CS209771B1

CS209771B1 - Torque measuring device

Info

Publication number: CS209771B1
Application number: CS173979A
Authority: CS
Inventors: Vladislav Kolesnikov; Pavel Kozousek; Svatopluk Ordelt; Jiri Zahejsky; Kurt Zenzinger
Original assignee: Vladislav Kolesnikov; Pavel Kozousek; Svatopluk Ordelt; Jiri Zahejsky; Kurt Zenzinger
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1979-03-16
Publication date: 1981-12-31

Abstract

Vynález spadá do oboru měření veličin a týká se zařízení na měření kroutícího momentu, Vynález řeší způsob měření kroutícího momentu vysoce produktivním způsobem, umožňujícím vysokou přesnost měření s možností současného měření otáček, s výstupem v digitální formě. Podstatou vynálezu je zařízení sestávající ze dvou identických kotoučů, uložených pevně na torzní hřídeli, a opatřených po obvodě rovnoměrně rozloženými modulačními prvky. Tyto modulační prvky jsou tvořeny buň průchozími otvory, nebo světlo-odraznými plochami. Po jedné straně kotoučů, na straně modulačních prvků, je uložen světelný zdroj, jehož paprsek je snímán fotoelektrickým prvkem, kupříkladu fotodiodou. U nezatížené hřídele jsou signály obou fotoelektrických prvků fázově shodné, zatímco u zatížené hřídele jsou fázově posunuty. Signály obou fotoelektrických prvků jsou zesíleny a tvarovány elektronickými obvody a srovnávány s referenčními impulsy, jejichž počet je přímoúměrný kroutícímu momentu.The invention falls into the field of measurement of quantities and relates to a device for measuring torque. The invention solves a method of measuring torque in a highly productive way, enabling high measurement accuracy with the possibility of simultaneous measurement of revolutions, with an output in digital form. The essence of the invention is a device consisting of two identical discs, mounted firmly on a torsion shaft, and provided with modulation elements evenly distributed around the circumference. These modulation elements are formed either by through holes or light-reflecting surfaces. On one side of the discs, on the side of the modulation elements, a light source is mounted, the beam of which is scanned by a photoelectric element, for example a photodiode. For an unloaded shaft, the signals of both photoelectric elements are in phase, while for a loaded shaft they are phase-shifted. The signals of both photoelectric elements are amplified and shaped by electronic circuits and compared with reference pulses, the number of which is directly proportional to the torque.

Description

Vynález se týká zařízení na měření kroutícího momentu.The present invention relates to a torque measuring device.

Rozvoj techniky, zejména v oblasti točivých strojů, vyžaduje poměrně přesná měření kroutícího momentu. Pro tato měření se používá nejčastěji snímačů, jejichž základním prvkem je torzní hřídel, na kterém se měří úhel zkrutu některým typem vlastního snímače, jako kupříkladu indukčnostním snímačem, magnetickým, kapacitním, případně tenzometrickým snímačem.The development of technology, especially in the field of rotating machines, requires relatively precise torque measurements. The most frequently used for these measurements are sensors whose basic element is a torsion shaft, on which the torsion angle is measured by some type of its own sensor, such as an inductive sensor, a magnetic, capacitive or tensometric sensor.

Z naměřeného úhlu zkrutu je pak odvozován kroutící moment. Nevýhodou těchto druhů snímačů je, že kupříkladu u indukčnostnich snímačů, které se využívají do rozsahu 4 000 ot/min, je výstupní signál vyváděn pouze ze statorové části.The torque is then derived from the measured torsion angle. The disadvantage of these types of sensors is that, for example, in the case of inductive sensors that are used up to the range of 4,000 rpm, the output signal is output only from the stator part.

K torzní hřídeli je pomocí prstenců z nemagnetického materiálu připevněn magnetický obvod z feromagnetického materiálu, který je přerušován úzkými vzduchovými mezerami. Při zkrutu hřídele dojde ke změně šířky těchto vzduchových mezer, které způsobí změnu indukčnosti statorových cívek a z této změny se usuzuje na velikost zkrutu. V případě použití magnetického snímače je hlavní nevýhodou, že výstupní signál z měření úhlu zkrutu torzního hřídele je značně citlivý’na různé parazitní vlivy, zejména na magnetickou nehomogenitu hřídele, magnetickou anizotropii, ovalitu hřídele, které mají nepříznivý vliv na přesnost měření.A magnetic circuit of ferromagnetic material, which is interrupted by narrow air gaps, is attached to the torsion shaft by means of rings of non-magnetic material. If the shaft is twisted, the width of these air gaps will change, causing the stator coil inductance to change, and this will infer the size of the twist. In the case of using a magnetic sensor, the main disadvantage is that the output signal from the torsion shaft torsion angle measurement is highly sensitive to various parasitic effects, in particular on shaft magnetic inhomogeneity, magnetic anisotropy, shaft ovality, which adversely affect measurement accuracy.

U' kapacitních snímačů je úhel torze určován podle změny kapacity elektrod snímacího kondensátoru. Jeho největší nevýhodou je, že obě elektrody jsou pevně spojeny s rotující hřídelí, takže výstupní signál je nutno vyvádět z rotující části, přičemž jedna z elektrod musí být elektricky od hřídele odizolována. Vlastní provedení je složité a tedy pracné a nákladné. Konečně tenzometrické snímače používají k stanovení úhlu zkrutu tenzometrů v můstkovém zapojení v přímém spojení s rotující hřídelí. Napájení a výstup může být proveden kontaktně i bezkontaktně. U kontaktních snímačů je obtížné technické řešení sběračů, které musí mít zanedbatelný přechodový odpor. U bezkontaktních snímačů je spojení tenzometrů na hřídeli s vyhodnocovacími obvody řešeno bu3 induktivně, kapacitně, případně vysokofrekvenčním přenosem. Hlavní nevýhodou je umístění elektrických součástí přímo do rotující soustavy, dále problémy s jejich napájením, odolností proti odstředivým silám a podobně. Kromě toho u všech výše uvedených druhů snímačů je výstup analogový a musí se dále převádět na digitální.In capacitive sensors, the torsion angle is determined by the change in the capacitor electrode capacity. Its biggest disadvantage is that both electrodes are firmly connected to the rotating shaft, so that the output signal has to be output from the rotating part, one of the electrodes being electrically isolated from the shaft. The design itself is complex and therefore laborious and costly. Finally, strain gauges are used to determine the torsion angle of the strain gauges in a bridge connection in direct connection with the rotating shaft. Power supply and output can be made contact or contactless. Contact sensors have a difficult technical solution for the pantographs which must have a negligible transient resistance. In the case of non-contact sensors, the connection of strain gauges on the shaft to the evaluation circuits is solved either inductively, capacitance or high-frequency transmission. The main disadvantage is the placement of electrical components directly into the rotating system, problems with their power supply, resistance to centrifugal forces and the like. In addition, all of the above sensor types are analogue and must be further converted to digital.

Další známou metodou měření kroutícího momentu je metoda opticko-elektrická. U této metody se na torzní tyč upevní dva identické kotouče, opatřené po obvodu řadou identických otvorů. Otvory obou kotoučů se prosvětlí jako celek žárovkou optické soustavy instalovanou na vnější straně jednoho z kotoučů, přičemž světelný svazek je snímán fotodetektorem, umístěným na vnější straně druhého z kotoučů, přičemž fotodetektor převede světelný paprsek na elektrický signál, který se měří elektrickým měřicím zařízením. Při zařízení hřídele dochází k její torzi, takže otvory kotoučů se vzájemně pootočí, což má za následek snížení intenzity světelného toku dopadajícího na fotodetektor. Mírou stočení hřídele a tím i mírou přenášeného kroutícího momentu je nižší elektrický signál způsobený nižší intenzitou světelného toku na výstupu z druhého z kotoučů. Proti dříve uvedeným způsobům má opticko-elektrická metoda výhodu v bezkontaktním přenosu, kdy kromě kotoučů nejsou na hřídeli instalovány žádné další součásti. Nevýhodou je, že výstup je v analogové formě, dále je nutno stabilizovat světelný tok, který je nutno po případné výměně žárovky znovu kalibrovat, a celé zařízení je nutno chránit proti prachu a vnějšímu osvětlení.Another known method of measuring torque is the optical-electrical method. In this method, two identical discs are provided on the torsion bar, with a series of identical holes circumferentially. The openings of the two disks are illuminated as a whole by an optical system lamp installed on the outside of one of the disks, the light beam being sensed by a photodetector located on the outside of the other of the disks, the photodetector converts the light beam into an electrical signal measured by an electrical metering device. The shaft is torsioned so that the disc openings rotate relative to each other, resulting in a decrease in the intensity of the luminous flux incident on the photodetector. The degree of rotation of the shaft and hence the degree of torque transmitted is a lower electrical signal due to the lower intensity of luminous flux at the output of the other of the disks. Compared to the aforementioned methods, the optical-electrical method has the advantage of non-contact transmission, in which no other components are installed on the shaft except the discs. The disadvantage is that the output is in analogue form, it is also necessary to stabilize the luminous flux, which must be re-calibrated after a possible replacement of the bulb, and the whole device must be protected against dust and external lighting.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zařízení na měření kroutícího momentu, sestávající z dvojice identických kotoučů, uložených na koncích torzního hřídele podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že kotouče jsou opatřeny rovnoměrně rozloženými modulačními prvky, jež jsou přivráceny ke světelnému zdroji, v ose jehož paprsku je za modulačním prvkem umístěn fotoelektrický prvek, přičemž každý z fotoelektrických prvků je spojen přes zesilovací elektronický obvod a přes tvarovací elektronický obvod s pomocným zdrojem referenčních impulsů a s hradlem, které je spojeno jednak s čítačem impulsů a jednak s pomocným zdrojem referenčních impulsů.The above-mentioned drawbacks are eliminated by a torque measuring device consisting of a pair of identical discs mounted on the ends of the torsion shaft according to the invention, characterized in that the discs are provided with uniformly distributed modulating elements facing the light source in the axis of the beam a photoelectric element is located downstream of the modulating element, each of the photoelectric elements being connected via an amplification electronic circuit and a shaping electronic circuit to an auxiliary reference pulse and to a gate which is connected to both the pulse counter and the auxiliary reference pulse.

Dále je podstatou vynálezu, že modulační prvky jsou tvořeny průchozími otvory, přičemž světelný zdroj je umístěn po jedné straně kotoučů a fotoelektrický prvek na protilehlé straně kotoučů. Podstatou vynálezu je rovněž, že modulační prvky jsou tvořeny světlo-odraznými plochsmi, přičemž fotoelektrický prvek je umístěn v ose odraženého paprsku na straně uložení světelného zdroje.It is further an object of the invention that the modulating elements are formed through holes, the light source being located on one side of the disks and a photoelectric element on the opposite side of the disks. It is also an object of the invention that the modulating elements are formed by light-reflecting surfaces, wherein the photoelectric element is disposed on the axis of the reflected beam at the light source receiving side.

Konečně je podstatou vynálezu, že za tvarovacím elektronickým obvodem prvního fotoelektrického prvku je zařazen čítač počtu otáček.Finally, it is an object of the invention that a rotational counter is arranged downstream of the shaping electronic circuit of the first photoelectric element.

VyšSí účinek vynálezu lze spatřovat, v porovnání se známou optieko-elektriekou metodou, v tom, že naměřené údaje jsou nezávislé na stabilizaci světelných toků a vnějSím osvětlení. Nové zařízení se vykazuje vysokou přesností měření, omezenou rychlostí použitých elektronických obvodů a volbou počtu měřicích impulsů na jednu otočku hřídele, dále možností současného měření otáček, výstupu v digitální formě, a konečně možností měření průběhu kroutícího momentu v průběhu jedné otáčky.The higher effect of the invention can be seen in comparison with the known optics-electrics method in that the measured data are independent of the stabilization of the luminous fluxes and the external illumination. The new device exhibits high measurement accuracy, limited speed of electronic circuits used and selection of number of measuring pulses per shaft revolution, possibility of simultaneous speed measurement, output in digital form, and finally the possibility of measuring the course of torque during one revolution.

Příklad konkrétního provedení vynálezu je schematicky znázorněn na připojeném výkrese, představujícím blokové schéma měřicího zařízení, kde na jednom kotouči jsou modulační prvky upraveny ve tvaru průchozích otvorů, a na druhém kotouči alternativní provedení s modulačními prvky ve tvaru světlo-odrazných ploch.An example of a particular embodiment of the invention is shown schematically in the accompanying drawing, representing a block diagram of a measuring device, wherein on one disc the modulating elements are provided in the form of through holes and on the other disc an alternative embodiment with modulating elements in the shape of light-reflecting surfaces.

Podle vynálezu jsou na obou koncích torzní hřídele 2 uloženy dva identické kotouče 2,According to the invention, two identical discs 2 are mounted at both ends of the torsion shaft 2,

2'. opatřené po obvodě řadou rovnoměrně rozložených modulačních prvků J, kupříkladu ve tvaru průchozích otvorů 3 . nebo ve tvaru světlo-odrazných ploch 3''. V případě modulačních prvků 2 ve tvaru průchozích otvorů JÚ, je po ječné straně každého z kotoučů 2, 2' situován světelný zdroj 4, 4'. přičemž na protilehlé straně každého z kotoučů 2, 2'. přesně proti světelnému zdroji 4' je uložen fotoelektrický prvek 2, 5'. kupříkladu fotodioda. V případě modulačních prvků J ve tvaru světlo-odrazných ploch 3'' je fotoelektrický prvek 2, 5' uložen v ose odraženého paprsku na straně uložení světelného zdroje i, 4'. Výstup v každého fotoelektrického prvku 5 je spojen přes zesilovací elektronický obvod 6_, 6' a přes tvarovací elektronický obvod 2, 7' s hradlem 8 čítače 2 impulsů. Na vstup hradla 8 je dále zapojen pomocný zdroj 10 referenčních impulsů. Kromě toho je za tvarovacím elektronickým obvodem 2 prvního fotoelektrického prvku 2 zařazen čítač 11 počtu otáček hřídele J..2 '. provided with a series of uniformly distributed modulating elements J, for example in the form of through holes 3, circumferentially. or in the form of light reflecting surfaces 3 ''. In the case of modulating elements 2 in the form of through holes 11, a light source 4, 4 'is situated on the side of each of the disks 2, 2'. wherein on the opposite side of each of the disks 2, 2 '. the photoelectric element 2, 5 'is positioned exactly opposite the light source 4'. for example, a photodiode. In the case of modulating elements J in the form of light-reflecting surfaces 3 '', the photoelectric element 2, 5 'is arranged in the axis of the reflected beam on the mounting side of the light source 1, 4'. The output in each photoelectric element 5 is connected via an amplification electronic circuit 6, 6 'and through the shaping electronic circuit 2, 7' to the gate 8 of the pulse counter 2. Auxiliary source 10 of reference pulses is further connected to the gate input 8. In addition, a shaft speed counter 11 is arranged downstream of the shaping electronic circuit 2 of the first photoelectric element 2.

Pokud není torzní hřídel J_ zatížen, zachycují oba fotoelektrické prvky 2» 5' světelný paprsek světelného zdroje 4, 4' tak, že elektrické signály mají na výstupu z fotoelektrických prvků 2, 2Ú> které mají tvar sledu impulsů, stejný fázový průběh. Tyto impulsy jsou zesíleny v zesilovacím elektronickém obvodu 6, 6' a tvarovány v tvarovacím elektronickém obvodu 2, 7' tak, že ovládají hradlo 8 čítače 2 impulsů. Elektrický signál prvního fotoelektrického prvku 2 vytváří pro čítač 2 signál START, zatímco signál druhého fotoelektrického prvku 5' vytváří impuls STOP. V případě přenosu kroutícího momentu torzní hřídele 2 dojde ke vzájemnému pootočení modulačních prvků J obou kotoučů 2, 2 *. což má za následek i úměrný fázový posuv obou elektrických signálů fotoelektrických prvků 2» 5'. Zkrutu hřídele 2 ⁰ určitý úhel odpovídá i časový posun impulsů START a STOP. V tomto časovém intervalu počítá čítač 2 i®“ pulsy pomocného zdroje 10 referenčních impulsů. Aby počet impulsů registrovaný čítačem 2 byl přímo úměrný úhlu zkrutu hřídele 2 i při jeho různých otáčkách, je kmitočet impulsů z pomocného zdroje 10 referenčních impulsů řízen pomocí signálů z prvního fotoelektrického prvku 2 tak, aby no jednu otáčku hřídele 2 připadl vždy stejný počet referenčních impulsů.When the torsion shaft 1 is not loaded, the two photoelectric elements 2, 5 'capture the light beam of the light source 4, 4' so that the electrical signals have the same phase sequence at the output of the photoelectric elements 2, 2 '. These pulses are amplified in the amplifying electronic circuit 6, 6 'and shaped in the shaping electronic circuit 2, 7' so as to control the gate 8 of the pulse counter 2. The electrical signal of the first photoelectric element 2 generates a START signal for the counter 2, while the signal of the second photoelectric element 5 'generates a STOP pulse. In the case of torque transmission of the torsion shaft 2, the modulating elements J of the two disks 2, 2 'are rotated relative to one another. resulting in a proportional phase shift of the two electrical signals of the photoelectric elements 2 ' Torsion shaft 2 an angle ⁰ corresponds to the time shift pulse START and STOP. Within this time interval, the 2 " pulses counter counts the 10 reference pulse pulses. In order for the number of pulses registered by the counter 2 to be proportional to the torsion angle of the shaft 2 even at its different speeds, the pulse frequency from the auxiliary reference pulse source 10 is controlled by signals from the first photoelectric element 2. .

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A torque measuring device comprising a pair of identical discs mounted at the ends of a torsion shaft, characterized in that the discs (2, 2 ') are provided with uniformly distributed modulating elements (3) which face the light source (4) ,

4 '), in the beam of which a photoelectric element (5, 5) is located downstream of the modulating element (3), each of the photoelectric elements (5, 5) being connected via an amplification electronic circuit (6, 6') and through a forming electronic a circuit (7, 7) with a reference pulse auxiliary source (10) and a gate (8) which is connected both to the pulse counter (9) and to the reference pulse auxiliary source (10).

Device according to claim 1, characterized in that the modulating elements (3) are formed by through holes (3), the light source (4, 4 ') being located on one side of the disks (2, 2 ") and a photoelectric element (3). 5, 5) on the opposite side of the discs (2, 2 ”).

Device according to claim 1, characterized in that the modulating elements (3) are formed by light-reflecting surfaces (3), wherein the photoelectric element (5, 5) is disposed on the reflected beam axis on the light source receiving side (4, 4). ).

Device according to claim 1, characterized in that a speed counter (11) is arranged downstream of the shaping electronic circuit (7) of the first photoelectric element (5).

1 sheet of drawings