Устройство для измерения крутящего момента Советский патент 1983 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь3 овано дпй и эмереиий крутяие го момента в силовых установках различной мощности, характера нагрузок и частот вращения.

Известно устройство для измерения крутящего момента, содержащее отметчики, датчики считывания, генератор опорной частоты и электронную схему. В этом устройстве при вращении вала производится считывание его меток неподвижно установленными датчиками. Временной сдвиг между импульсами одного датчика и импульсами другого пропорционален углу скручивания упругого элемента и периоду вращения вала. Путем преобразования полученных сигналов определяют величину крутящего момента. Для повышения точности измерения полученные вретменные интервалы заполняются импульсами опорной частоты с последующим их пересчетом. Для ЭТОЙ цели в прибор вводится дополнительный генератор опорной частоты и пересчетные устройства. Чтобы .исключить влияние нестабильности частоты опорного генератора, применяются схемы с постоянным измерителем времени СllНедостатком известного устройства является низкая чувствительность.

Наиболее близким к предложенному . по технической сущности является устройство для измерения крутящего момента, содержащее схему индикации, расположенные на валу и сдвинутые относительно друг друга на первый и второй отметчики угла положения

10 вала, два датчика считывания, расположенные, на одной линии, параллельной оси вала, и измерительную схему,включающую первый и второй триггеры-преобразователи, связанные своими нуле15выми выходами с первыми входами двух управляемых ключей соответственно, вторые входы которых связаны с выходом генератора опорной частоты, а выходы связаны с первым и вторым входа20ми соответственно реверсивного счетчика, кроме того, выход генератора опорной частоты связан с вторым входом схемы формирования времени индикации, выход которой связан с первым

25 входом схемы управления, а первый вход связан с нулевьйи выходо ; второго триггера-преобразователя, :единичный выход которого связан с третьим входом первого триггера-преобразрвг1,30теля, нулевой выход первого триггерапреобразователя связан с вторьом входом второго триггера-преобразователя и вторым входом схемы управления, нулевой выход второго триггера-преобразователя связан с третьим входом схемы управления 1,2j.

Недостатком известного устройства является то, .-что измерение возможно только при определенных частотах вра щения вала, периоды которых кратны времени измерения. Такиережимы воз,можны у сравнительно узкого круга силовых установок с жесткой частотой вращения, например турбо- и гидроэлетрические установки.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено третьим датчиком считывания/ который сдвинут на 180относительно-второго датчика счи-j тывания, а в измерительную схему введены три формирователя сигналов, связанные своими входами с тремя датчиками считывания, .третий триггер-преобразователь, два триггера-блокиратора, третий управляемый ключ, суммирующий счетчик, генератор кода заданного постоянного числа, делительный и множительный блоки, причем выход первого формирователя сигналов связан с четвертым входом первого триггерапреобразователя и первыми входами второго триггера-преобразователя и первого триггера-блокиратора, выход второго формирователя сигналов связан с вторым входом первого триггера-преобразователя, четвертым входом второго триггера-преобразователя, первым входом второго триггера-блокиратора и вторым входом третьего триггера-преобразователя, третий выход которого связан с выходом третьего формирователя сигналов, единичный выход первого триггера-блокиратора связан с первыми входами первого и .третьего триггеров-преобразователей, единичный выход второго триггера-блокиратора связан с третьим входом второго триггера-преобразователя, нулевой выход третьего триггера-преобразователя связан с вторым входом третьего управляемого ключа, первый вход которого связан с выходом генератора опорной частоты, а выход - с вторым входом суммирующего счетчика, вторые входы первого и второго триггеров-блокираторов связаны с нулевым выходом первогои второго триггеров-преобразователей соответственно, первый вы-. ход схемы управления связан с первым входом делительного блока, второй выход связан с вторым входом множительного блока, а третий выход связан с первым входом суммирующего счетчика, с третьими входами т зиггеров-блокираторов, выход суммирующего

счетчика связан с вторым входом делительного блока, третий вход которого связан с выходом генератора кода заданного постоянного числа, а выход- с третьим входом множительного блока, первый вход которого связан с выходом реверсивного счетчика, а выход - с входом схемы индикации.

На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг.2 - положение отметчиков на валу при нагружении последнего; на фиг.З - графики, поясняющие , работу устройства.

Устройство для измерения крутящего момента (фиг.1) содержит установленные на концах торсионного вала 1 отметчики 2 и 3, сдвинутые один относительно другого тяа 180, считывающие датчики УГЛОВ1 положения отметчиков 4, 5 и б, два из которых (4 и 5 расположены на одной линии, параллельной оси вала 1, а третий датчик б смещен по окружности относительно датчика 4 на 18Q°.

Измерительная .схема выполнена в виде формирователей сигналов 7, 8 и

9,триггеров-преобразователей 10, 11 и 12, триггеров-блокираторов 13 и 14 ключей 15, 16 и 17, генератора опорной частоты 18, реверсивного 19 и суммирующего 20 счетчиков, схем управления 21 и формирования времени индикации 22, генератора 23 кода заданного постоянного числа, делительного 24 и множительного 25 блоков, схемы индикации 26.

Устройство работает следующим образом.

При вращении торсионного.вала 1 .отметчики 2 и 3 поочередно проходят около датчиков. 4, 5 и 6 и возбуждают в них двуполярные дифференцированные импульсы, проходящие через формирователи 7, 8 и 9.

При любом начальном положении вала полный цикл работы измерительной схемы начинается только после взаимодействия отметчика 2 и датчика 4. Из формирователя 7 импульс управления поступает одновременно на один из входов триггеров-преобразователей

10,11 и 12 и триггера-блокиратора .14. Выходы триггеров-преобразователей 10 и 12 переходят из нулевых уровней в единичные,«которые открывают ключи 15 и 17, заполняющие импульсами генератора опорной частоты 18 соответственно прямой счетный вход реверсивного счетчика 19 и счетный вход суммирующего счетчика 20. Одновременно единичный уровень с выхода триггера 10 поступает на пусковые входы триггера-преобразователя 11 и триггера-блокиратора 13. При этом триггер-блокиратор 13 блокирует работу триггера-преобразователя 10 по пусковым входам. В течение следующей половины периода вращения торсиона 1 импульс с формирователя 8 переводит нулевой выход триггера-преобразователя 11 на единичный и устанавливает в исходное состояние триггерпреобразователь 10. При этом триггерблокиратор 14 блокирует триггер-преобразователь 11 по пусковым входам. Импульс с формирователя 9 устанавливает в исходное состояние триггерпреобразователь 12. После установки триггеров-преобразова телей 10 и 12 в исходные состояния и переключения нулевого выхода триггера-преобразователя 11 на единич Ный происходит закрытие ключей 15 и 17 и открытие ключа 16, через которы происходит заполнение импульсами генератора опорной частоты 18 реверсив ного счетчика 19 по входу обратного счета. По заверчаении полного оборота вал 1 импульс с формирователя 7 возвраща ет триггер-преобразователь il в исхо ное состояние, а последний закрывает ключ 16. Поскольку триггеры-блокираторы 13 и 14 в течение первого перио да вращения вала изменяют состояние выходов на обратное, они блокируют установочные входы триггеров-преобра зователей 10, 11 и 12. После возврата триггера-преобразователя 10 в исходное состояние на один из входов cxeivM управления 21 поступает его. им пульс в виде спада единичного состоя ния выхода, который дает команду на проведение операции деления кода заданного генератором 23 постоянного числа на код числа импульсов, поступивших на счетный вход счетчика 20 за первый полупериод вращения вала Операция деления производится арифме тическим устройством 24. После возврата тррггера-преобразователя 11 в исходное состояние его импульс в виде спада единичного выхода поступает одновременно .на входы схем управления 21 и формирования времени индика ции 22. Еыход схемы управления выдает команду на включение арифметического блока 25, производящего операци перемножения кодов чисел частного и разности количества импульсов на выходе реверсивного счетчика 19. Произ ведение поступает на схему индикации 26. Пересчетное устройство 22 через опреде.ленное (заданное время индикации) выдает команду на схему управле ния 21, которое устанавливает в исходное состояние триггеры-блокираторы 13 и 14 и счетчики 19 и 20. При вращении нагруженного торсион ного вала 1 (фиг.1) отметчики углов положения 2 сдвигаются относител но исходного взаимного положения. С одной стороны половины окружности УГОЛ между отметчиками равен (фиг.21 % Фо- -Д 3 с другой - Ч.З, Величина крутящего момента пропорциональна разности угловых положений отметчиков 2 и 3. AA--C(vf,-iJi)C()-(4o-&V)C 2д, U) де С - коэффициент пропорциональности;, углы взаимного положение} отметчиков на торцах торсиона под нагрузкой; fo- исходный угол взаимного положения осей отметчиков без нагрузки равный угол скручивания вала. Угловые интервс1лы Y / fa и Фд 180 (фиг.2) с помощью отметчиков и 3, датчиков считывания 4, 5 и 6« формирователей сигналов 7, 8 и 9, а также триггеров 10, 11 и. 12 преобразуются во временные интервалы (см.фиг.За и {f ) текущими длительностями4.- , i - чч . I -fiTCh 2и -ажи а геи где i/, irt и I время прохождения отметчиками углов Ч. РгИ «РО при средней частоте вращения торсиона за период, с; Vi - частота вращения торсиона. ; 21 - радианная мера угла, Фронты и спады импульсов триггеров-преобразователей 10, 11 и 12 управляют ключами 15, 16 и 17, пропускаюищми импульсы стабильной высокой частоты опорного генератора 18 на счетные входы реверсивного счетчика 19 и суммирующего 20. На фкг.3(6яг) показаны осциллограммы заполнения счетчиков 19 и 20 высокочастотными импульсами. При нагружении вала 1 количества этих импульсов на счетных входах счетчика 19 за один оборот вала соответственно равны: V-t o--; Ni--ti-fo- 5, где N, количества импульсов, прошедших на входы прямого и обратного счета/ - стабильная высокая часО4тота, с . За один оборот торсионного вала реверсивный счетчик фиксирует разность количества импульсов первого

и второго полупериодов его вращения равную

(2}

a-RTu Эта разность зависит сразу от дву переменных параметров: угла скручива ния момента) и частоты вращения ТОР СИОН а, - и поэтому ее величина не может служить мерой крутящего момент Для исключения этой неопредегенности в измерительную схему вшедены суммирующий счетчик 20, блок постоян ного числа 23, делительный 24 и множительный 25 блоки. Счетчик 20 суммирует в течение полупериода вращения вала i количест ва импульсов (3) Блок 23 выдает код постоянного д данного режима числа равного (4 о На фиг. 3 Сд HTkJ видно, что с завершением полного оборота торсионно .го вала 1 .формируется код числа раз ности импульсов, представленный ввлр жением (2 и код частного от деления выражений (4 и (3) равный )- .5) Дальнейшее повторение цикла измерения заблокировано триггерами 13 и 14i Во время паузы происходит перемножение кодов чисел выражений 2). и (5), исключающее зависимость момента от скорости вращения вала ,,..m.i|k-.,,.. (е) Выражая угол скручивания торсиона через переменные сомножители и подставляя его в формулу (1), получают окончательную зависимость между моментом и показаниями индикатора M--ca tj--CikNx--CiNnHA,t (-7) где - код на выхсэде или- число, показываемое индикaтopoм . масштаб единицы индикатор Повторение цикла измерения крутящ го момента согласно графику :(фиг.3 становится возможным после окончания выдержки времени, задаваемой схемой 22, и последукедего поступления управ ляющего импульса с формирователя 7 (см.фиг.1). Время выдержки-fc цд выби рается большим для цифрового индикат ра и меньшим при передаче информации на цифропечать или регулятор крутящего момента. Предлагаемое устройство позволяет расширить динамический диапазон частот вргидения вала и получить возможность изкерения момента на всех час:тотах, . в том числе на тех, период которых не кратен времени суммирова.ния разностей чисел импульсов. Формула Изобретения Устройство для измерения крутящего момента, содержащее схему инда1кации, расположенные на валу и сдвинутые относительно друг друга на 180 первый и второй отметчики угла положения вала, два датчика считывания, расположенные на одной линии, параллельной оси вала, и измерительную схему, включающую первый и второй триггеры-преобразователи, связанные своими нулевыми выходами с первыми входами двух управляемых ключей соответственно, вторые входы которых связаны с выходом генератора опорной частоты, а выходы связаны с первым и вторым входами соответственно реверсивного счетчика, кроме того, выход генератора опорной частоты связан с вторым входом схемы формирования времени индикации, выход которой связан с первым входом схемы управления, а первый вход связан с нулевым выходом I второго триггера-преобразователя, единичный выход которого связан с tj третьим входом первого триггера-преобразователя, нулевой выход первого триггера-преобразователя связан с. вторым входом второго триггера-преобразователя и вторым входом схемы управления, нулевой выход второго тригirepa-преобразователя связан-tj третьим входом схемы управления, о т л и чающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерений, оно снабжено третьим датчиком считывания, который сдвинут на 180 относительно второго датчика считывания, а в измерительную схему введены три формирователя сигналов, связанные своими входами с тремя датчиками считывания, третий триггерпреобразователь, два триггера-блокиратора, третий управляемый ключ, суммирующий счетчик, генератор кода заданного постоянного числа, делительный и множительный блоки, причем выход первого формирователя сигналов связан с четвер1ым входом первого триггера-преобразователя и первыми входами второго триггера-преобразователя и первого триггера-блокиратора, выход второго формирователя сигналов вязан с вторым входом первого триггера-преобразователя, четвертым вхоом второго триггера-преобразователя, ервым входом второго триггера-блокиатора и вторым входом третьего тригг-ера-преобр зтэвателя, третий выход

.которого связан с выходом треj.Tbero формирователя сигналов, единичный выход первого триггера- блокиратора связан с первыми входами первого и третьего триггеров-преобразователей , единичный выход второго триггера-блокиратора связан с третьим входом второго триггера-преобразователя, нулевой выход третьего триггера-преобразователя связан с вторь м входом третьего управляемого ключа, первый вход которого связан с выходом генератора опорной частоты а .выход - с вторым- входом суммирующего счетчика, вторые вхо.цы первого и второго триггеров-блокираторов связавы с нулевым выходом первого и второго триггеров-преобразователей соответственно, первый выход схемы управления связан с первым входом Делительного блока, второй выход связан

с вторым входом множительного блока, а третий выход связан с первым входом суммирующего счетчика, с третьими входами триггеров-блокираторов, выход суммиругацего счетчика связан с вторым входом делительного блока, третий вход которого связан с выходом генератора кода заданного постоянного числа, а выход - с третьим входом множительного блока, первый вход ко-г торого связан с выходом реверсивного счетчика, а выход - со входом схвюл индикации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Фролов Л.Б, Измерение крутящего момента. М., Энергия, 1967, с. 4356.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке №2895782/18-10/039332/кл G 01 L 3/10, 19.03.80 (прототип)

Риг.1