Бесконтактный датчик крутящего момента Советский патент 1980 года по МПК G01L3/10 

1

H3o6peteHHe относится к области снлонзмерительной техники и может быть исполь-. зовано для измерения крутящих моментов на вращающихся валах из ферромагнитного и немагнитного материалов.

Известно устройство для измерения момента на валу, содержащее магнитоупругий преобразователь (участок вала или цилиндр/ из ферромагнитного материала, закрепленный на валу) и электромагнитный преобразователь, расположенный соосно магнетоупругому преобразователю и представляющий собой неподвижную электромагнитную систему с явно выраженными полюсами, причем средний электромагнит несет на своих полюсах обмотки возбуждения, а крайние - измерительные обмотки (1.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является бесконтактный датчик крутящего момента, содержащий магнитоупругий преобразователь, установленный на контролируемом валу, и расположенный с зазором коаксиально магннтоупругому. преобразователю электромагнитный преобразователь, включающий цепь возбуждения и измерительную цепь (2.

устройства не о 5еспёчивают требуемую точность измерений из-за отсутствия возможности регулировки начального положения рабочей точки на статнческой характеристике устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем регулировки начального положения рабочей точки иа статической характеристике датчика.

Это достигается за счет того, что в предлагаемый датчик введены шайбы из немагнитного материала с магннтомягкими вставками, а цепь возбуждения электромагнитного преобразователя выполиена в виде Побразных электромагнитов, размещенных в радиальных плоскостях, при этом немагнитные шайбы расположены со стороны полюсов П-образных электромагнитов с возможностью поворота относительно оси контролируемого вала, а магнитомягкие вставки, размещенные на торцовых поверхностях щайб, примыкают к полюсам электромагннтов, и число их на каждой щайбе равно числу упомянутых электромагнитов возбуждения.

На фиг. 1 показан продольный разрез описываемого датчика, на фиг. 2 - то же, разрез Б-Б фиг. 1; на фиг. 3 - вид шайбы с магнитомягкими вставками; на фиг. 4 - статическая характеристика датчика.

На свободном участке рабочего вала 1 укреплен магнитоупругий преобразователь 2цилиндр из ферромагнитного материала. Магнитоупругий преобразователь 2 охвачен кольцевым электромагнитным преобразователем, состоящим из электромагнитной цепи возбуждения и электромагнитной измерительной цепи. Электромагнитная цепь возбуждения представляет собой совокупность П-образных электромагнитов возбуждения 3, расположенных равномерно по окружности одного радиуса концентрично магнитоупругому преобразователю. Устанавливаются П-образные электромагниты возбуждения 3 в пазах общего каркаса 4, выполненного из немагнитного материала (карболит, капрон и т. д.).

Электрическое соединение обмоток электромагнитов возбуждения 3 ведется по группам (секторам). Количество секторов кратно двум.

В секторах обмотки электромагнитов возбуждения соединяются последовательно-согласно, между секторами - последовательновстречно. Свободные концы обмоток электромагнитной системы возбуждения подключаются к источнику переменного напряжения (на чертеже не показано).

Электромагнитная измерительная цепь выполнена в виде кольцевого магнитопровода 5, на который намотана секционированная измерительная катушка 6. Измерительная цепь расположена на общем каркасе 4 между полюсами П-образных электромагнитов возбуждения 3 симметрично им. Секции измерительной катушки 6 на кольцевом магнитопроводе 5 располагаются симметрично относительно границ секторов возбуждения по окружности. Электрическое соединение обмоток секций между собой осуществляется последовательно-встречно при однонаправленной намотке или последовательносогласно при намотке соседних секций в разных направлениях. Выходные концы измерительной катушки 6 подключаются к измерительной схеме (на чертеже не показано).

На общем каркасе 4 у обоих полюсов электромагнитов возбуждения 3 расположены шайбы 7 (фиг. 1, 3), выполненные из немагнитного материала. На поверхностях шайб 7, примыкающих к полюсам электромагнитов возбуждения 3, укреплены в радиальном направлении, равномерно по окружности, магнитомягкие вставки 8. Количество вставок 8 на каждой шайбе 7, равно количеству П-образных электромагнитов возбуждения 3. Шайбы 7 имеют возможность поворачиваться вокруг оси контролируемого вала, а в исходном положении устанавливаются таким образом, чтобы магнитомягкие вставки 8 располагались напротив полюсов П-образных магнитов возбуждения 3. Собранный в общем каркасе электромагнитный преобразователь защищен от влия ния внешних воздействий экранирующим кожухом 9 со съемной крышкой 10.

Магнитоупругий датчик крутящего момента, установленный на валу машины, работает следующим образом.

Q При включенном напряжении питания цепи возбуждения и отсутствии измеряемого крутящего момента на выходных концах измерительной катушки б всегда присутствует начальное выходное напряжение а (фиг. 4). Наличие начального выходного напряжения у датчика говорит о том, что вектор магнитного потока возбуждения, направленный вдоль образующего вала 1, пересекает магнитную ось магнитопровода 5 измерительной цепи не под прямым углом.

0 Это обусловлено неоднородностью магнитоупругого преобразователя и неточностью изготовления магнитной системы электромагнитного преобразователя. Наклон вектора магнитного потока возбуждения относительно магнитной оси магннтопровода 5 измерительной цепи вызывает появление в секторах поперечной составляющей вектора, которая, замыкаясь, через участки магнитопровода 5 измерительной цепи наводит в измерительной катушке 6 начальное напряg жение. При этом угол отклонения вектора магнитного потока возбуждения от направления, перпендикулярного магнитной оси измерительной цепи, определяет амплитуду начального выходного напряжения, а направление отклонения - его фазу. Фазы начальных выходных напряжений для различных направлений отклонений вектора магнитного потока возбуждения отличаются на 180°.

При настройке датчика крутящего момента на валу машины для определенного направления скручивания возможны следующие случаи.

1. Отклонение вектора магнитного потока возбуждения, определяющего амплитуду и фазу начального выходного напряжения,

5 совпадает с направлением отклонения составляющей вектора потока возбуждения, вызываемого приложенным крутящим моментом. В этом случае фаза начального выходного напряжения совпадает с фазой выходного напряжения, пропорционального приложенному статическому крутящему моменту. Если при этом амплитуда начального выходного напряжения, определяющая начальное положение рабочей точки на ветви характеристики, соответствует линейному участку характеристики, то существенной настройки датчика с помощью боковых шайб 7 с магнитомягкими вставками 8 не требуется. Возможна только регулировка желаемого уровня амплитуды начального ВЫХОДНОГО напряжения на линейном участке ветви характеристики (фиг. 4). же амплитуда начального выходного |1а:1(;яжения соответствует нелинейному участку ветви характеристики, что определяется непропорциональностью суммарного выходного сигнала прикладываемым значениям статического крутящего момента в процессе градуирования измерительного устройства (на чертеже не показано),то с помощью разворота шайб 7 с магнитомягкими вставками 8 рабочая точка выводится на линейный участок ветви характеристики для данного направления скручивания. 2. Отклонение вектора магнитного потока возбуждения, определяющего амплитуду и фазу начального выходного напряжения, не совпадает с направлением отклонения составляющего вектора магнитного потока возбуждения, вызываемого приложенным крутящим моментом. В этом случае фаза начального выходного напряжения отличается от фазы напряжения, вызванного приложенным статическим крутящим .моментом на 180°, и, следовательно, суммарное выходное напряжение датчика равно разности этих двух напряжений. Последнее говорит о том, что статическая выходная характеристика датчика искажена, и что рабочая точка а (фиг. 4) в исходном положении находится на противоположной для выбранного направления скручивания ветви характеристики, что равносильно переносу оси ординат в данную точку. Искажение характеристики в этом случае устраняется корректировкой направления отклонения вектора магнитного потока возбуждения при отсутствии измеряемого параметра с помощью разворота в разных направлениях щайб 7 с магнитомягкими вставками 8. Корректировка ведется с периодическим статическим нагружением вала, до вывода рабочей тт)чки датчика на линейный участок ветви характеристики, соответствующей требуемому направлению скручивания. На фиг. 4 для положительного направления скручивания это показано переносом оси ординат в точку аг (фиг. 4), выбранную на линейном участке характеристики. На этом процесс настройки датчика на желаемое направление скручивания заканчивается, датчик готов к измерению крутящих моментов при вращении. Наличие дв х :.. с ч;;: iii-HJMsii кими вставками, обе:печ|1-;; К)щи г-гчл 1р ;вку положения paoQi ii :;;чки iir; с.атической характеристике ;.ji ика, позволит повысить точность р1-:ня KpvrHiuero .моментл. При установке .л лчиков на валах машин возможность рогхлиронать положение рабочей точки позволяет настраивать датчикн для измерения крутящих моментов любого направления скручивания с установкой рабочей точки на линейном участке характеристики. При выборе начального положения рабочей точки в центре линейного участка ветви статической характеристики дач чик позволяет в определенном диапазоне измерять знакопеременные крутящие моменты. Формула изобретения Бесконтактный датчик крутящего момента,содержащий магнитоупругий преобразователь, установленный на контролируемом валу, и расположенный с зазором коаксиально магнитоупругому преобразователю электромагнитный преобразователь, включающий цепь возбуждения и измерительную цепь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем регулировки начального положения рабочей точки на статической характеристике датчика, в него введены из немагнитного материала с магнитомягкими вставками, а цепь возбуждения электромагнитного преобразователя выполнена в виде П-образных электромагнитов, размещенных в радиальных плоскостях, при этом немагнитные шайбы расположены со стороны полюсов П-образных электромагнитов с возможностью поворота относительно оси контролируемого вала, а магнитомягкие вставки, размещенные на торцовых поверхностях шайб, примыкают к полюсам электромагнитов, и число их на каждой шайбе равно числу упомянутых электромагнитов возбуждения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 224122, кл. G 01 L 3/10, 1966. 2.Авторское свидетельство СССР № 214161, кл. G 01 L 3/10, 1967 (прототип).