УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА МАГНИТНОЙ МУФТЫ Российский патент 1999 года по МПК G01L3/10 

Техническое решение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения средних значений крутящего момента, передаваемого вращающимися валами силовых установок в перекачивающих аппаратах.

Существует проблема обеспечения точных, надежных, не требующих больших материальных затрат измерений крутящего момента перекачивающих силовых установок. Несмотря на достигнутые большие успехи, все еще существует настоятельная необходимость в недорогих измерителях крутящего момента, способных непрерывно, длительно в неблагоприятных окружающих условиях измерять крутящий момент, так как существует ограничение доступа к его основным функциональным узлам.

Известны устройства для измерения крутящего момента, содержащие чувствительный элемент, связанный с преобразованием его углового перемещения в выходной электрический сигнал.

Однако при работе в герметичных условиях известные устройства требуют сложных конструктивных электрических проходок для выводов через герметичную перегородку.

Известно устройство для измерения крутящего момента муфты (см. АС SU N 538248 МПИ G 01 L 3/10, 1977 г.), содержащее ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, разделенные немагнитной герметичной перегородкой, датчик углового рассогласования и измерительную систему, включающую выпрямительный мост, в измерительную диагональ которого параллельно подключены конденсатор, сопротивление и измерительный прибор, а в другую диагональ - обмотка статора кольцевого трансформатора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения момента нагрузки синхронной магнитной муфты (см. АС SU N 1247695 МПИ G 01 L 3/10, 1985), содержащее ведущую и ведомую полумуфты с постоянными магнитами, разделенные немагнитной герметичной перегородкой, датчик углового рассогласования выполнен в виде двух элементов Холла, расположенных в рабочем воздушном зазоре муфты на расстоянии друг от друга, равном полюсному делению муфты, кроме того, выходы датчиков Холла соединены через логические элементы НЕ с соответствующими входами логического элемента И, выход которого подключен к счетному входу счетчика, причем информационный выход счетчика связан с информационными входами последовательно соединенных устройств динамической памяти, дешифратора и индикатора момента нагрузки, а также генератор опорной частоты соединен с третьим входом логического элемента И, а выходы датчиков Холла подключены соответственно к входам логического элемента ИЛИ, выход которого связан соответственно с входом записи устройства динамической памяти и через одновибратор с входом сброса счетчика.

Однако в магнитных муфтах появляется ряд факторов, существенно затрудняющих измерение крутящего момента:
- полюсное деление муфты выполняется с технологическими зазорами, разными для ведущей и ведомой полумуфты, что приводит к изменению конфигурации магнитного поля. В случае расположения датчиков в рабочем воздушном зазоре муфты на расстоянии друг от друга, равном полюсному делению муфты, датчики оказываются в магнитном поле, образованном наложением полей ведущей и ведомой полумуфт, что снижает точность измерения крутящего момента. Кроме того, при рассогласовании полумуфт магнитное поле в рабочем зазоре меняется: вместо нормальной составляющей магнитной индукции появляется тангенциальная составляющая, к которой датчики Холла нечувствительны. При полном рассогласовании, когда ведущая и ведомая полумуфты оказываются расположенными одноименными полюсами друг против друга, сигналы с датчиков будут полностью отсутствовать, что приведет к потере информации. Кроме того, форма сигналов с датчиков существенно отличается от прямоугольной, и в результате чего появляется зависимость точности измерения крутящего момента от амплитуды сигнала;
- имеется технологический разброс как в силе отдельных магнитов, так и в точности их установки, что приводит к начальному фазовому сдвигу, который необходимо компенсировать;
- имеются электромагнитные помехи, существенно влияющие на надежность работы электронных схем. Особенно они велики при использовании в качестве привода ведущей полумуфты мощных электродвигателей.

Задачей данного изобретения является повышение точности и надежности работы измерителя крутящего момента магнитной муфты.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения крутящего момента магнитной муфты, содержащее ведущую и ведомую полумуфты, образованные постоянными магнитами, с чередующимися полюсами, разделенные немагнитной герметичной перегородкой, и датчик крутящего момента, выполненный в виде двух датчиков Холла, которые расположены на немагнитной герметичной перегородке со стороны торцов магнитов ведущей и ведомой полумуфт, кроме того, каждый датчик Холла подключен соответственно к последовательно соединенным дифференциальному усилителю, пороговому блоку нулевого уровня, инвертору, логическому элементу 2И-НЕ и формирователю импульсов, причем между выходом дифференциального усилителя и вторым входом логического элемента 2И-НЕ подключен пороговый блок фиксированного уровня, а также последовательно соединенные RS - триггер, сглаживающий фильтр низкой частоты, компенсатор начального фазового сдвига и регистратор, кроме того, выходы формирователей импульсов связаны соответственно с входами RS - триггера, а источник компенсирующего напряжения подключен к второму входу компенсатора начального фазового сдвига.

Для измерения крутящего момента синхронной муфты используется фазовый метод (Фролов Л.Б. "Измерение крутящего момента", М., "Энергия", 1967 г.), в котором необходимо получить два независимых друг от друга сигнала от двух датчиков, причем каждый из которых измерял бы индукцию магнитного поля одной из полумуфт. Основная часть магнитного потока, создаваемая постоянными магнитами ведущей и ведомой полумуфт, сосредоточена в рабочем зазоре муфты. Однако некоторая его часть замыкается внутри полумуфт, а также в виде магнитного потока рассеивания выходит со стороны торцов полумуфт и может быть измерена датчиками Холла. Кроме того, применяется измерение фазового сдвига между точками пересечения периодическими сигналами их нулевого уровня, которые являются наиболее помехозащищенными, так как момент перехода периодического сигнала через нулевой уровень определяется только частотой (фазой) сигнала и не зависит от амплитудного искажения. В электронную обработку также включаются лишь периодические сигналы, уровень которых превышает уровень помех, который определяется предварительно и отсекается с помощью порогового блока. Введен компенсатор первоначального фазового сдвига, обусловленного технологическим разбросом индукции полей отдельных магнитов, и неточностью их установки, что позволяет повысить точность измерения.

Датчики Холла могут быть использованы типа ДХК-0,5, ПХИ-611.

Дифференциальные усилители, пороговый блок нулевого и фиксированного уровней, формирователь импульсов, сглаживающий фильтр, компенсатор фазового сдвига, источник компенсирующего напряжения, регистратор могут быть реализованы (Дж. Рутковски "Интегральные операционные усилители", М., "Мир", 1978 г. ; М. Дмитрова, В. Пунджев "33 схемы с логическими элементами И - НЕ", Л., "Энергоатомиздат",1988 г.).

На фиг. 1, 2 представлена схема для измерения крутящего момента вала силовой установки, на фиг. 3 - блок - схема устройства, на фиг. 4 - диаграмма напряжений сигналов.

Устройство для измерения крутящего момента магнитной муфты, содержащее ведущую 1 и ведомую 2 полумуфты, образованные постоянными магнитами, с чередующимися полюсами 3, разделенные немагнитной герметичной перегородкой 4, и датчик крутящего момента, выполненный в виде двух датчиков Холла 5, датчики Холла расположены на немагнитной герметичной перегородке со стороны торцов магнитов ведущей и ведомой полумуфт, кроме того, каждый датчик Холла подключен соответственно к последовательно соединенным дифференциальному усилителю 6, пороговому блоку нулевого уровня 7, инвертору 8, логическому элементу 2И-НЕ 9 и формирователю импульсов 10, причем между выходом дифференциального усилителя 6 и вторым входом логического элемента 2И-НЕ 9 подключен пороговый блок фиксированного уровня 11, а также последовательно соединенные RS-триггер 12, сглаживающий фильтр низкой частоты 13, компенсатор начального фазового сдвига 14 и регистратор 15, кроме того, выходы формирователей импульсов связаны соответственно с входами RS-триггера 12, а источник компенсирующего напряжения 16 подключен ко второму входу компенсатора начального фазового сдвига 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Периодические сигналы с датчиков Холла 5 поступают на дифференциальные усилители 6 с подавлением синфазных помех и коэффициентом усиления, достаточным для превышения полезного сигнала над уровнем импульсных помех. Усиленные сигналы (см. фиг. 4.а, б) проходят на пороговые блоки фиксированного 11 и нулевого 7 уровня, на выходе которых формируются прямоугольные импульсы (см. фиг. 4. г, е, в, д). Пороговый блок фиксированного уровня 11 формирует прямоугольные импульсы, передний фронт которых создается при превышении сигнала с датчика Холла 5 некоторого фиксированного положительного уровня, превышающего уровень возможных помех, причем задний фронт импульсов образуется после прохождения сигналом нулевого уровня. Пороговый блок нулевого 7 уровня формирует импульсы, передний и задний фронты которых соответствуют точкам пересечения сигнала с нулевым уровнем, импульсы инвертируются 8 и поступают одновременно с неинвертированными импульсами с порогового блока фиксированного уровня 11 на входы логического элемента 2И-НЕ 9 (см. фиг. 4.ж, з, и, к), формирователь импульсов 10 создает короткие импульсы (см. фиг. 4.л, м), которые точно соответствуют точкам пересечения периодического сигнала с нулевым уровнем. С помощью полученных коротких импульсов RS - триггер формирует прямоугольный импульс (см. фиг. 4.н), длительность которого равна фазовому сдвигу двух периодических сигналов. При наличии импульсной помехи с одного или двух датчиков срабатывает только пороговое устройство нулевого уровня, формируя импульсы, которые не проходят через логический элемент 2И-НЕ, так как отсутствуют импульсы с порогового устройства фиксированного уровня.

Прямоугольные импульсы, сформированные RS-триггером 12, сглаживаются фильтром низкой частоты 13 с постоянной времени порядка 1 с и поступают на компенсатор начального фазового сдвига 14, который выполняет функции усилителя постоянного тока. Напряжение, компенсирующее начальный фазовый сдвиг, создается в блоке 16. С выхода компенсатора начального фазового сдвига 14 сигнал подается на регистратор 15, в качестве которого может быть использован стрелочный индикатор, цифровой вольтметр и т.д.

Устройство предназначено для измерения средних значений крутящего момента, передаваемого вращающимися валами силовых установок в перекачивающих аппаратах. Устройство содержит ведущую и ведомую полумуфты, образованные постоянными магнитами, с чередующимися полюсами, разделенные немагнитной герметичной перегородкой. Магнитные потоки ведущей и ведомой полумуфт измеряются датчиками Холла, расположенными на перегородке со стороны торцов магнитов. Каждый датчик Холла подключен соответственно к последовательно соединенным дифференциальному усилителю, пороговому блоку нулевого уровня, инвертору, логическому элементу 2И-НЕ и формирователю импульсов. Между выходом дифференциального усилителя и вторым входом логического элемента 2И-НЕ подключен пороговый блок фиксированного уровня. Выходы формирователей импульсов связаны с последовательно соединенными RS-триггером, сглаживающим фильтром низкой частоты, компенсатором начального фазового сдвига и регистратором. Ко второму входу компенсатора начального фазового сдвига подключен источник компенсирующего напряжения. Технический результат - повышение точности измерения и надежности. 4 ил.

Устройство для измерения крутящего момента магнитной муфты, содержащее ведущую и ведомую полумуфты, образованные постоянными магнитами, с чередующимися полюсами, разделенные немагнитной герметичной перегородкой, и датчик крутящего момента, выполненный в виде двух датчиков Холла, отличающееся тем, что датчики Холла расположены на немагнитной герметичной перегородке со стороны торцов магнитов ведущей и ведомой полумуфт, каждый датчик Холла подключен соответственно к последовательно соединенным дифференциальному усилителю, пороговому блоку нулевого уровня, инвертору, логическому элементу 2И - НЕ и формирователю импульсов, при этом между выходом каждого дифференциального усилителя и вторым входом каждого логического элемента 2И - НЕ подключен пороговый блок фиксированного уровня, а устройство также содержит последовательно соединенные RS-триггер, сглаживающий фильтр низкой частоты, компенсатор начального фазового сдвига и регистратор, причем выходы формирователей импульсов связаны соответственно со входами RS-триггера, а ко второму входу компенсатора начального фазового сдвига подключен источник компенсирующего напряжения.