Способ определения крутящего момента и устройство для его осуществления Советский патент 1979 года по МПК G01L3/10 

валах, не проявляющих магнитоупругий эффект в поверхностном слое. Цель е способе основанном на магни- тоулругом эффекте и включающем предварительное циркулярное намагничивание ферромагнитного вала с помощью постоянного тока достигается за счет того, что вал с остаточной циркулярной намагниченностью помещают в переменное магнитное поле, а значение крутящего момента определяют по величине четньк гармоник пере менного поля. Такой способ может быть осуществлен устройством, содержащим ферромагнитный вал с остаточной циркулярной намагниченностью, концентричный валу неподвижный магнитопривод с полесоздаюшей и измер ительной обмотками и измерительный прибор, в которое дополнительно введен генератор переменного тока и блок выделе- НИН четных гармоник, включенный между измерительной обмоткой и измерительным прибором, а блок вьзделения гармоник содержит частот1го« збиратвльный усилитель, настроенный на одну из четных гармоник частоты генератора,. предпоЧ1тительно вторую, .а также фазочувствительный детектор и корректор нуль-пункта, который, вьь полнев в виде двухполупериодного вьшря- мителя с регулятором величины выходного напряжения, включенно го через фазоврашатель между генератором переменного тока и входом частотно-избирательного усилителя. На фиг. 1 дана иллюстрация предлагаемого способа определения крутящего момента; (на фиг. 2 - схема устройства; на фиг, 3 (а,б,в) - диаграммы, поясняю-. щие работу корректора нуль-пункта. Существо способа заключается в следу ющем. Через стальной вал 1 в осевом направлении кратковременнб (в течение нескольких секунд) пропускают постоянный ток I. , который ;ДОстатачен для циркулярного намагничивания вала до насыщения, Напряженность остаточного поля после такого намагничивани:я при изотропности магнитньк свойств вала имеет только циркулярную составляющую Иf, (фиг. 1), т.е. вектор остаточной н-амагничанности . Ну, совпадает с Н }, Под действием крутящего момента Мц возникают напряжения растяжения Sp и сжатия , направленные соответственно под углом + 45 и - 45 к оси вала. 6 14 Вследствие того вектор остаточной апряженности Н. (фиг. 1) поворачиваетя в направлении ©р и получает осевую оставляющую Нд , пропорциональную еличине крутящего момента , , Этот роцесс пpoиcxoд T во всех элементарных бъектах вала, в которых отсутствуют начительные остаточные маханические апряжения или деформации структуры меалла. У остальных валов, у которых поверхностный слой вследствие механической, термической или иной обработки не проявляет магнитоупругого эффекта, процесс магнитоупругого преобразования происходит в средней части вала. Однако деформированный поверхностный слой 2 (фиг 1) служит магнитным экраном, не выпуская осевую составляющую Но от средних слоев наружу и делая ее л едостут ной для непосредственного измерения. Для получения информации о величине осевой составляющей вал помещают в переменное магнитное поле Н. (фиг. 1), Таким образом, в поверхностном слое существуют одновременно два поля: постоянное - HO и переменное Н- . Взаимодействие двух таких полей в ферромагнитном материале приводит к появлению четных гармоник переменного поля. Амплитуды четных гармоник, в частности второй, пропорциональны напряженности постоянного поля RO , т.е. в данном случае величине .крутящег о момента, фаза четных гармоник зависит от направления HQI t т.е. от знака момента. Устройство для определения крутящего момента, реализующее предлагаемый способ содержит вал - чувствительный элемент 1 (фиг. 2), который может иметь поверхностный слой 2, не проявляющий магнитоупругого эффекта. Ban выполнен с остаточной циркулярной намагниченностью и помещен внутри полесоздающей 3 и измерительной 4 обмоток с общим магнито- проводом 5. Полесоздающая обмотка присоединена к генератору6-переменного . Измерительная обмотка подключена к блоку выделения чётньпс гармоник, который содержит: фазовращатель 7, двухполупериодный: вьтрямитель 8 с регулируемой величиной выходного напряжения, частотно-избирательный усилитель 9, настроенный на одну из четных гармоник,, предпочтительно вторую, фазочувствите т- ный детектор 10 измеряемой гармоники. 56 На выходе блока выделения четных гар моник включен измерительный прибор (мил ливольтметр) 11, Переменный ток от генератора 6, проходя через обмотку 3, создает переменное магнитное поле, которое замыкается через наружный слой 2 вала и магнитопровод 5# В измерительной обмотке 4 при этом наводится ЭДС, содержащая первую гармонику, а также высшие гармоники, в осно&ном третью, которые появляются вследствие нелинейных свойств магнитной цепи. При скручивании вала в его поверхност ном слое 2 в результате взаимодействия постоянного и переменного магнитных полей возникают четные гармоники переменного поля. Для измерения их ЭДС служит блок выделения четньсх.гармоник, который в простейшем случае может представлять собой частотно-избирательный усилитель или фильтр, настроенный на одну из .четыpax гармоник. Такой простейший блок не позволяет корректировать нуль-пункт, т.е. начальное положение указателя измеритель ного прибора, а также не позволяет определять напряжение (знак) крутящего момента. Вследствие несимметричности тока, анизотропности магнитных свойств вала и других причин в измерительной обмотке при ненагруженном вале наводится ЭДС четных, гармоник порядка от 5 до 5О% максимального значения измеряемой гармоники. Такой начальный уровень недопустим, поэтому измерительное устройство содержит корректор нуль-пункта, который выполнен & виде двухполупериодного выпрямителя 8 с регулируемой величиной выходного напряжения, включенного через фазовращатель 7 между генератором 6 переменного тока и входом частотно-избирательного усилителя 9, На фиг. За схематически показана ЭДС измерительной обмотки (сплошная линия). Содержащаяся в этой ЭДС вторая гармоника дана пунктиром. На фиг. 36 показано напряжение на выходе двухполупериодного вьтрямителяв (сплошная линия). Это напряжение включено последовательно с ЭДС обмотки 4. С помощью фазовращателя 7 и регулятора величины напряжения вьтрямителя устанавливается такое значение напряжения, при котором гармоника, содержащаяся в нем (пунктир фиг. 36), равна по.амплитуде и противоположна по фазе второй гармонике в измерительной обмотке. Возможность регулирования амплитуды и фазы второй гармоники показана условно 81 с помо.шью вертикальных и горизонтальных стрелок на фиг. 36. После такой компенсации -напряжения на аходе частотно-избирательного усилителя не содержит второй гармоники (пунктир на фиг. Зв), и стрелка измерительного прибора 11 при этом устанавливается в нулевое положение,,, Фазочувствителькый детектор 10 служит для определения направления (знака) крутящего момента. При изменении знака момента меняется фаза измеряемой четной гармоники, что приводит к отклонению указателя измерительного прибора в другую сторону от нулевого положения. Предлагаекгый способ и устройство для его осуществления позволит применять магнитоупругие преобразователи для изме™ рения крутя.щего момента, передаваемого через стальные валы, в том числе и такие, поверхностный слой которых: вследствие механической, термической;или иной обработки не проявляет магнитоупруги.х свойств, например через стальные валы различных машин и механизмов. По сравнению с известными способами, основанными на магнитоупругом эффекте, предлагаемое решение обладает существенно более широкой областью применения. Формула изобретения 1,Способ определения крутящего момента, основанный на; магнитоупругом эффекте и включающий предварительное циркулярное намагничивание ферромагнитного цала с помощью постоян ного тока, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа . на стальных валах, не проявляющих ыагнитоупругий эффект в поверхностном слое, вал с остаточной циркулярной намагниченностью помещают в неременное магнитное Поле, а значение крутящего момента определяют по величине четных гармоник переменного поля. 2.Устройство для осуществления способа определения крутящего момента по п. 1, содержащее ферромагнитный вал с остаточной циркулярной намагниченностью, концентричный валу неподвижный Магнитопривод с полесоздающей и измерительной обмотками и измерительный прибор, отличающееся тем, что,, в него дополнительно введен генератор переменного тока и блок вьщеления четных гармоник, включенный между измерительной обкюткой и измерительным прибором. 3, Устройство по п. 2, о т л и ч а юш 9 е с я тем, что блок выделкния гармоник содержит частотно-избирательный усилитель, настроенный на одну из четных гармоник частоты генератора, предпочтительно вторую, а также фазочувствитель- ный детектор и корректор нуль-пункта. 4. Устройство по пп. 2 и 3, о т л ичающееся тем, что корректор нульпункта выполнен в виде двухполупериодпого выпрямителя с регулятором величины выходного напряжения, включе шого

/ 65 818 через фазовращатель между генератором переменного тока и входом частотно-избирательного усилителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 148932, кл. G 01 U 3/1О, 1960. 2.Авторское свидетельство CCCF № 286294, кл. Q 01 L 3/10, 1969. 3. Заявка №2134346/10, кл. GI 01: U 3/24, 1975, по которой лринято положительное решение о выдаче авторского свидетельства.

////////7//////////7///7 ///

//7ЛУ////А/

Риг.з