Устройство для измерения крутящего момента

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А.Белого НАН Беларуси(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси(57) Устройство для измерения крутящего момента, содержащее усилитель, управляемый генератор и измерительный мост, второй выход измерительной диагонали которого соединен с первым входом усилителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены повторитель, блок автоматической регулировки выходного напряжения, стабилизатор, первый вращающийся трансформатор, второй индуктивный вращающийся трансформатор с контактными выводами для включения в питающую сеть, а также измерительный блок, первый выход измерительной диагонали моста соединен со вторым входом усилителя, первый выход усилителя соединен с первым входом управляемого генератора, первый выход которого соединен с первым входом 741 повторителя, первым входом первого вращающегося трансформатора и первым входом блока автоматической регулировки выходного напряжения, первый выход последнего соединен со вторым входом управляемого генератора, первый выход повторителя соединен с первым входом питающей диагонали измерительного моста, при этом первый выход стабилизатора соединен с питающей шиной усилителя, управляемого генератора, повторителя и блока автоматической регулировки выходного напряжения, входы стабилизатора подключены к выходам второго индуктивного вращающегося трансформатора, выходы первого вращающегося трансформатора соединены со входами измерительного блока, а второй вход питающей диагонали измерительного моста, второй выход усилителя, второй выход стабилизатора, второй вход первого вращающегося трансформатора, вторые входы и выходы управляемого генератора, повторителя, блока автоматической регулировки выходного напряжения соединены с шиной нулевого потенциала.(56) 1. Одинец С.С. и др. Средства измерения крутящего момента. - М. Машиностроение, 1977. 2. А.с. СССР 453648, МПК 01 27/00, 1974 (прототип). Полезная модель относится к измерительной технике, связанной с силоизмерением, и может быть использована для бесконтактного измерения крутящего момента вращающихся валов механизмов машин, например в машинах трения. Известно устройство для измерения крутящего момента, содержащее усилитель, управляемый генератор и измерительный мост, выход измерительной диагонали которого соединен с первым входом усилителя 1. Основным недостатком известного устройства является низкая точность и узкий динамический диапазон измерения крутящего момента из-за наличия дополнительного преобразования путем моделирования в высокочастотный сигнал с последующей передачей и демодуляцией в измерительном блоке. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой модели является преобразователь малых приращений сопротивления в частоту, содержащий усилитель, управляемый генератор, измерительный мост, в плечо питания которого включена преобразуемая величина, а измерительная диагональ последнего соединена с первым входом усилителя 2. Недостатком известного устройства для измерения крутящего момента является сравнительно узкий динамический диапазон измерения, а также низкая точность. Изменение частоты управляемого генератора при этом оказывает существенное влияние на изменение уровня выходного напряжения генератора, которым записывается измерительный мост. Изменение напряжения питания измерительного моста вносит погрешность в измерение момента, которая значительно снижает точность. Необходимо также отметить, что применение импульсного трансформатора в управляемом КСгенераторе имеет во многих случаях удовлетворительные метрологические характеристики (узкий динамический диапазон изменения частоты и низкую частоту преобразования), а также трудность передачи информации с помощью вращающихся трансформаторов без предварительного преобразования. Далее отметим,что питание измерительного моста через импульсный трансформатор приводит к появлению паразитного сигнала, обусловленного наличием межобмоточной емкости, которая, поступая на выход усилителя, вносит погрешность в процесс измерения, снижая тем самым точность и сужая динамический диапазон измерений. Задачей настоящей полезной модели является повышение точности и расширения динамического диапазона измерения. Указанная задача решается тем, что в известное устройство для измерения крутящего момента, содержащее усилитель, управляемый генератор и измерительный мост, второй выход измерительной диагонали которого соединен с первым входом усилителя. Согласно полезной модели, в него дополнительно введены повторитель, блок автоматической регулировки выходного напряжения, стабилизатор, первый вращающийся трансформатор, второй индуктивный вращающийся трансформатор с контактными выводами для включения в питающую сеть, а также измерительный блок, первый выход измерительной диагонали моста соединен со вторым входом усилителя, первый выход усилителя соединен с первым входом управляемого генератора, первый выход которого соединен с первым входом повторителя, первым входом первого вращающегося трансформатора и первым входом блока автоматической регулировки выходного напряжения, первый выход последнего соединен со вторым входом управляемого генератора, первый выход повторителя соединен с первым входом питающей диагонали измерительного моста, при этом первый выход стабилизатора соединен с питающей шиной усилителя управляемого генератора,повторителя и блока автоматической регулировки выходного напряжения, входы стабилизатора подключены к 2 741 выходам второго индуктивного вращающегося трансформатора, выходы первого вращающегося трансформатора соединены со входами измерительного блока, а второй вход питающей диагонали измерительного моста, второй выход усилителя, второй выход стабилизатора, второй вход первого вращающегося трансформатора, вторые входы и выходы управляемого генератора, повторителя, блока автоматической регулировки выходного напряжения соединены с шиной нулевого потенциала. Увеличение динамического диапазона девиации частоты и повышение точности измерения обеспечивается введением повторителя блока автоматической регулировки амплитуды, стабилизатора, а также новых связей позволило обеспечить питание измерительного моста стабилизированным по амплитуде переменным напряжением управляемого генератора. Кроме того, подаче на вход управляемого генератора усиленного по амплитуде сигнала разбаланса измерительного моста, совпадающего по фазе и частоте с выходным напряжением управляемого генератора, позволило значительно расширить динамический диапазон. На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения крутящего момента. Устройство содержит измерительный мост 1, усилитель 2, управляемый генератор 3, стабилизатор 4, первый вращающийся трансформатор 5, повторитель 6, блок 7 автоматической регулировки выходного напряжения, второй индуктивный вращающийся трансформатор 8 с контактными выводами для включения в питающую сеть и измерительный блок 9, причем второй выход измерительной диагонали моста 1 соединен с первым входом усилителя 2, первый выход измерительной диагонали моста 1 соединен со вторым входом усилителя 2, первый выход усилителя 2 соединен с первым входом управляемого генератора 3, первый выход которого соединен с первым входом повторителя 6,первым входом первого вращающегося трансформатора 5 и первым входом блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения, первый выход последнего соединен со вторым входом управляемого генератора 3, первый выход повторителя 6 соединен с первым входом питающей диагонали измерительного моста 1, при этом первый выход стабилизатора соединен с питающей шиной усилителя 2, управляемого генератора 3, повторителя 6 и блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения, входы стабилизатора 4 подключены к выходам второго индуктивного вращающегося трансформатора, выходы первого вращающегося трансформатора соединены со входами измерительного блока, а второй вход питающей диагонали измерительного моста 1, второй выход усилителя 2, второй вход первого вращающегося трансформатора 5, вторые входы и выходы управляемого генератора 3,повторителя 6, блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения соединены с шиной нулевого потенциала. Измерительный тензорезисторный мост 1 предназначен для измерения крутящего момента, преобразованного в деформацию измерительного элемента упругости вала при кручении, а этой деформации в изменение электрического сопротивления тензорезисторов, наклеенных на вал, благодаря включению тензорезисторов по мостовой схеме на выходе измерительной диагонали моста 1 получается выходное переменное напряжение, которое пропорционально приложенному крутящему моменту. Сигнал на выходе измерительного моста 1 обычно не превышает единиц милливольт, а для работы управляемого генератора необходимо управляющее напряжение порядка нескольких вольт. Между измерительным мостом 1 и управляемом генератором 3 включен усилитель 2 разности двух сигналов, обеспечивающий необходимое управляющее значение напряжения. Управляемый генератор 3 представляет собой широкополосный усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. В качестве положительной обратной связи может служить мост Вана или двойной Т-мост. Отрицательная обратная связь образуется постоянными резисторами. При поступлении на вход управляемого генератора 3 переменного напряжения, совпадающего по фазе и частоте с выходным, происходит изменение частоты управляемого генератора 3, пропорциональное амплитуде входного напряжения. Повторитель 6 выполняет функцию усиления сигнала по мощности, а также развязки и согласования выхода управляемого генератора со входом питающей диагонали моста. Блок автоматической регулировки 7 выходного напряжения позволяет автоматически поддерживать уровень выходного напряжения постоянным во всем диапазоне девиации частоты и через повторитель 6 стабилизировать уровень выходного напряжения питающей диагонали моста. Стабилизатор 4 выполняет функцию стабилизации напряжения питания устройства, передаваемого через второй индуктивный вращающийся трансформатор 8. В связи с тем, что устройство закрепляется непосредственно на вращающемся валу, то подвод энергии питания и съем сигнала о крутящемся моменте осуществляется через вращающиеся трансформаторы 8 и 5. Первый вращающийся трансформатор 5 может быть выполнен как индуктивным, так и емкостным. Измерительный блок 9 служит для регистрации информации о крутящем моменте. 741 Устройство работает следующим образом. Управляемый генератор 3 вырабатывает частоту синусоидальных колебаний определенной амплитуды, которой через повторитель 6 запитывается питающая диагональ тензорезисторного, измерительного моста 1. Мост 1 уравновешен и на выходе его напряжение отсутствует. Рассмотрим работу устройства в переходном режиме. Пусть, например, произошло приращение сопротивления тензодатчиков предварительно уравновешенного измерительного моста 1 в направлении, соответствующем знакам изменения крутящего момента. Напряжение на выходе измерительного моста 1, пропорциональное приращению сопротивления тензорезисторов, поступает на вход усилителя 2 разности двух сигналов. На выходе усилителя 2 появляется усиленное переменное напряжение, поступающее на вход управляемого генератора 3, совпадающее по фазе и частоте с выходным напряжением генератора 3. Вследствие чего частота генератора изменяется пропорционально приращению сопротивления измерительного моста 1 и соответственно крутящему моменту. При больших девиациях частоты уровень выходного напряжения изменяется, и блок автоматической регулировки 7 выходного напряжения вырабатывает сигнал разности приращения амплитуды, поступающий на второй вход управляемого генератора 3 и изменяет его выходное сопротивление нагрузки. Таким образом, уровень выходного напряжения стабилизирован и не зависит от девиации частоты. Выходная частота генератора, пропорциональная крутящему моменту, через первый вращающийся трансформатор 5 поступает на вход измерительного блока 9, который регистрирует значение крутящего момента. Таким образом, введение в известное устройство блока автоматической регулировки 7 выходного напряжения в совокупности с повторителем 6 и новых связей, выполняющих функцию стабилизации переменного напряжения питания измерительного моста 1, а также наличия положительной обратной связи управляемого генератора 3 через предполагаемый стабилизированный источник переменного напряжения повторитель 6 и измерительный мост 1 сфазированного сигнала на вход управляемого генератора 3 позволяет повысить точность измерения и расширить динамический диапазон измерения в область высоких частот. При этом реализуется прямая передача сигнала о крутящем моменте на валу без контакта с вращающимся валом и не требуется дополнительного преобразования и демодуляции сигнала, а процесс измерения поддается полной автоматизации. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.