RU4606U1 - Цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения - Google Patents

Abstract

Цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения, содержащий торсионный вал, два датчика, блок управления, генератор, задатчик времени измерения, калибратор и цифровой индикатор, отличающийся тем, что в него введена схема суммирования импульсных последовательностей, упомянутый блок управления содержит два преобразователя интервал-код, узел управления и вычисления крутящего момента и вычислитель мощности и частоты вращения, в качестве генератора использован кварцевый тактовый генератор, а датчики выполнены автоколлимационными оптико-электронными, при этом каждый датчик включает подвижную систему, представляющую зеркальный металлический отражатель, закрепленный на соответствующем конце торсионного вала, и неподвижную систему, содержащую излучатель светового потока, оптически связанный через автоколлиматор и зеркальный металлический отражатель с двумя фотодиодами, выходы которых через соответствующие усилители подключены к схеме сравнения, выход последней через компаратор подключен к соответствующему входу схемы суммирования импульсных последовательностей, выход которой через преобразователи интервал-код подключен к соответствующим входам узла управления и вычисления крутящего момента, один из выходов которого соединен с входом калибратора, выход которого соединен с третьим входом узла управления и вычисления крутящего момента, второй выход последнего подключен через вычислитель мощности и частоты вращения к цифровому индикатору, один из входов которого соединен посредственно с соответствующим выходом узла управления и вычисления крутящего момента, четвертый вход ко�

Description

Цифровой измеритель мощиости, крутящего иомеита и частоты вращеиия.

Полезная модель относится к силоизмерительной технике, а именно, к измерению крутящего момента на вращающихся валах и мощности, передаваемой в нагрузку, и может быть использована в тахометрии для измерения частоты вала роторной машины.

Известно Устройство для измерения крутящего момента и мощности (см. описание изобретения к авт. св. N 1234735, кл.в01ЬЗ/10, опубл. в 1986г), содержащее вал, по концам которого установлены два диска с метками, равномерно расположенными по окружности, два импульсных датчика меток, датчики частоты и направления вращения вала, электронные ключи, резисторы, источники постоянного напряжения, схемы равнозначности, схемы совпадения, переключатель, узел блокировки, индикатор, конденсатор и инвертор.

Данная конструкция устройства для измерения крутящего момента и мощности позволила обеспечить компенсацию погрешности установки угла взаимного смещения импульсных датчиков меток в определенном диапазоне, однако, это не позволило в достаточной степени повысить точность измерений.

Известен Цифровой измеритель крутящего момента (см. описание изобретения к авт.св. N 1000798, кл.в01ЬЗ/10, опубл. в 1983г), который выбран в качестве прототипа.

Известный измеритель содержит вал торсиометра, на концах которого закреплены две шестерни-индикаторы, являющиеся подвижной системой фазных датчиков, усилители-ограничители, схему совпадения, блок управления, генератор импульсов, задатчик времени измерения, цифровой индикатор и блок калибровки, включающий ключи, интегратор, компаратор, потенциометры и источники напряжений.

Недостатком известного цифрового измерителя крутящего момента является то, что в процессе измерения значения текущего углового положения шестерни-индуктора определяются взаимным положением центра зубца, взаимодействующего в данный момент с фазнБШ датчиком, относительно координат датчика. Угол закрутки определяется как разность соответствующих углов обоих датчиков. Измеряемый таким образом угол будет зависеть не только от угла закрутки, но и от взаимного смещения оси вала относительно фазного датчика, что снижает точность измерения при вибрациях вала и датчика, прецессии центра масс вала и других смещениях оси.

Задача предлагаемого технического решения состоит в создании цифрового измерителя мощности, крутящего момента и частоты вращения, позволяющего расширить его функциональные возможности за счет измерения частоты вращения и одновременно повысить точность и быстродействие измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения, содержащий торсионный вал, два датчика, блок управления, генератор, задатчик времени измерения, калибратор и цифровой индикатор, введена схема суммирования импульсных последовательностей, упомянутый блок управления содержит два преобразователя интервал-код, узел управления и вычисления крутящего момента и вычислитель мощности и частоты вращения, в качестве генератора использован кварцевый тактовый генератор, а датчики выполнены автоколлимационнЕлми оптико-электронными, при этом каждый датчик включает подвижную систему, представляющую зеркальный металлический отражатель, закрепленный на соответствующем конце торсионного вала, и неподвижную систему, содержащую излучатель светового потока, оптически связанный через автоколлиматор и зеркальный металлический отражатель с двумя фотодиодами, выходы которых через соответствующие усилители подключены к схеме сравнения, выход последней через компаратор подключен к соответствующему входу схемы суммирования импульсных последовательностей, выход которой через преобразователи интервал-код подключен к соответствующим входам узла управления и вычисления крутящего момента, один из выходов которого Соединен со входом калибратора, выход Которого соединен с третьим входом узла управления и вычисления крутящего момента, второй выход последнего подключен через вычислитель мощности и частоты вращения к цифровому индикатору, один из входов которого соединен непосредственно с соответствующим выходом узла управления и вычисления крутящего момента, четвертый вход которого соединен с кварцевым тактовЕШ генератором, второй выход которого соединен через задатчик времени измерения с пятым входом узла управления и вычисления крутящего момента.

HoBEOi является введение в цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения схемы суммирования импульсных последовательностей, выполнение блока управления из двух преобразователей интервал-код, узла управления и вычисления крутящего момента и вычислителя мощности и частоты вращения, а также установление на концах торсионного вала зеркальн 1х металлических отражателей, оптически связанных с автоколлимационньши оптико-электронными датчиками, каждый из которых включает также излучатель светового потока, автоколлиматор, два фотодиода, усилители, схему сравнения и компаратор.

В отличие от прототипа, в котором использованы в качестве подвижной системы датчиков шестерни-индукторы, чувствительные даже к незначительным вибрациям вала и датчиков, что существенно влияет на точность измерения, в предлагаемой конструкции использованы автоколлимационные оптико-электронные датчики, в качестве подвижной системы которых применены зеркальные металлические отражатели, в результате чего угол закрутки определяется разностью угловых положений нормалей зеркальных отражателей и не зависит от смещения оси вала относительно датчиков, что приводит к повышению точности измерения.

Кроме того, такое выполнение блока управления позволило обеспечить, наряду с выполняемыми функциями прототипа, измерение частоты вращения, а также обработку мгновенных значений выходных параметров, получаемых с выходов преобразователей интервал-код, что приводит не только к расширению функциональных возможностей измерителя, но и к повышению быстродействия измерения.

Заявляемый цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения поясняется чертежами:

на фиг.1 - представлена принципиальная схема цифрового измерителя;

на фиг.2 - представлены диаграммы, иллюстрирующие работу цифрового измерителя.

Цифровой измерифель мощности, крутящего момента и частоты вращения (фиг.1) содержит торсионный вал 1, зеркальные металлические отражатели 2 и 3, автоколлимационные оптико-электронные датчики 4 и 5, схему суммирования импульсных последовательностей 6, блок управления 7, кварцевый тактовый генератор 8, задатчик времени измерения 9, калибратор 10, цифровой индикатор 11.

Автоколлимационные оптико-электронные датчики (АОЭ) 4 и 5 (фиг.1) содержат излучатель светового потока 12, автоколлиматор 13, два фотодиода 14 и 14, усилители 15 и 16, схему сравнения 17 и компаратор 18.

Блок управления 7 (фиг.1) содержит два преобразователя интервал-код 19 и 20, узел управления и вычисления крутящего момента 21 и вычислитель мощности и частоты вращения 22.

Излучатель светового потока 12 оптически связан через автоколлиматор 13 и зеркальные металлические отражатели 2 и 3, установленные на концах торсионного вала 1, с двумя фотодиодами 14 и 14, ВБ1ХОДЫ которых через соответствующие усилители 15 и 16 подключены к схеме сравнения 17. Выход схемы сравнения 17 через компаратор 18 подключен к соответствующему входу схемы суммирования импульсных последовательностей 6, выход которой через преобразователи интервал-код 19 и 20 подключен к соответствующим входам узла управления и вычисления крутящего момента. Один из выходов узла управления и вычисления 21 соединен со входом калибратора 10, выход которого подключен к третьему входу узла управления и вычисления 21. Второй выход узла управления и вычисления крутящего момента 21 подключен через вычислитель мощности и частоты вращения 22 к цифровому индикатору 11. Третий выход узла управления и вычисления 21 соединен непосредственно с цифровБШ индикатором 11. Четвертый вход узла управления и вычисления 21 соединен с кварцевьш тактовым генератором 8, второй выход которого соединен через задатчик времени измерения 9 с пятым входом узла управления и вычисления крутящего момента 21.

Блок управления 7 выполнен на основе микропроцессора, например, типа КР1816ВЕ51.

Цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения работает следующим образом.

Излучатель светового потока 12, практически точечных разме0 // С

ров, излучает световой поток, формируемый объективом автоколлиматора 13 в пучок параллельных лучей, не чувствительных к перемещениям и вибрациям торсионного вала 1, который отражается от зеркального металлического отражателя 2, когда он при вращении вала 1 пересекает этот световой поток. Отраженные лучи приобретают угловое смещение, величина которого определяется взаимным положением оси автоколлиматора и нормали зеркального отражателя 2. С помощью объектива автоколлиматора 13 световой поток коллимируется (сужается) в узкий пучок, так что пятно света в плоскости расположения фотодиодов 14 и 14 имеет такие же геометрические размеры, как и у излучателя 12.

При вращении торсионного вала 1 и, следовательно, изменении углового положения нормали зеркального отражателя 2, пятно движется, в том числе некоторое время сначала по одному фотодиоду 14, а затем по другому фотодиоду 14. При этом на входы усилителей 15 и 16 поступают импульсы, несколько сдвинутые один относительно другого. За момент отсчета углового совпадения нормали зеркального отражателя 2 и оси АОЭ датчика 4 принят момент, когда энергетический центр пятна пересекает линию раздела фотодиодов 14 и 14. В этот момент времени токи фотодиодов 14, 14, а следовательно, напряжения на входах схемы сравнения 17 одинаковы, а на ее выходе получается нулевой потенциал, что вызывает перепад положения компаратора 18 из нижнего положения в верхнее (из положения О в положение 1). Компаратором 18 формируется короткий импульс, передний фронт которого фиксирует измеряемый момент времени. При вращении торсионного вала 1 эти импульсы будут формироваться каждый период, т.е. с выхода АОЭ датчика 4 на схему суммирования импульсных последовательностей 6 поступает импульсная последовательность (фиг.2а). С выхода АОЭ датчика 5 на другой вход схемы суммирования импульсных последовательностей 6 поступает аналогичная импульсная последовательность, но ее импульсы сдвинуты на интервал т, определяемый углом закручивания и частотой вращения торсионного вала (фиг.26). Импульсная последовательность с выхода схемы 6 поочередно поступает на входы преобразователей интервал-код 19 и 20. Преобразователь 19 определяет кодируемое значение интервала т (фиг.2в), преобразователь 20 определяет кодируемое

значение интервала Т-т. Преобразователи интервал-код 19 и 20 состоят из управляемых счетчиков числа импульсов высокочастотного кварцевого генератора 8, частота которых равна f. В течение интервалов заполнения т и Т-т получаются кодовые значения N и Ntp.x

соответственно. Каждый период эти значения обновляются.

Кодовые значения N. и N.-i поступают на ВЕпислитель мощности и частоты вращения 22, выполненный на микропроцессоре, в котором расчитываются значения искомых величин по следующим формулам:

МКР а - К ;

N + NT.

n ;

NT + Щ-1

NI 0,147Мкр n ;

гдеN

к a - калибровочный коэффициент,

N-r + NT o

определяемый индивидуально для каждого измерителя при отсутствии крутящего момента на любой частоте вращения рабочего диапазона ; N и . - кодовые значения при нулевом моменте кручения;

а - коэффициент упругости, характеризующий жесткость торсионного вала; определяется индивидуально для каждого торсионного вала 1 на этапе его изготовления.

Указанные значения коэффициентов а и К вводятся в калибратор 10 на этапе наладки цифрового измерителя и учитываются вычислителем 22 автоматически. Это позволяет повысить точность измерения.

Таким образом, предлагаемый цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения позволяет достигнуть высокой точности измерения за счет того, что при определении момента вращения в АОЭ датчика используется положение энергетического центра пятна, устраняется зависимость от амплитуды и формы импульсов.

a коллимация излучения в точечное пятно, что возможно только для светового потока, повышает крутизну сигнала и, следовательно, точность отсчета искомого момента. Далее измеряемый интервал заполняется высокочастотными импульсами кварцевого тактового генератора, стабильность которого высока, а дискретность мала, в то время как в прототипе заполнение измеряемого интервала производится импульсной последовательностью, период которой определяется шагом шестерни-ИНДуктора, что повышает погрешность дискретизации и снижает точность измерения. Директо; предпр: Авторы: / Тимофеев К.В. Кауфельдт А.К. Тимофеев К.В. Трифонов С.В. хч КОЛЫШКИН С.Н. Федоров В.В. Собакин Б.И.

Claims (1)

1. Цифровой измеритель мощности, крутящего момента и частоты вращения, содержащий торсионный вал, два датчика, блок управления, генератор, задатчик времени измерения, калибратор и цифровой индикатор, отличающийся тем, что в него введена схема суммирования импульсных последовательностей, упомянутый блок управления содержит два преобразователя интервал-код, узел управления и вычисления крутящего момента и вычислитель мощности и частоты вращения, в качестве генератора использован кварцевый тактовый генератор, а датчики выполнены автоколлимационными оптико-электронными, при этом каждый датчик включает подвижную систему, представляющую зеркальный металлический отражатель, закрепленный на соответствующем конце торсионного вала, и неподвижную систему, содержащую излучатель светового потока, оптически связанный через автоколлиматор и зеркальный металлический отражатель с двумя фотодиодами, выходы которых через соответствующие усилители подключены к схеме сравнения, выход последней через компаратор подключен к соответствующему входу схемы суммирования импульсных последовательностей, выход которой через преобразователи интервал-код подключен к соответствующим входам узла управления и вычисления крутящего момента, один из выходов которого соединен с входом калибратора, выход которого соединен с третьим входом узла управления и вычисления крутящего момента, второй выход последнего подключен через вычислитель мощности и частоты вращения к цифровому индикатору, один из входов которого соединен посредственно с соответствующим выходом узла управления и вычисления крутящего момента, четвертый вход которого соединен с кварцевым тактовым генератором, второй выход которого соединен через задатчик времени измерения с пятым входом узла управления и вычисления крутящего момента.