RU201944U1

RU201944U1 - Standalone wireless torque measurement module

Info

Publication number: RU201944U1
Application number: RU2020115655U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Волков; Алексей Михайлович Макаров; Никита Игоревич Лебедь; Ярослав Владимирович Калинин; Николай Геннадьевич Шаронов
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2021-01-21

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля крутящего момента на вращающихся валах машин и механизмов. Технический результат – расширение арсенала технических средств для бесконтактного мониторинга данных во время работы, расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения времени его работы и дальности передачи данных. Технический результат достигается при использовании автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента, содержащего установленный на вращающемся элементе тензометрический датчик с модулем обработки сигнала, соединенный с приемо-передающим радио-модулем, блок управления и сбора информации и источник питания, при этом источник питания выполнен из постоянного магнита и последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, блока стабилизации ЭДС и накопителя электрической энергии. 1 ил.The utility model relates to measuring technology and can be used to control the torque on the rotating shafts of machines and mechanisms. The technical result is to expand the arsenal of technical means for contactless data monitoring during operation, expand the functionality of the device by increasing its operating time and data transmission range. The technical result is achieved by using an autonomous wireless module for measuring torque, containing a strain gauge mounted on a rotating element with a signal processing module connected to a transmitting and receiving radio module, a control and data collection unit and a power source, while the power source is made of a permanent magnet and series-connected coils with a ferromagnetic core, an EMF stabilization unit and an electric energy storage unit. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля крутящего момента на вращающихся элементах машин и механизмов.The utility model relates to measuring equipment and can be used to control the torque on rotating elements of machines and mechanisms.

Из рекламных публикаций известна цифровая радиотелеметрическая система для тензометрических измерений на вращающихся валах MT1-PCM, осуществляющая радиопередачу сигналов с вращающихся валов на расстояние до 10 м, включающая передатчик с непосредственно подключёнными к нему аналоговыми датчиками и приемник. Полученные данные проходят через низкочастотный фильтр, усиливаются, оцифровываются и передаются по радиоканалу. Питание модулей осуществляется с помощью аккумулятора или индуктивно (Промтэкс. Испытательные стенды. Датчики. Измерительная электроника [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.prom-tex.org/catalog/telemetricheskie-sistemy/odnokanalnaya-telemetricheskaya-sistema-dlya-valov/mt1-pcm/, свободный доступ, дата обращения 06.02.2020).From advertising publications, a digital radio telemetry system for strain measurements on rotating shafts MT1-PCM is known, which transmits signals from rotating shafts to a distance of up to 10 m, including a transmitter with analog sensors directly connected to it and a receiver. The received data passes through a low-pass filter, amplified, digitized and transmitted over a radio channel. The modules are powered by a battery or inductively (Promteks. Test benches. Sensors. Measuring electronics [Electronic resource] - Access mode: http://www.prom-tex.org/catalog/telemetricheskie-sistemy/odnokanalnaya-telemetricheskaya-sistema- dlya-valov / mt1-pcm /, free access, date of access 06/02/2020).

Недостатком является громоздкость измерительной системы, непосредственно подключаемой к вращающемуся валу машины или механизма, которая не подходит для мониторинга малогабаритных конструктивных элементов, а также систем с высокой частотой вращения. Кроме этого, применение аккумуляторов в качестве питания модулей ограничивает время непрерывного использования, а вариант индуктивного питания требует наличия приемно-передающего блока в непосредственной близости от измерительной системы, что не всегда возможно, особенно в тяжелых эксплуатационных условиях. The disadvantage is the cumbersomeness of the measuring system, which is directly connected to the rotating shaft of a machine or mechanism, which is not suitable for monitoring small-sized structural elements, as well as systems with a high rotation frequency. In addition, the use of batteries as a power supply for the modules limits the time of continuous use, and the inductive power supply option requires a receiving-transmitting unit in the immediate vicinity of the measuring system, which is not always possible, especially in difficult operating conditions.

Известен микропроцессорный беспроводной датчик нагрузки / крутящего момента / скорости вращения, содержащий корпус, плату управления, блок датчиков, блок беспроводной связи и источник питания, при этом плата управления, блок датчиков, блок беспроводной связи и источник питания установлены в корпусе в комбинированном режиме (Патент CN 204152504, МПК E21B47 / 00, E21B47 / 12, опубл. 11.02.2015.).Known is a microprocessor-based wireless load / torque / speed sensor comprising a housing, a control board, a sensor unit, a wireless communication unit and a power supply, while the control board, a sensor unit, a wireless communication unit and a power supply are installed in the housing in a combined mode (Patent CN 204152504, IPC E21B47 / 00, E21B47 / 12, publ. 11.02.2015.).

Недостатком устройства является его относительно большие габаритные размеры, создаваемые, в первую очередь, аккумуляторной батареей 3.6 В 19.6 А⋅ч, использованной в качестве питания датчика, а также необходимость минимизации расстояния между датчиком и блоком управления для эффективной работы устройства, что создает условия для потери сигнала в связи с низкой помехоустойчивостью системы. The disadvantage of the device is its relatively large overall dimensions, created primarily by the 3.6 V 19.6 Ah battery used as a power supply for the sensor, as well as the need to minimize the distance between the sensor and the control unit for efficient operation of the device, which creates conditions for loss signal due to the low noise immunity of the system.

Известен беспроводной датчик крутящего момента, содержащий вращающийся элемент, на некотором удалении от которого установлен магнитострикционный датчик, подключенные к нему модуль обработки сигнала, приемо-передающий радио-модуль с антенной, посылающий сигнал на блок управления и сбора информации через антенну (Патент WO2007019162, МПК B60K23/00, F16H59/14, G01L3/10, G01L5/22, опубл. 15.02.2007).Known wireless torque sensor containing a rotating element, at some distance from which a magnetostrictive sensor is installed, a signal processing module connected to it, a receiving and transmitting radio module with an antenna that sends a signal to a control and information collection unit through an antenna (Patent WO2007019162, IPC B60K23 / 00, F16H59 / 14, G01L3 / 10, G01L5 / 22, publ. 15.02.2007).

Недостатком устройства является использование в качестве питания датчика беспроводного способа передачи энергии от блока управления, что подразумевает необходимость минимизации расстояния между ними для эффективной работы устройства. Указанный конструктивный недостаток устройства также не позволяет применять его для дистанционного мониторинга, и в качестве системы с несколькими подключенными к одному блоку управления и сбора информации датчиками, это обусловлено ограниченным расстоянием удаления блока от каждого отдельного датчика, что создает условия для потери сигнала в связи с низкой помехоустойчивостью системы. Также недостатком является невозможность получения измерительных данных с вращающегося элемента, имеющего поперечную подвижность, ввиду сложности обеспечения постоянного расстояния между датчиком и вращающимся элементом, что сказывается на стабильности измерений.The disadvantage of the device is the use of a wireless method of transmitting energy from the control unit as a power supply to the sensor, which implies the need to minimize the distance between them for the effective operation of the device. The indicated design flaw of the device also does not allow its use for remote monitoring, and as a system with several sensors connected to one control and data collection unit, this is due to the limited distance of the unit from each individual sensor, which creates conditions for signal loss due to low the noise immunity of the system. Another disadvantage is the impossibility of obtaining measurement data from a rotating element having lateral mobility, due to the difficulty of maintaining a constant distance between the sensor and the rotating element, which affects the stability of measurements.

Наиболее близким и принятым за прототип является модуль измерения крутящего момента двигателя центробежного насоса, состоящий из подключенной к внешнему источнику питания индукционной катушки, тензометрического датчика с преобразователем сигнала, осуществляющего его обработку, соединенного с беспроводным модулем, передающим электрический сигнал на компьютер (блок управления) (Патент CN201724765, МПК F16D3 / 00, G01L3 / 00, опубл. 26.01.2011).The closest and accepted as a prototype is a module for measuring the torque of a centrifugal pump motor, consisting of an induction coil connected to an external power source, a strain gauge sensor with a signal converter that processes it, connected to a wireless module that transmits an electrical signal to a computer (control unit) ( Patent CN201724765, IPC F16D3 / 00, G01L3 / 00, publ. 26.01.2011).

Недостатком устройства является использование в качестве питания датчика беспроводного высокочастотного способа передачи энергии от блока управления, что требует минимизации расстояния между ними для эффективной работы устройства и создает условия рассеивания мощности, что приводит к снижению производительности. Также недостатком прототипа является невозможность получения измерительных данных с вращающегося элемента, имеющего поперечную подвижность, сложности обеспечения постоянного расстояния между датчиком и вращающимся элементом, что сказывается на стабильности измерений и ограничивает область применения.The disadvantage of the device is the use of a wireless high-frequency method for transmitting energy from the control unit as a power supply for the sensor, which requires minimizing the distance between them for effective operation of the device and creates conditions for power dissipation, which leads to a decrease in performance. Also, the disadvantage of the prototype is the impossibility of obtaining measurement data from a rotating element with lateral mobility, the difficulty of ensuring a constant distance between the sensor and the rotating element, which affects the stability of measurements and limits the scope of application.

Задача полезной модели - разработка автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента, обеспечивающего непрерывный длительный интенсивный бесконтактный радио-мониторинг данных для контроля крутящего момента на вращающихся элементах машин и механизмов.The task of the utility model is the development of an autonomous wireless module for measuring torque, which provides continuous long-term intensive non-contact radio data monitoring for monitoring the torque on the rotating elements of machines and mechanisms.

Технический результат - расширение арсенала технических средств для бесконтактного мониторинга данных во время работы, расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения времени его работы и дальности передачи данных.The technical result is to expand the arsenal of technical means for contactless data monitoring during operation, expand the functionality of the device by increasing its operating time and data transmission range.

Технический результат достигается при использовании автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента, содержащего установленный на вращающемся элементе тензометрический датчик с модулем обработки сигнала, соединенный с приемо-передающим радио-модулем и источник питания, при этом источник питания выполнен из постоянного магнита и последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, блока стабилизации ЭДС и накопителя электрической энергии. The technical result is achieved by using an autonomous wireless module for measuring torque, containing a strain gauge mounted on a rotating element with a signal processing module, connected to a transmitting and receiving radio module and a power source, while the power source is made of a permanent magnet and series-connected coils with a ferromagnetic core, EMF stabilization unit and electric energy storage.

Выполнение источника питания устройства в виде постоянного магнита и последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, блока стабилизации ЭДС и накопителя электрической энергии (в виде блока магнитного питания), позволяет отказаться от сетевых источников питания, что обеспечивает непрерывность работы устройства и дает возможность вынесения блока управления и сбора информации за пределы измеряемой механической системы вплоть до предельного физического расстояния передачи сигнала, а также выполнять непрерывный и длительный мониторинг данных, по сравнению с аккумуляторными источниками питания.The implementation of the power source of the device in the form of a permanent magnet and series-connected coils with a ferromagnetic core, an EMF stabilization unit and an electric energy storage unit (in the form of a magnetic power supply unit), makes it possible to refuse from network power supplies, which ensures the continuity of the device operation and makes it possible to remove the control unit collecting information outside the measured mechanical system up to the maximum physical distance of the signal transmission, as well as perform continuous and long-term data monitoring, compared to battery power supplies.

Применение магнитного питания позволяет упростить конструкцию модуля при использовании нескольких объединенных датчиков дистанционного мониторинга.The use of magnetic power allows to simplify the design of the module when using several combined sensors for remote monitoring.

На фигуре представлена схема автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента.The figure is a schematic diagram of a stand-alone wireless torque measurement module.

Автономный беспроводной модуль измерения крутящего момента состоит из вращающегося элемента 1 с зафиксированным на нем тензометрическим датчиком 2 с модулем обработки сигнала 3, к которому подключен приемо-передающий радио-модуль 4 с антенной 5. Тензометрический датчик 2 соединен с блоком магнитного питания 6, включающим последовательно соединенные друг с другом катушку с ферромагнитным сердечником 7, блок стабилизации ЭДС 8 и накопитель электрической энергии 9. Постоянный магнит 10 располагается на расстоянии от вращающегося элемента 1, ограниченном эффективным использованием преобразования магнитного поля в электрическую энергию для конкретного диапазона мощностей. Блок управления и сбора информации 11 с антенной 12 располагается на расстоянии от измеряемой системы, ограниченном предельным физическим расстоянием передачи сигнала.An autonomous wireless module for measuring torque consists of a rotating element 1 with a strain gauge 2 fixed on it with a signal processing module 3, to which a transmitting and receiving radio module 4 with an antenna 5 is connected. The strain gauge 2 is connected to a magnetic power supply 6, which is connected in series connected to each other a coil with a ferromagnetic core 7, an EMF stabilization unit 8 and an electric energy storage device 9. The permanent magnet 10 is located at a distance from the rotating element 1, limited by the effective use of converting the magnetic field into electrical energy for a specific power range. The control and data collection unit 11 with antenna 12 is located at a distance from the measured system, limited by the limiting physical distance of signal transmission.

Устройство работает следующим образом. The device works as follows.

При движении вращающегося элемента 1 в магнитном поле постоянного магнита 10 в катушке с ферромагнитным сердечником 7 возникает ЭДС, которая стабилизуется с помощью блока стабилизации ЭДС 8 и заряжает накопитель электрической энергии 9. Благодаря полученной энергии тензометрический датчик 2 с модулем обработки сигнала 3 и приемо-передающий радио-модуль 4 получают питание и используют его для процесса преобразования показаний тензометрического датчика 2, принятых с вращающегося элемента 1 и далее передают их с помощью антенны 5 приемо-передающего радио-модуля 4 через антенну 12 на блок управления и сбора информации 11.When the rotating element 1 moves in the magnetic field of a permanent magnet 10, an EMF arises in a coil with a ferromagnetic core 7, which is stabilized with the help of an EMF stabilization unit 8 and charges an electric energy storage device 9. Thanks to the energy received, a strain gauge 2 with a signal processing module 3 and a transceiver radio module 4 receives power and uses it for the process of converting the readings of the strain gauge 2, received from the rotating element 1 and then transmit them using the antenna 5 of the transmitting radio module 4 through the antenna 12 to the control and data collection unit 11.

Использование тензометрическим датчиком электрической энергии, создаваемой блоком магнитного питания, позволяет непрерывно питать измерительную часть (тензометрический датчик с модулем обработки сигнала) вращающейся системы и не только передавать данные беспроводным способом на блок сбора и обработки информации, но и производить работу устройства в автономном режиме – не зависимо от наличия сетевого источника питания. Это позволяет использовать устройство в условиях отсутствия сетевого источника питания (отсутствие доступной электросети), расширяет функциональные возможности устройства за счет увеличения времени его работы и дальности передачи данных, упрощает организацию измерительной системы в целом, а также повышает ее надежность и снижает стоимость за счет уменьшения количества элементов.The use of the electric energy generated by the magnetic power unit by the strain gauge sensor allows to continuously power the measuring part (strain gauge with a signal processing module) of the rotating system and not only transmit data wirelessly to the data collection and processing unit, but also to operate the device in an autonomous mode - not depending on the availability of the mains power supply. This allows the device to be used in the absence of a network power source (no available power supply), expands the functionality of the device by increasing its operating time and data transmission range, simplifies the organization of the measuring system as a whole, and also increases its reliability and reduces cost by reducing the number elements.

Таким образом, выполнение автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента, содержащего установленный на вращающемся элементе тензометрический датчик с модулем обработки сигнала, соединенный с приемо-передающим радио-модулем и источник питания, выполненного из постоянного магнита и последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, блока стабилизации ЭДС и накопителя электрической энергии, позволяет расширить арсенал технических средств для бесконтактного мониторинга данных во время работы и расширить функциональные возможности устройства за счет увеличения времени его работы и дальности передачи данных. Thus, the implementation of an autonomous wireless module for measuring torque, containing a strain gauge mounted on a rotating element with a signal processing module, connected to a receiving-transmitting radio module and a power source made of a permanent magnet and series-connected coils with a ferromagnetic core, an EMF stabilization unit and an electric energy storage device, allows you to expand the arsenal of technical means for contactless data monitoring during operation and expand the functionality of the device by increasing its operating time and data transmission range.

Claims

An autonomous wireless module for measuring torque, containing a strain gauge mounted on a rotating element with a signal processing module, connected to a transmitting and receiving radio module, and a power supply, characterized in that the power supply is made of a permanent magnet and coils with a ferromagnetic core connected in series, EMF stabilization unit and electric energy storage unit.