RU201944U1

RU201944U1 - Автономный беспроводной модуль измерения крутящего момента

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.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для контроля крутящего момента на вращающихся элементах машин и механизмов.

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).

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.

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.).

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.

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).

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.

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).

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.

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.

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 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.

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.

Применение магнитного питания позволяет упростить конструкцию модуля при использовании нескольких объединенных датчиков дистанционного мониторинга.

На фигуре представлена схема автономного беспроводного модуля измерения крутящего момента.

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.

Устройство работает следующим образом.

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.

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.

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.

Claims

Автономный беспроводной модуль измерения крутящего момента, содержащий установленный на вращающемся элементе тензометрический датчик с модулем обработки сигнала, соединенный с приемо-передающим радио-модулем, и источник питания, отличающийся тем, что источник питания выполнен из постоянного магнита и последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, блока стабилизации ЭДС и накопителя электрической энергии.