Устройство для измерения крутящего момента и мощности Советский патент 1986 года по МПК G01L3/10 

12, постоянные резисторы 13, 14 и 15, датчик частоты вращения вала 16, датчик направления вращения 17, узел блокировки 18, источники постоянного напряжения 19 и 20, переключатель на два положения 21, инвертор 24 .и резисторы 25 и 26. Введение новых

Изобретение Относится к сипоиз- мерительной технике и может быть использовано для измерения средних значений крутящего момента и мощности любого знака вращающегося в произвольном направлении вала различных двигательных установок в машиностроении, на морском транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет компенсации погрешности установки угла взаимного смещения импульсных датчиков меток в определенном диапазоне.

На г. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - схема установки импульсных датчиков меток; на фиг. 3 - амплитудно-временные диаграммы, поясняющее работу устройства в режиме измерения крутящего момента; на фиг. 4 приведень амплитудно-временные диаграммы, поясняющие работу- устройства в измерения мощности на валу.

Устройство для измерения крутящего момента и мощности (фиг. ) содержит .первый и йторой диски 1 и 2, упругий участок вала 3, импульсные датчики меток 4 и 5, первый электронный ключ 6, первую и вторую схемы равнозначности 7 и 8, первую я вторую схемы совпадения 9 и 10, индикатор 11, конденсатор 12, три постоянных резистора 13, 14 и 15, датчик частоты вращения вала 16, датчик направления вращения вала 17, узел блокировки 18, первьй и второй источники постоянного напряжения 19 и 20, переключатель на два положения 2i, второй и Третий электронные ключи 22 и 23, инвертор 24, два резистора 25 и 26.

элементов и образование новых связей между элементами устройства позволяет компенсировать погрешности установки угла взаимного смеще - кия импульсных датчиков ме - ток 4 и 5 в определенном (Диапазоне. 4ил.

Диски 1 и 2, укрепленные на концах упругого участка вала 3,.служат для линейного преобразования угла закручивания этого участка в угло- вой сдвиг между метками на дисках, причем диск 1 установлен на валу со стороны двигателя, а диск 2 - со стороны нагрузки.

Импульсные датчики меток 4 и 5 регистрируют проходящие мимо них при в ращении вала метки путем формирования короткого импульса на выходе .

Электронный ключ 6 выполнен на триггере с раздельными входами и формирует на одном выходе сигнал положительного уровня пропорциональный по длительности фазовому сдвигу импульса от датчика 4 относительно импульса от датчика 5. Второй выход этого ключа является инвертирующим. Cxehbi равнозначности 7 и 8 предназначены для управления инверсией

сйг налов, поступающих с выходов электронного ключа 6. Каждая из них реализует на выходе логическую функцию вида

33 .bUJ«b, - : где а,Ь - соответствунщие входные сигналы.

Схемы совпадения 9 и 10 предназна- 35 чены Для отключения индикатора 11 при поступлении от устройства блокировки 18 сигнала логического О. Каждая из них реализует на выходе логическу;: функцию вида

40

,. .

где си d - соответствунлцие входные сигналы,

и может быть выполнена на логическо элементе И-НЕ с открытым коллектор- ным выходом.

Конденсатор 12 и резистор 13 образуют усредняющую цепь и выделяют постоянную составляющую напряжения в изме рительной диагонали моста, два верхних плеча которого образованы резисторами 14 и 15, а два ниж них; - коллекторными, выходами, схем совпадения 9 и 10.

Индикатор 11 служи т для измерения величины и знака постоянной сос тавлякицей напряжения в измерительной диагонали моста.

Датчик частоты вращения вала 16 служит для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное напряжение постоянного тока постоянной полярности и осуществляет амплитудную модуляцию напряжения в измерительной диагонали моста в режи ме измерения мощности на валу. Выходное напряжение датчика частоты вращения вала 16 при номинальной частоте вращения вала равно по величине и знаку напряжению первого источника постоянного на.пряжения 19.

Датчик.направления вращения вала 17 формирует на выходе сигнал логической 1 при вращении вала в ий- правлении условно принятом за положительное, и сигнал логического О при вращении вала в противном направлении. Этот датчик может быть реализован, например, на основе та- хогенератора постоянного тока со схемой определения полярности его выходного напряжения.

Узел блокировки 18 формирует на выходе сигнал логической 1, если частота вращения вала превьияает некоторое заданное пороговое значение ниже которого вал считается неподвижным, и сигнал логического Q - в противном случае.

Источник постоянного напряжения 19 служит для питания измерительного моста в режиме измерения крутящего момента.

Второй источник постоянного напряжения 20 служит для создания напряжения уровня логической ., ко- тороб подается на входы схем равнозначности 7 и 8 в режиме измерения мощности на валу.

Переключатель 21 предназначен дл обеспечения необходимых соединений

10

fS

20

25

30

5

4

в измерительной схеме устройства в зависимости от режима измерения. На фиг. 1 он показан в положении измерения крутящего момента.

Второй и третий электронные клю - чи 22 и 2J предназначены для соединения резисторов 25 или 26 соответственно с общим проводом при поступлении на вход сигнала логической J и могут быть выполнены, например, на логических элементах НЕ с открытым коллекторным выходом.

Инвертор 24 реализует на выходе логическую функцию инверсии входного сигнала и предназначен для обеспечения противофазной работы электронных ключей 22 ft 23.

Резисторы 25 и 26 предназначены для шунтирования левого и правого плеч измерительного моста соответственно при замыкании электронных ключей 22 и 23. Они имеют одинэковое сопротивление и выполнены переменными, что позволяет добиться изменением их сопротивления нулевых показаний индикатора 11 при отсутствии нагрузки на валу для каждого конкретного значения угла взаимного смещения импульсных датчиков меток 4 и 5 допустимого диапазона.

Кроме того, импульсные датчики меток 4 и 5 установлены с взаимным угловым смещением с , отсчитывае « гм в плоскости, параллельной плоскости дисков 1 и 2, от оси второго диска 2 в направлении вращения вала, условно принятом за положительное и лежащем в диапазоне

/3

0 Г„-ьпр Р„ У/() 5 -ч

5

0

5

где - угол смещения осей дисков

1 и 2 при отсутствии нагрузки на валу, отсчитываемой от оси второго диска 2 в направлении вращения в.ала, условно прин.ятом за положительное;

,1,2,...; р- угол между смежными метками

на дисках 1 и 2; угол закручивания упругого участка вала 3 при максимальном измеряемом крутящем моменте.

Устройство для измерения крутя- |щего момента и мощности работает следующим образом.

Со стороны двигателя направление вращения вала против часовой стрелки можно принять за положительное. С этой же стороны (фиг. 2) показаны сечения вала в плоскостях дисков I и 2, которые рассматривают во вращакяцейся вместе с валом системе координат.

Знак крутящего момента (М) определяются направлением его пространственной ориентации. Момент (М), направленный против часовой стрелки в плоскости дисков 1 и 2 со стороны двигателя принимают за положительный.

При вращении на грулсенного

вала угол смещения О, и Oj дисков 1 и 2 в обТЕдем случае равен

М 5 +Ч,

, т . о .

где Ч - угол закручивания-упругого участка вала 3, обусловленный крутящим моментом. Знак угла Ч в этом выражении (фиг. 2) определяется направлением смещения оси 0; первого диска 1 отиреительно оси 0, второго диска 2 Если это смещение совпадает с направлением отсчета угла У (в данном случае направлено против часовой стрелки) - пойожение О, оси Or то угол Ч берется с положител ьным знаком, в противном случае (полшсение о оси 0) т с отрицательным.

Как видно из фиг. 2, знак угла Af при принятых положительных направлениях и осях отсчета совпадает со знаком крутйй го момента на валу, поэтому можно записать

: .-м,

где К. - коэффициент пропорциональности, определяемый через конструктивные параметры и

физические свойства упру- , гого участка вала 3; М - крутящий момент на валу.

При вращении нагруженного вала с частотой uJ О сигнал U от импульсного датчика меток 4 сдвинут по фазе относительно сигнала U от импульсного датчика меток 5 на угол oij, измеряемий в электрических радианах (фиг. 3) и равный

Ы - 1 гдео (Г 2 взаимное угловое

смещение импульсных датчиков меток А и 5, измеряемое в электрических радианах; Кь „Tt коэффициент пропор

Р

циональности.

При изменении угла Ы в допустимом Диапазоне величины, углов о( лежат в интервале О,Т , как при вращении своббодного вала, так и

5 при его нагружении до максимального измеряемого момента.

Для длительностей положительных импульсов напряжений U и Ug на неинвертирующем и инвертирующем выхо0 дах электронного ключа 6 соответст- iseHHo Г

и Г можно записать (фиг.3),

у при UL 0.

л I

1-6 М

.м

5 При изменении направления враще- ния вала картина импульсов напряжения и, меняется на противоположb

ную (фиг. 3)

f 6

2it-ol:

.

при

6 -- )

Эти импульсь поступают на вторые входы схем равнозначности 7 и 8. В режиме измерения крутящего момента на первые входы этих схем

поступает от датчика направления вала 17 напряжение логической 1 при и логического О при .Тогда в первом случае импульсы Т и f не

инвертируются на выходах этих схем, а во втором - инвертируются. Таким образом, на выходах схем равнозначности 7 и 8 формируются импульсы напряжения и7 и Ug (фиг. 3), по длительности равные соответственно

л-а 6 )

Ь М T, J

при uJ 0;

при . режиме измерения крутящего момента независимо от направления вращения вала имеют место равенства

т ..эм; .Эти импульсы поступают на вторые входы схем совпадения 9 и 0. Если

7

частота вращения вала превышает заданное пороговое значение, то на первые входы этих схем поступает синал логической от узла блокировки 18, при этом схемы совпадения 9 и 10 инвертируют импульсы, поступающие на их вторые входы, и формируют на выходе импульсь; напряжения по длительности, равные соответственно

fa 7 2ТГ-о „ 21Т-,. +С-М-,

X. i-rc-м .

На вход электронного ключа 22 поступает напряжение логической 1 от второго источника постоянного напряжения 20, при этом ключ заьвяка- ется и соединяет резистор 25 с об - щим приводом.

В измерительной диагонали моста Куда включены последовательно кондесатор 12 и резистор 13, дей тэует знакопеременное напряжение прямог угольной формы и (фиг. 3). Это на пряжение имеет две части - положи- тельной и отрицательной полярности разной длительности,: причем амплитуда части, имеющей большую длительность (ц), имеет, меньшую реличину, определяемую, при прочих равньгк условиях, делителем напряжения из ре- isHCTopoB 54 и 25.

Для среднего значения напряжение в измерительной диагонали моста U можно записать

и - ( м 2IT R +R, Se 25 /V

где К - коэффициент пропорциональности;

- напряжение первого источника постоянного напряжения 19.

Ц, ,Л,-с,„Ч,,1)с.м1,

q

-2 S

-

,,,

- коэффициент передачи левого плеча моста

или

..

Поскольку угол изменяе.тся на интервале (О; IT ) J то величина g изменяется на интервале (0; 1). Любую величину q из этого интервала можно установить изменением величины сопротивления резистора 25 на интерва347358

ле (0;°). С учетом принятой величины q. можно записать

0„ If U«(q,- 0;C M,

5 . . Среднее значение на.правления в

измерительной диагонали моста, а значит, и показания индикатора 11 пропорциональны крутящему моменту с

10 учетом его знака, и, устанавливая определенное значение сопротивления резистора 25, можно добиться нуле- вьгх показаний индикатора П при отсутствии нагрузки на валу ().

5 В режиме измерения мощности на валу, выходные сигналы электронного ключа 6 аналогичны режиму измерения крутящего момента, а положение переключателя 21 противоположно пока0 занному на фиг. I.

«В режиме измерения мовшости на первые входы схем равнозначности 7 и 8 поступает напряжение ло нчес- кой 1 от второго источника посто5 янного напряжения 20, при этом эти схе№ не инвертируют входные сигналы и формируют на выходе импульсы напряжения Uj и Og (фиг. 4), по длительности равными соответственно

30

8

независимо от направления вращения вала.

Эти импульсы поступают на входы схем совпадения 9 и 10, которые аналогично режиму измере ния крутящего момента формирзпот на вьгходе да пульсы, по длительности равные соответст40 I

венно

-9

При вращении вала с частотой а)0

7, 2н-о/ 2п-о/ +сМ; So 3H 4o-cM. . .

При этом на вход электронного ключа 22 поступает напряжение логической } от датчика направления вращения вала 17, этот к:ноч зa fi кaeтcя и соединяет резистор 25 с общим проводом. Поэтому аналогично случаю измерения крутящего момента для среднего значения напряжения в измерительной диагонали моста

.Jq ).

де и - выходное напряжение датчика

частоты вращения вала 16. Поскольку и пропорционально чатоте вращения вала и имеет постояную полярность.

и..К,

где К - коэффициент пропорциональности, то для и„ при получают

М .

{. № (q Dc-MM.

Таки образом, показания индикатора 11, пропорциональные 0, проорциональны и мощности на валу , а при отсутствии нагрузки на валу () равны нулю.

При вращении вала с частотой можно записать

,-cM,

,..

При этом на входь электронного ключа 22 и инвертара 2-4 ноступает напряжение логического О от датчика направления вр.ащения вала 17 и этот ключ закрываемся, а на вход электронного ключа 23 поступает напряжение логической 1 от инвертора 24, поэтому электронный ключ 23 открывается и соединяет резистор 26 с обвщм проводом.

в измерительной диагонали моста действует знакопеременное напряжение прямоугольной формы (фиг. 4 и), разнополярные части которого имеют разную длительность i причем амплитуда части, имеющей большую длитель- ность , имеет меньшую величину, определяемую при прочих равных условиях делителем напряжения из резисторов 15 и 26.

Для напряжения U в этом случае можно записать

К

.Hi. - .

II и -Ли ( -. - ч.

. 2Т| -tb - e R

Л---|| М1 Я,(21,(,... + (q ,

г

R

q коэффициент переда- г 5 чи правого плеча

правого моста

иди

2/т1ы:

Аналогично случаю измерения крутящего момента необходимую величину q , лежащую на интервале (О, 1), можно установить изменением сопро- тивления резистора 26 на интервале (0; ). С учетом принятой величины записывается выражение для и„ при

и - (q + 1 )с luJl М.

Поскольку , то, сравнивая полученные выражения для и„ при и при jJ , можно получить об- иее выражение для режима измерения мощности на валу

м af (4+i).

Среднее значение напряжения в измерительной диагонали моста, а значит, и показания индикатора I1 пропорциональны мощности на валу с учетом ее знака.

Кроме того, устанавливая определенные значения сопротивления резистора 26 в режиме измерения мо1цности прИиЗЧО и резистора 25 в режиме измерения крутящего момента или мощности npHuJ 0, можно добиться нулевых показаний индикатора П при отсзггст- вии нагрузки на валу как в режиме измерения крутящего момента, так и мощности при произвольном направлении вращения вала.

ПРИ з еньшении частоты вращения вала ниже определенного порога устройство блокировки 18 вырабатывает на выходе сигнал логического О,

который поступает на первые входы схем совпадения 9 и 10 и запирает их, при этом ток через резисторы 14 и 15 прекращается и показания индикатора становятся нулевыми вплоть

до полной остановки вала, чем обеспечивается защита индикатора 1.1 от перенапряжений при остановке вала.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с мет- ками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, датчики частоты и направления вращения вала, первый электронный

II

ключ, первый и второй источники постоянного напряжения, первая и вторая cxeNb равнозначности, первая и вторая схемы сойпадения, переключатель на два положения, узел блркиров ки, три резистора, индикатор и конденсатор, включенньй параллельно индикатору, один вход которого через третий резистор подключен к выходу схемы совпадения и выходу второго ре зистора, второй вывод которого подключен к входу первого направления переключателя первое положение кото рого соединено с первым источником постоянного напряжения, а второе - с датчиком частоты вращения вала, которьй через узел блокировки соединен соответственно с вторыми входами первой и второй схем совпадения, причем выходы первого и второго импульсных датчиков меток подключены -соответственно к первому-второму вхо дам первого электронного ключа, а первое положение второго направления переключателя связано с датчиком направления вращения вала, второе положение - с вторым источником постоянного напряжения, выход второго направления переключателя связан с первыми входами первой и второй схем равнозначности, вторые входы которых соединены с первым и вторым выходами первого электронного ключа, а выходы - с вторыми входами первой и второй схем совпадения, выход второй схемы совпадения через первый резистор подключен к выходу первого направления переключателя, о т л и- ч.а ю щ а е с я тем, что, с целью

-to

f5

23473512.

повышения точности измерений за счет компенсации погрешности установки угла взаимного смещения импульсньпс датчиков меток, в него введены вто- 5 рой и третий электронные ключи, четвертый и пятый резисторы и инвертор, а в переключатель - третье направление, первое положение которого связано с вторым источником ПОСТОЯН-.

ного напряжения, второй - с датчиком направления вращения вала, выход третьего направления переключателя связан с входами соответственно.второго эле;ктронного ключа и инвертора, выход которого соединен с входом третьего электронного ключа, а выхо- ,ды второго и. третьего электронных ключей через четвертый и пятйй резисторы соединены соответственно с выходами оервой и второй схем совпадения, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угло вым смещением оС, отсчитываеьым в плоскости, параллельной плоскости дисков, 25 и лежащим в диапазоне

20

УО f ff .2n+n f - М-

где f -. угол смещения осей дисков при отсутствии нагрузки ла валу;

0,1,2,...,

угол между смежными метками на,дисках;

угол закручивания упругого участка вала, соответствую щнй максимальному зацеплению измеряемого крутящего момента.

п Ч .. л

метки

Нетки

Ut.if

Состаэитель А.Пашков Редактор Л.йовхаи Техред П. Сердюкова

Заказ 2977/46 Тираж 778Подписное

ВНИЙПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий.

13035, Москва, Ж-35, Раушскаянаб.у д. 4/5

Производственйр- полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.З

Корректор В. Бутяга

Изобретение относится X е поиз- меритёльной технике и может использоваться для измерения средщпс на- чений крутящего момента и моврости любого знака эращающегося в пронз- в ольном направлении вала раздаи ньк двигательных установок в маштюетрое- нии, на морском и дрзйгнх отраслях народного хозяйства. Цель изобретения - по1вьцвёние точдости измерений. Устройство содержит диекй I и 2, упругий участок вала Э, кн- пульсные датчики меток 4 н 5, тронные кдвочи 6, 22 и 23, раз- нозцачности 7 и 8, схемн совпадения 9 и IО, индикатор И, конденсатор