RU2354941C1 - Device to measure rotary shaft axial force and rpm - Google Patents
Device to measure rotary shaft axial force and rpm Download PDFInfo
- Publication number
- RU2354941C1 RU2354941C1 RU2007135036/28A RU2007135036A RU2354941C1 RU 2354941 C1 RU2354941 C1 RU 2354941C1 RU 2007135036/28 A RU2007135036/28 A RU 2007135036/28A RU 2007135036 A RU2007135036 A RU 2007135036A RU 2354941 C1 RU2354941 C1 RU 2354941C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- pass filter
- low
- shaft
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах различных силовых установок, используемых на судах, в металлургии и других областях техники.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the axial force and speed in the rotating shafts of various power plants used on ships, in metallurgy and other fields of technology.
Известны устройства для измерения осевого усилия во вращающихся валах:Known devices for measuring axial force in rotating shafts:
1) Авторское свидетельство №142445. Бюллетень №21 за 1961 г. Устройство для измерения осевого давления во вращающихся валах. Солодовников А.И., Михайлов B.C.1) Copyright certificate No. 142445. Bulletin No. 21 of 1961. A device for measuring axial pressure in rotating shafts. Solodovnikov A.I., Mikhailov B.C.
2) Авторское свидетельство №421579. Бюллетень №12 от 30.03.74. Бесконтактный измеритель упора гребного винта. Михайлов B.C., Степанов С.В., 2) Copyright certificate No. 421579. Bulletin No. 12 of March 30, 74. Non-contact propeller stop meter. Mikhailov B.C., Stepanov S.V.,
действие, которых основано на использовании изменения магнитных свойств материала вала под влиянием упругих деформаций.action, which is based on the use of changes in the magnetic properties of the shaft material under the influence of elastic deformations.
Однако такие устройства имеют ряд недостатков, в первом случае обусловленных технологическими сложностями изготовления и установки кольцевого магнитоупругого датчика осевых усилий, а во втором случае - низкой помехоустойчивостью, вызванной вредным влиянием магнитной неоднородности материала вала. Помимо этого, в обоих случаях ввиду того, что не всегда известны магнитные свойства материала вала, возникают трудности, связанные с градуировкой показаний этих устройств.However, such devices have a number of disadvantages, in the first case due to technological difficulties in manufacturing and installing an annular magnetoelastic axial force sensor, and in the second case due to low noise immunity caused by the harmful effect of magnetic inhomogeneity of the shaft material. In addition, in both cases, due to the fact that the magnetic properties of the shaft material are not always known, difficulties arise associated with the calibration of the readings of these devices.
Целью изобретения является повышение надежности, помехоустойчивости, точности измерения и удобства эксплуатации.The aim of the invention is to increase the reliability, noise immunity, measurement accuracy and ease of operation.
Это достигается тем, что для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах предлагается использовать трансформаторный магнитоупругий преобразователь (ТМУП) осевого усилия приставного типа с эталонным чувствительным элементом (ЭЧЭ), выполненным из однородного и с большой магнитоупругой чувствительностью материала.This is achieved by the fact that to measure the axial force and speed in the rotating shafts it is proposed to use a transformer magnetoelastic transducer (TMUP) of the axial force of the attached type with a reference sensing element (ECE) made of a uniform material with a high magnetoelastic sensitivity.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - установка эталонного чувствительного элемента и датчика на гребном валу; на фиг.3 - эпюры электрических напряжений на выходах блоков устройства.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed device; figure 2 - installation of the reference sensor and sensor on the propeller shaft; figure 3 - plot of electrical voltages at the outputs of the blocks of the device.
Устройство содержит крестовой приставной магнитоупругий датчик 1 и фазовращатель 2, выходы которых подключены к входам сумматора 3. Выход последнего через последовательно соединенные полосовой фильтр 4 и выпрямитель 5 подключен к входу первого фильтра нижних частот 6 (ФНЧ). Выход первого фильтра нижних частот подключен через бесконтактный ключ 7 к входу второго фильтра нижних частот 8. Выход первого фильтра нижних частот также подключен к входу фильтра высоких частот 9 (ФВЧ), выход которого через последовательно соединенные компаратор 10 и элемент времени 11 подключен к входу третьего фильтра нижних частот 12. Выход компаратора подключен ко второму входу первого ключа. Обмотка возбуждения магнитоупругого датчика и вход фазовращателя подключены к выходу источника переменного напряжения 15. Измерительные приборы на чертеже не показаны.The device contains a cross-mounted magnetoelastic sensor 1 and a phase shifter 2, the outputs of which are connected to the inputs of the adder 3. The output of the latter through a series-connected bandpass filter 4 and a rectifier 5 is connected to the input of the first low-pass filter 6 (low-pass filter). The output of the first low-pass filter is connected through a contactless key 7 to the input of the second low-pass filter 8. The output of the first low-pass filter is also connected to the input of the high-pass filter 9 (HPF), the output of which is connected through a series-connected comparator 10 and a time element 11 to the input of the third low pass filter 12. The output of the comparator is connected to the second input of the first key. The field winding of the magnetoelastic sensor and the input of the phase shifter are connected to the output of the alternating voltage source 15. Measuring instruments are not shown in the drawing.
Устройство также содержит эталонный чувствительный элемент (ЭЧЭ) 16, который устанавливают на валу 17. Измерительные полюса датчика 18 и полюса возбуждения 19 установлены по окружности вала в соответствии с фиг.2.The device also contains a reference sensing element (ECE) 16, which is mounted on the
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Крестовой магнитоупругий датчик 1 устанавливают в непосредственной близи к гребному валу с некоторым начальным зазором между полюсами магнитопровода и измеряемой поверхностью вала. От источника 15 в обмотку возбуждения датчика 1 и на вход фазовращателя 2 подают переменное электрическое напряжение, изменяющееся с частотой ω.Cross magnetoelastic sensor 1 is installed in close proximity to the propeller shaft with some initial clearance between the poles of the magnetic circuit and the measured surface of the shaft. From source 15, an alternating voltage is applied to the field winding of the sensor 1 and to the input of the phase shifter 2, which varies with frequency ω.
В отсутствие нагрузки на валу вследствие начальной магнитной анизотропии поверхности вала и электромагнитной несимметрии датчика 1 на выходе датчика (одном входе сумматора 3) действует нулевой сигнал. На другой вход сумматора с выхода фазовращателя подают электрическое напряжение компенсации. Напряжение компенсации подбирают при настройке устройства равным по значению и противоположным по фазе первой гармонической составляющей нулевого сигнала так, чтобы на выходе сумматора 3 нулевой сигнал принял минимальное значение. Приложенное к валу осевое усилие вызывает появление механических напряжений на его поверхности, которые определяют дополнительную магнитную анизотропию вала и эталонного чувствительного элемента 16, укрепленного на его поверхности. При вращении вала 17 в определенные интервалы времени эталонный чувствительный элемент находится под полюсами 18 и 19 датчика, в другие интервалы времени под полюсами с другим зазором проходит поверхность вала. Наведенная прилагаемым осевым усилием магнитная анизотропия и чередование прохождения под измерительными полюсами 18 датчика то чувствительного элемента, то поверхности вала вызывают амплитудную модуляцию магнитного потока и выходного сигнала датчика 1, несущая частота которых равна частоте возбуждения ω. Глубина модуляции пропорциональна осевому усилию, а частота модулирующего сигнала пропорциональна частоте вращения вала Ω. Полосовой фильтр 4 выделяет первую гармоническую составляющую несущей частоты, не пропуская далее в тракт измерения субгармоники. С выхода полосового фильтра напряжение полезного сигнала поступает на выпрямитель 5, откуда выпрямленное напряжение подают на вход первого ФНЧ 6, который на своем выходе выделяет полезный сигнал модуляции (огибающую несущей частоты). Выделенный модулирующий сигнал V1 представляет собой электрическое напряжение, имеющее вид непрерывной последовательности однополярных прямоугольных импульсов, следующих с частотой вращения вала Ω. Один период измерения ТΩ напряжения V1 содержит два импульса. Эти импульсы имеют различные значения и длительности в зависимости от того, в какой интервал времени они сформированы, либо когда под полюсами датчика находится эталонный чувствительный элемент 16 и зазор между измерительными полюсами и эталонным чувствительным элементом имеет величину δэчэ (V1эчэ, tэчэ), либо когда под измерительными полюсами находится вал 17 и зазор между измерительными полюсами и поверхностью вала имеет величину δв (V1B, tв). Значение напряжения V1эчэ зависит от зазора δэчэ и магнитоупругих свойств эталонного чувствительного элемента, а напряжение V1в - от зазора δв и магнитоупругих свойств поверхности вала. Так как δэчэ<δв эталонный чувствительный элемент выполняют из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью, значительно превосходящей магнитную проницаемость материала вала, то напряжение V1эчэ оказывается значительно больше напряжения V1в. Это обуславливает импульсный характер изменения напряжения V1. Для выделения напряжения VОУ, пропорционального осевому усилию Р и не зависящего от магнитной неоднородности материала вала, напряжение V1 с выхода первого ФНЧ 6 подают на вход второго ФНЧ 8 через бесконтактный ключ 7. Работой последнего управляет выходное напряжение компаратора 10, которое открывает его на интервал времени tэчэ и закрывает на интервал времени tв. Ключ 7 пропускает на вход ФНЧ 8 напряжение V1эчэ. Напряжение на выходе ФНЧ 8:In the absence of a load on the shaft due to the initial magnetic anisotropy of the shaft surface and the electromagnetic asymmetry of the sensor 1, a zero signal acts at the output of the sensor (one input of the adder 3). At the other input of the adder from the output of the phase shifter, an electrical compensation voltage is supplied. The compensation voltage is selected when setting up the device equal in value and phase opposite to the first harmonic component of the zero signal so that at the output of the adder 3 the zero signal takes a minimum value. The axial force applied to the shaft causes the appearance of mechanical stresses on its surface, which determine the additional magnetic anisotropy of the shaft and the
где α - длина по дуге измерительного элемента;where α is the length along the arc of the measuring element;
Р - прилагаемое к валу осевое усилие. P is the axial force applied to the shaft.
Напряжение VОУ подают на измерительный (регистрирующий) прибор осевого усилия Р. Для формирования электрического напряжения VΩ, пропорционального частоте вращения вала Ω, напряжение V1 с выхода ФНЧ 6 подают на вход ФВЧ 9. На выходе ФВЧ 9 получают переменное импульсное напряжение без постоянной составляющей. Это напряжение подают на вход компаратора 10, на выходе которого действует импульсное напряжение строго прямоугольной формы. Частота повторения импульсов на выходе компаратора равна частоте вращения вала, а амплитуда не зависит от осевого усилия. Импульсы, имеющие длительность tэчэ, открывают ключ 7. С выхода компаратора 10 импульсное напряжение поступает на вход элемента времени 11, на выходе которого действуют однополярные импульсы. Длительность этих импульсов to постоянна и не зависит от интервала времени tэчэ, амплитуда А0 не зависит от осевого усилия, а частота повторения равна частоте вращения вала Ω. С выхода элемента времени 11 напряжение поступает на вход ФНЧ 12. На выходе ФНЧ 12 действует постоянное напряжение VΩ=А0·t0·Ω=n, которое подают на измерительный (регистрирующий) прибор числа оборотов.The voltage V of the op-amp is applied to the measuring (recording) device of the axial force P. To generate an electric voltage V Ω proportional to the shaft rotation frequency Ω, voltage V 1 from the output of the low-pass filter 6 is fed to the input of the high-pass filter 9. At the output of the high-pass filter 9, an alternating pulse voltage is obtained without constant component. This voltage is fed to the input of the comparator 10, the output of which is a pulse voltage of strictly rectangular shape. The pulse repetition rate at the output of the comparator is equal to the shaft speed, and the amplitude does not depend on the axial force. Pulses having a teche duration open the key 7. From the output of the comparator 10, the pulse voltage is supplied to the input of the time element 11, the output of which is unipolar pulses. The duration of these pulses to is constant and does not depend on the time interval teche, the amplitude A 0 does not depend on the axial force, and the repetition rate is equal to the shaft rotation frequency Ω. From the output of the time element 11, the voltage is supplied to the input of the low-pass filter 12. At the output of the low-pass filter 12, a constant voltage V Ω = A 0 · t 0 · Ω = n is applied, which is fed to the measuring (recording) device of the speed.
Часто для измерения характеристик используют магнитоупругий эффект в материале самого вала. Однако применение измерительного элемента в предлагаемом устройстве имеет следующие преимущества. Значительно повышена точность и облегчена градуировка устройства. Повышение точности достигается тем, что измерительный элемент выполняют из однородного и с большой магнитоупругой чувствительностью материала. Гребной вал обладает низкой магнитоупругой чувствительностью и сильно выраженной магнитной неоднородностью как по окружности, так и по длине, что приводит к сильным помехам и большим погрешностям измерения. Кроме того, измерительный элемент в предлагаемом устройстве выполняют съемным. Это позволяет осуществлять градуировку просто и с большой точностью на лабораторном или заводском стендах. Можно также изготовить достаточное количество одинаковых измерительных элементов из материала с одинаковыми свойствами. Косвенный метод градуировки известного устройства, используемого без измерительного элемента, отличается низкой точностью.Often, the magnetoelastic effect in the material of the shaft itself is used to measure the characteristics. However, the use of the measuring element in the proposed device has the following advantages. Significantly improved accuracy and easier calibration of the device. Improving the accuracy is achieved by the fact that the measuring element is made of a homogeneous and with a high magnetoelastic sensitivity of the material. The propeller shaft has a low magnetoelastic sensitivity and a pronounced magnetic heterogeneity both around the circumference and along the length, which leads to strong noise and large measurement errors. In addition, the measuring element in the proposed device is removable. This allows graduation to be carried out simply and with great accuracy at the laboratory or factory stands. You can also make a sufficient number of the same measuring elements from a material with the same properties. The indirect calibration method of the known device used without a measuring element is characterized by low accuracy.
Для того чтобы магнитная неоднородность гребного вала не влияла на точность предлагаемого устройства, необходимо, чтобы переменный магнитный поток возбуждения датчика 1 не проникал в поверхностный слой вала. Практически это означает, что магнитная индукция в поверхностном слое вала должна быть много меньше значения магнитной индукции в измерительном элементе. Это условие выполняется, если толщина измерительного элемента не меньше, чем удвоенное значение глубины проникновения переменного магнитного потока в него. При фиксированной частоте напряжения возбуждения выполнения условий добиваются выбором толщины измерительного элемента, а при заданной толщине элемента изменяют (увеличивают) частоту напряжения возбуждения.In order that the magnetic heterogeneity of the propeller shaft does not affect the accuracy of the proposed device, it is necessary that the variable magnetic flux of the excitation of the sensor 1 does not penetrate the surface layer of the shaft. In practice, this means that the magnetic induction in the surface layer of the shaft should be much less than the value of magnetic induction in the measuring element. This condition is satisfied if the thickness of the measuring element is not less than twice the depth of penetration of an alternating magnetic flux into it. At a fixed frequency of the excitation voltage, the conditions are achieved by choosing the thickness of the measuring element, and at a given thickness of the element, the frequency of the excitation voltage is changed (increased).
Измерительный элемент может быть выполнен, например, в виде прямоугольной пластины. Ширину пластины выбирают равной габаритному размеру датчика 1. Если вал имеет значительные осевые перемещения, то ширина пластины равна сумме размера датчика и удвоенного значения осевого перемещения вала. Длину пластины выбирают в два или три раза больше ее ширины так, чтобы за время прохождения пластины под полюсами датчика сформировался четкий прямоугольный импульс, позволяющий дальнейшую его обработку. В устройстве датчик 1 устанавливают так, чтобы проекции полюсов магнитопровода на поверхность вала соответствовали фиг.2.The measuring element can be made, for example, in the form of a rectangular plate. The width of the plate is chosen equal to the overall size of the sensor 1. If the shaft has significant axial displacements, then the width of the plate is equal to the sum of the size of the sensor and twice the axial displacement of the shaft. The length of the plate is chosen two or three times its width so that during the passage of the plate under the poles of the sensor a clear rectangular pulse is formed, allowing its further processing. In the device, the sensor 1 is installed so that the projection of the poles of the magnetic circuit on the surface of the shaft correspond to figure 2.
Литература.Literature.
1. Жадобин Н.Е. «Магнитоупругие датчики в судовой автоматике». Л.: Судостроение, 1985, 36 с.1. Zhadobin N.E. “Magnetoelastic sensors in marine automation.” L .: Shipbuilding, 1985, 36 p.
2. Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Малышев В.А. «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики». СПб.: 1998, 440 с.2. Zhadobin N.E., Krylov A.P., Malyshev V.A. "Elements and functional devices of ship automation". St. Petersburg: 1998, 440 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007135036/28A RU2354941C1 (en) | 2007-09-20 | 2007-09-20 | Device to measure rotary shaft axial force and rpm |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007135036/28A RU2354941C1 (en) | 2007-09-20 | 2007-09-20 | Device to measure rotary shaft axial force and rpm |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2354941C1 true RU2354941C1 (en) | 2009-05-10 |
Family
ID=41020072
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007135036/28A RU2354941C1 (en) | 2007-09-20 | 2007-09-20 | Device to measure rotary shaft axial force and rpm |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2354941C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114705357A (en) * | 2022-04-19 | 2022-07-05 | 上海工业自动化仪表研究院有限公司 | Phase-sensitive demodulation correction method for magnetoelastic sensor |
-
2007
- 2007-09-20 RU RU2007135036/28A patent/RU2354941C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Малышев В.А. Элементы и функциональные устройства судовой автоматики. - СПб.: 1998, 440 с. Жадобин Н.Е. Магнитоупругие датчики в судовой автоматике. - Л.: Судостроение, 1985, 36 с. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114705357A (en) * | 2022-04-19 | 2022-07-05 | 上海工业自动化仪表研究院有限公司 | Phase-sensitive demodulation correction method for magnetoelastic sensor |
CN114705357B (en) * | 2022-04-19 | 2024-03-26 | 上海工业自动化仪表研究院有限公司 | Phase-sensitive demodulation correction method for magnetoelastic sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20200056975A1 (en) | Magnetic induction particle detection device and concentration detection method | |
US7034522B2 (en) | Method and apparatus for measuring movement, displacement and/or deformation | |
US20140182388A1 (en) | Proximity and strain sensing | |
RU2354941C1 (en) | Device to measure rotary shaft axial force and rpm | |
Ripka et al. | AMR proximity sensor with inherent demodulation | |
RU165999U1 (en) | MAGNETOELECTRIC MAGNETIC FIELD SENSOR | |
Nikolaev et al. | Studying a signal due to the tangential component of stray fluxes from a surface flaw detected with a vibrating induction transducer | |
RU2354942C1 (en) | Device for end thrust and rotation speed measurement in rotating shafts | |
RU2460995C2 (en) | Method and apparatus for nondestructive inspection of ropes made from ferromagnetic steel wire | |
Boshenyatov et al. | A method for measuring small-amplitude waves on a water surface | |
SU1527521A1 (en) | Device for measuring characteristics of ship power plant | |
US3323364A (en) | Means for rejecting quadrature voltage signals in a flow meter | |
RU2647180C1 (en) | Coating thickness measuring device | |
Zhang et al. | A novel micro-magnetic sensor based on GMI effect | |
Hua et al. | Development of a novel polymeric fiber-optic magnetostrictive metal detector | |
SU1043481A1 (en) | Electromagnetic method for measuring ferromagnetic article diameter | |
RU2672978C1 (en) | Method for detecting defects in a long-dimensional ferromagnetic object | |
RU2335741C1 (en) | Vibrating liquid level indicator | |
SU853517A1 (en) | Electromagnetic thickness meter | |
SU411367A1 (en) | ||
RU150026U1 (en) | VORTEX ANALYZER OF GRANULOMETRIC COMPOSITION OF WEAKLY CONDUCTING DISPERSED MEDIA | |
SU943614A1 (en) | Device for measuring magnetic field parameters | |
Zhang et al. | Frequency evaluation of SAW torque response signal using Hilbert envelope-demodulation | |
SU1099293A1 (en) | Device for measuring dynamic reversible magnetic permeability | |
RU2346287C1 (en) | Schurov's method of magnetic emission measurement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180921 |