и неподвижные преобразователи вращения обоих растров в электрический сигнал (1).

Недостатками устройства, принятого за прототип, является невозможность с его помощью измерить мгновенное значение величины угла рассогласования вращающихся валов.

Технический результат - повышение точности измерений углов рассогласования вращающихся валов в заданные моменты времени, использование устройства для контроля углов рассогласования любого числа механически несвязанных и удаленных друг от друга валов.

Поставленной цели достигают установкой отдельно для каждого вращающегося растрового диска преобразователя (например, фотопары) его вращения в импульсные электрические сигналы и формирователя (тоже фотопары) сигнала начала счета этих импульсов. (В качестве преобразователей вращения вала в электрические импульсы могут быть использованы магнитные, радиоизотопные, рентгеновские и др. излучатели). При этом геометрия растра на диске, закрепленном неподвижно относительно ведущего вала, такова, что передние фронты импульсов на выходе преобразователя вращения растра в электрический сигнал однозначно характеризуют мгновенные положения ведущего вала. Растр на дисках, закрепленных на ведомых валах, выполняют так, что на выходе первого преобразователя вращения растра в электрический сигнал, последний представляет собой последовательность импульсов - импульсов положений вала, а на выходе второго преобразователя формируют импульсы начала их счета. Одновременно на выходе преобразователя вращения ведущего вала в электрический сигнал формируют импульсы его положений и импульсы начала счета.

При вращении ведомого вала посредством растрового диска и преобразователя вращения растра в электрический сигнал, последовательно (после формирования импульса начала счета) формируют импульсы положений ведомого вала с номерами 1, 2, 3... N (величина N определяется геометрией растра). Одновременно, подобным же образом, при вращении ведущего вала формируют импульсы его положений и, соответственно, импульсы начала их счета. Далее, посредством ЭВМ запоминают номера импульсов положений ведомого вала в моменты формирования соответствующих импульсов положений ведущего вала при синхронном и синфазном вращении обоих валов. При рабочем вращении валов посредством ЭВМ фиксируют новые значения номеров импульсов положений ведомого вала, соответствующих заранее заданным номерам импульсов положений ведущего вала. Далее сравнивают полученные значения с соответствующими значениями для синфазного и синхронного вращения.

Разность номеров импульсов положений и определяет величину и знак угла рассогласования вращающихся валов.

На фиг. 1 изображена блок-схема датчика для системы, состоящей из двух механических несвязанных вращающихся валов. На фиг. 2 представлена конфигурация растрового диска, вращающегося с ведущим валом, а на фиг. 3 - конфигурация растрового диска, вращающегося с ведомым валом. На фиг. 4 показаны временные зависимости импульсов положений ведущего и ведомого валов при синфазном и при несинхронном вращении.

На фиг. 1 ведущий вал обозначен 1, ведомый вал 2, растровый диск на ведущем валу 3, на ведомом - 4, 5 и 6 - фотопара для формирования на выходе фотодиода 5 импульсов положений ведущего вала, 7 и 8 - фотопара для формирования на выходе фотодиода 7 импульсов начала счета, 9 и 10 - фотопара для формирования на выходе фотодиода 10 импульсов положений ведомого вала, 11 и 12 - фотопара для формирования на выходе фотодиода 12 импульсов начала их счета, 13 - таймер, электрический счетчик импульсов (на чертеже не указан). Дискретные сигналы с выходов 5, 7, 10 и 12 подают на вход ЭВМ.

При вращении растрового диска, расположенного на ведущем валу (фиг. 2), на выходе фотодиода 7 формируют электрические импульсы, представленные на фиг. 4a. Одновременно с выхода фотодиода 5 снимают электрические импульсы, изображенные на фиг. 4b. В результате импульсам на фиг. 4b присваиваются номера (на фиг. 4b от 1 до 16). Представим, что для каких-то исследований необходимо измерение угла рассогласования валов и моменты формирования только 5 и 10 импульсов положений ведущего вала. Программными средствами посредством ЭВМ выделяют указанные импульсы (фиг. 4c). Аналогично, при вращении ведомого вала формируют импульсы начала счета (фиг. 4a) и импульсы его положений (фиг. 4e). Им так же присваивают номера (на фиг. 4e от 1 до 32).

В начале устройство калибруют - определяют номера импульсов положения ведомого вала, соответствующих заранее заданным номерам импульсов положений ведущего вала при синхронном и синфазном вращении. Величину угла рассогласования определяют соотношением:
θ₁= A(n₀₁-n₁),
где A - "густота" прозрачных и непрозрачных полос на растровом диске ведомого вала. Если, например, их 360, то A = 360/360 = 1 градус/деление;
n₀₁ - номер импульса положения ведомого вала, соответствующий первому выделенному импульсу положения ведущего вала при синфазном вращении валов (в указанном примере n₀₁=6);
n₁ - номер импульса положения ведомого вала, соответствующий первому выделенному импульсу положения ведущего вала, зафиксированному в рабочем режиме вращения валов (в указанном примере n₁=4);
Аналогично, в момент, когда ведомый вал занимает положение, при котором формируют, например, 10-й импульс положения ведущего вала:
θ₂= A(n₀₂-n₂).
При этом следует отметить, что знак разности характеризует и знак рассогласования θ.
Очевидно, что при необходимости программа ЭВМ, посредством которой обрабатывается информация, поступающая с "Датчика мгновенных значений углов рассогласования вращающихся валов", может быть такой, что значения угла θ определяют для каждого импульса положения. На фиг. 4 таких импульсов 16. Так же очевидно, что максимальная "густота" импульсов положения ограничена разрешающей способностью преобразования, примененного в устройстве, в импульсный электрический сигнал посредством вращающегося растра.

Технико-экономическая эффективность применения "Датчика мгновенных углов рассогласования вращающихся валов" заключается в следующем:
- он позволяет осуществлять контроль значения углов рассогласования любого количества вращающихся валов для заранее заданных положений ведущего вала или в заранее заданные моменты времени;
- датчик дает возможность определять посредством ЭВМ закон изменения углов рассогласования либо в зависимости от времени, либо от положения ведущего вала, что может найти применение в системах автоматического регулирования для формирования уровней корректирующих воздействий, а также для научных исследований;
- датчик может быть использован для измерений мгновенных значений крутящих моментов на гибких вращающихся валах.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1364918, G 01 L 3/10, 1990.

Датчик предназначен для использования в следящих приводах при исследовании быстропеременных силовых воздействий на вращающиеся валы. На всех валах, при вращении которых контролируют величину угла рассогласования, располагают растровые диски, преобразователи вращающегося растра в электрический сигнал и формирователи сигнала сброса или начала счета. Передние фронты электрических импульсов, формируемые при вращении ведущего вала, характеризуют его мгновенные положения. По номеру счетных импульсов, фиксируемому при вращении каждого ведомого вала в момент действия переднего фронта импульсов положения, определяют относительное мгновенное положение данного ведомого вала. Датчик обладает повышенной точностью измерения углов рассогласования вращающихся валов в заданные моменты и позволяет использовать его для контроля углов рассогласования механически несвязанных между собой вращающихся валов и мгновенных скоростей вращения вала. 4 ил.

Датчик мгновенных углов рассогласования вращающихся валов, содержащий закрепленные на каждом из них растровые диски заданной геометрической формы и неподвижные преобразователи вращения растров в электрический сигнал, отличающийся тем, что преобразователь вращения растрового диска ведущего вала выполнен в виде формирователя импульсов положений ведущего вала и формирователя импульсов начала счета для ведущего вала, а преобразователь вращения растрового диска каждого ведомого вала выполнен в виде формирователя счетных импульсов ведомого вала и формирователя импульсов начала счета для ведомого вала.