RU2180734C2 - Device measuring torque - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed device can be used to measure parameters of rotating shafts, such as tension, deformation as well as torque and power on shaft. Device includes measurement half- bridge comprising two resistance strain converters 1 and 2 put on rotor, five current- collecting contacts 3-7 of current collector, power supply source 8, external measurement circuit located on stator which incorporates two voltage followers 9 and 10, differential amplifier 11, inverting adder 12 and divider 13. One of vertexes of half-bridge formed by extreme lead-out of resistance strain converter 2 is connected through current-collecting contact 5 and voltage follower 10 to inverting input of differential amplifier 11 whose output is linked to proper input of divider 13. Second vertex of half-bridge formed by extreme lead-out of resistance strain converter 1 is connected through current-collecting contact 6 and voltage follower 9 to one of inputs of inverting adder 12 whose output is linked to second input of divider 13 and to direct input of differential amplifier 11 which output is also connected to second input of inverting adder 12. EFFECT: enhanced operational reliability of device. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров вращающихся валов, таких, как напряжение, деформация, а также крутящих моментов и мощности на валах. The invention relates to measuring equipment and can be used to measure the parameters of rotating shafts, such as stress, deformation, as well as torques and power on the shafts.

Известно устройство для измерения крутящего момента по а.с. 979909, кл G 01 L 3/10, 1982, содержащее измерительный мост, размещенный на валу, токосъемные контакты, источник питания моста, усилитель, вычитающее устройство, умножающее устройство и резистор. A device for measuring torque by AS 979909, class G 01 L 3/10, 1982, comprising a measuring bridge located on the shaft, current collector contacts, a bridge power supply, an amplifier, a subtractor, a multiplier, and a resistor.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность из-за дестабилизирующего воздействия различных возмущающих факторов на тензорезисторы моста и резистор, изготовленные из разного материала и установленные в разных эксплуатационных условиях. A disadvantage of the known device is the lack of accuracy due to the destabilizing effect of various disturbing factors on the strain gages of the bridge and the resistor made of different materials and installed in different operating conditions.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является измеритель крутящего момента по патента РФ 2068550, кл. G 01 L 3/10, 1996, содержащий измерительный мост, размещенный на валу, токосъемные контакты, источник питания моста, два дифференциальных усилителя и устройство деления. Closest to the invention in technical essence is a torque meter according to the patent of the Russian Federation 2068550, class. G 01 L 3/10, 1996, comprising a measuring bridge located on the shaft, current collector contacts, a bridge power supply, two differential amplifiers and a division device.

Недостатком известного устройства является недостаточная надежность и сложность из-за большого числа тензопреобразователей, размещенных на вращающемся валу в условиях повышенных возмущающих воздействий со стороны контролируемого объекта, и большого числа токосъемных контактов для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, которая расположена на статоре. A disadvantage of the known device is the lack of reliability and complexity due to the large number of strain gauges placed on a rotating shaft under conditions of increased disturbance from the side of the controlled object, and a large number of current collection contacts for transmitting informative signals from strain gauges to the part of the circuit that is located on the stator.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения крутящего момента, содержащее измерительный полумост, размещаемый на валу, источник питания, подключенный через токосъемные контакты к вершинам полумоста, дифференциальный усилитель, к инвертирующему входу которого через токосъемный контакт и первый повторитель напряжения подключена одна из вершин полумоста, а выход дифференциального усилителя подключен к одному из входов устройства деления, снабжено инвертирующим сумматором, один из входов которого через токосъемный контакт и второй повторитель напряжения подключен к другой вершине полумоста, при этом выход инвертирующего сумматора подключен к прямому входу дифференциального усилителя и другому входу устройства деления, выход дифференциального усилителя подключен также ко второму входи инвертирующего сумматора, а средний вывод полумоста через токосъемный контакт соединен с общей точкой схемы. The essence of the invention lies in the fact that the device for measuring torque, containing a measuring half-bridge placed on the shaft, a power source connected through current collector contacts to the vertices of the half-bridge, a differential amplifier, to the inverting input of which one of the vertices is connected through a current-collecting contact and the first voltage follower half-bridge, and the output of the differential amplifier is connected to one of the inputs of the division device, equipped with an inverting adder, one of the inputs of which is through the current collector the first contact and the second voltage follower are connected to the other vertex of the half-bridge, while the output of the inverting adder is connected to the direct input of the differential amplifier and the other input of the division device, the output of the differential amplifier is also connected to the second input of the inverting adder, and the middle output of the half-bridge is connected via a current collector to the common point circuit.

На чертеже приведена схема устройства для измерения крутящего момента. The drawing shows a diagram of a device for measuring torque.

Устройство для измерения крутящего момента содержит измерительный полумост из двух тензопреобразователей 1 и 2, соответствующим образом размещенных на роторе, пять токосъемных контактов 3-7 контактного или бесконтактного токосъемника, предназначенных, соответственно, для подключения источника питания 8 к вершинам измерительного полумоста и вывода информативных сигналов в часть схемы устройства, которая расположена на статоре и содержит два повторителя 9 и 10 напряжения, дифференциальный усилитель 11, инвертирующий сумматор 12 и устройство 13 деления. Одна из вершин полумоста, образованная крайним выводом тензопреобразователя 1, через токосъемный контакт 5 и повторитель 9 напряжения подключена к инвертирующему входу дифференциального усилителя 11, выход которого подключен к соответствующему входу устройства 13 деления. Вторая вершина полумоста, образованная крайним выводом тензопреобразователя 2, через токосъемный контакт 6 и повторитель 10 напряжения подключена к одному из входов инвертирующего сумматора 12, выход которого подключен ко второму входу устройства 13 деления и прямому входу дифференциального усилителя 11, выход которого подключен также ко второму входу инвертирующего сумматора 12. Средний вывод полумоста, объединяющий соответствующие выводы тензопреобразователей 1 и 2, через токосъемный контакт 7 соединен с общей точкой схемы. The device for measuring torque contains a measuring half-bridge of two strain gauges 1 and 2, respectively placed on the rotor, five current collector contacts 3-7 of a contact or non-contact current collector, respectively, for connecting a power source 8 to the vertices of the measuring half-bridge and outputting informative signals to part of the device circuit, which is located on the stator and contains two voltage followers 9 and 10, a differential amplifier 11, an inverting adder 12 and devices about 13 divisions. One of the vertices of the half-bridge, formed by the extreme terminal of the strain gauge 1, is connected through a current collector pin 5 and a voltage follower 9 to the inverting input of the differential amplifier 11, the output of which is connected to the corresponding input of the division device 13. The second vertex of the half-bridge, formed by the extreme terminal of the strain gauge 2, is connected to one of the inputs of the inverting adder 12 through the current collector contact 6 and the voltage follower 10, the output of which is connected to the second input of the division device 13 and the direct input of the differential amplifier 11, the output of which is also connected to the second input inverting adder 12. The average output of the half-bridge, combining the corresponding conclusions of the strain gauges 1 and 2, through the current collector contact 7 is connected to a common point in the circuit.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При изменении параметров тензопреобразователей 1 и 2 в результате деформации вала напряжения на крайних выводах относительно общей точки схемы ввиду высокого входного сопротивления повторителей 9 и 10 напряжения определяются соответственно выражениями:

где Е - ЭДС источника 8 напряжения; r₁, r₂ - начальные значения сопротивлений тензорезисторов 1 и 2; Δr - информативное приращение значений сопротивлений r₁, r₂; r₃, r₄ - переходные сопротивления токосъемных контактов 3 и 4.When changing the parameters of strain gauges 1 and 2 as a result of deformation of the voltage shaft at the extreme terminals relative to the common point of the circuit due to the high input resistance of the followers 9 and 10, the voltages are determined respectively by the expressions:

where E is the EMF of voltage source 8; r ₁ , r ₂ - the initial resistance values of the strain gauges 1 and 2; Δr is an informative increment of resistance values r ₁ , r ₂ ; r ₃ , r ₄ - transition resistance of the current collector contacts 3 and 4.

Ввиду малости входных токов повторителей 9 и 10 напряжения падением напряжений на токосъемных контактах 5 и 6 можно пренебречь. Соответственно, на выходах повторителей 9 и 10 напряжения сигналы равны:

где k₁ и k₂ - коэффициенты передачи повторителей 9 и 10 напряжения (в данном случае k₁=k₂=1).Due to the smallness of the input currents of the voltage followers 9 and 10, the voltage drop at the current collecting contacts 5 and 6 can be neglected. Accordingly, at the outputs of the voltage followers 9 and 10, the signals are equal to:

where k ₁ and k ₂ are the transmission coefficients of the voltage followers 9 and 10 (in this case, k ₁ = k ₂ = 1).

Сигналы U*₁ и U*₂ поступают соответственно на инвертирующий вход дифференциального усилителя 11 и первый вход инвертирующего сумматора 12. Одновременно на второй вход сумматора 12 поступает сигнал U₃ с выхода дифференциального усилителя 11, на прямой вход которого поступает сигнал U₄ с выхода сумматора 12. Сопротивления резисторов 14-20 подобраны из условия r₁₄= r₁₅= r₁₆=r₁₇=r₁₈=r₁₉=r₂₀, в результате сигналы U₃ и U₄ определяются выражениями:

Сигналы U₃ и U₄ поступают на соответствующие входы устройства 13 деления, на выходе которого при условии r₁=r₂=r, где r - какое-либо номинальное значение, получаем:

Как видно из выражения (7), функция преобразования данного измерительного устройства является линейной, не зависит от нестабильности источника питания и параметров токосъемника. Применение данного изобретения повышает надежность устройства за счет сокращения количества тензопреобразователей, устанавливаемых в жестких эксплуатационных условиях, и сокращает количество каналов токосъемника для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, расположенную на статоре. Во многих случаях из-за недостатка места на роторе для размещения четырех тензопреобразователей подобные измерения вообще невозможны. Поэтому применение данного изобретения расширяет область использования устройства за счет обеспечения возможности проведения измерений в условиях недостаточного свободного пространства на вращающихся валах.The signals U * ₁ and U * ₂ are respectively supplied to the inverting input of the differential amplifier 11 and the first input of the inverting adder 12. Simultaneously, the signal U _{3 is} output from the output of the differential amplifier 11 to the second input of the adder 12, the direct input of which receives the signal U ₄ from the output of the adder 12. The resistances of the resistors 14-20 are selected from the condition r ₁₄ = r ₁₅ = r ₁₆ = r ₁₇ = r ₁₈ = r ₁₉ = r ₂₀ , as a result, the signals U ₃ and U _{4 are} determined by the expressions:

The signals U ₃ and U ₄ are supplied to the corresponding inputs of the division device 13, the output of which, provided r ₁ = r ₂ = r, where r is any nominal value, we obtain:

As can be seen from expression (7), the conversion function of this measuring device is linear, does not depend on the instability of the power source and current collector parameters. The application of this invention improves the reliability of the device by reducing the number of strain gauges installed in harsh operating conditions, and reduces the number of current collector channels for transmitting informative signals from strain gauges to a part of the circuit located on the stator. In many cases, due to the lack of space on the rotor to accommodate four strain gauges, such measurements are generally impossible. Therefore, the application of this invention expands the scope of use of the device by providing the ability to take measurements in conditions of insufficient free space on rotating shafts.

Claims (1)

Устройство для измерения крутящего момента, содержащее измерительной полумост, размещаемый на валу, источник питания, подключенный через токосъемные контакты к вершинам полумоста, дифференциальный усилитель, к инвертирующему входу которого через токосъемный контакт и первый повторитель напряжения подключена одна из вершин полумоста, а выход дифференциального усилителя подключен к одному из входов устройства деления, отличающееся тем, что устройство снабжено инвертирующим сумматором, один из входов которого через токосъемный контакт и второй повторитель напряжения подключен к другой вершине полумоста, при этом выход инвертирующего сумматора подключен к прямому входу дифференциального усилителя и другому входу устройства деления, выход дифференциального усилителя подключен также ко второму входу инвертирующего сумматора, а средний вывод полумоста через токосъемный контакт соединен с общей точкой схемы. A device for measuring torque containing a measuring half-bridge placed on the shaft, a power source connected through current collector contacts to the vertices of the half-bridge, a differential amplifier, to the inverting input of which one of the vertices of the half-bridge is connected through the current-collecting contact and the first voltage follower, and the output of the differential amplifier is connected to one of the inputs of the division device, characterized in that the device is equipped with an inverting adder, one of the inputs of which is through a current collector contact t and the second voltage follower is connected to the other vertex of the half-bridge, while the output of the inverting adder is connected to the direct input of the differential amplifier and the other input of the division device, the output of the differential amplifier is also connected to the second input of the inverting adder, and the middle output of the half-bridge is connected via a current collector to a common point schemes.