книги / Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин

трода дифферен­ циального ЕД

14.ИЗМЕРЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

ИПЕРЕДАВАЕМОЙ МОЩНОСТИ

Крутящий момент измеряется главным образом на промышленных установках - для контроля производственного процесса или управления им. При этом применяются датчики крутящего момента, органически вхо­ дящие в состав установки. Так как крутящие моменты измеряются на вра­ щающихся элементах установок, а выходной сигнал необходимо подать на неподвижную часть установки, то предпочтительнее применять электриче­ ские чувствительные и преобразующие устройства, позволяющие сравни­ тельно просто и надежно осуществить эту передачу.

Выходной сигнал с вращающейся части установки на неподвижную можно передавать контактным путем (токосъемные кольца и щетки и ртутные токосъемники) и бесконтактным. Более надежным и перспектив­ ным является бесконтактный съем информации.

Серийно выпускаются в Российской Федерации и других странах фазометрические, тензометрические, индуктивные и магнитоупругие дат­ чики (преобразователи) крутящего момента.

14.1. Фазометрические преобразователи крутящего момента

Принцип работы преобразователей основан на измерении угла за­ кручивания (скручивания) упругого отрезка вала (торсиона) под действием передаваемого крутящего момента:

МЛ ф = GJ,

где Ф - угол скручивания на измерительной базе; / - длина измерительной базы, см;

Мк - крутящий момент, Н ем;

G - модуль упругости второго рода, Н ем'2* Jp - полярный момент инерции, см4

Конструктивно механическая часть этого типа датчиков - преобра­ зователей крутящего момента - представляет собой упругий вал (торсион). к двум сечениям которого на измерительной базе / прикрепляются зубча­ тые индукторы, или светомодулирующие диски, или магнитные барабаны. При вращении индукторов в чувствительных элементах (катушках с по­ стоянными магнитами или фотоэлементах или магнитных головках) наво­ дятся две импульсные последовательности переменных ЭДС, сдвиг по фа­ зе которых пропорционален углу скручивания торсиона. Возможная струк­ турная схема преобразователя представлена на рис. 14.1.

Сигналы от чувствительных элементов Ugi, U& поступают на входы формирователей 1. На выходе формируются прямоугольные импульсы с

фронтами, соответствующими по времени моменту перехода амплитуды переменной ЭДС через нуль. Выходы формирователей 1 соединены со входами схемы 2 формирования временного интервала. При нулевом кру­

тящем моменте импульсные последовательности сдвинуты одна относи­ тельно другой на 180° и на выходе формирователя временного интервала образуются прямоугольные импульсы типа меандра со скважностью, рав­ ной двум. При приложении крутящего момента ширина импульсов изме­ няется пропорционально моменту, причем положительному моменту соот­ ветствует большая длительность импульса, чем у меандра, а отрицатель­ ному моменту - меньшая. Так обеспечивается реверсивный режим работы. С выхода формирователя 2 сигнал поступает на преобразователь 4 пере­

менного напряжения в среднее значение напряжения постоянного тока. Далее сигнал, пропорциональный углу скручивания ср, поступает на мас­ штабирующий усилитель 5 и указатель Мк.

Сигнал прямоугольной последовательности от Ug2 поступает также на одновибратор 3, на выходе которого формируются импульсы с посто­

янной вольт-секундной площадью, частота которых равна частоте враще­ ния торсиона. Выход схемы 3 подключен к схеме выделения среднего уровня 4' и далее через масштабирующий усилитель 5' к указателю часто­ ты вращения со. Одновременно анатоговые сигналы с выхода 5 и 5' пода­ ются на аналоговый перемножитель 6 и через третий масштабирующий усилитель 7 на указатель мощности Р.

При цифровом исполнении вторичного преобразователя узлы 3 - 7 отсутствуют. Выходной сигнал схемы формирования временного интерва­ ла стробирует по времени счетные импульсы генератора стабильной час­ тоты, поступающие на вход счетчика. Количество импульсов, записанных в счетчике за измеренный интервал, пропорционально Мк. Канал измере­

ния частоты вращения построен по принципу электронного частотомера: здесь за фиксированный интервал времени (0,1; 1 с) производится подсчет импульсов одной из последовательностей.

Фазометрические датчики характеризуются малой приведенной по­ грешностью ±(0,2 f 1) %, имеют лучшую линейность, высокую надеж­ ность. Могут эксплуатироваться в тяжелых условиях (на борту летатель­ ных аппаратов, судов, вблизи от газотурбинных двигателей). Существен­ ными недостатками этих датчиков являются невозможность их работы в статике (торсион не вращается) и сложность градуировки.

Втабл. 14.1 приведены технические характеристики фазометриче­ ских датчиков, разработанных в Российской Федерации, Швеции, США и Японии. Датчик АЕМ-1 предназначен для валов большого диаметра и от­ личается конструкцией чувствительных элементов.

Вдатчике ЕНР (США) предусмотрена компенсация температурных изменений упругих свойств торсиона и исключение ошибки, возникающей из-за перекоса осей торсиона и статора. Механическая система состоит из трех индукторов: позиционного, опорного и моментного. Электрическая схема преобразователя при этом значительно усложняется.

Фазометрический датчик DSTP (Япония) позволяет производить градуировку всего комплекса без вращения вала. Механическая часть представляет собой торсион, на базе / которого жестко установлены зубча­ тые магнитопроводы ротора, концентрично которым расположены магнитопроводы статора с магнитными головками. При вращении вспомога­ тельного магнитопровода относительно статора в статорных обмотках на­ водятся последовательности переменных напряжений, сдвиг фаз которых зависит ог скручивания торсиона.

Датчик ДКМ-Ф (Россия) встраивается в испытуемую конструкцию с Помощью фланцев. Электронная схема преобразователя цифро-аналоговая.

Цифровой измеритель крутящего момента и частоты вращения (Рос­ сия) также встроен в испытуемую конструкцию с помощью шлицевых концов торсиона. Чувствительным элементом является фотоэлектрический преобразователь с двумя перфорированными дисками, закрепленными на базе /. Лампочка и фотодиоды закреплены в статоре. Электронный преоб­ разователь цифровой.

14.2. Тензометрические преобразователи крутящего момента

Принцип действия преобразователей этого типа основан на измере­ нии относительной деформации кручения упругого торсиона под действи­ ем приложенного крутящего момента. Зависимость относительной дефор­ мации от крутящего момента и жесткости торсиона имеет следующий вид:

- П9 -

где ег- относительная деформация кручения, см/см; Мж- крутящий момент, Н-см;

D - наружный диаметр торсиона, см;

G - модуль упругости второго рода, Н-см'2; Jp - полярный момент инерции, см4

Чувствительный элемент преобразователя выполняется в виде четы­ рехплечевого моста, наклеенного на наружную поверхность торсиона. Вы­ ходное напряжение тензомоста пропорционально деформации кручения и напряжению питания:

t/вых —к т ег Ufa

где к - коэффициент тензочувствительности; т - число активных датчиков в схеме моста; Un- напряжение питания моста, В.

В зависимости от способов передачи информации с вращающегося вала тензорезисторные преобразователи крутящего момента можно разде­ лить на три группы: с амплитудной модуляцией сигнала разбаланса тензо­ моста, с частотной и широтно-импульсной модуляцией сигнала. При ам­ плитудной модуляции сигнала преобразователь предельно прост, на валу размещаются тензомост и две вращающиеся обмотки трансформаторов. Один трансформатор передает напряжение питания моста, с другого сни­ мается выходное напряжение на измеритель. Однако этот способ передачи сигнала имеет слабую помехозащищенность.

Значительно лучшей помехозащищенностью обладают преобразова­ тели с частотной модуляцией. Блок-схема вращающейся части таких уст­ ройств включает в себя, кроме тензомоста, блок питания постоянного тока, усилитель напряжения постоянного тока и преобразователь усиленного напряжения разбаланса моста в частоту. Канал передачи информации мо­ жет быть выполнен как трансформаторный, емкостный или оптический. В качестве блока питания можно использовать закрепленную на валу акку­ муляторную батарею. Частота питающего напряжения меняется в широких пределах (50 Гц - 160 кГц). Частоту выходного сигнала выбирают в диапа­ зоне 6 кГц - 10 Мгц.

Кроме основного канала измерения крутящего момента, тензорези­ сторные преобразователи оснащаются дополнительным каналом измере­ ния частоты вращения в виде зубчатого колеса (индуктора) и магнитной головки.

Тензометрические преобразователи характеризуются хорошими мет­ рологическими характеристиками: приведенной погрешностью (0,1 ± 1) %, температурным дрейфом коэффициента преобразования и нуля = 0,05 - 0,2 %. К преимуществам можно отнести большую крутильную жесткость, возможность градуировки без вращения торсиона, проверку работоспо­ собности, установку нуля и калибровку всего измерительного тракта дис-

тандионным подключением калибровочного резистора в одно из плеч тензомоста.

Модель 1200А (США) измеряет крутящий момент, колебания мо­ мента, осевое усилие. Питание вращающейся части и выходной сигнал с нее передается одной антенной с разделением частот: 16 кГц - питание, 10,7 Мгц - выходной сигнал. Конструктивное расположение и крепление деталей позволяет подвижной части работать с центробежным ускорением до 15000 g.

T30FN (ФРГ) - модульная тензометрическая система измерения кру­ тящего момента, частоты вращения и мощности. Напряжение питания час­ тоты 13 кГц подается на вращающуюся часть с помощью вращающегося трансформатора. Напряжение выходного сигнала через емкостную антенну поступает в блок обработки. Частота выходного напряжения при измене­ нии крутильного момента от - А/к. ноМдо + А/*, „ом изменяется от 5 до 15 кГц, причем частота 10 кГц соответствует нулевому Л/к. В блоке обработки выходной сигнал преобразуется в постоянное напряжение ±10 В пропор­ ционально Мк.

В зависимости от поставленной задачи система может быть скомпо­ нована для измерения крутящего момента, частоты вращения и мощности.

Тензометрическая система для измерения крутящего момента типа MMS 9372 встраивается с помощью двух фланцев в объект измерения. На­ пряжение питания 220 В, 50 Гц с помощью вращающего трансформатора подается на подвижную часть датчика, далее оно выпрямляется, стабили­ зируется и питает генераторный модуль. Выходное напряжение генератор­ ного модуля частотой 6,75 кГц является источником питания тензомоста. Выходной сигнал моста поступает на второй генераторный модуль и меня­ ет его выходную частоту на ±2 кГц. Таким образом, частота выходного сигнала подвижной части (6,75 ±2) кГц через вращающийся трансформа­ тор поступает в блок частотного дискриминатора, в котором выделяются частотный и аналоговый сигнал для дальнейшего измерения.

Система для измерения крутящего момента и частоты вращения мо­ дели 1607-100К (США) включает в себя датчик и электронный блок. Дат­ чик состоит из торсиона с тензомостом и статора, закрепленного на торсионе с помощью подшипников. Для встраивания в испытуемый объект торсион заканчивается шлицевыми полувалами. На торсионе крепятся ин­ дуктор и первичные обмотки вращающихся трансформаторов, на статоре - вторичные обмотки вращающихся трансформаторов, магнитная головка частоты вращения торсиона и разъем для соединения с электронным бло­ ком.

Система MCRT-17-02T (США) служит для измерения крутящего момента частоты вращения, мощности и работы. Конструкция датчика (механическая) аналогична конструкции предыдущей модели. Выходные сигналы Мк и со поступают в быстродействующий цифровой измеритель-