Устройство для измерения крутящего момента Советский патент 1985 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть .исполь- зовано для измерения крутящего момента, например, в механических трансмиссиях вертолетов, содержащих 5 полыеметаллические и неметаллические валы.

Известно устройство, используемое для измерения крутящего момента в трансмиссии вертолета, состоящее 10 из вращающейся передающей и неподвижной приемной частей и содержащее трансмиссионный вал с зубчатыми возбудителями, индукторы, преобразователь относительного фазового 15 угла поворота возбудителяово времен-ной интервал и фильтр нижних частот с усилителем, причем выход индуктора соединен с входом преобразователя относительного фазового угла 20 поворота возбудителей зо временной интервал, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот. Сигнал с выхода фильтра нижних астот подается на вход усилителя, 25 к которому подключен индикатор f

Однако данное устройство не обеспечивает заданной точности из- . меренил крутящего момента, особенно в зоне малых частот вращения, зо где индукторы генерируют измерительные сигналы низкой частоты..В этом случае для удовлетворительной фильтрации выходного сигнала требуется увеличение постоянной времени фильт- ,ра., что приводит к недопустимым фазовым запаздываниям выходного сигнала. При отсутствии вращения трансмиссии данное устройство становится нерабоспособным.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству по технической сущности является система для измерения крутящего момента,на вращающихся валах, состоящая из вращающейся час- е ти, включающей в себя tf качестве измерительного торсиона участок упру-гого рабочего вала с наклеенньп тен- зомостом и вращающийся модуль, имеющий усилитель-модулятор, передат- 50 чик с антенной-трансформатором и источник питания, а также из неподвижной части, включающей в себя неподвижный элемент антенны-трансформатора, блок разделения мощное- 55 ти и сигнала, генератор частоты, демодулятор, фильтр и усилитель, цифровой индикатор и блок питания.

Передача энергии на врапьающ тося часть и съем информации с нее осуществляются посредством вращающегося трансформатора-антенны 2.

Недостатками известной систе }Ы являются ползучесть во времени основы тензорезисторов, необходимость индивидуальной подгонки тензомоста для обеспечения термокомпенсации выходного сигнала, дрейф нуля приMeHeHHdro усилителя постоянного тока. Кроме того, система обладает недостаточной помехозащищенностью радиоканала передачи информации,

что ведет к снижению точности, i I

Цель изобретения - повыщение

точности при одновременном повьщгении надежности работы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из вращающейся передающей части, неподвижной приемной части и электронного блока, содержащем в передающей части упругий вал, источник напряжения постоянного токаj входами соединенный с подвижной обмоткой вpaщaющefocя трансформатора, а выходом - с модулятором-передатчиком, связанным через канал передачи информации с приемником-демодулятором установленным в неподвижной части и связанным с индикатором момента через фильтр-усилитель электронного блока, при этом в электронном блоке размещены второй источник напряжения постоянного тока, связанный с сетью переменного тока, и генратор частоты, связанный через согласующий трансформатор с неподвижной обмоткой вращающегося трансформатора, вращающаяся часть дополнительно снабжена последовательно включенными преобразователем крутящего момента в силу, преобразователем силы в частоты импульсов кварцевых генераторов и смесителем частот генераторов, электронный блок дополнительно снабжен преобразователем частота-аналогу причем преобразователь момента в,силу .жестко связан -с валом, а выход смесителя частот соедийеи с модулятором-передатчиком, а преобразоватепь частотааналог первым входом соединен с вы ходом приемника-демодулятора, а вторым входом и выходом - соответственно с генератором частоты и фильтромусилителем электронного блока. Преобразователи момента в силу и силы в частоты импульсов вьшолнен в виде соосного и жестко соединенно го с упругим валом шунтирующего торсиона, связанного с рычагом преобразователя силы в частоту, образованного силочувствительными пьезокварцевыми резонаторами, включенными относительно приложенной силы дифференциально и жестко свяванными одними сторонами с рь1чагом а другими - с основанием преобразователя момента в силу и расположенными в плоскости оси вращения торси на так, что их продольная силочуствительная ось перпендикулярна оси вращения торсиона и параллельна плоскости рычага. На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройствоi на фиг. 2 - преобразователь крутящего момента; на фиг. 3 - передающий узел; на фиг. 4 - приемный узел. Устройство содержит упругий вал 1, преобразователь 2 крутящего моме та в силу, преобразователь 3 силы в частоты импульсов кварцевых генераторов, смеситель 4 частот, модулятор-передатчик 5, источник 6 напряжения, подвижную обмотку 7 вращающегося трансформатора, неподвижную обмотку 8 вращающегося транс форматора, согласующий трансформато 9 неподвижной приемной части, прием ник-демодулятор 10, преобразователь 11 частота-аналог, усилитель 12 электронного блока с фильтром, индикатор 13 величины крутящего момен та. Источник 14 постоянного напряжения, генератор 15 частоты электровного блока, диск 16 крепления шунтирующего торсиона, шунтирующий торсион 17, рычаг 18 преобразователя крутящего момента в силу, пьезокварцевые резонаторы 19 и 20, основаниё 21 преобразователя момента в силу, опору 22 основания преобразователя момента в силу, винты 23 крепления, упругкй шарнир 24 и радиальный шарнир 25. Измерительный торсион 1, в качес ве которого Использован .участок Упругого трансмиссионного вала, жестко соединен двумя сечениями выбранной базы с преобразователем 2 момента в cилyj воспринимающим незначительную часть крутящего мо-г мента. Шунтирующий торсион упомяну79 . 4 того преобразователя с одной стороны жестко прикреплен к первому сечению измерительного торсиона 1, а с другой - сочленен с рычагом преобразователя 2 крутящего в силу. С рычагом и основанием преобразователя 2 жестко связаны силочувствительные кварцевые резонаторы, основание преобразователя жестко прикреплено к второму сечению измерительного торсиона 1. Кварцевые резонаторы соединены с входами соответствуюш 1х генераторов 3 частот, подключенных к общему смесителю 4, вьфабатывающему разностный частотнымсигнал. Выход 1есителя 4 соединен с входом модулятора-передатчика 5, выполненного на нескольких светодиодах, излучающих инфракрасный частотномодулированный сигнал. Узлы 4 и 5 получают питание от источника 6 напряжения постоянного . тока, соединенного с подвижной обмоткой 7, входящей в состав вращаю- . щегося трансформатора. Неподвижная обмотка 8 этого трансформатора соединена с выходной обмоткой согласующего трансформатора 9. Сигнал с вращающейся части устройства воспринимается приемникомдемодулятором 10, выполненным на фотодиодах инфракрасного диапазона, и далее проступает на вход преобразователя 11 разностного частотного сигнала в импульсное напряжение. Выход узла 11 соединен с входом филБтра нижних частот и масштабирующим усилителем 12, первый выход которого соединен с индикатором 13, а второй служит для подключения регулятора. Все узлы элект ронного блока и неподвижной части получают питание от источника 14 напряжения постоянного тока, связанного с сетью промьшшенной частоты. Вращйющаясй часть получает питание от генератора 15 частоты через согласующий трансформатор 9 и указанный вращающийся трансформатор. Преобразователь 2 момента в сиу (фиг. 2) состоит из шунтирующего торсиона 17, жестко соединенного посредством диска 16 крепления одной стороной с упругим валом 1, а ругой сочлененного с рычагом 18 реобразователя 2 момента в силу к рычагу 18 жестко прикреплены квар .цевые резонаторы 19 и 20, которые также жестко соединены с основанием 21 указанного преобразователя. Осно вание 21 соединено с опорой 22 посредством винтов 23. Центром вращения рычага 18 является упругий шарнир 24. Резонаторы 19 и 20 расположены в плоскости оси вращения так, что их продольная силочувствительная ось перпендикулярна упомянутой оси и параллельна плоскости рычага Ось шунтирующего .торсиона 17 зафиксирована относительно oncatei 22 радиальньЫ шарниром 25. Опора 22. жестко связана с вторым сечением из мерительного торсиона 1. Модулятор-передатчик 5 (фиг. 3) состоит из входного регулятора Rg составного эмйттерного повторителя на транзисторах VI и V2 и нескольких последовательно включенных в эмиттер транзистора V2 светодиодов СД 1, ..., СД Я, образующих светоизлучающее кольцо, концентричное оси вращения. Приемник-демодулятор .10 (фиг. 4 состоит из группы параллельно соединенных фотодиодор. Фотодиоды установлены на неподвижной части концентрично упомянутым светодиодам так, что световые потоки свето диодов перекрываются фотодиодами при любом положении упругого транс миссионного вала 1. Устройство работает следующим образом. Измерительный торсион 1 под воз действием приложенного к нему крутящего момента М (кг« см) закру чивается на угол М , величина кото рого прямо пропорциональна приложенному крутящему моменту М, длине измерительной базы L (см) и об ратно пропорциональна модулю упругости G (кг«с.м рад ) м&териала торсиона и полярному моменту инерции Зр (см ) измерительного торси на 1 , т . е . ;/и.-ь На такой же угол закручивается и шунтирующий тореной, но так как жесткость его меньше основного, 9 то и передаваемый им момент М меньше измеряемого момента в К раз Этот момент, приложенный в узле 2 к рычагу длины Ч (см), преобразуется в силу F (кг) , отсутствии измеряемой силы на входе преобразователя 3 пьезокварцевые резонаторы 19 и 20 совершают колебания сдвига по толщине, частота которых определяется соотношениемгде h - толщина пьезорезонатора;C jj - действующая константа уп-. ругости; р - плотность материала резонатора. Начальные частоты колебания при отсутствий измеряемой силы составляют f 9970 и 9960 кГц, а начальная разность частот на выходе преобразователя составляет 10 кГц. Под действием измеряемой силы происходит увеличение частоты колебаний одного резонатора & f, и уменьшение частоты второго- л, , т.е. частота первого становится равной f а частота второго f-- - л и частота нового . разностного сигнала становится рав-. ной . (f, + д,-) - (f - М) + /If , где Af 4 f + Af г.В случае реверса крутящегЬ момента и, следовательно, изменения знака силы частоты первого резонатора уменьшается,а второго увеличивается, т.е. (foi - f;) - (г + uf) fpo - if .(3). Поэтому зависимость между разностной частотой на выходе преобра зователя и измеряемой силой определится соотношением ff f ро t if К„о. F (4) Kf + Kj - статический коэффициент преобразовани дифференциаль ного преобра вателя 3 сила частота, коэффициент с ловой чувстви тельности рез наторон, для используемого типа резонато ров Kf 1,6 Гц/Г. Таким образом, общее выражение, связывающее частоту выходного сигнала после смесителя 4 и измеряемый крутящий момент, запишется р ± КМ при Ifpl l4f|,(5) „ f коэффициент пропорКциональности между , крутящим моментом и частотой сигнала. Знак +, стоящий перед вторым членом уравнения (5), берется при условно выбранном положительном направлении действия крутящего момента, а знак - при отрицательном. Разностный частотный сигнал после .узла 4 подается на вход модулятора-передатчика 5, которой предста ляет собой составной эмиттерный пов торитель, нагрузкой которого являют ся несколько последовательно вклю798ченных светодиодов СД1, ..., СДп, мощность излучения которых устанавливается регулятором R , Частотномодулированный световой сигнал инфракрасного диапазона излучения воспринимается фотодиодами ФД1, ..., ФДК, согласованными с излучателями по спектру, демодулируется схемой 10 и в виде частоты прямоугольных импульсов fjrt подается на вход цифровой части преобразователя 11 частота-аналог и далее на аналоговую часть (фильтр и усилитель). Положительное выходное напряжение на выходе схемы 12 соответствует положительному направлению измеряемого момента, отрицательное - отрицательному моменту. Двуполярный индикатор 13 на выходе схемы 12 индицирует величину измеряемого крутящего момента. Выходной сигнал измерителя под слючается по входам регистрирующей аппаратуры и регуляторам. Функционирование устройства независимо от частоты вращения трансмиссии позволяет дать более объективную оценку работы ее агрегатов в режимах запуска и остановки. Хорошая помехозащищенность, высокая точность, простота монтажа и эксплуатации устройства, а также незначительная масса вращающейся части делают ее наиболее приемлемым для условий работы в трансмиссиях летательных аппаратов. . 118. 2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, состоящее из врапрющейся передающей части, неподвижной приемной части и электронного блока, содержащее в передающей части упругий вал, источник напряжения постоянного тока, входами соединенный с подвижной обмоткой вращающегося трансформатора, а выходом - с модулятором-передатчиком, связанным через канал передачи информации с приемником-демодулятором, установленным в неподвижной части и связанным с индикатором момента через 4яшьтр-усилитель электронного блока, при этом в элект-роннрм блоке размещены второй источник напряжения постоянного тока, связанный с сетью переменного тока, и генератор частоты, связанный через согласующий трансформатор с неподвижной обмоткой вращающегося &.: . :,/- : tj-.r;H /;iiJ;iAI трансформатора, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности и надежности работы устройства, вращающаяся часть снабжена последовательно включенными преобразователем крутящего момента в силу, ; преобразователем силы в частоты импульсов кварцевых генераторов и смесителем частот генераторов, электронный блок дополнительно снабжен преобразователем частота - аналог, причем преобразователь момента в силу жестко связан с валом, выход смесителя частот соединен с модулятором-передатчиком, а преобразовав тель частота - аналог первым входсж соединен с выходом приемника-демоду- т лятора, вторьм входом - с генератос ром частоты, а выходом - с фильтромусилителем электронного блока. 2. Устройство по п 1, о т л йчающееся тем, что преобразователи момента в силу и силы в час,тоты импуль,сов выполнены в виде ел соосного и жестко соединенного эо с упругим валом шунтирующего торсиоX) на, связанного с рычагом преобразо вателя силы в частоту, образованно;о го силочувствительными пьезокварце- выми резонаторами, включенными дифференциально и жестко связанмыьо одними сторонами с рычагом, а дру- гими - с основанием преобразователя момента в силу и расположенными в плоскости оси вращения торсиона так, что их продольная силочувствительная ось перпендикулярна оси вращения торсиона и параллельна плоскости рычага.