Датчик крутящего момента Советский патент 1984 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится-к силойзмерительной технике и может быть испол зовано для измерения фазовым методом крутящего момента на валу, соединяющего привод и нагрузку. Известны схемы дифференциальных чувствительных элементов емкостного типа, защищенньгх от воздействия возмущающих факторов путем охвата чувст вительных элементов емкостного типа отрицательной обратной связью С11. Недостатком этих устройств является невозможность обеспечения измерения при непрерывном вращении вала Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик крутящего момента, содержащий блок возбуждения чувствительного эле мента, емкостный дифференциальный чувствительный элемент, подключенный через усилитель к входам информационного и подготовительного.компараторов, прямой выход последнего через один элемент И связан с нулевым входом информационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного-чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блокавозбуждения С21. Недостатком известного устройства является его низкая точность, которая вызвана зависимостью условия срабатывания датчика крутящего момента от возникающей в процессе эксплуатации нестабильности емкостей воздушных конденсаторов емкостного чувствительного элемента, их напряжений возбуждения и параметров фазочувствительной схемы. Целью изобретения является повышение точности измерения датчика крутящего момента за счет уменьшения погрешностей от нестабильности возбуждающих напряжений, изменения емкости между электродами емкостного чувствительного элемента. Поставленная цель достигается тем, что датчик крутящего момента, содержащий блок возбуждения чувствительного элемента, емкостный дифференциальньй чувствительный элемент, подключенный через усилитель к входам информационного и подготовительного компараторов, прямой выход последнего через один элемент И связан с нулевым входом инфор мационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блока возбуждения, снабжен вспомогательным чувствительным элементом, схемой синхронизации и корректирующим блоком, содержащим триггер управления коррекцией, три двухвходовых элементаИ и аналоговое запомийающеё устройство, выход которого подключен к блоку возбуждения, а первый и второй входы аналогового запоминающего устройства соединены с соответствующими двухвходовыми элементами И, первые входы KoYopbK связаны с первым стробирующим выходом схемы синхронизации, тактирующий вход которой подключен к выходу вспомогательного чувствительного элемента, а вторые входы двухвходовьк элементов И связаны соответственно с прямым и инверсным выходами триггера управления коррекцией, который через третий и второй двухвходовые элементы И соединен с информационным компаратором, при этом третий и второй двухвходовые элементы И связаны с вторым тактирующим выходом схемы синхронизации, третий выход которой соединен с блоком возбуждения емкостного чувствительного элемента, причем вспомогательный чувствительный элемент смещен относительно емкостного чувствительного элемента (ЧЭС) на угол .. где Z - число зубьев индуктора; 1 О,1,,« На фиг. 1 приведена функциональйая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временная диаграмма работы основных узлов. Устройство содержит индуктор 1 с зубьями, дифференциальный емкостный чувствительный элемент 2, блок 3 возбуждения чувствительного элемента, усилитель 4, информационный компаратор 5 и подготавливающий компаратор 6, элементы И 7 и 8, информационный триггер 9, схему 10 синхронизации, корректирующий блок 11, включающий элементы И 12 - 14, аналоговое запоминающее устройство 15 и триггер 16 -управления коррекцией. В устройство входит также вспомогательный чувствительный элемент 17. В датчике крутяшего момента имеется установленный на вращающемся валу индуктор 1 с расположенными на нем с равным шагом зубьями и взаимодействующие с зубьями чувствительные элементы 2 и 17, выходы которых соедине .ны соответственно с входом усилителя 4 и тактирующим входом схемы 10 синхронизации. Выход усилителя 4 сое динен с входами компараторов 5 и 6. Прямой и инверсный выходы компаратора: 5 связаны с первыми входами элементов И 7 и 14 соответственно, а выход компаратора 6 связан с первым входом элемента И 8. Стробирующий выход схемы 10 синхронизации соединен с вторыми входами элементов И 7, 8 и 14. Выходы элементов И 7 и 14 соединены соответственно с единичным и нулевым установочными входами триг гера 16, единичный выход которого связан с первым входом элемента И 12 и единичным установочным входом триг гера 9, а нулевой выход триггера 16 соединен с первым входом элемента И 13. Вторые входы элементов И 12 и 13 соединены с управляюищм выходом .схемы 10 синхронизации, а вькоды элементов И 12 и 13 соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами аналогового запоминающего устройства 15, выход которого соединен с первьм входом блока 3 воз буждения. Второй вход блока 3 соединен с выходом возбуждения схемы 10 синхронизации. Первый и второй выходы блока 3 подключены соответственно к клеммам о. и б чувствительного элемента 2. Выход элемента И 8 соединен с нулевым установочным входом триггера 9, единичньй выход которого ;является выходом датчика крутящего момента. Повьпиение точности предлагаемого устройства основано на включении дифференциального емкостного чувстви тельного элемента и фазочувствительной схемы, обрабатывающей его выходной сигнал, в контур самонастраивающейся системы. Система обеспечивает пошаговую отработку влияния возмущаю щих воздействий в интервалах между моментами вьщачи полезной информации Тактирование системы осуществляется сигналами вспомогательного чувствительного элемента 17. Устройство работает следующим образом. На первом и втором выходах блока возбуждения создаются два разноппляр ных прямоугольных напряжения и UBbOt2. «сдвинутых по фазе на половину периода. При этом сигнал на первом выходе блока 3 зависит от выходHoid сигнала Uoiiv блока 15: J|Bbixn Y i при ) } - ...v)l „р„ sincouO, ивЫ112 г J где и)- круговая частота управляемого сигнала возбуждения- Sin (и t, подаваемого на второй вход блока 3 с выхода возбуждения схемы 10 синхронизации; и, U2-некоторые постоянные напряжения . На стробирующем выходе схемы 10 синхронизации создаются короткие положительнче импульсы, следующие с периодом ,. но задержанные относительно начала положительной полуволны сигнала Sinojt на интервал &t. Величина At выбирается из условия Т . где U - суммарное время переходного процесса в чувствительном элементе 2, усилителе 4 и компараторах 5 и 6, вызванное сменой полярности возбуждающих напряжений Ug,jj,y, Ugbiri При вращении вала зубья индуктора 1 пересекают рабочие области чувствительного элемента 2 и вспомогательного чувствительного элемента 17 (например, индукционного типа). Поскольку последний смещен относительно элемента 2 по углу (фиг. 1) на .2l.i Е Z где -i 0,1,2,...; Z - число зубьев индуктора, сигналы с выходов элемента 17 и усилителя 4 чередуются (фиг. 2 q и 2.) Порог срабатывания компаратора 5 выбран нулевым, а для компаратора 6 смещен на величину Е (фиг. 2а) . При превышении мгновенным значением выходного сигнала усилителя 4 (для моментов подачи стробирующего импульса на первом выходе схемы 10) величины Е выходно сигнал компаратора 6 достигает высокого уровня, вследствие чего через элемент И 8 на нулевой установочный вход тригге- . ра 9 поступает пачка импульсов (фиг. 2;), переводя его в нулевое состояние (фиг. 2е- ) , Конец пачки соответствует превьшению порога Е над мгновенным значением сигнала усилителя 4 (в момент строба). 51 При прохождении зубом индуктора зоны А рабочей области элемента 2 мгновенные значения сигнала на инверсном выходе компаратора 5 (для моментов подачи строба) имеют высокий уровень и через элемент И 14 на нулевой установочный вход триггера 16 поступают импульсы (с частотой возбуждения), подтверждая его нулево состояние. При прохождении зубом центра рабочей области элемента 2(половина зуба находится в зоне А, половина в зоне Б) происходит переворот фазы выходного, сигнала элемента 2, измене ние знака мгновенного значения сигна ла усилителя 4, сигналы на основном выходе компаратора 5 достигают высокого уровня и через элемент И 7 пере водят триггер 16 в единичное состояние, который переводит в единичное .состояние информационный триггер 9. Положительный перепад на единичном выходе триггера 9 является инфоматив ным параметром выходного сигнала предлагаемого устройства. Положитель ный перепад возникает при равном накрытии зубом ин/(уктора 1 зон Л и В емкостного чувствительного элемента . При вращении вала вспомогательным чувствительным элементом 17 формируются сигналы, тактирующие работу схе мы синхронизации 10. При появлении тактирующего сигнала схемс 10 вьфабатывает на управляющем выходе корот кие положительные импульсы, поступаю щие на вторые входы элементов И 12 и 13, в результате чего происходит опрос состояния триггера 16 в момент когда зубья индуктора 1 находятся вне рабочей области чувствительного элемента 2. При единичном состоянии триггера 16 импульс управления поступает через элемент. И 12 на вычитающий вход блока 15, в противном случае - через элемент И 13 на суммирующий вход, что соответственно вызывает изменение вькодного напряже ния блока 15 Vf(yf на шаг, равный 2 -ди или. +ди. После ряда шагов величина ) изменяется до значения, практически удовлетворяющего условию .i+UA2. ) C/i-Ue.C5 УПОР /,ч С7+С2 К где Urtop. напряжение опрокидырания триггера 16. Величина шага uU выбирается из требования необходимой точности датчика крутящего момента. Предлагаемая схема представляет собой дискретную следящую систему с постоянным шагом регулирования aU, рабочим уравнением которой является уравнение (4). Это уравнение (4) и условие информационного срабатывания (вызванного появлением зуба в рабочей области элемента 2) отличаются значениями емкостей конденсаторов вместо С., и Сл Для уравнения (4), в частности, ,3,1, так как зуб в момент подачи тактирующего импульса находится вне рабочей области чувствительного элемента 2 (N,1 И Ng - коэффициенты, учитывающие уменьшение емкостей воздушных конденсаторов чувствительного элемента 2 при прохождении над ними зуба . индуктора). Таким образом, введение в предлагаемый датчик крутящего момента вспомогательного чувствительного элемента, корректирующего блока, соответствующих логических схем и связей между ними обеспечивает уменьшение погрешностей от нестабильности возбуждающих напряжений изменения емкости между электродами ЧЭС, а также параметров фазочувствительной схемы. обрабатьшаюдей выходной сигнал ЧЭС, в результате чего повьш1ается точность датчика крутящего момента. В результате повышается достоверность информации о величине крутящего момента, передаваемого силовым валом, что позволяет более эффективно решать задачи технической диагностики силовых установок, оптимизации их режимов.

ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, содержащий блок возбуждения чувствительного элемента, емкостный дифференциальный чувствительный элемент, подключенный через усилитель к вхо дам информационного и подготовительного компараторов, прямой выход последнего через один элемент И связан с нулевым входом информационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блока возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен вспомогательным чувствительным элементом, схемой синхронизации и корректирующим блоком, содержащим триггер управления коррекцией, три двухвходовых элемента И и аналоговое запоминающее устройство, выход которого подключен к блоку возбуждения, а первый и второй входы аналогового запоминающего устройства соединены с соответствующими двухвходовыми элементами И, первые входы которых связаны с первым стробирующим выходом схемы синхронизации, тактирующий вход которого подключен к выходу вспомогательного чувствительного элемента, а вторые входы двухвходовых элементов И связаны соответственно с пря(/) мым и инверсным выходами триггера управления коррекцией, который через третий и второй двухвходовые элементы И .соединен с информацион- . ным компаратором, при этом третий и второй двухвходовые элементы И связаны с вторым тактирующим выходом схемы синхронизации, третий выход которой соединен с блоком возбуждения емкостного чувствительного элемента, причем вспомогательный чувствительный элемент смещен относительно емкостного чувствительного элемента на угол - jr 2лг . f i-+ira, где 2 - число зубьев индуктора; ,1,2,...

Зона A SOffffS n Ъ V вых Д-т tfSbita

в

Шьп7

IIIIIIHI ,

N .ЗонаА Зfffl S «/1//7W I I , H h /-4K- i .y j « 1 ж

UtbtKir

3 (вых 11

USbixS

фиъ.2