Датчик крутящего момента
В заявке предложен датчик, включающий в себя индикатор момента, корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона, первое кольцо с первым зубчатым венцом, установленное на валу перед началом торсиона, и первую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с первым зубчатым венцом. Отличительной особенностью датчика является то, что он содержит второе кольцо со вторым зубчатым венцом, установленное на валу после конца торсиона со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом, первый и второй формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой и второй считывающими головками, первый и второй элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго формирователей импульсов, RS-триггер, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго дифференцирующих элементов, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выходом RS-триггера, и сглаживающий фильтр, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера, а выход соединен с индикатором момента. При этом второй зубчатый венец смещен в окружном направлении относительно первого на половину шага зубьев. Предложенная конструкция датчика делает его более простым и надежным, чем прототип.
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам преобразования информации и измерительной техники и может быть использована в системах контроля и управления в машинах различного технологического назначения.
В настоящее время датчики, аналогичные предлагаемому, известны. К ним относятся, в частности, датчики, описанные в книге «В.И. Литвак. Автоматическая аварийная защита в системах управления. - М.: Энергия, 1973». Такие датчики содержат упругий линейно деформируемый элемент, на который наклеивается тензопреобразователь. Этот элемент через рычаг или трос связывают с валом машины, момент на котором измеряется. Элемент измеряет тяговое усилие, развиваемое валом, а тяговое усилие, умноженное на радиус вала, характеризует момент. Подобные датчики момента непригодны для измерения момента в процессе вращения вала. Но этого недостатка лишены другие датчики-аналоги. Таковым является, например, датчик крутящего момента, конструкция которого описана в статье «Lorenz-m.ru/index.php?option=com_content&view=article&Itemid=143». Он содержит вал с утоньшением (термин, приведенный в упомянутой книге В.И. Литвака на стр.53). Это утоньшение образует торсион. На торсион наклеиваются тензопреобразователи. Вал устанавливается в опорах вращения в корпусе. От корпуса на тензопреобразователи подается напряжение питания через коллектор, состоящий из элементов, закрепленных на валу, и из элементов, закрепленных на корпусе датчика. Таким же образом, через коллектор, снимается и выходной сигнал датчика, которым является сигнал тензопреобразователей. При вращении вала крутящий момент на нем определенным образом деформирует торсион. Тензопреобразователи эту деформацию преобразуют в соответствующий сигнал, а сигнал выводится на индикатор или показывающий прибор через коллектор.
Описанный датчик позволяет измерять крутящий момент в процессе вращения вала. Это его достоинство. Но, наряду с достоинством он имеет и серьезный недостаток: невысокую надежность, обусловленную использованием двух коллекторов. С этим недостатком пытаются бороться путем применения платиносодержащих контактных элементов коллектора, однако радикально это повысить надежность не позволяет. Последнее можно осуществить лишь исключением коллекторов из конструкции датчика, что сделано, в частности, в датчике модели ЭК-3000, описанном в статье «В. Криммель. «Измерение крутящего момента при помощи датчика и ПК/Сб. статей «Энергосбережение, автоматизации в промышленности, интеллектуальные здания и АСУТП. - М.: Альфа-сенсор, 2010»». Указанный датчик, принятый нами за прототип, включает в себя индикатор момента, корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения (на подшипниках) вал, в средней части которого выполнено утоньшение. На утоньшении, представляющем собой, по сути, торсион, наклеены тензопреобразователи. Подвод напряжения питания к тензопреобразователям и съем сигнала с них осуществляется через два вращающихся трансформатора, у каждого из которых одна обмотка размещена на валу, а другая в корпусе. Таким образом, при использовании датчика коллекторы не требуются, а их заменяют бесконтактные элементы. В дополнении к описанным элементам датчик имеет еще кольцо с зубчатым венцом, установленное на валу перед утоньшением, и считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с зубчатым венцом. Головка магнитная (с магнитопроводом и катушкой), но может быть выполненной и оптической (с излучателем и фотоэлементом). С помощью головки и зубчатого венца при вращении вала, момент на котором измеряется, можно судить еще и о скорости вращения вала (по частоте импульсов, считываемых головкой при взаимодействии с зубьями венца). В результате при использовании датчика в зависимости от момента, передаваемого валом, тензопреобразователи выдают информацию об этом моменте, причем при этом можно судить о том, как будет меняться момент при изменении скорости вращения вала.
Датчик - прототип значительно надежней второго из рассмотренных аналогов, имеет более широкие функциональные возможности, но излишне сложен и нетехнологичен. Надежность его, хотя и выше, чем у аналогов, но все же оставляет желать лучшего.
Задачей предлагаемой полезной модели является дальнейшее повышение надежности датчика момента без сужения его функциональных возможностей. Это можно обеспечить путем исключения из него вращающихся трансформаторов и применения современных средств микроэлектроники.
Технически решение поставленной задачи осуществляется путем того, что датчик крутящего момента, включающий в себя индикатор момента, корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона, первое кольцо с первым зубчатым венцом, установленное на валу перед началом торсиона, и первую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с первым зубчатым венцом, отличается от прототипа тем, что он содержит второе кольцо со вторым зубчатым венцом, установленное на валу после конца торсиона со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом, первый и второй формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой и второй считывающими головками, первый и второй элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго формирователей импульсов, RS-триггер, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго диференцирующих элементов, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выходом RS-тригтера, и сглаживающий фильтр, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера, а выход соединен с индикатором момента. При этом второй зубчатый венец смещен в окружном направлении относительно первого на половину шага зубьев.
Схема предлагаемого датчика момента показана на фиг.1, а принцип ее работы иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг.2(момент равен нулю) и фиг.3 (момент не равен нулю).
Датчик включает в себя индикатор момента 1, корпус 2, вал 3, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона 4, первое кольцо 5, с первым зубчатым венцом 6, установленное на валу 3 перед началом торсиона 4, и первую считывающую головку 7, закрепленную в корпусе 2 и взаимодействующую с первым зубчатым венцом 6. Он также содержит второе кольцо 8 со вторым зубчатым венцом 9, установленное на валу 3 после конца торсиона 4 со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку 10, закрепленную в корпусе 1 и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом 9, первый 11 и второй 12 формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой 7 и второй 10 считывающими головками, первый 13 и второй 14 элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого 11 и второго 12 формирователей импульсов, RS-триггер 15, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго дифференцирующих элементов 13 и 14, инвертирующий усилитель 16, вход которого соединен с первым выходом RS-триггера 15, и сглаживающий фильтр 17, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 16, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера 15, а выход соединен с индикатором момента 1. При этом второй зубчатый венец 9 смещен в окружном направлении относительно первого 6 на половину шага зубьев.
При использовании датчика вал 3 включают в кинематическую цепь, момент в которой измеряется. Корпус 2 датчика закрепляется на стойке неподвижно. При вращении вала 3 считывающие головки 7 и 10, взаимодействуя с зубчатыми венцами 6 и 9, выдают последовательности импульсов, форма которых близка к синусоидальной (фиг.2). Проходя через формирователи 11 и 12 эти импульсы приобретают прямоугольную форму. Далее дифференцирующие элементы 13 и 14 «вырезают» из них передние фронты, в результате чего на входы триггера 15 поступают короткие импульсы, попеременно переключающие его из одного «положения» в другое. Если вал 3 моментом сопротивления не нагружен (фиг.2), то, поскольку зубья венцов 6 и 9 смещены друг относительно друга на полшага, на выходах триггера 15 будет попеременно появляться сигнал «1» (допустим, положительной полярности), занимающий по времени половину интервала между импульсами, поступающими на первый вход триггера. Сигнал «1», появляющийся на первом выходе триггера 15 проходит далее через инвертирующий усилитель 16 и меняет полярность, не изменяясь по уровню. Получается, что за период поступлении импульсов на первый вход триггера 15, на его втором выходе и на выходе инвертирующего усилителя 16 появляется последовательность сигналов положительной и отрицательной полярности, равных по длительности половине периода поступления импульсов на первый вход триггера 15 и равных по уровню (по модулю) друг другу. Это последовательность поступает на сглаживающий фильтр 17, усредняется им, и в результате на выходе фильтра получается нулевое напряжение. Подаваемое на индикатор 1, оно выдает информацию на выходе устройства о том, что измеряемый момент равен нулю. Если вал 3 нагружается некоторым моментом сопротивления (фиг.3), то венцы 6 и 9 из-за деформации торсиона 4 вала 3 друг относительно друга в окружном направлении смещается дополнительно. Это приводит к тому, что на фильтр 17 поступают уже неравные по длительности сигналы «1», отличающиеся лишь полярностью, а один сигнал больший (более продолжительный), а другой меньший (менее продолжительный). На входе фильтра появиться усредненное напряжение, отличающееся от нулевого, причем уровень этого отличия будет пропорционален моменту, а знак - направлению момента. Поступая на индикатор 1, напряжение с выхода фильтра выдаст информацию об этом на выходе устройства. Нагружая вал 3 датчика различными заранее известными моментами по величине и знаку, показания индикатора 1 можно проградуировать, а затем можно будет пользоваться предложенным датчиком как измерительным устройством.
Сравнивая предложенный датчик крутящего момента с прототипом, не трудно заметить, что он существенно проще прототипа. Фильтры 11 и 12 в нем могут быть выполнены на одной типовой интегральной схеме. Элементы 13, 14 и 15 - на второй. Элементы 16 и 17 - на третьей. В нем нет вращающихся трансформаторов и тензопреобразователей, таких, как в прототипе. Таким образом, он реально намного проще прототипа, что обуславливает его более высокую надежность. Повышение надежности составляет технический результат предложения.
Датчик крутящего момента, включающий в себя индикатор момента, корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, средняя часть которого выполнена в виде торсиона, первое кольцо с первым зубчатым венцом, установленное на валу перед началом торсиона, и первую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую с первым зубчатым венцом, отличающийся тем, что он содержит второе кольцо со вторым зубчатым венцом, установленное на валу после конца торсиона со стороны, противоположной первому кольцу, вторую считывающую головку, закрепленную в корпусе и взаимодействующую со вторым зубчатым венцом, первый и второй формирователи импульсов, соединенные, соответственно, с первой и второй считывающими головками, первый и второй элементы дифференцирования, входы которых соединены, соответственно, с выходами первого и второго формирователями импульсов, RS-триггер, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго дифференцирующих элементов, инвертирующий усилитель, вход которого соединен с первым выходом RS-тригтера, и сглаживающий фильтр, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, второй вход соединен со вторым выходом RS-триггера, а выход соединен с индикатором момента, при этом второй зубчатый венец смещен в окружном направлении относительно первого на половину шага зубьев.
