Измеритель мощности Советский патент 1984 года по МПК G01L3/24 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназна чено для измерения мощности, передаваемой вращающимся валом. Известен измеритель мощности, содержащий преобразователь крутящего момента и частоты вращения вала, а также измерительную схему {1. Однако этот измеритель не обеспечивает требуемой точности измерения. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является измеритель мощности,содержащий преобразователь крутящего момента и часто ты вращения, выполненный в виде упру гого вала, на концах которого установлены два индуктора с сопряженными с периметрическим зазором зубьями, и чувствительного элемента, расположен ного в зоне зубьев индукторов, а так же измерительную схему, включающую формирователь, триггер, три элемента И, два нуль-органа, элемент ИЛИ, счетчик, реверсивный счетчик, логический блок, блок управления, делитель и генератор, который через делитель подключен к одному входу одно го элемента И, выход которого подключен к одному входу элемента ИЛИ; выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика, выход которого через один нуль-орган подключен к одному входу блока управления, к второму входу которого через последовательную цепочку из счетчика и второго нуль-органа подключен выход логического блока, один вход которого соединен с одним выходом блока управления, другой выход которого соединен с одноименными вхо дг1ми одного элемента И и логического блока, третий вход которого соединен с одноименным входом блока управления, четвертый вход которого соединен с одним входом второго элемента И и одним выходом триггера, один вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а второй выход - с одним входом третьего элемен та И, второй и третий входы которого соединены с одноименными входами вто рого элемента И, а выход - с вторым входом элемента ИЛИ, причем выход чувствительного элемента преобразова теля крутящего момента и частоты вра щения подключен к входу формирователя измерительной схемы 2. Недостатком известного измерителя также является низкая точность измерения, обусловленная ограниченной временной разрешающей способностью цепей квантования и счета импульсов, а также задержками сигналов в цеп . триггера, следствием чего является . погрешность измерения временных интервалов, пропорциональных угловым расстоянием между зубьями индикаторов . Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения погрешности измерения временных интервалов, пропорциональных угловым расстоянием между зубьями индукторов. Указанная цель достигается тем, что в измерителе мощности, содержащем преобразователь крутящего момента и частоты вращения, выполненный в виде упругого вала, на концах которого установлены два индуктора с сопряженны ми с периметрическим зазором зубьями, и чувствительного элемента, расположенного в зоне зубьев индукторов а также измерительную схему включающую формирователь, триггер, три элемента И, два нуль-органа, элемент ИЛИ, счетчик, реверсивный счетчик, логи- ческий блок, блок управления, делитель и генератор, который через делитель подключен к одному входу одного элемента И, выход которого подключен к одному входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к вычитающему входу реверсивного счетчика, выход которого через один нуль-орган подключен к одному входу блока управления, к второму входу которого через последовательную цепочку из счетчика и второго нуль-органа подключен выход логического блока, один вход ког торого соединен с одним выходом блока управления, другой выход которого соединен с одноименными входами одного элемента И и логического блока, третий вход которого соединен с одноименным входом блока управления, четвертый вход которого соединен с одним входом второго элемента И и одним выходом триггера, один вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а второй выход - с одним входом третьего элемента И, второй и третий входы которого соединены с одноименными входами второго элемента И, а выход - с вторым входом элемента ИЛИ причем выход чувствительного элемента преобразователя крутящего момента и частоты вращения подключен к входу формирователя измерительной схемы, в последнюю введен блок синхронизации, а генератор оборудован дополнительным выходом, который подключен к одному входу блока синхронизации, второй вход которого подключен к выходу формирователя, а выход - к второму входу триггера и четвертому входу логического блока, третий вход которого подключен к входу делителяи к второму входу второго элемента И, третий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, а выход - с суммирующим входом реверсивного сч:етчика.

На фиг. 1 представлена блок-схема измерителя мощности; на фиг. 2 и 3 графики, поясняющие его работу.

Измеритель содержит размещенные на валу 1 индукторы 2 и 3, чувствительный элемент 4, измерительную схему 5 в состав которой входят формирователь 6, блок 7 синхронизации, генератор 8, делитель 9 частоты, логический блок 10, блок 11 управления, элементы И 12-14,. элемент ИЛИ 15, реверсивный счетчик 16, .счетчик 17, нульорганы 18 и 19 и триггер 20.

Размещенные на валу 1 индукторы 2 и 3 поочередно взаимодействуют с чувствительным элементом 4, соединенным через формирователь 6 с измерительным входом блока 7 синхронизации, выход которого соединен со счетным входом триггера 20 и измерительным входом логического блока 10. Единичный выход триггера 20 соединен с управляющим входом блока 11 управления и с вторым входом элемента И 12. Нулевой выход триггера 20 соединен с вторым входом элемента И 13, а установочный вход триггера 20 подключен к команд-, ному выходу блока 11 управления. Первый режимный выход блока 11 управления соединен с первыми входами элементов И 12 и 13. Второй режимный выход блока 11 управления соединен с вторым режимным , входом логического блока 10. Третий режимный выход блока 11 управлевния подключен к первому входу элемента И 14 и к первому режимному входу логического блока 10. Синхронизирукяций выход генератора 8 соединен с синхронизирующим входом блока 7 синхронизации, а квантующий выход генератора 8 - с синхронизирующими входами блоков 10 и 11 ,с входом . делителя 9 частоты и с третьими входами элементов И 12 и 13.

Выход делителя 9 частоты подключен к второму входу элемента И 14. Выходы элементов И 13 и 14 соответственно через первый и второй входы элемента ИЛИ 15 соединены с вычитающим входом реверсивного счетчика 16, а выход элемента И 12 - с суммирую1цим входом реверсивного счетчика 16. Выход логического блока 10 подключен к входу счетчика 17 результата. Выходы счетчиков 16 и 17 через свои нуль-органы 18 и 19 подключены соответственно к второму и первому командным входам блока 11 управления (цепи начальной установки счетчиков 16 и 17 не пока--, заны).

Измеритель работает следующим образом.

При вращении вала 1 зубья индукторов 2 и 3 взаимодействуют поочередно с чувствительным элементом 4.

Временные сдвиги между соседними. импульсами t , t на выходе формиро

вателя 6 пропорциональны геометрическим углам С{| , Ц) между соседними зубьями индукторов 2 и 3. При наличии и скручивании вала 1 взаимное угловое расположение зубьев изменяется- и происходит увеличение t и уменьшение t.

Начальная установка индукторов 2 и 3 один относительна другого выполнена так, что при всех возможных значениях крутящего момента М удовлетворяются неравенс- ва

I ,®. ;f®- ®«cf®.Поскольку относительные смещения зубьев, вызванные скручиванием вала, обычно невелики, указанные неравенства легко выполняются. Для определеНИН угла скручивания вала за неизменное время Т,.,рр осуществляется измерение целого числа пар временных интервалов f , t , отвечающих повороту вала на углы Cf, tfi, причем результаты измерений регистрируются схемой

соответственно со знаками + или

I I I

.

Процесс определения мощности в предлагаемом устройстве состоит из режимов синхронизации, измерения М.

sp и измерения мощности.

В режиме синхронизации производится измерение двух временных интервалов t, t и обеспечивается исходная установка (синхронизация) управляющего триггера 20 для получения в режиме измерения положительной разности t . Начало этого режима синхронизировано передним фронтом импульса на единичном выходе триггера 20, поступающего на управляющий вход блока 11 управления.

Срабатывание триггера 20 вызывается выходньпли импульсами блока 7 синхронизации, на синхронизирующий вход которого поступают синхроимпульсы опорной частоты от генератора 8, а на измерительный вход - сигналы формирователя 6. Блок 7 осуществляет синхронизацию сигналов формирователя 6, т. е. выходной сигнал блока 7 синхронизации повторяет значение сигнала на его измерительном входе в момент появления на синхронизирующем входе фронта (например, положительного) синхроимпульса.

При Поступлении импульса на управляющий вход блока 11 управления про-. исходит установка в нуль реверсивного счетчика 16, на первом режимнотл выходе блока 11 управления формируется разрешающий потенциал, который поступает на первые входы элементов И 12 и 13, на третьи входы которых посту-; пают квантующие сигналы от генератора 8.

Квантующие и синхронизирующие сигналы генератора 8 имеют одну частоту

следования, но смещены один относительно другого во времени (фиг. 2). За интервал времени до прохождения следующего зуба индуктора под чувствительным элементом 4 триггер 20 сохраняет единичное состояние, элемент И 12 открывается и опорная частота через элемент И 12 поступает на суммирукнций вход реверсивного счетчика 16,

Очередным импульсом с выхода чувствительного элемента 4, формирователя б и блока 7 синхронизации триггер 20 устанавливается в нулевое состояние, и квантующие импульсы опорной частоты поступают через элементы И 13 на вычитающий вход реверсивного счетчика 16.

к моменту начала режима синхронизации, в общем случае/ триггер 20 может находиться в прюизвольном соетоянии, т.е. период его нахождения в единичном состоянии может соответствовать как t, так и t.

Если в режиме синхронизации единичному состоянию триггера 20 соответствует интервал t, а нулевому t, то результат квантования этих интервалов и подсчет соответствующих импульсов реверсивным счетчиком 16 положительный ( Ч переполнение реверсивного счетчика 16 не происходит. Если в начальном положении триггера 20 единичному состоянию его отвечает f, а нулевому - f, то результат счета в реверсивном счетчике 16 отрицательный (-() , per. версивный счетчик 16 переполняется и через нуль-орган 18 на второй командный вход блока 11 управления поступает сигнал, по которому с командного выхода блока 11 управления на единичный вход триггера 20 поступает импульс, переводя его в единичное сосг тояние, чем обеспечивается изменение его фазировки относительно последовательности углов Cf, (у, ср, Ч,.. . и положительный знак разности (f - (f Q при последующих измерениях.

Режим синхронизации заканчивается после формирования очередного сигнала на единичном выходе триггера 20, поступающего на управляющий вход блока 11 управления. I. - .

Режим измерения Н,. реализуется в фиксированное время T,,jn,j. , отсчитываемое счетчикс 1 17, на который через логический блок 10, управляемый сигналом со второго режимного выхода блока 11 управления поступают импульсы с квантующего выхода генератора 8.

Перед началом данного режима осуществляется начальная установка счетчиков 16 и 17. Счетчик 17 обеспечивает отсчет времени , а в реверсивный счетчик 16 вносится уста- i новка пропорциональная углу начальной установки инл укторов 2 и ,3. С помощью реверсивного счетчика 16 осуществляется подсчет числа импульсов, пропорциональных величине деформации вала 1.

Для исключения дополнительных погрешностей измерение производится за время Ту,,- , в которое укладывается целое число пар интервалов t t. Для этого начало режима измерения Мц,, синхронизировано передним фронтом сигнала с единичного выхода триггера 20, поступающего на управляющий вход блока 11 управления, на первом режимном выходе которого формируется при этом разрешающий потенциал, поступающий на первые входы /элементов И 12 и 13. Процесс подсчета разностей t - t в реверсивном счетчике 16 аналогичен работе схемы в режиме синхронизации. Так как измеряемая разность Cf - tf равна сумме угла начальной установки индукторов 2 и 3 и измеряемого угла деформации вала 1, то внесенная в реверсивный счетчик 16 начальная установка (равная величине угла начальной установки индукторов в дополнительном коде) вычитается, и результатом в режиме измерения является величина, пропорциональная только углу деформации вала 1, т. е. величине крутящего момента М

(Р

Режим измерения завершается после переполнения счетчика 17 и поступления сигнала через нуль-орган 19 на первый командный вход блока 11 управления, по которому после прихода сигнала с выхода триггера 20 на управляющий вход блока 11 управления снимаются разрешающие потенциалы с первого и второго режимных выходов блока 11 управления, и подсчет импульсов в реверсивном счетчике 16 прекращается . Этим обеспечивается завершение режима измерения только после реализации подсчета целого числа пар разностей t - t .

При переходе к режиму измерения мощности на третьем режимном выходе блока 11 управления формируется разрешающий потенциал, в результате чего на вычитающий вход реверсивного счетчика 16 через элементы И, ИЛИ 14 и 15 и делитель 9 частоты подаются сигналы с квантующего выхода генератора 8, а на вход счетчика 17 через логический блок 10 пocтsшaют сигналы от блока 7 синхронизации, частота следот вания которых пропорциональна скорости вращения вала 1. При этом в режиме измерения мощности в счетчике 17 за время, пропорциональное крутящему моменту, подсчитывается число импульсов, пропорциональное скорости вращения вала, что соответствует измеряемой мощности, передаваемой вращаю1ЦИМСЯ валом 1 .

Данный режим завершается при обнулении реверсивного счетчика 16 по сигналу, поступающему с выхода нуль-органа 18 на второй командный вход . блока 11 управления. При этом paspemaiюций потенциал на третьем режимном выходе блока 11 управления снимается, и цикл измерения завершается.

Принцип устранения погрешности, Ю положенный в основу предлагаемого устройства, заключается в том, что сигналы, ограничивающие измеряемые временные интервалы t, t перед поступлением на счетный триггер и. кван-15 тованием (т.е. преобразованием в пачки импульса тактовой частоты с периодом Tjq ), синхронизируются импульсами тактовой частоты (с периодом ) , причем квантующие импульсы 20 (также с периодом Т ) задержаны относительно синхронизирующих на некоторую величину.

На фиг. 2 показаны временные соотношения между сигналами, возникающи- 25 ми на квантующем К и синхронизирующем С выходах генератора 8. Длительность J квантующих импульсов выбра на из условия

. , .. -30 где jf соответственно минимальновозможные длительности сигналов, которые при квантовании элементами И 12 и 13 регистрируются реверсивным счетчиком 16 по суммирующему и вычи тающему входам.

Величина задержки ij Bf-if pana так что удовлетворяются условия t + t-.o- г, ;

+ til, tr + t3. ц ;

..0

.o

где tj- задержка переднего фронта

сигнала в блоке синхрониэа- ции 7;

С, См С.о Cd- задержки переднего (01) и заднего (10) фронтов сигналов на единичном и нулевом плечах триггера 20 (фиг. 3).

В результате импульсы, полученные после синхронизации, статистической обработке при квантовании не подвергаются, поскольку их фронты связаны с квантующими импульсами неизменными фазовыми соотношениями. Вследстви этого, на результат статистического измерения длительности интервалов t, t не влияют задержки элементов, входящих в состав счетного триггера, а также ограниченная временная разрешакяцая способность квантующих элементов И и входов (суммирующего и вычитающего) счетчика. I

Таким образом, использование изобретения позволяет повысить точность измерения мощности за счет снижения погрешности, обусловленной задержками в элементах счетного триггера и временной разрешающей способностью цепей квантования и счета импульсов.

Фиг1

Гз

Г

ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, содержащий преобразователь крутящего момента и частоты вращения, выполненный в виде упругого вала, на концах которого установлены два индуктора с сопряженными с периметрическим зазором зубьями, и чувствительного элемента, расположенного в зоне зубьев индукторов, а также измерительную схему, включакидую формирователь, триггер, три элемента И, два нульоргана, элемент ИЛИ, счетчик, реверсивный счетчик, логический блок, блок управления, делитель и генератор, который через делитель подключен к одному входу одного элемента И, выход которого подключен к одному входу эдемента ИЛИ, выход которого, подключён к вычитающему входу реверсивного счетчика, выход которого через один нуль-орган подключен к одному входу блока управления; к второму входу которого через последовательную цепочку из счетчика и второго нуль-органа подключен выход логического блока, один вход которого соединен с одним выходом блока управления, другой выход которого соединен с одноименными входами одного элемента И и логичес-, кого блока, третий вход которого соединен с одноименным входом блока управления, четвертый вход которого соединен с одним входом второго элемента И и одним выходом триггера,один вход которого соединен с третьим выходом блока управления,а второй выход - с одним входом третьего элемента И,второй и третий входы которого соединены с одноименными входами второго элемента И,а выход - с вторым входом элемента ИЛИ,причем выход чув-J ствительного элемента преобраэователя сл крутящего момента и частоты вращения подключен к входу формирователя измес рительной схемы, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения погрешности измерения временных интервалов, пропорциональных угловым расстоянием между эубьями индукторов, в изм1эрительную схему введен блок синхронизации, а генератор оборудован дополнительным выходом, который под ключен к одному входу блока синхрони: зации, второй вход которого подключен к выходу формирователя, а выход - к UD второму входу триггера и четвертому N5 входу логического блока, третий вход которого подключен к входу делителя :л и к второму входу второго элемента и третий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, а выход - с суммирующим входом реверсивного счетчика.

.Л 1ЛЫЫ1.

Фиг. 2