Устройство для измерения крутящего момента и мощности Советский патент 1984 года по МПК G01L3/10 G01L3/24 

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может использоваться для измерения средних значений крутящего момента и мощности вращающегося в произвольном направлении вала различных двигательных установок.

Известно устройство для измерения крутящего момента и мощности, которое содержит упругий вал, два закрепленных на концах вала измерительных диска, два датчика считывания меток и-и,змерительную схему tlj

Недостаток этого устройства - низкая точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала электронный ключ, источник постоянного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включе параллельно индикатору, один вход которого через один резистор подключен к одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя одно положение которого соединено с источником постоянного напряжения, а другое - с датчиком частоты вращения-вала, причем выходы импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа 23.

Недостатком известного устрой,ств является низкая точность, обусловленая ложными срабатываниями измерительной схемы при возникновении крутильных колебаний вала.

. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения влияния крутильных колебаний вала.

Указанная цель достигается за счет того, что в устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоянного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно индикатору, один вход которого через один резистор подключен к одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя, одно положение котброго соединено с источником постоянного напряжения, а другое - с датчиком частоты вращения вала, причем выходы импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа, введены датчик направления вращения вала, второй источник постоянного напряжения и две схемы равнозначности, при этом электронный ключ оборудован вторым выходом, а в переключат .ель введено второе направление, одно положение которого связано с датчиком направления вращения вала, другое - с вторым источником постоянного напряжения, а вход второго направления переключателя связан с одними входами обеих схем равнозначности,.другие входы которых соединены с соответствующими выходами электронного ключа, а выходы - соответственно с одним выводом второго резистора и с вторым входом индикатора, к котором через резистор подключен вхо переключателя, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угловым смещением, равным

3- -н (2п - 1) -|- ,

d

де 0 угол взаимного смещения импульсных датчиков меток, отсчитываемой в плоскости, параллельной плоскости дисков; ti О, tl, t2, ... j угол между смежными метfками на дисках взаимное угловое смещение

дисков при отсутствии нагрузки на валу.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения крутнйе го момента и мощности J на фиг. 2 - разрез А-А и Б-Б на фиг. 1 (схема уставов- V 1ки импульсных датчиков меток); на фиг. 3 - амплитудно-временные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме измерения момента.

Устройство для измерения кру- , тящего момента и мощности содержит первый 1 и второй 2 измерительные диски, участок упругого вала 3, импульсные датчики 4 и 5 меток, электронный ключ б, первую 7 и вторую 8 схекы равнозначности, первую 9 и вторую 10 совпадения, индикатор 11, конденсатор 12, три постоянных резистора 13 - 15, датчик 16 час- тоты вращения вала, датчик 17 направления вращения вала, узел 18 блокировки, источники 19 и 20 постоянного напряжения, переключа. тель 21 рода измерений.-

Измерительные диски 1 и 2, укрепленные на концах упругого вала 3,

служат для линейного преобразования угла закручивания участка вала 3 в угловой сдвиг между метками на дисках.

Импульсные датчики- 4 и 5 меток регистрируют проходящие мимо них при вращении валы метки путем формирования короткого импульса на выходе.

Электронный ключ 6 выполнен на триггере с раздельными входами и формирует на неинвертирующем выходе сигнал, пропорциональный по длительности фазовому сдвигу импульса от датчика 5 относительно импульса от д 1тчика 4,

CxeMJ 7 и 8 равнозначности, каждая из которых реализует на выходе логическую функцию вида

ч

.t V 5. , где а, Ъ - соо ветствующие чходные

сигналы;

предназначены для управления инверсией сигналов, поступающих с выходо электронного ключа 6.

CxevK 9 и 10 совпадения, каждая из которых реализует на выходе логическую функцию вида

р2 «-ъ

b соответствуйщие входные

где а. сигналы, . предназначены для отключения индикатора 11 при поступлении с выхода устройства 18 блокировки сигналалогического нуля и выполнены на логических элементах И-НЕ с открытым коллекторным выходом.

Резистор 13 и конденсатор 12 образуют усредняющую цепь и выделяют постоянную составляющую напряжения в измерительной диагонали моста.

Индикатор 11 служит для измерения величины и знака постоянной соСтавляюцей напряжения в измерительной диагонали моста.

Резисторы 14 и 15 одинакового со противления образуют два верхних плеча моста, у которого два нижних плеча образованы коллекторными выходами схем 9 и 10 совпадения.

Датчик 16 частоты вращения вала служит для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное напряжение постоянного тока постоянной полярности и осуществляет амплитудную модуляцию напряжения в измерительной диагонали моста в режиме измерения мощности на валу. Выходное напряжекие. датчика 16 частоты врашэния вала при номингшьной часхоте вращения вала равно по величине напряжению 19. Реализация TeiKoro устройства возможна, например, на основе ждущего мультивибратора и-фильтра низких частот.

Датчик 17 направления вращения вала формирует на выходе сигнал логической единицы при вращении вала в направлении, условно принятом за положительное, и сигнал логического нуля при вращений вала Б противоположном направлении. Это устройство может быть реализовано, например, на основе тахогенератора постоянного тока со схемой опреде0ления полярности его выходного напряжения.Узел 18 блокировки формирует на выходе сигнал логической единихул, если частота вращения вала превышает tieKOTOpoe заданное пороговое

5 .значение, ниже которого вал счита ется неподвижным, и сигнал логического нуля - в противном случае. Это устройство может быть реализо,- . вано, например, на основе селектора

0 длительности.

Источник 19 постоянного напряжения служит для питания измерительно-, го моста в режиме измерения крутящего момента, а источник 20 по5стоянного напряжения - для создания напряжения уровня логической единицы, которое подается на входы схем 7 и 8 равнозначности в режиме измерения мощности.

0

Кроме того, импульсные датчики 4 и 5 меток установлены с взаимным угловым смещением (фиг.2)

et

(2п

5

где f - угол смещения измерительных дисков при отсутствии нагрузки на валу ,. ±1, ±2 ...; р - угол между смежными мет0ками на измерительном диске.

Устройство для измерения крутящего момента и мощности работает следующим образом.

5

Если вёш вращается с частотой, превышающей заданный порог узла 18 блокировки, то оно вырабатывает на выходе сигнал высокого логического

уровня 1.

0

Пусть передний фронт импульса напряжения U4 от импульсного датчика 4 меток устанавливает электронный ключ 6 в состояние с положительным напряжением на нёинвертирующем

5 выходе, а передний фронт импульса напряжения Uc от импульсного датчика 5 меток возвращает электронный ключ 6 в состояние с нулевым напряжением на нбинвертирующем вы0ходе Сфиг.З; D, Ug) : При вргодении ненагруженного вала сигналы от импульсных датчиков 4 и 5 меток сдвинуты по фазе на угол Ti за счет их начальной установки с относительным сметдени5ем d - -jr, кратным половине полюсного деления /3/2. При этом электронный ключ б переключается со скважностью, равной двум, и длительность положительных импульсов на его неинвертируюцем выходе f;, равна длительности положительных импульсов на инвертирукедем выходе t , т. е. Г(, Т(, 3. Эти импульсы поступают на пер вре входы схем 7 и 8 равнозначности. Пусть вал вращается с частотой W о, тогда на выходе датчика 17 направления вращения вала вырабатывается напряжение высокого-логического уровня и,1, пост пающее в режиме измерения крутящего момента на вторые вkoды схем и 8 равнозначности через переключатель 21 рода измерений. При это схекы 7 и 8 равнозначности не инвертируют входные сигналы от элек тронного ключа 6, и длительность положительных импульсов на их выходах соответственно равна ь ; б Эти импульсы поступают на перв входы схем 9 и 10 совпадения. Поскольку на их вторые входы пост пает сигнал от узла 18 блокировки, то длительность их выход ных сигналов положительного уровн равна соответственно 9 S Таким образом, в измерительной диагонали моста, куда включены по следовательно резистор 13 и конде сатор 12, действует знакопеременн напряжение прямоугольной , с нее значение которого равно Uд. чДv.(6-Я) где и - напряжение питания измер тельного моста; Кд - коэффициент пропорционал ности. При этом показания индикатора пропорциональны напряжению U J1Г- i м ЧF n(6-Tь). - коэффициент пропорциональности. Поскольк у при ненагруженном ва ле f( 6 то и 0. При изменении направления вращ ния ВсШа картина фазовых сдвигов сигналов от датчиков не изменяетс и по-прежнему выполняется равенст ё- ь X I при этом аналогично случаю можно псл5чить, что режиме измерения мощности на вторые входы схем 7 и 8 разнозначности поступает напряжение высокого логического уровня выхода второго источника 20 постоянного напряжения через переключатель 21 рода измерений, поэтому выходные сигналы анало t -Э гичны случаю измерения крутящего момента при и 0, если вал ненагружен, то среднее значение напряжения в измерительной диагонали моста и показания индикатора 11 остаются нулевыми. Несложно показать, что в общем случае в режиме измерения крутящего момента показание индикатора 11 равны .). а в режиме измерения мощности ..) где 1/ - угол закручивания вала; и - управляющий логический сигнтл, подаваемой на вторые входы схем 7 и 8 равнозначности через переключатель 21 рода измерений от ,устройства 17 определения направления вращения вала в режиме измерения момента и второго источника 20 постоянного напряжения в режиме измерения мощности; К(, - постоянный коэффициент; UJ - частота вращения вала. Кроме .того, в предлагаемом устройстве при любых сочетаниях направлений вращения вала и крутящего момента соблюдаются равенства Sign (U,J Sign CM) Sign (U..) Sign (Ne) .е. направление отклонения стрелки индикатора 11 соответствует знаку крутящего момента или мощности на валу при любом направлении враения вала. Предлагаемое устройство обеспечиает повышение точности измерений ри наличии крутильных колебаний ваа. Пусть вал вращается по часовой трелке и совершает крутильные колеания с амплитудой V , при этом средий крутящий момент пусть бУДет равым нулю (). Пусть также частота мпульсов от датчиков 4 и 5 меток амного превышает частоту крутиль- ых колебаний, что обычно дойтгигаетч в подобных устройствах выбором оответствующего числа меток на змерительных дисках для заданного

диапазона частот вращения вала и постоянная времени цепи R13C12 во много раз превышает период крутильных колебаний.

В предлагаемом устройстве при О показания индикатора 11 препри О порционалБНы углу Ч , а

углу (- Ч) с учетом знака, поэтому дпя средних показаний справедливо К-и.„

)о

Таким образом, йредлагаемое устройство обеспечивает существенное повышение точности измерений цри наличии крутильных колебаний вала/ что позволяет использовать его в установках, для которых сильные крутильные колебаний вала являются неизбежными (например, дпя измерения средних значений крутящего момента и мощности на гребных валах судов с двигателями внутреннего сгорания).

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И МОЩНОСТИ, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоянного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно и,ндипатору, один вход которого через один резистор подключен к. одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя, одно положение которого соединено с источником постоянного напряжения, а другое - с датчиком частоты вращения вала, причем выхоры импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения влияния крутильн лх колебаний вала, в него введены датчик направления вращения вала, второй источник постоянного напряжения и две схемл равнозначности, при этом электронный ключ оборудован вторым выходом, а в переключатель введено второе направление, одно положение jcofopoго связано с датчиком направления вращения вала, другое с вторым источником постоянного напряжения, а вход второго направления переключателя связан с одними входами обеих схем равнозначности, другие входы которых соединены с соответствующими выходами электронного ключа, а выходы - соответственно с одним СП выводом второго резистора и с вторым входом индикатора, к которому через третий резистор подключен вход переключателя, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угловым смещением, . равным П J +

Н

-f

.а

h

//////

M70,

ill

%4JLU|,

W,

a-

l/j-th

ft

Of

Ul

0

On