19. Датчики моменту що крутить; тензорезисторні, магнитопружні, індуктивні перетворювачі. Індуктивний редуктосин.

Датчики крутящего момента

Общие сведения. Действие судовых датчиков крутящего мо­мента основано на измерении механических напряжений, возни­кающих на валу под действием крутящего момента, или угла за­кручивания, образующегося при этом между двумя сечениями вала. При приложении к валу крутящего момента на площадках повернутых на угол 45° по отноше­нию к поперечному сечению вала, возникают главные нормальные на­пряжения растяжения и сжатия σр и σс (рис. 19.1), равные по абсолют­ному значению и противополож­ные по знаку.

Рис. 19.1. Главные нормальные напряжения

По абсолютному значению они равны касательным напряжениям и, так же как и касательные напряжения, имеют наибольшее абсо­лютное значение на поверхности вала:

где σн -- наибольшее значение главного нормального напряжения; Мкр – крутящий момент; d -- диаметр вала.

Под действием крутящего мо­мента два сечения вала поворачива­ются одно относительно другого на некоторый угол φ, который называ­ется углом закручивания (рис. 19.2) .

Рис. 19.2. Угол закручивания.

В судовых силовых установках в качестве чувствительного элемента датчиков крутящего момента выступает гребной вал. Гребные валы характеризуются небольшими значениями частоты вращения, малым допустимым напряжением (30-106 Па) и боль­шим крутящим моментом. Поэтому им свойственны большой диа­метр и малый угол закручивания (около 30' на длине, равной деся­ти диаметрам вала).

Совместное использование датчиков крутящего момента с дат­чиками частоты вращения позволяет определять эффективную мощность главного двигателя.

Использование компьютерной техники позволяет расширить область применения датчиков крутящего момента. На компьютер поступают сигналы с датчиков крутящего момента, частоты вра­щения, расхода и вязкости топлива, скорости судна. Соответст­венно, компьютер выдает информацию о крутящем моменте, час­тоте вращения, эффективной мощности, энергии, расходе топли­ва, скорости судна, общем расходе топлива, общем числе оборо­тов, пройденном расстоянии в милях, удельном расходе топлива.

Компьютерная информация позволяет оценить эффективность работы судовой энергетической установки.

Тензорезисторные датчики крутящего момента. Для изме­рения крутящего момента тензорезисторы наклеивают на поверх­ность вала под углом 45° к его образующей, т.е. вдоль действия главных нормальных напряжений. Обычно используется мостовая схема с четырьмя тензорезисторами, позволяющая повысить чув­ствительность датчика, улучшить линейность его характеристики. Два тензорезистора наклеиваются на одной стороне вала, еще два — на противоположной (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Расположение тензорезисторов (а) и схема тензорезисторного датчика (б)

При таком расположении тензорезисторы 2, 3 под действием крутящего момента будут растягиваться, а тензорезисторы 1,4 — сжиматься; это приведет к появлению выходного сигнала с мосто­вой схемы. Под влиянием изгиба растягиваться будут тензорези­сторы 2, 4, а сжиматься — тензорезисторы 1, 3. Но при такой де­формации тензорезисторов выходной сигнал с мостовой схемы будет равен нулю. При изменении температуры будет происхо­дить одновременное изменение сопротивлений тензорезисторов, поэтому выходной сигнал и в данном случае окажется равным нулю. Таким образом, мостовая схема снижает влияние деформа­ций, вызванных изгибом, и уменьшает воздействие от изменения температуры.

Хорошая работа датчика возможно при тщательном подборе тензорезисторов, которые должны иметь одинаковые сопротивле­ния и чувствительности.

Тензорезисторные датчики просты по конструкции, имеют не­большие размеры. Однако для подачи питания и снятия выходно­го сигнала с мостовой схемы необходима установка токосъемных устройств. Для обеспечения возможности балансирования мосто­вой схемы устанавливаются пять колец а…д (см. рис. 19.3). Нали­чие токосъемного устройства — основной недостаток тензорези­сторных датчиков. Рассмотренный датчик используется, в основ­ном, при испытаниях судовых установок.

Для повышения надежности и точности тензометрических дат­чиков применяют телеметрические системы измерения крутящего момента. В таких системах источник питания и схема преобразо­вания выходного сигнала с тензометрического моста находятся на вращающемся валу. В качестве источников питания используют либо гальванические батареи, либо вторичные обмотки трансфор­маторов, первичные обмотки которых располагаются около вра­щающегося вала. В телеметрических системах применяют частот­ную модуляцию, при которой выходное напряжение тензометри­ческого моста преобразуется в частоту специального генератора. Напряжение генератора с переменной частотой подается на пере­дающую антенну, расположенную на валу. Приемная антенна обычно находится рядом с валом. Она соединяется с приемным устройством, в котором осуществляется индикация принятого сигнала. Применение частотной модуляции позволяет уменьшить влияние помех. Следует отметить, что схемы телеметрических си­стем измерения крутящего момента весьма сложны.

Рис. 19.4. Функциональная схема телеметрического датчика с тензорезисторами: 1 — первичная обмотка трансформатора; 2 — вторичная обмотка трансформатора; 3 — выпрямитель; 4 — тензорезисторный мост; 5 — усилитель постоянного тока; 6 — преобразователь напря­жение/частота; 7 — усилитель мощности; 8 — передающая роторная обмотка; 9 — выходная обмотка датчика; 10 — частотный датчик частоты вращения

На рис. 19.4. показана функциональная схема датчика крутяще­го момента PALCO фирмы VAF INSTRUMENTS.

Датчик состоит из двух частей: статора и ротора, расположенного на валу. Электронные элементы расположены на роторе. Между ста­тором и ротором существует воздушный зазор, раный 2 мм. Для по­дачи питания на вал на статоре находится первичная обмотка транс­форматора 1. Вторичная обмотка 2 располагается в пазах ротора.

Со вторичной обмотки напряжение подается на выпрямитель 3. Выпрямленное и стабилизированное напряжение использует­ся для питания электронных элементов и тензорезисторных пре­образователей датчика. Выходное напряжение мостовой схемы 4 тензорезисторных преобразователей поступает на усилитель 5 постоянного тока. С выхода усилителя напряжение подается на преобразователь напряжение/частота 6. При нулевом значении крутящего момента частота выходного сигнала преобразователя равна 7 кГц.

Появление крутящего момента приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. В зависимости от знака и значений крутящего момента частота изменяется до ±4 кГц. Та­ким образом, под действием крутящего момента происходит час­тотная модуляция выходного сигнала тензорезисторных преобра­зователей в диапазоне 7 ± 4 кГц.

Выходной сигнал преобразователя поступает на усилитель мощности 7, а с него — на передающую обмотку 8 (см. рис. 19.4). Сигнал с роторной обмотки принимает выходная обмотка датчика 9, расположенная на статоре. Вместе с датчиком крутящего мо­мента на роторе и статоре располагается частотный датчик часто­ты вращения 10, который состоит из диска с зубцами, находяще­гося на роторе, и индукционного преобразователя на статоре. Час­тотные сигналы с датчиков крутящего момента и частоты враще­ния преобразуются в сигналы постоянного тока ±10 В. Погреш­ность датчика не превышает ±0,25%.

Аналогичный тензорезисторный датчик BROILICH выпускает фирма Marine Electronic Engineering.

Магнитоупругие датчики крутящего момента. В этих дат­чиках нашли применение два типа магнитоупругих преобразова­гелей (МУП): элементные и кольцевые (в которых чувствитель­ным элементом является контролируемый учасок вала). Между полюсами магнитопровода МУП и валом существует воздушный зазор, равный 2 мм. В качестве элементных (ЭМУП) применяются трансформаторные МУП.

Магнитопровод трансформаторного МУП состоит из двух вза­имно перпендикулярных П-образных сердечников, иа каждом по­люсе которых расположены катушки (рис. 19.5).

питаются от сети переменного тока и образуют обмотку возбуж­дения, служащую для создания переменного магнитного потока. Выходное напряжение снимается с измерительной обмотки, обра­зованной катушками полюсов Сий

При отсутствии внешних сил, приложенных к чувствительно­му элементу, магнитный поток, создаваемый обмоткой возбужде­ния, распределяется по поверхности чувствительного элемента та­ким образом, что он не протекает через полюса СиО.

Приложение внешних сил к чувствительному элементу приво­дит к искажению распределения магнитного потока обмотки воз­буждения и к протеканию магнитного потока через полюса С и Э; следовательно, появляется выходное напряжение переменного тока.

Рис. 19.5. Трансформаторный МУП

Размеры сердечников таковы, что линии, сое­диняющие центры про­екций полюсов А, В, С, О на поверхнсти чувстви­тельного элемента, обра­зуют квадрат. Катушки полюсов А ч В соединя­ются последовательно таким образом, чтобы имело место чередование полярности полюсов. Ка­тушки полюсов Сий со­единяются аналогично. Катушки полюсов А к В

Магнитопровод обмотки возбуждения ЭМУП устанавливают по окружности вала, при этом главные нормальные напряжения направлены под углом 45° к линии, соединяющей центры проек­ций полюсов магнитопровода обмотки возбуждений.

Большой недостаток ЭМУП — наличие зависимости выходно­го напряжения от магнитной неоднородности материала вала. Она приводит к тому, что выходное напряжение ЭМУП изменяется в зависимости от угла поворота вала при постоянном значении кру­тящего момента.

Кольцевой магнитоупругий преобразователь (КМУП) крутя­щего момента представляет собой единую конструкцию, состоя­щую из элементных МУП, расположенных вокруг вала. Установ­ка КМУП крутящего момента позволяет значительно уменьшить влияние магнитной неоднородности вала и его биений.

Внешне КМУП напоминает электрическую машину с явно вы­раженными полюсами на статоре и участком вала вместо ротора (рис. 19.6).

Магнитопровод КМУП состоит из трех колец, каждое из кото­рых имеет определенное число полюсов, и двух колец без полю­сов. Полюсы каждого кольца расположены на одинаковом рассто­янии один от другого, причем полюсы крайних колец уста­новлены друг против друга, а полюсы среднего кольца сдвинуты относительно них на половину междуполюсно­го расстояния.

Катушки полюсов средне­го кольца образуют обмотку возбуждения, катушки полю­сов крайних колец — измери­тельную обмотку. Катушки обмотки возбуждения вклю­чены последовательно таким образом, чтобы соблюдалось чередование полярности по-

Рис. 19.6. Кольцевой магнитоупругий преобразователь крутящего момента

люсов. Катушки измерительной обмотки также включены после­довательно. У полюсов измерительной обмотки каждого кольца соблюдается чередование полярности. Противолежащие полюсы крайних колец имеют разную полярность. Такое подключение ка­тушек измерительной обмотки обеспечивает суммирование ЭДС катушек.

Датчики крутящего момента с индукционным редуктосином. Схема работы такого датчика показана на рис. 19.7.

Датчик состоит из двух зуб­чатых колес 1. Одно из них установлено на валу, второе — на трубе 3, которая крепится к валу на определенном расстоя­нии от первого колеса. Расстоя­ния между сечениями вала со­ставляют 1 м.

На каждом из зубчатых колес располагаются по два зубчатых сектора 2. На каждом секторе имеются три обмотки. Одна из обмоток питается от сети пере­менного тока, а с остальных двух снимаются выходные сигналы.

.

Рис. 19.6.Функциональная схема датчика с редуктосином