Раздел 4

Датчики моментов

 

Электрическая связь с движущимся датчиком

 

При необходимости измерения моментов, действующих на вращающиеся части механизмов, возникает проблема электриче­ской связи между движущимся датчиком и стационарной изме­рительной цепью. Эта связь может осуществляться контактным или бесконтактным путем.

Контактная связь. Обычно применяются либо скользящие контакты на стержнях и щетках (рис. 10.1а), либо погружен­ные в ртуть вращающиеся контакты (рис. 10.1б).

Преимущество таких контактов состоит в способности про­водить постоянный ток, но возникающее при этом контактное сопротивление возмущается случайными отклонениями dR, по­рождаемыми в основном флуктуациями в давлении контакта (в основном вследствие неровностей и вибраций скользящих контактов).

Рис. 10.1 Конструктивные схемы электрической связи с вращающимися де­талями.

а – скользящие контакты на стержнях и щетках, конструкция фирмы Lebow (1 – се­ребряная проволока, 2 – серебряный стержень, 3 – щетка, 4 – высокотемпературная эпоксидная смола, 5 – корпус); б – контакты с погружением в ртуть, конструкция фирмы Vibrometer S.А. (1 – пайка, 2 – ртуть, 3 – диафрагма, 4 – контактная труба из платиноиридиевого сплава, 5 – медная проволока, 6 – войлочное уплотнение, 7 – соединительная проволока из платиноиридиевого сплава),

Размах колебаний dR для скользящих контактов составляет 5¸50*10ˉ³; для погруженных в ртуть вращающихся контактов он намного меньше (~ 0,25 V*10ˉ³).

Кроме того, если стационарная и вращающиеся части выпол­нены из разных металлов, их контакт вызывает появление в це­ли термо-э.д.с. (в практических условиях для контакта ртуть – платина/иридий она ниже 2 мкВ).

Разогрев и механическое истирание из-за трения вызывают уменьшение рабочего ресурса таких контактов, вследствие чего приходится ограничивать скорость вращения (максимальная линейная скорость на уровне скользящих контактов ограничи­вается величиной ~ 25 м/с), а при больших скоростях устраи­вать принудительное охлаждение.

Рабочий ресурс контактов, вращающихся в ртути, выше, чем контактов типа стержни-щетки; когда измерения производят­ся не постоянно, последние становятся достаточно привлека­тельными, а их обслуживание облегчается, если они разборные.

Бесконтактная связь. В этом случае для передачи электри­ческого сигнала используется емкостная (вращающийся конден­сатор) или индуктивная (вращающийся трансформатор, рис. 10.2) связь; эти способы пригодны только для сигналов пере­менного тока.

В этом случае отсутствует трение, ограничивающее рабочий ресурс и скорость вращения. Всякое паразитное взаимодейст­вие между возбуждающей цепью датчика (когда он пассивный) и цепью, принимающей измерительный сигнал, должно быть ис­ключено. Однако, если возбуждение и измерительный сигнал могут быть впоследствии разделены (например, фильтрацией, если они имеют сильно различающиеся частоты), возможно при­менение общего устройства для их передачи.

 

Рис. 10.2 Вращающийся трансформатор (докум. фирмы Lebow).

а – схема, иллюстрирующая принцип действия; б – использование для возбуждающей и измерительной индуктивной связи с моментомером на тензодатчиках. 1 – магнит; 2 – трансформатор измерительного сигнала; 3 – возбуждающий трансформатор; 4 – первичная обмотка (неподвижная); 5 – вторичная обмотка (вращающаяся); 6 – образец.

 

Рис. 10.3. Датчик для бесконтактного измерения момента на вращающемся валу (докум. фирмы Acurex).

 

Несовершенство концентричности между неподвижной и вращающейся частями измерительного устройства вызывает модуляцию амплитуды пе­редаваемого сигнала. Чтобы это не вызывало погрешностей, можно внести непосредственно во вращающуюся часть стаби­лизатор сигнала возбуждения датчика и преобразователь изме­рительного сигнала на частоте модуляции. Если эта частота высока, можно осуществлять частотное преобразование.

На рис. 10.3 приводится блок-схема устройства, основанно­го на этом принципе.

Датчик представляет собой измеритель моментов, построен­ный на тензометрических датчиках, с питанием постоянным током через трансформатор и стабилизатор напря­жения от переменного напряжения (160 кГц), наведенного во вторичном вращающемся контуре первичным неподвижным. Измерительный сигнал модулируется прямоугольным напряже­нием частотой 5 кГц, которое, в свою очередь, модулирует по частоте генератор 10,7 МГц; модулятор и генератор расположе­ны на вращающейся части и питаются постоянным напряжени­ем, подаваемым от стабилизатора. Вторичный контур служит излучающей антенной сигнала на 10,7 МГц; после приема на первичном контуре он отделяется от напряжения питания ча­стотой 160 кГц и направляется в демодулятор.

 

Магнитострикционный измеритель моментов. Всякое усилие, приложенное к ферромагнитному материалу, вызывает измене­ние его магнитной проницаемости m, например, m растет в областях растяжения материала и убывает в облас­тях сжатия. Если на ферромагнитный цилиндрический стержень действует момент, ось которого совпадает с осью стержня, то возникающие напряжения определяют на его поверхности в двух взаимно перпендикулярных направления под углом ±45° к оси цилиндра, вдоль которых изменение магнитных проницаемостей m₁ и m₂ максимально и противоположно по знаку.

 

Рис. 10.4 Магнитострикционный моментомер. а - форма сердечника обмоток; б - силовая схема; в - электрическая схема.

 

Для выявления этих изменений можно использовать сердечник крестооб­разной формы (рис. 10.4, а), несущий первичную обмотку Р и две пары соединенных последовательно вторичных обмоток S₁^¢ , S₂ и S₂^¢ (рис. 10.4,6), сами пары обмоток включены дифференциально (рис. 10.4, в). Этот блок помещается напро­тив вращающейся оси, что обеспечивает взаимодействие между первичной и вторичными обмотками.

Если момент отсутствует, то m₁=m_2,  v₁=v₂,  v_т=0.

Для момента, приложенного в направлении, указанном на рис. 10.1, m₁>m_2,  v₁>v₂,  v_т>0.

Хотя это измерительное устройство имеет весьма ограничен­ную точность (несколько процентов), его преимущество заклю­чается в простоте реализации.

 

Измерение момента с помощью деформации промежуточного преобразователя

 

Промежуточный преобразователь. Деталь, находящуюся под воздействием момента, скрепляют с промежуточным преобразо­вателем в виде сплошного или трубчатого цилиндра (последний при той же крутильной жесткости лучше сопротивляется изги­бу) либо бруска прямоугольного сечения (для облегчения воз­можной наклейки тензодатчиков).

В таблице 10.1 для этих трех типов промежуточных преобразователей (рис.10.5) указаны угол кручения q и максимальное касательное напряжение s_{s макс} в материале, возникающее под действием крутящего момента t, направленного по главной оси симметрии. Соответствующие геометрические характеристики также приводятся в таблице.

 

Таблица 10.1 Механические соотношения для промежуточных преобразовате­лей датчиков момента

	Сплошной цилиндр (рис. 10.2, а)	Трубчатый цилиндр (рис. 10.2, б)	Сплошной цилиндр квадратного сечения (рис. 10.2, в)
q
ss мах

 

Рис. 10.5. Конфигурации промежуточных преобразователей. I - сплошной цилиндр; II - трубка; III - прямоугольный брус.

 

Порядок величин модуля упру­гости G и предельного допустимого касательного напряжения G_sl указан в разд. 10.4. Размеры промежуточного преобразова­теля определяются из условия

Учет паразитных изгибных напряжений. Когда кроме изме­ряемого крутящего момента t на образец действует изгибающий момент М, перпендикулярный t, вычисление напряжений в ма­териале должно учитывать t и М. Для цилиндрического стерж­ня максимальные касательное напряжение s_{s мах} и напряжение растяжение - сжатие s_{n мах} определяются выражениями

               

где t_e и М – эквивалентные моменты, обусловленные комби­нацией t и М:

,   

Радиус R тела промежуточного преобразователя должен быть достаточно большим, чтобы напряжения s_{s мах} и s_{n мах} были меньше предельно допустимых напряжений материала.

Для измерений моментов малой величины используются про­межуточные преобразователи меньшей жесткости (рис. 10.6).

 

Моментомер по измерениям угла кручения. Для таких изме­рений можно использовать различные методы.

Измерения индуктивным датчиком. Кручение приводит к пе­ремещению сердечника внутри катушки и, следовательно, к из­менению индукции (рис. 10.7). Один конец промежуточного преобразователя связи рычагом с одним из сердечников, Дру­гой – с одной из обмоток. Четыре обмотки образуют мост, пи­тание которого и снятие сигнала осуществляются двумя враща­ющимися трансформаторами. Напряжение моста v_m нулевое, когда сердечники находятся в среднем положении; оно пропор­ционально углу кручения и, следовательно, приложенному мо­менту.

Рис. 10.6. Конструкции торсионных промежуточных преобразователей, ис­пользуемых для измерения малых моментов.

Рис. 10.7. Моментомер на индуктивных датчиках с измерением угла кручения (докум. фирмы Vibrometer S. А.): а – с подвижным сердечником; б – с датчиками близости.

 

Моментомер типа TG-20/B (фирма-изготовитель Vibrometer S.А.) имеет следующие характеристики: питание 10 В, 8 кГц; максимальный угол кручения (при моменте 200 Нм) 0,25°; чув­ствительность 18 мкВ/В/Нм; скорость вращения от 0 до 18000 об/мин; погрешность <0,5% от верхнего предела изме­рений.

Измерения оптическим датчиком. Два одинаковых диска, разделенные на чередующиеся прозрачные и непрозрачные сек­торы, закреплены один напротив другого на двух концах образ­ца; в отсутствие кручения непрозрачные секторы одного частич­но закрывают прозрачные секторы другого. При кручении об­разца изменение средней интенсивности светового луча, проходящего через оба диска, пропорционально углу кручения, т. е. крутящему моменту.

Измерение магнитным датчиком близости (рис. 10.7,б). Каждый конец образца (промежуточного преобразователя) снабжен зубчатым магнитным колесом. Сигналы от двух датчи­ков близости, помещенных напротив каждого колеса, например, в фазе, когда нет момента, рассогласовываются по фазе пропор­ционально измеряемому крутящему моменту.

 

Моментомер на тензометрических датчиках. Тензодатчики помещаются под углом ±45° относительно оси цилиндрического образца (рис. 10.8); для случая сплошного цилиндра с обозначениями табл. 10.1 деформация определяется выражением .

Использование схемы полного моста обеспечивает хорошую линейность, лучшую чувствительность к измеряемому моменту сил и компенсацию паразитных эффектов (продольное растяже­ние или сжатие, изгиб).

При использовании скользящих контактов эффект изменения их сопротивления становится пренебрежимым благодаря пита­нию от тока моста и большому сопротивлению детектора.

Рис. 10.8. Мост тензодатчиков на цилиндрическом промежуточном элементе моментомера и связь с использованием скользящих контактов.

а – принципиальная схема; б – реальная конфигурация с противоположной ориента­цией пар тензодатчиков J₁J₂ и J₃J₄.

 

На метрологические характеристики моментомеров влияют те же факторы, что и в случае датчиков силы. Точность рассматриваемого моментомера намного выше точно­сти моментомеров других типов.

Моментомер 1105-ЮК. (фирма-изготовитель Lebow) имеет следующие характеристики: диапазон измерений (Д. И.) 0 ¸1130 Нм; предельный неразрушающий момент 1700 Нм; максимальная скорость вращения 8500 об/мин; жесткость 0,085 Нм/мрад (угол кручения 0,75° при максимальном мо­менте); выходной сигнал 2¸2,5 мВ/В в Д. И.; погрешность ~0,2¸0,3% от Д.И.