RU2203479C2

RU2203479C2 - Facility measuring toque

Info

Publication number: RU2203479C2
Application number: RU2000130581A
Authority: RU
Inventors: К.В. Жеребятьев; В.Н. Нестеров
Original assignee: Акционерное общество "АвтоВАЗ"
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2003-04-27

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of parameters of rotating shafts, such as stress, deformation, torque and shaft horsepower. SUBSTANCE: facility incorporates resistance strain gauge, resistor and power supply source connected in series. Resistance strain gauge is properly anchored on rotor and is connected to elements of circuit arranged on stator through current pickup contacts. Facility also includes three voltage followers based on operational amplifiers, voltage inverter, three-input voltage adder and divider. EFFECT: enhanced functional reliability and accuracy of facility measuring torque, widened operational potential. 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 патенту РФ 2068550, МПК G 01 L 3/10, содержащее измерительный мост, размещенный на валу, токосъемные контакты, источник питания моста, два дифференциальных усилителя и устройство деления. A device for measuring torque according to the patent of the Russian Federation 2068550, IPC G 01 L 3/10, containing 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 недостаточные надежность и точность, сложность и ограниченные функциональные возможности 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 accuracy, complexity and limited functionality due to the large number of strain transducers placed on a rotating shaft under conditions of increased disturbance from the controlled object, and a large number of current collection contacts for transmitting informative signals from strain gauges to part of the circuit, which is located on the stator.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является инвариантный измерительный преобразователь в виде делителя напряжения по патенту РФ 2118826, МПК G 01 R 17/10, 27/02, содержащий последовательно включенные измерительный преобразователь с переменными параметрами, выполненный в виде тензорезистора, преобразователь с постоянными параметрами в виде резистора и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, двухвходовой сумматор напряжений и устройство деления, в котором общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, другие их выводы через повторители напряжения подключены к входам сумматора напряжений, выход которого, а также выход повторителя напряжения, подключенного своим входом к соответствующему выводу резистора, подключены к соответствующим входам устройства деления. The closest in technical essence to the claimed technical solution is an invariant measuring transducer in the form of a voltage divider according to the patent of the Russian Federation 2118826, IPC G 01 R 17/10, 27/02, containing a series-connected measuring transducer with variable parameters, made in the form of a strain gauge, a converter with constant parameters in the form of a resistor and a power source, two voltage followers on operational amplifiers, a two-input voltage adder and a division device in which the general conclusions are The resistor and resistor are connected to a common point in the circuit, their other terminals are connected via voltage followers to the inputs of the voltage combiner, the output of which, as well as the output of the voltage follower, connected by its input to the corresponding output of the resistor, are connected to the corresponding inputs of the division device.

Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности и влияние на результат измерения нестабильности переходных сопротивлений токосъемных контактов при размещении тензорезистора на вращающихся элементах конструкции контролируемого объекта. The disadvantages of the known device are limited functionality and the effect on the measurement of the instability of the transition resistance of the current-collecting contacts when placing the strain gauge on the rotating structural elements of the controlled object.

Использование заявляемого технического решения направлено на повышение надежности и точности устройств для измерения крутящего момента, а также на расширение их функциональных возможностей. The use of the claimed technical solution is aimed at improving the reliability and accuracy of devices for measuring torque, as well as expanding their functionality.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство, содержащее последовательно включенные тензорезистор, резистор и источник питания, два повторителя напряжения на операционных усилителях, сумматор напряжений и устройство деления, в котором общие выводы тензорезистора и резистора соединены с общей точкой схемы, другие их выводы через повторители напряжения подключены к входам сумматора напряжений, выход которого, а также выход повторителя напряжения, подключенного своим входом к соответствующему выводу резистора, подключены к соответствующим входам устройства деления, дополнительно снабжено четырьмя токосъемными контактами, третьим повторителем напряжения на операционном усилителе, инвертором напряжения, сумматор напряжений выполнен трехвходовым, причем один из выводов тензорезистора соединен с общей точкой схемы и входом третьего повторителя напряжения соответственно через первый и второй токосъемные контакты, другой его вывод соединен с одним из полюсов источника питания и входом соответствующего повторителя напряжения соответственно через третий и четвертый токосъемные контакты, выход третьего повторителя напряжения соединен с входом инвертора напряжения, выход которого соединен с третьим входом сумматора напряжений. The essence of the invention lies in the fact that a device containing a series-connected strain gage, a resistor and a power source, two voltage followers on operational amplifiers, a voltage combiner and a division device in which the common terminals of the strain gage and resistor are connected to a common point in the circuit, their other conclusions through repeaters the voltages are connected to the inputs of the voltage adder, the output of which, as well as the output of the voltage follower, connected by its input to the corresponding output of the resistor, are connected to the corresponding inputs of the division device is additionally equipped with four current collector contacts, a third voltage follower on the operational amplifier, a voltage inverter, the voltage adder is made three-input, one of the terminals of the strain gauge connected to a common point of the circuit and the input of the third voltage follower, respectively, through the first and second current collector contacts, the other its output is connected to one of the poles of the power source and the input of the corresponding voltage follower, respectively, through the third and h fourth current collector contacts, the output of the third voltage follower is connected to the input of the voltage inverter, the output of which is connected to the third input of the voltage adder.

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 последовательно включенные тензорезистор 1, резистор 2 и источник 3 питания. Тензорезистор 1 соответствующим образом закреплен на роторе и соединен с элементами схемы, расположенными на статоре через токосъемные контакты 4-7. Устройство содержит также три повторителя 8-10 напряжения на операционных усилителях, инвертор 11 напряжения, трехвходовой сумматор 12 напряжений и устройство 13 деления. Один вывод тензорезистора 1 соединен с общей точкой схемы и соответствующим выводом резистора 2 через первый токосъемный контакт 4, а через второй токосъемнытй контакт 5 - входом повторителя 10 напряжения. Другой вывод тензорезистора 1 через третий токосъемный контакт 6 соединен с одним из полюсов источника 3 питания, второй полюс которого соединен со вторым выводом резистора 2 и входом повторителя 9 напряжения, а через четвертый токосъемный контакт 7 - с входом повторителя 8 напряжения. Выходы повторителей 8 и 9 напряжения и выход инвертора 11, к входу которого подключен выход повторителя 10, соединены с соответствующими входами сумматора 12 напряжений, выход которого и выход повторителя 9 напряжения соединены с соответствующими входами устройства 13 деления, выход которого является выходом устройства. A torque measuring device comprises a strain gauge 1, a resistor 2, and a power supply 3 connected in series. The strain gauge 1 is accordingly mounted on the rotor and connected to the circuit elements located on the stator through current collector contacts 4-7. The device also contains three voltage followers 8-10 on operational amplifiers, a voltage inverter 11, a three-input voltage adder 12, and a division device 13. One terminal of the strain gauge 1 is connected to a common point of the circuit and the corresponding terminal of the resistor 2 through the first current collector contact 4, and through the second current collector contact 5 by the input of the voltage follower 10. The other terminal of the strain gauge 1 through the third current collector contact 6 is connected to one of the poles of the power supply 3, the second pole of which is connected to the second output of the resistor 2 and the input of the voltage follower 9, and through the fourth current collector contact 7 to the input of the voltage follower 8. The outputs of the voltage followers 8 and 9 and the output of the inverter 11, to the input of which the output of the follower 10 is connected, are connected to the corresponding inputs of the voltage adder 12, the output of which and the output of the voltage follower 9 are connected to the corresponding inputs of the division device 13, the output of which is the output of the device.

Устройство для измерения крутящего момента работает следующим образом. A device for measuring torque works as follows.

При изменении сопротивления тензорезистора 1 в результате деформации соответствующих элементов ротора напряжения на входах повторителей 8-10 напряжения относительно общей точки схемы с учетом их высокого входного сопротивления определяются соответственно выражениями:

где U₁ - напряжение на входе повторителя 8;
U₂ - напряжение на входе повторителя 9;
U₃ - напряжение на входе повторителя 10;
Е - ЭДС источника 3 питания;
r₁ - начальное значение сопротивления тензорезистора 1;
Δr - информативное приращение значения сопротивления r₁;
r₂ - сопротивление резистора 2;
r₃, r₄ - переходные сопротивления токосъемных контактов 4 и 6.When the resistance of the strain gauge 1 changes as a result of deformation of the corresponding elements of the voltage rotor at the inputs of the voltage repeaters 8-10 relative to the common point of the circuit, taking into account their high input resistance, are determined respectively by the expressions:

where U ₁ is the voltage at the input of the repeater 8;
U ₂ - voltage at the input of the repeater 9;
U ₃ - voltage at the input of the repeater 10;
E - EMF of power source 3;
r ₁ is the initial resistance value of the strain gauge 1;
Δr is an informative increment of the resistance value r ₁ ;
r ₂ is the resistance of the resistor 2;
r ₃ , r ₄ - transition resistance of the current-collecting contacts 4 and 6.

Ввиду малости входных токов повторителей 8 и 10 напряжения падением напряжений на токосъемных контактах 5 и 7 можно пренебречь. Соответственно на выходах повторителей 8 и 9 и выходе инвертора 11 сигналы равны:

где U₁* - напряжение на выходе повторителя 8;
U₂* - напряжение на выходе повторителя 9
U₃* - напряжение на выходе инвертора 11
k₁ и k₂ - коэффициенты передачи повторителей 8 и 9 напряжения;
k₃ - коэффициент передачи по напряжению цепочки "повторитель 10 напряжения - инвертор 11 напряжения" (знак "-" вынесен из коэффициента k₃ и учтен в выражении (6)).Due to the smallness of the input currents of the voltage followers 8 and 10, the voltage drop across the collector contacts 5 and 7 can be neglected. Accordingly, at the outputs of the repeaters 8 and 9 and the output of the inverter 11, the signals are equal to:

where U ₁ * is the voltage at the output of the repeater 8;
U ₂ * - voltage at the output of the repeater 9
U ₃ * - voltage at the output of the inverter 11
k ₁ and k ₂ - transmission ratios of voltage followers 8 and 9;
k ₃ is the transmission coefficient for the voltage of the voltage follower 10 - voltage inverter 11 (the sign “-” is taken out of the coefficient k ₃ and taken into account in expression (6)).

Сигналы U₁*, U₂*, U₃* поступают соответственно на входы инвертирующего сумматора 12, на выходе которого при k₁=k₂=k₃=1 и r₁=r₂=r₃=r получаем:

где r - общее значение сопротивления.The signals U ₁ *, U ₂ *, U ₃ * are respectively supplied to the inputs of the inverting adder 12, the output of which for k ₁ = k ₂ = k ₃ = 1 and r ₁ = r ₂ = r ₃ = r, we obtain:

where r is the total resistance value.

Сигналы (5) и (7) поступают на соответствующие входы устройства 13 деления. Соответственно сигнал на его выходе, являющийся выходным сигналом устройства, определяется выражением:

Данное устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными аналогами и прототипом. Как видно из выражения (8), его функция преобразования является линейной и не зависит от нестабильности источника питания и параметров токосъемника. Применение данного изобретения повышает надежность и точность устройства за счет сокращения количества тензопреобразователей, устанавливаемых в жестких эксплуатационных условиях, сокращает количество каналов токосъемника для передачи информативных сигналов от тензопреобразователей в часть схемы, расположенную на статоре. Расширяются функциональные возможности, так как во многих случаях разместить более одного тензопреобразователя из-за недостатка места на роторе вообще невозможно. Вследствие использования одного тензопреобразователя устройство может быть использовано для измерения напряжений и деформаций на вращающихся валах, связанных не только с наличием крутящего момента, но и с другими явлениями, приводящими к деформациям элементов конструкций.Signals (5) and (7) are fed to the corresponding inputs of the division device 13. Accordingly, the signal at its output, which is the output signal of the device, is determined by the expression:

This device has several advantages compared to well-known analogues and prototype. As can be seen from expression (8), its conversion function is linear and does not depend on the instability of the power source and the parameters of the current collector. The use of this invention improves the reliability and accuracy of the device by reducing the number of strain gauges installed in harsh operating conditions, reduces the number of current collector channels for transmitting informative signals from strain gauges to a part of the circuit located on the stator. The functionality is expanding, since in many cases it is impossible to place more than one strain gauge due to the lack of space on the rotor. Due to the use of a single strain transducer, the device can be used to measure stresses and strains on rotating shafts, associated not only with the presence of torque, but also with other phenomena leading to deformations of structural elements.

Claims

Устройство для измерения крутящего момента, содержащее тензорезистор, размещенный на роторе и соединенный через первую пару токосъемных контактов последовательно с цепью источника питания, размещенной на статоре, а через вторую пару токосъемных контактов - со входами преобразователей напряжения, образующими на статоре первый канал преобразования, соединенный с одним из входов устройства деления, отличающееся тем, что последовательно с источником питания тензорезистора и одним из токосъемных контактов первой пары включен резистор, образующий совместно с тензорезистором делитель напряжения за счет непосредственного соединения смежного с токосъемным контактом вывода с общей точкой схемы, преобразователи напряжения, подключенные ко второй паре токосъемных контактов, выполнены в виде повторителей напряжения и соединены с первыми двумя входами трехвходового сумматора напряжения, причем один из них, вход которого через токосъемный контакт связан с выводом тензорезистора, смежным с выводом резистора, расположенного на статоре, соединен через инвертор напряжения, а другой - непосредственно, в устройство введен третий повторитель напряжения, образующий на статоре второй канал преобразования за счет соединения его входа с выводом резистора, общим с одним из выводов источника питания, а выхода - со вторым входом устройства деления и третьим входом трехвходового сумматора напряжения, выход которого, являясь выходом первого канала преобразования, соединен с первым входом устройства деления. A device for measuring torque containing a strain gauge located on the rotor and connected through a first pair of current collector contacts in series with a power supply circuit located on the stator, and through a second pair of current collector contacts with inputs of voltage converters forming the first conversion channel connected to the stator one of the inputs of the division device, characterized in that a resistor is connected in series with the power supply of the strain gauge and one of the current collection contacts of the first pair developing a voltage divider together with a strain gauge due to the direct connection of the output adjacent to the current collector pin to a common point of the circuit, the voltage converters connected to the second pair of current collector contacts are made in the form of voltage followers and are connected to the first two inputs of a three-input voltage adder, one of which the input of which through the current collector contact is connected to the output of the strain gauge adjacent to the output of the resistor located on the stator, connected through a voltage inverter, and goy - directly, a third voltage follower is introduced into the device, forming a second conversion channel on the stator by connecting its input to the resistor output common to one of the power supply terminals, and the output to the second input of the division device and the third input of the three-input voltage adder, output which, being the output of the first conversion channel, is connected to the first input of the division device.