Устройство для измерения характеристик судовой силовой установки Советский патент 1989 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, мощности и частоты вращения валов различных силовых установок, используемых на морских судах, в металлургии и других областях техники.

Целью изобретения является повышение надежности и удобства эксплуатации.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - установка измерительного элемента и датчика на гребном валу; на фиг.З - эпюры электрических напряжег НИИ на выходах блоков устройства; на

фиг.4 - принципиальная схема устрой ст- ва.

Устройство содержит крестовой приставной магнитоупругий датчик 1, и фазовращатель 2, выходы которых подключены к входам сумматора 3. Выход последнего через последовательно соединенные полосовой фильтр 4 и выпрямитель 5 подключен к входу первого фильтра 6 нижних частот (ФНЧ). Выход первого фильтра нижних частот подключен через бесконтактный ключ 7 к входу второго фильтра 8 нижних частот. Выход первого фильтра нижних частот также подключен к входу фильтра 9 высоких частот (ФВЧ), выход

СП 1C

ел to

оторого через последовательно соедиенные компаратор 10 и элемент 11 ремени подключен к входу третьего ильтра 12 нижних частот. Выход компа-. ратора подключен к второму входу первого ключа. Выход первого фильтра ижних частот еще подключен к первому входу второго бесконтактного ключа 13, второй вход которого подключен к выхо ю у элемента времени, а выход соединен с входом четвертого фильтра 14 нижних частот Обмотка возбуждения агнитоупругог о датчика и вход фазовращателя подключены к выходу источ- 15 ника 15 переменного напряжения. Изерительные приборы на чертеже не показаны.

Устройство также содержит измери-. тельный элемент 16, который устанавли-20 вают на валу 17. Измерительные полюса 18 датчика установлены на образующей вала, а полюса 19 возбуждения - по окруткности.

Устройство работает следующим об- 25 разом.

Крестовой магнитоупругий датчик 1 устанавливают в непосредственной близи к Гребному валу с некотором начальным зазором между полюсами магнитопро-30 вода и измеряемой поверхностью вала и таким образом, чтобы измерительные полюса были расположены по образующей вала. От источника 15 в обмотку воз-., буждения датчика 1 и на вход фазовра- щателя 2 подают переменное эяектричес- кое напряжение, изменяющееся с частотой W .

В отсутствие нагрузки на валу вследствие начальной магнитной анизо- 40 тропии поверхности вала и электромагнитной нес1 мметрии датчика 1 на выходе датчика (одном входе сумматора 3) действует нулевой сигнал. На другой вход cyMt-iaYopa с выхода фазовращателя 45 подают электрическое напряжение компенсации. Напряжение компенсации подбирают при настройке устройства равным по значению и противоположным по фазе первой гармонической состав- 50 ляющей нулевого сигнала так, чтобы на выходе сумматора 3 нулевой сигнал принял минимальное значение. Приложенный к валу крутягщй момент вызывает появление механических напряжений на его поверхности, которые определяют дополнительную магнитную анизотропию вала и измерительного элемента 16, укрепленного на его

лонеркности. При вращении вала 17 в определенные интервалы времени измерительный элемент находится под полюсами 18 и 19 датчика, в другие интервалы времени под полюсами с другим зазором проходит поверхность вала. Наведенная предлагаемым крутящим моментом магнитная анизотропия и чередование прохождения под измерительными полюсами 18 датчика то измерительного сигнала, то поверхности вала вызывают амплитудную модуляцию магнитного потока и выходного сигнала датчика 1, несущая частота которых равна частоте возбуждения ы Глубина модуляции пропорциональна крутящему моменту, а частота модулирующего сигнала пропорциональна частоте вращения вала. Полосовой фильтр 4 выделяет первую гармоническую составляющую несущей частоты,- не пропуская далее в тракт измерения субгармоники. С выхода полосового фильтра напряжение полезного сигнала поступает на выпрямитель 5, откуда выпрямленное напряжение подают на вход первого ФНЧ 6, который на своем выходе выделяет полезный сигнал модуляции (огибающую несущей частоту). Выделенный модулирующий сигнал V, представляет собой электрическое напряжение, имеющее вид непрерывной последовательности однополярных прямоугольных импульсов, следующих с частотой вращения вала Л . Один период измерения TQ напряжения V, содержит два импульса. Эти импульсы имеют . различные значения и длительности в зависимости от того в какой интервал времени они сформированы либо когда под полюсами датчика находится измерительный элемент 16 и заг зор между измерительными полюсами и измерительным,, элементом имеет величину (1мэ ° когда под измерительными полюсами находится вал 17 и зазор меткду измерительными полюсами и поверхностью вала имеет величину (/..(V.. , t,). Значение напряD Р о

жения V зависит от зазора о магнито- упругих свойств измерительного элемента, а напряжение V,- от зазора ifg и магнитоупругих свойств поверхности вала. Так как с/ у, измерительный элемент выполняют из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью, значительно превосходящей магнитную проницаемость материала вала, то напряжение

оказывается

значительно больше Vis .Это обусловливает импульсный характер изменения напряжения V,. Для выделения напряжения V,H , пропорционального кру- 5 тящему моменту М и независящего от ..магнитной неоднородности материала вала, напряжение V, с выхода первого ФНЧ 6 подают на вход второго ФНЧ 8

J-- Тп

v. V,,,. с„,.я v,-Yfгде в - длина по дуге измерительного

элемента;

М - прилагаемый к валу крутяршй 15 момент,

Напряжение V,, подают на измерительный (регистрируюпщй) прибор момента. Дпя формирования электрического напряжения V пропорционального частоте

И

вращения вала п , напряжение V, с выхода ФНЧ 6 подают на вход ФВЧ 9. На выходе ФВЧ 9 получают переменное импульсное напряжение без постоянной составляющей. Это напряжение подают на вход компаратора 10, на выходе которого действует импульсное напряжение строго прямоугольной формы. Частота повторения импульсов на выходе компаратора равна частоте вращения вала, а амплитуда не зависит от крутя- jnero момента, Импульсы, имеющие длительность t| , открывают ключ 7. С выхода компаратора 10 импульсное напряжение поступает на вход элемента 11 времени, на выходе которого действуют однополярные импульсы.Длительность t этих импульсов постоянна и не зависит от интервала времени t , амплитуда А,, не зависит от момента,а частота повторения равна частоте вращения вала Л .С выхода элемента 11 времени напряжение поступает на вход ФНЧ 12. На выходе ФНЧ 12 действует постоянное напряже- ние Vy A. Л п , которое подают на измерительный (регистрирующий) прибор числа оборотов. ,Тля формирования электрического напряжения Vр, пропорционального мощности Р на валу, напряжение V, с выхода ФНЧ 6 подают на вход бесконтактного ключа 13. Последний открывается на интервал времени tg импульсами, поступающими с выхода элемента 11 времени на его второй вход. Поэтому на вход ФНЧ 14 поступает напряжение У,„,в течение интервала t и с частотой Я . На выходе ФНЧ 14 действует постоянное напряжение Vp V,Mj, V,,i7 M-n P.

через первый контактньп ключ 7, Работой последнего управляет выходное напряжение компаратора 10, которое открывает его на интервал времени t и закрывает на интервал времени t . Ключ 7 пропускает на вход ФНЧ Я напряжениеФНЧ 8

fH3

Напряжение на выходе

Tfl/

. .. V 2tr 1ИЭ

М,

Напряжение Vp подают на измерительный (регистрирующий) прибор мопц1ости.

Часто для измерения характеристик используют магнитоупругий эффект в материале самого вала. Однако применение измерительного элемента в предлагаемом устройстве имеет следующие

преимущества. Значительно повыщена точность и облегчена градуировка устройства. Повьппение точности достигается тем, что измерительный элемент выполняют из однородного и с большой

магнитоупругой чувствительностью материала. Гребной вал обладает низкой магнитоупругой чувствительностью и сильно выраженной магнитной неоднородностью как по окружности, так

и по длине, что приводит к сильным помехам и большим погрещностям измерения. Кроме того, измерительный элемент в предлагаемом устройстве выполняют съемньм. Это позволяет осуществлять градуировку просто и с большой точностью на лабораторном или заводском стендах. Можно также изготовить достаточное количество одинаковых измерительных элементов из материала

с одинаковыми свойствами. Косвенный метод градуировки известного устройства, используемого без измеритель5

0

5

ного элемента, отличается низкой точностью.

,Чля того, чтобы магнитная неоднородность гребного вала не влияла на точность предлагаемого устройства, необходимо, чтобы переменный магнитный поток возбу71сдения датчика 1 не проникал в поверхностный слой вала. Практически это означает, что магнитная индукция в поверхностном слое вала должна быть много меньше значения магнитной индукции в измерительном элементе. Это условие выполняется, если толщина измерительного элемента .

не меньше, чем удвоенное значение глу ,

бины проникновения переменного магнитного потока в него. При фиксированной частоте напряжения возбуждения выполнения условий добиваются выбором толщины измерительного элемен- та, а при заданной толщине элемента . изменяют (увеличивают) частоту напряжения возбуждения.

Измерительный элемент может быть выполнен, например, в виде прямоугольной пластины. Ширину пластины выбира- .Q ют равной габаритному размеру датчи- |ка 1. Если вал имеет значительные осевые перемещения, то ширина пластины равна сумме размера датчика и удвоенного значения осевого перемещения вала. TViHHy пластины выбирают в два или три раза больше ее ширины так, чтобы за время прохождения пластины под полюсами датчика сформиравался четкий прямоугольный импульс, позволя- ющий дальнейшую его обработку.

В устройстве датчик 1 устанавливают измерительными полюсами вдоль образующей вала. Тогда выходное модулирующее напряжение датчика имеет фор- 25 му, близкую к прямоугольным импуль- -сам.

Фронты этих импульсов формируются при появлении и исчезновении измерительного Q элемента под измерительными полюсами датчика.Прохождение измерительного Ьле- мента под полюсами возбуждения датчика не влияет на выходной сигнал. Действительно, магнитный поток в магнитной

системе датчика, от которого зависит выходной сигнал, определяется напряжением при обмотке возбуждения. При питании датчика от источника напря жения и при малом активном сопротивлении цепи обмотки возбуждения напряжение на обмотке возбуждения не изменяется при изменении зазоров в магнитной системе датчика.

5

Q

5

0

Формула изобретения Устройство для измерения характеристик судовой силовой установки, содержащее магнитоупругий датчик, установленный с зазором на гребном валу, на поверхность которого нанесен измерительный элемент, фазовращатель, источник переменного напряжения,выход которого подключен к обмотке возбуждения датчика и входу фазовращателя, сумматор, к одному входу которого подключен выход датчика, к другому входу - выход фазовращателя, а выход сумматора через последовательно соединенные полосовой фильтр и выпрямитель подключен к входу первого фильтра нижних частот, второй, трытий и четвер- тый фильтры нижних частот, к выходам которых подключены измерительные приборы, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и удобства эксплуатации, в него введены бесконтактный ключ, первый вход кото рого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход подключен к входу второго фильтра нижних частот, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, компаратор, вход которого подключен к выходу фильтра верхних частот, а выход подключен к второму входу первого бесконтактного ключа, элемент времени, вход которого подключен к выходу компаратора, а выход подключен к входу третьего фильтра нижних частот, второй бесконтактный ключ, первый вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, второй вход подключен к выходу элемента времени, а выход подклю- чен к входу четвертого фильтра нижних частот, измерительные полюса датчика установлены вдоль образующей вала.

1527521

17

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, мощности и частоты вращения на валах, связанных с силовой установкой, в различных областях народного хозяйства, в том числе на морском транспорте. Целью изобретения является повышение надежности и удобства эксплуатации. Первичный магнитоупругий преобразователь совмещает функции датчиков момента и частоты вращения. В устройство введены два бесконтактных ключа, фильтр верхних частот, компаратор и элемент времени, подключенные так, чтобы на выходах устройства действовали электрические напряжения, пропорциональные измеряемым характеристикам. Кроме того, измерительные полюса магнитоупругого датчика установлены вдоль образующих вала, а толщина измерительного элемента превосходит удвоенное значение глубины проникновения в него магнитного потока возбуждения. 4 ил.

V.

вмг

.2

Фи2.3