Устройство для измерения крутящего момента и мощности

Устройство для измерения крутящего момента и мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И МОЩНОСТИ, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоянного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно и,ндипатору, один вход которого через один резистор подключен к. одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя, одно положение которого соединено с источником постоянного напряжения, а другое - с датчиком частоты вращения вала, причем выхоры импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения влияния крутильн лх колебаний вала, в него введены датчик направления вращения вала, второй источник постоянного напряжения и две схемл равнозначности, при этом электронный ключ оборудован вторым выходом, а в переключатель введено второе направление, одно положение jcofopoго связано с датчиком направления вращения вала, другое с вторым источником постоянного напряжения, а вход второго направления переключателя связан с одними входами обеих схем равнозначности, другие входы которых соединены с соответствующими выходами электронного ключа, а выходы - соответственно с одним СП выводом второго резистора и с вторым входом индикатора, к которому через третий резистор подключен вход переключателя, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угловым смещением, . равным П J +

союз советскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1101695 А (5 ) G 01 Ь 3/10; G 01 1„3/24

ГОсудАРстВенный кОмитет сссР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

J(Ы ьИЫ НО г И %

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

g + (2п + 1) --2-, р где (21 ) 356559 3/18" 10 (22) 14.03.83 (46) 07.07.84. Бюл. Р 25 (72) A.Н.Никитин и Э.П.Штумпф (71) Ленинградское .ордена Октябрьской

Революции высшее инженерное морское училище им. адм. С.О.Макарова (53) 531.781(088.8) (56 ) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 209812, кл. G 01 1 3/10, 1965, 2. Авторское свидетельство СССР

Р 664063, кл. G 01 I„ 3/24, 1977 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И МОЩНОСТИ, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, . датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоянного . напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно индикатору, один вход которого, через один резистор подключен к, одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя, одно положение которого соединено с источником постоянного напряжения, а другое - с датчи ком частоты вращения вала, причем выходы импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повыJ шения точности путем уменьшения ! влияния крутильных колебаний вала, в него введены датчик направления вращения вала, второй источник постоянного напряжения и две схемы равнозначности, при этом электронный ключ оборудован вторым выходом, а в переключатель введено второе направление, одно положение которого связано с датчиком направления вращения вала, другое с вторым источником постоянного напряжения, а вход второго направления переключателя связан с одними входами обеих схем равноз начности, другие входы которых соединены с соответствующими выходами электронного ключа, а выходы — соответственно с одним выводом второго резистора и с вторым входом индикатора, к которому через третий резистор подключен вход переключателя, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным.- угловым смещением,. равным

0 = о" - угол взаимного смещения импульсных датчиков меток, отсчитываемый в плоскости, параллельной плоскости дисков

4=0,+1,+2, p — угол между смежными меткамк на дисках; взаимное угловое, смещение дисков при отсутствии нагрузки на валу.

1101695

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может использоваться для измерения средних значений крутящего момента и мощ" ности вращающегося в произвольном направлении вала различных двига-" тельных установок.

Известно устройство для измерения крутящего момента и мощности, которое содержит упругий вал, два закрепленных на концах вала измерительных диска, два датчика считывания меток и измерительную схему t1) °

Недостаток этого устройства— низкая точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска 20 с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоян- 25 ного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно индикатору, один вход которого через один резистор подключен к одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя одно положение которого соединено с источником постоянного напряжения, а другое — c датчиком частоты вращения вала, причем выходы импульсных датчиков меток подключены к соответствующим входам электронного ключа t.23.

Недостатком известного устройства 4О является низкая точность, обусловленная ложными срабатываниями измерительной схемы при возникновении крутильных колебаний вала. . Цель изобретения — повышение точ- 45 ности путем уменьшения влияния крутильных колебаний вала.

Указанная цель достигается за счет того, что в устройство для измерения крутящего момента и мощности, содержащее вал с упругим участком, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными но окружности, два импульсных датчика меток, установленных стационарно, датчик частоты вращения вала, электронный ключ, источник постоянного напряжения, переключатель на два положения, три резистора, индикатор и конденсатор, который включен параллельно индикатору, один вход которого через один резистор подключен к одному выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к входу переключателя, одно положе- 5 ние котЬрого соединено с источником постоянного напряжения, а другое — с датчиком частоты вращения вала, причем выходы импульсных датчиков меток подключены" к соответствующим входам электронного ключа, введены датчик направления вращения вала, второй источник постоянного напряжения и две схемы равнозначности, при этом электронный ключ оборудован вторым выходом, а в переключатель введено второе направление, одно положение которого связано с датчиком направления вращения вала, другое - с вторым источником постоянного напряжения, а вход второго направления переключателя связан с одними входами обеих схем равнозначности,.другие входы которых соединены с соответствующими выходами электронного ключа, а выходы - соответственно с одним няводом второго резистора и с вторым входом индикатора, к которому через третйй резистор подключен вход переключателя, причем импульсные датчики меток установлены с взаимным угловым смещением, равным

Ы;= у + (2п + 1)-2 р

Ы, - угол взаимного смещения импульсных датчиков меток, отсчитываемый в плоскости, параллельной плоскости дисков; ь= О, +1, +2, р - угол между смежными метками на дисках; взаимное угловое смещение дисков при отсутствии нагрузки на валу. где

Устройство для измерения крутящего момента и мощности содержит йервый 1 и второй 2 измерительные диски, участок упругого вала 3, импульсные датчики 4 и 5 меток, элек« тронный ключ 6, первую 7 и вторую 8 схемы равнозначности, первую 9 и вто-. рую 10 схемы совпадения, индикатор 11, конденсатор 12, три постоянных резистора 13 - 15, датчик 16 частоты вращения вала, датчик 17 направления вращения вала, узел 18 блокировки, источники 19 и 20 постоянного напряжения, переключа-. тель 21 рода измерений.

Измерительные диски 1 и 2, укрепленные на концах упругого вала 3, На фиг.1 приведена структурная схема устройства для измерения крутящего момента и мощности; на фиг.2 — разрез

A-A и Б-Б на фиг. 1 (схема установ ки импульсных датчиков меток); на фиг. 3 - амплитудно-временные диаграмьн, поясняющие работу устройства в режиме измерения момента.

1101695 служат для линейного преобразования угла закручивания участка вала 3 в угловой сдвиг между метками на дисках.

Импульсные датчики 4 и 5 меток регистрируют проходящие мимо них при вращении валы метки путем формирования короткого импульса на выходе.

Элек ронный ключ б выполнен на триггере с раздельными входами и формирует на неинвертирующем выходе сигнал, пропорциональный по длительности фазовому сдвигу импульса от датчика 5 относительно импульса от датчика 4.

Г„= 4 Ь.Ъ, где а, Ъ вЂ” соо ветствующие ходные сигналы; предназначены для управления инверсией сигналон, поступающих с выходов электронного ключа 6.

Схемы 9 и 10 совпадения, каждая иэ которых реализует на выходе логическую функцию вида

F2 Ь ! где а, Ь - соответствующие входные сигналы,, предназначены для отключения индикатора 11 при поступлении с выхода устройства 18 блокировки сигнала логического нуля и выполнены на логических элементах И-НЕ с откры-. тым коллекторным выходом.

Резистор 13 и конденсатор 12 образуют усредняющую цепь и выделяют постоянную составляющую напряжения в измерительной диагонали моста.

Индикатор 11 служит для измерения величины и знака постоянной составляющей напряжения в измерительной диагонали моста.

Резисторы 14 и 15 одинакового со° противления образуют два верхних плеча моста, у которого два нижних плеча образованы коллекторными выходами схем 9 и 10 совпадения.

Датчик 16 частоты вращения вала служит для преобразования частоты вращения вала в пропорциональное напряжение постоянного .тока постоянной полярности и осуществляет амплитудную модуляцию напряжения в измерительной диагонали моста в режиме измерения мощности на валу. Выходное напряжение, датчика 16 частоты вращения вала при номинальной частоте вращения вала равно по величине напряжению 19. Реализация такого устройства возможна, например,на основе жцущего мультивибратора и фильтра низких частот.

40

45 дующим образом.

Если вал вращается с частотой, превышающей заданный порог узла 18 блокиронки, то оно вырабатывает на ныходе сигнал высокого логического

50 УРовнЯ 61в

Пусть йередний фронт импульса напряжения U< от импульсного дат» чика 4 меток устанавливает электронный ключ 6 в состояние с положительным напряжением на неинвертирующем

55 . выходе, а передний фронт импульса напряжения V от импульсного датчи5 ка 5 меток возвращает электронный ключ б н состояние с нулевым на:пряжением на неинвертирующем вы60 ходе фиг. 3; 0<, V< ) °

При вращении ненагруженного вала сигналы от импульсных датчиков 4 и 5 меток сдвинуты по фазе на угол Ti за счет их начальной ф5 1установки с относительным смещениСхемы 7 и 8 равнозначности, каждая иэ которых реализует на выходе логическую функцию вида

Датчик 17 направления вращения вала формирует на выходе сигнал логической единицы при вращении вала н направлении, условно принятом за положительное, и сигнал логического нуля при вращении вала в противоположном направлении. Это устройство может быть реализовано, например, на основе тахогенератора постоянного тока со схемой определения полярности его выходного напряжения..

Узел 18 блокировки формирует на выходе сигнал логической единицы, если частота вращения вала превышает некоторое заданное пороговое ,значение, ниже которого вал счита,ется неподвижным, и сигнал логического нуля — н противном случае. Это устройство может быть реализовано, например, на основе селектора длительности.

Источник 19 постоянного напряжения служит для питания измерительно-, го моста н режиме измерения крутящеro момента, а источник 20 постоянного напряжения - для создания напряжения уровня логической единицы, которое подается на входы схем 7 и 8 равнозначности н режиме измерения мощности.

Кроме того, импульсные датчики

4 и 5 меток установлены с взаимным угловым смещением (фиг.2) вС= т + (2n + 1)--b

2 где т — угол смещения измерительных дисков при отсутствии н а груз ки н а валу;

n=0 +1, 12 ° — угол между смежными метками на измерительном диске.

Устройство для измерения крутящего момента и мощности работает сле1101б95 ем А —.1., кратным половине полюсного деления p/2. При этом электронный клю б переключается со скважностью, равной двум, и длительность положительных импульсов на его неинвертирующем выходе равна длительности положительных импульсов на инвертирующем выходе "6 т.е. т 7 = м

6 Ь

Эти импульсы поступают на первые входы схем 7 и 8 разнозначности. Пусть вал вращается с частотой > О, тогда на выходе датчика 17 направления вращения вала вырабатывается напряжение высокого логического уровня U 1, поступающее в режиме измерения крутящего момента на вторые в3соды схем 7 и 8 равнозначности через переключатель 21 рода измерений. При этом схемы 7 и 8 равнозначности не инвертируют входные сигналы от электронного ключа б, и длительность положительных импульсов на их выходах соответственно равна

20

1 6 е

Таким образом, в измерительной 40 диагонали моста, куда включены последовательно резистор 13 и конденсатор 12, действует знакопеременное напряжение прямоугольной форма, среднее значение которого равно 45

К К

Ц у< Ои("в " о) 2> и(ь 6) где У - напряжение питания измерии тельного моста; 50

К - коэффициент пропорциональ-. ности.

При этоМ показания индикатора пропорциональны напряжению О,„

k1„RN

2Б

55. где К „ коэ ффициент, пропорциональности.Поскольку при ненагруженном ва- О0 ле 6= в, то О, =О.

«

При изменении йаправления вращения вала картина фазовых сдвигов сигналов от датчиков не изменяется, и по-прежнему выполняется равенство 65

Эти импульсы поступают на первйе 30 входы схем 9 и 10 совпадения.

Поскольку на их вторые входы поступает сигнал Пав =1 от узла 18 блокировки, то длительность их выходных сигналов положительного уровня равна соответственно

9 1

1О В= 6 — при этом аналогично случаю

И „„=0.

В режиме измерения мощности на вторые входы схем 7 и 8 разнозначности поступает напряжение высокого логического уровня U =1 с выхода второго источника 20 постоянного напряжения через переключатель 21 рода измерений, поэтому выходные сигH "7 i "в i "э i "«анало гичны случаю измерения крутящего момента при w 0 если вал ненагружен, то среднее значение напряжения в измерительной диагонали моста и показания индикатора 11 остаются нулевыми.

Несложно показать, что в общем случае в режиме измерения крутящего момента показание индикатора 11 равны о„„= a«u„,ч(и„-u„), а в режиме измерения мощности

= К . К ° I ш).Ч (U„- U ), где Ч - угол, закручивания вала;

U„- управляющий логический сиги чл, подаваемай на вторые входы схем 7 и 8 равнозначности через переключатель 21 рода измерений от устройства 17 определения направления вращения вала в режиме измерения момента и второго источника 20 постоянного напряжения в режиме измерения мощности1

К, — постоянный коэффициент;

w †.частота вращения вала.

Кроме того, в предлагаемом устройстве при любых сочетаниях направлений вращения вала и крутящего момента соблюдаются равенства

sign (u„) = sign (м) или

S ign (U „, ) Sign (Ne) т. е. направление отклонения стрелки индикатора 11 соответствует знаку крутящего момента или мощности на валу при любом направлении вращения вала.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение точности измерений при наличии крутильных колебаний вала. Пусть вал вращается по часовой стрелке и совершает крутильные колебания с амплитудой Ч„, при этом средний крутящий момент пусть будет рав.ным нулю (N--0). Пусть также частота импульсов от датчиков 4 и 5 меток намного превышает частоту крутиль-ных колебаний, что обычно достигается в подобных устройствах выбором соответствующего числа меток на измерительных дисках для заданного

1101695 дгапазона частот вращения вала и постоянная времени цепи R13C12 во много раз превышает период крутильных колебаний.

В предлагаемом устройстве при

М„$0 показания индикатора 11 пропорционалвны углу Ч„, а при „ < 0 углу (- Ч„) с учетом знака, поэтому для сречнйх показаний справедливо гт((".+ Ч

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает существенное повышение точности измерений при наличии крутильных колебаний вала, что позволяет использовать его в установках, для которых сильные крутильные колебаний. вала являются неиз. бежными (например, для измерения средних значений крутящего момента и мощности на гребных валах судов с

10 двигателями внутреннего сгорания).

1101695 б- (Уках

ВНИИПИ Заказ 4754/26 Тираж 823 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.Проектная, 4