Патент на изобретение №2203479

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся валов, таких как напряжение, деформация, а также крутящих моментов и мощности на валах. Устройство содержит последовательно включенные тензорезистор, резистор и источник питания. Тензорезистор соответствующим образом закреплен на роторе и соединен с элементами схемы, расположенными на статоре через токосъемные контакты. Устройство содержит также три повторителя напряжения на операционных усилителях, инвертор напряжения, трехвходовой сумматор напряжений и устройство деления. Технический результат – повышение надежности и точности устройства для измерения крутящего момента, а также расширение его функциональных возможностей. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся валов, таких как напряжение, деформация, а также крутящих моментов и мощности на валах.

Известно устройство для измерения крутящего момента по патенту РФ 2068550, МПК G 01 L 3/10, содержащее измерительный мост, размещенный на валу, токосъемные контакты, источник питания моста, два дифференциальных усилителя и устройство деления.

Недостатком известного устройства является недостаточные надежность и точность, сложность и ограниченные функциональные возможности из-за большого числа тензопреобразователей, размещенных на вращающемся валу в условиях повышенных возмущающих воздействий со стороны контролируемого объекта, и большого числа токосъемных контактов для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, которая расположена на статоре.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является инвариантный измерительный преобразователь в виде делителя напряжения по патенту РФ 2118826, МПК G 01 R 17/10, 27/02, содержащий последовательно включенные измерительный преобразователь с переменными параметрами, выполненный в виде тензорезистора, преобразователь с постоянными параметрами в виде резистора и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, двухвходовой сумматор напряжений и устройство деления, в котором общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, другие их выводы через повторители напряжения подключены к входам сумматора напряжений, выход которого, а также выход повторителя напряжения, подключенного своим входом к соответствующему выводу резистора, подключены к соответствующим входам устройства деления.

Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности и влияние на результат измерения нестабильности переходных сопротивлений токосъемных контактов при размещении тензорезистора на вращающихся элементах конструкции контролируемого объекта.

Использование заявляемого технического решения направлено на повышение надежности и точности устройств для измерения крутящего момента, а также на расширение их функциональных возможностей.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство, содержащее последовательно включенные тензорезистор, резистор и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, сумматор напряжений и устройство деления, в котором общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, другие их выводы через повторители напряжения подключены к входам сумматора напряжений, выход которого, а также выход повторителя напряжения, подключенного своим входом к соответствующему выводу резистора, подключены к соответствующим входам устройства деления, дополнительно снабжено четырьмя токосъемными контактами, третьим повторителем напряжения на операционном усилителе, инвертором напряжения, сумматор напряжений выполнен трехвходовым, причем один из выводов тензорезистора соединен с общей точкой схемы и входом третьего повторителя напряжения соответственно через первый и второй токосъемные контакты, другой его вывод соединен с одним из полюсов источника питания и входом соответствующего повторителя напряжения соответственно через третий и четвертый токосъемные контакты, выход третьего повторителя напряжения соединен с входом инвертора напряжения, выход которого соединен с третьим входом сумматора напряжений.

На чертеже приведена схема устройства для измерения крутящего момента.

Устройство для измерения крутящего момента содержит последовательно включенные тензорезистор 1, резистор 2 и источник 3 питания. Тензорезистор 1 соответствующим образом закреплен на роторе и соединен с элементами схемы, расположенными на статоре через токосъемные контакты 4-7. Устройство содержит также три повторителя 8-10 напряжения на операционных усилителях, инвертор 11 напряжения, трехвходовой сумматор 12 напряжений и устройство 13 деления. Один вывод тензорезистора 1 соединен с общей точкой схемы и соответствующим выводом резистора 2 через первый токосъемный контакт 4, а через второй токосъемнытй контакт 5 – входом повторителя 10 напряжения. Другой вывод тензорезистора 1 через третий токосъемный контакт 6 соединен с одним из полюсов источника 3 питания, второй полюс которого соединен со вторым выводом резистора 2 и входом повторителя 9 напряжения, а через четвертый токосъемный контакт 7 – с входом повторителя 8 напряжения. Выходы повторителей 8 и 9 напряжения и выход инвертора 11, к входу которого подключен выход повторителя 10, соединены с соответствующими входами сумматора 12 напряжений, выход которого и выход повторителя 9 напряжения соединены с соответствующими входами устройства 13 деления, выход которого является выходом устройства.

Устройство для измерения крутящего момента работает следующим образом.

При изменении сопротивления тензорезистора 1 в результате деформации соответствующих элементов ротора напряжения на входах повторителей 8-10 напряжения относительно общей точки схемы с учетом их высокого входного сопротивления определяются соответственно выражениями:



где U₁ – напряжение на входе повторителя 8;
U₂ – напряжение на входе повторителя 9;
U₃ – напряжение на входе повторителя 10;
Е – ЭДС источника 3 питания;
r₁ – начальное значение сопротивления тензорезистора 1;
r – информативное приращение значения сопротивления r₁;
r₂ – сопротивление резистора 2;
r₃, r₄ – переходные сопротивления токосъемных контактов 4 и 6.

Ввиду малости входных токов повторителей 8 и 10 напряжения падением напряжений на токосъемных контактах 5 и 7 можно пренебречь. Соответственно на выходах повторителей 8 и 9 и выходе инвертора 11 сигналы равны:



где U₁* – напряжение на выходе повторителя 8;
U₂* – напряжение на выходе повторителя 9
U₃* – напряжение на выходе инвертора 11
k₁ и k₂ – коэффициенты передачи повторителей 8 и 9 напряжения;
k₃ – коэффициент передачи по напряжению цепочки “повторитель 10 напряжения – инвертор 11 напряжения” (знак “-” вынесен из коэффициента k₃ и учтен в выражении (6)).

Сигналы U₁*, U₂*, U₃* поступают соответственно на входы инвертирующего сумматора 12, на выходе которого при k₁=k₂=k₃=1 и r₁=r₂=r₃=r получаем:

где r – общее значение сопротивления.

Сигналы (5) и (7) поступают на соответствующие входы устройства 13 деления. Соответственно сигнал на его выходе, являющийся выходным сигналом устройства, определяется выражением:

Данное устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными аналогами и прототипом. Как видно из выражения (8), его функция преобразования является линейной и не зависит от нестабильности источника питания и параметров токосъемника. Применение данного изобретения повышает надежность и точность устройства за счет сокращения количества тензопреобразователей, устанавливаемых в жестких эксплуатационных условиях, сокращает количество каналов токосъемника для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, расположенную на статоре. Расширяются функциональные возможности, так как во многих случаях разместить более одного тензопреобразователя из-за недостатка места на роторе вообще невозможно. Вследствие использования одного тензопреобразователя устройство может быть использовано для измерения напряжений и деформаций на вращающихся валах, связанных не только с наличием крутящего момента, но и с другими явлениями, приводящими к деформациям элементов конструкций.

Формула изобретения

Устройство для измерения крутящего момента, содержащее тензорезистор, размещенный на роторе и соединенный через первую пару токосъемных контактов последовательно с цепью источника питания, размещенной на статоре, а через вторую пару токосъемных контактов – со входами преобразователей напряжения, образующими на статоре первый канал преобразования, соединенный с одним из входов устройства деления, отличающееся тем, что последовательно с источником питания тензорезистора и одним из токосъемных контактов первой пары включен резистор, образующий совместно с тензорезистором делитель напряжения за счет непосредственного соединения смежного с токосъемным контактом вывода с общей точкой схемы, преобразователи напряжения, подключенные ко второй паре токосъемных контактов, выполнены в виде повторителей напряжения и соединены с первыми двумя входами трехвходового сумматора напряжения, причем один из них, вход которого через токосъемный контакт связан с выводом тензорезистора, смежным с выводом резистора, расположенного на статоре, соединен через инвертор напряжения, а другой – непосредственно, в устройство введен третий повторитель напряжения, образующий на статоре второй канал преобразования за счет соединения его входа с выводом резистора, общим с одним из выводов источника питания, а выхода – со вторым входом устройства деления и третьим входом трехвходового сумматора напряжения, выход которого, являясь выходом первого канала преобразования, соединен с первым входом устройства деления.

РИСУНКИ