ТОРСИОМЕТР Российский патент 2007 года по МПК G01L3/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящих моментов валов движителей подводных и надводных плавсредств.

Известны торсиометры аналогичного назначения, содержащие два ротора, закрепленных на исследуемом валу на известном расстоянии друг от друга, статор, включающий в себя источник света, оптически согласованный через оптические волокна с фотоприемником, подключенным выходом к усилителю фототока, и регистратор [Патент Японии №61-207940, кл. G01L 3/12, 1986; Патент Великобритании №2001431, кл. G1A, G1N (G01L 3/06, G01D 5/32), 1979; Патент Великобритании №2162309, G1A, U1S (G01L 3/00, G01D 11/26), 1986].

Последний из аналогов принят за прототип. В прототипе роторы выполнены в виде двух растров. При изменении относительного положения одного растра относительно другого, происходящего при скручивании исследуемого вала, на выходе растров появляется картина муаровых полос, передаваемая через оптические волокна на фотоприемник. При этом освещенность фотоприемника, а следовательно, и его выходной сигнал будут зависеть от крутящего момента на исследуемом валу.

Недостатком известного торсиометра является амплитудный характер съема информации о крутящем моменте.

Техническим результатом, появляющимся от внедрения изобретения, является получение не амплитудного, а фазового сигнала с фотоприемника, несущего информацию о крутящем моменте.

Данный технический результат достигают за счет того, что известный торсиометр, содержащий два ротора, закрепленных на исследуемом валу на известном расстоянии друг от друга, статор, включающий в себя источник света, оптически согласованный через оптические волокна с фотоприемником, подключенным выходом к усилителю фототока, и регистратор, дополнительно содержит импульсный инвертор и интегратор, при этом роторы выполнены в виде цилиндрических насадок, соосных валу, вдоль образующих которых равномерно по окружности закреплены диэлектрические державки, на свободных концах которых установлены постоянные магниты, а статор - в виде консольно установленных в двух основаниях двух групп диэлектрических балок, равномерно расположенных вдоль цилиндрической поверхности, соосной валу, причем на свободных концах балок каждой группы закреплены магниты, установленные с возможностью периодического импульсного взаимодействия с постоянными магнитами соответствующих роторов, при этом оптические волокна свернуты в виде предметных и опорных волоконных катушек, установленных в соответствующих основаниях статора и оптически согласованных с источником света, выполненном когерентным, и фотоприемником, причем в сердцевины волоконных катушек вплотную к волокнам установлены консольно закрепленные концы балок с возможностью механического взаимодействия с волоконными катушками, в одной из которых установлено фазосдвигающее устройство, причем выход усилителя фототока через последовательно соединенные импульсный инвертор и интегратор подключен к регистратору.

Магниты статора могут быть выполнены в виде электромагнитов.

Количество предметных волоконных катушек интерферометра равно количеству его опорных волоконных катушек и количеству постоянных магнитов каждого из роторов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена конструктивная схема торсиометра; на фиг.2 - его оптико-электронная схема; на фиг.3 - схема расположения магнитов роторов и статора при скручивании вала; на фиг.4-6 - диаграммы, поясняющие принцип работы торсиометра.

Торсиометр содержит (фиг.1) два ротора, выполненных в виде двух цилиндрических насадок, соосных валу 1, вдоль образующих которых равномерно по окружности закреплены диэлектрические державки 2, 3. На свободных концах державок 2, 3 установлены постоянные магниты 4, 5.

Насадки расположены на расстояниях Х друг от друга.

Имеется также статор, выполненный в виде двух оснований 6, 7, в которых размещены волоконные катушки 8, 9 волоконно-оптического интерферометра (ВОИ), включающего в себя также источник 10 когерентного света (фиг.2) и фотоприемник 11.

Кроме того, ВОИ включает в себя фазосдвигающее устройство 12, установленное в одной из волоконных катушек.

В сердцевинах волоконных катушек 8, 9 консольно установлены диэлектрические балки 13, 14, на свободных концах которых закреплены магниты 15, 16, которые могут быть выполнены в виде электромагнитов.

Магниты 4, 5 роторов и магниты 15, 16 статоров установлены на расстояниях, при которых обеспечивается их импульсное периодическое взаимодействие друг с другом.

При этом балки 13, 14 жестко вставлены в сердцевины предметных и опорных волоконных катушек 8, 9, обеспечивая их механическое взаимодействие.

Волоконные катушки 8, 9 интерферометра несут одинаковые функции в торсиометре, поэтому их разделение на предметные и опорные в данном случае является условным.

Оптимальным вариантом исполнения является случай, когда в интерферометре количество предметных волоконных катушек 8 равно количеству опорных волоконных катушек 9 и количеству постоянных магнитов 4 или 5 каждого из роторов 2, 3.

Электронная схема ВОИ торсиометра включает в себя усилитель 17 фототока, импульсный инвертор 18, интегратор 19 и регистратор 20 величины тока.

Торсиометр работает следующим образом. Перед началом работы начальную разность фаз интерферирующих лучей ВОИ с помощью фазосдвигающего устройства 12 устанавливают равной 90° (фиг.4).

При вращении контролируемого вала 1 из-за наличия вращательного момента М_кр происходит скручивание вала. В связи с чем последовательность постоянных магнитов 5 сдвигается на угол (относительно последовательности постоянных магнитов 4 (фиг.3) в направлении вращения. При этом на электромагниты 15 и 16 статоров постоянные магниты 4 и 5 роторов будут воздействовать в разное время t.

Если магниты 4, 5 роторов воздействуют на электромагниты 15, 16 статоров в одно и то же время t, то воздействие балок 13, 14 на предметные и опорные катушки 8, 9 будут также происходить одновременно и выходной сигнал ВОИ будет нулевым.

Угловой сдвиг на угол α одной последовательности постоянных магнитов относительно другой последовательности приводит к тому, что на выходе ВОИ появятся положительные и отрицательные импульсы 21, 22 (фиг.5б), которые являются разностью импульсов 23, 24 (фиг.5а), условно получаемых от предметных и опорных волоконных катушек 8, 9.

После усиления и инвертирования (фиг.5в) в блоках 17 и 18 импульсы 25 поступают на интегратор 19, который выдает на регистратор 20 сигнал i, пропорциональный углу α скручивания вала 1 и крутящему моменту М_кр на валу.

Чем больше угол α скручивания вала 1, тем болше будет рассогласование последовательностей импульсов 26, 27 (фиг.5 г) ВОИ и тем больше длительность выходных импульсов 28 (фиг.5д) на выходе импульсного инвертора 18, а значит и выходной сигнал i торсиометра.

Выходная кривая 29 торсиометра (фиг.6) в диапазоне значений крутящих моментов М₁-М₂ является линейной, что позволяет осуществить поверку прибора по одной точке.

Таким образом, торсиометр позволяет получить с интерферометра фазовый сигнал, чем достигается поставленный технический результат.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящих моментов на валах. Устройство содержит два ротора, закрепленных на валу на известном расстоянии друг от друга. Роторы выполнены в виде цилиндрических насадок, соосных валу, вдоль образующих которых равномерно по окружности закреплены диэлектрические державки, на свободных концах которых установлены постоянные магниты. Имеется также статор, выполненный в виде консольно установленных в двух основаниях двух групп диэлектрических балок, равномерно расположенных вдоль цилиндрической поверхности, соосной валу. На свободных концах балок каждой группы закреплены электромагниты, установленные с возможностью периодического импульсного взаимодействия с постоянными магнитами соответствующих роторов. В основание статора вмонтированы предметные и опорные волоконные катушки волоконно-оптического интерферометра (ВОИ). В сердцевины волоконных катушек ВОИ жестко вставлены консольно закрепленные концы балок статора. Выход ВОИ через последовательно соединенные усилитель фототока, импульсный инвертор и интегратор подключен к регистратору. При вращении вала постоянные магниты роторов периодически взаимодействуют с электромагнитами статора. При этом их волоконные катушки ВОИ будут периодически воздействовать на консольно закрепленные балки статора. Если на валу появляется крутящий момент, то на выходе ВОИ будет иметь место сигнал, пропорциональный величине крутящего момента. Технический результат заключается в получении фазового сигнала о крутящем моменте. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Торсиометр, содержащий два ротора, закрепленные на исследуемом валу на известном расстоянии друг от друга, статор, включающий в себя источник света, оптически согласованный через оптические волокна с фотоприемником, подключенным выходом к усилителю фототока, и регистратор, отличающийся тем, что дополнительно содержит импульсный инвертор и интегратор, при этом роторы выполнены в виде цилиндрических насадок, соосных валу, вдоль образующих которых равномерно по окружности закреплены диэлектрические державки, на свободных концах которых установлены постоянные магниты, а статор - в виде консольно установленных в двух основаниях двух групп диэлектрических балок, равномерно расположенных вдоль цилиндрической поверхности, соосной валу, причем на свободных концах балок каждой группы закреплены магниты, установленные с возможностью периодического импульсного взаимодействия с постоянными магнитами соответствующих роторов, при этом оптические волокна свернуты в виде предметных и опорных волоконных катушек, установленных в соответствующих основаниях статора и оптически согласованных с источником света, выполненным когерентным, и фотоприемником, причем в сердцевины волоконных катушек вплотную к волокнам установлены консольно закрепленные концы балок с возможностью механического взаимодействия с волоконными катушками, в одной из которых установлено фазосдвигающее устройство, причем выход усилителя фототока через последовательно соединенные импульсный инвертор и интегратор подключен к регистратору.2. Торсиометр по п.1, отличающийся тем, что магниты статора выполнены в виде электромагнитов.3. Торсиометр по п.1, отличающийся тем, что количество предметных волоконных катушек интерферометра равно количеству его опорных волоконных катушек и количеству постоянных магнитов каждого из роторов.