3.4 Вимірювання крутних моментів

Прилади для вимірювань крутних моментів називаються торсіометрами. Для вимірювання крутних моментів найчастіше використовують методи, основані на перетворенні вимірюваного крутного моменту в деформацію (механічні напруження) пружного елемента, виконаного у вигляді суцільного чи плоскотілого вала (торсіона), спіральних пружин, підвісів чи розтяжок. Деформація (механічне напруження} пружного елемента перетворюється в електричний сигнал за допомогою тензорезистивних, індуктивних, магнітопружних та інших перетворювачів.

Тангенційне напруження τ на поверхні суцільного вала, який знаходиться під дією крутного моменту , зв'язане з останнім залежністю

, (3.16)

де - полярний момент опору круглого вала радіусом R.

Для вимірювань тангенційних напружень можна використати тензорезистори, наклеєні безпосередньо на валах досліджуваних об'єктів, а якщо це неможливо, - на пружних елементах, з'єднаних штифтом з робочим досліджуваним валом. Тензорезистори наклеюють у напрямі найбільших тангенційних напружень, тобто під кутом 45° до осі вала. В даному випадку чутливий елемент тензорезистора буде зазнавати деформації

, (3.17)

де G - модуль зсуву матеріалу досліджуваного вала.

Рисунок 3.4 - До вимірювань крутних моментів валів, що обертаються

Розміщують тензорезистори під кутом 45° до осі вала та під кутом 90° один до одного, а також попарно на діаметрально протилеж­них сторонах вала, як на рис.3.4, з наступним поєднанням їх у схему одинарного моста. Забезпечується не тільки температурна компенсація, але й усувається вплив деформації згину вала на результат вимірювань.

Якщо використовують чотири тензорезистори, які попарно сприй­мають деформацію різних знаків, вихідна напруга мостового кола

, (3.18)

звідки

, (3.19)

тут k - коефіцієнт відносної тензочутливості тензорезистора.

Одним з важливих елементів торсіометра для вимірювання крутних моментів валів, що обертаються, є струмознімач, що з'єднує тензорезистори з електричним вимірювальним колом. Його виготовляють у вигляді контактного кільця, насадженого на вал, та контактних щіток (рис. 3.4). Значний вплив на результат вимірювань у таких випадках можуть мати варіації перехідних опорів контактів та контактні термо-ЕРС, що виникають внаслідок нагрівання контактів через тертя в них. Для зменшення цього впливу кільця та щітки виготовляють з матеріалів, що у парі мають малий перехідний опір та малу термо-ЕРС, а також застосовують схемні рішення. Наприклад, якщо чотири тензорезистори (рис. 3.4) з'єднати у замкнене кільце, а струмознімальні кільця під'єднати до вершини моста, тоді опори контактів ХАІ...ХА4 будуть додаватись лише з опорами джерела живлення та індикатора, а їх вплив на результат вимірювань буде незначним. Для усунення впливу паразитних контактних термо-ЕРС вимірювальне коло живлять від джерела змінної напруги.

Рисунок 3.5 - Схема безконтактного торсіометра

Схема безконтактного торсіометра для вимірювань крутного моменту валів, шо обертаються, показана на рис. 3.5. На валу 1 чотири тензорезистори , розміщені попарно з обидвох сторін вала, утворюють тензорезистивний міст. Живлення мостового кола і підключеного до його виходу перетворювача напруга-частота (ПНЧ) 2 здійснюється від блока живлення 3 через трансформатор 4 з рухомою вторинною обмоткою, яка знаходиться на рухомому валу. Первинна обмотка w1 трансформатора підключена до джерела 5 синусоїдної напруги з частотою 5...10 кГц протягом півперіоду вихідної напруги ПНЧ. Коли ключ S розімкнений, напруга, що наводиться у вторинній обмотці трансформатора, випрямляється, стабілізується і подається на тензо­метричний міст. Напруга розбалансу моста надходить на вхід ПНЧ, який служить для перетворення напруги розбалансу в пропорційну їй частоту f.

Сигнал з виходу ПНЧ у вигляді частотномодульованої змінної напруги керує ключем S, який з частотою f замикає і розмикає вторинну обмотку w2 трансформатора, викликаючи модуляцію напруги на обмотці w1. Ця напруга після амплітудного демодулятора 6 подається на аналоговий або цифровий частотомір 7.

Похибка вимірювання крутних моментів за допомогою наклеєних тензорезисторів може бути зведена до 1...1.5 % при попередньому градуюванні вимірювального приладу з наклеєними тензорезисторами. Без такого градуювання похибка може сягати 5...10 %.

При вимірюванні великих крутних моментів (наприклад, на валах бурових елементів) застосовують магнітопружні трансформаторні перетворювачі, в котрих як магнітопружний елемент, магнітна проникність якого змінюється зі зміною механічних напружень (крутного моменту), використовується сам сталевий вал. Перевагою такого методу є те, що як намагнічувальна, так і вимірювальна (вторинна) обмотки перетворювача розміщені на нерухомому статорі, чим забезпечується висока надійність. Похибка вимірювання крутних моментів за допомогою серійних приладів такого типу не перевищує 1,5 %.

Контрольні запитання:

1. Назвіть основні методи вимірювання механічних зусиль.

2. Охарактеризуйте тензорезистивний метод вимірювання деформацій.

3. Де застосовують тензорезистори? Назвіть їх переваги.

4. Яким чином забезпечують температурну компенсацію тензорезисторів?

5. Наведіть основні характеристики мостових вимірювальних кіл тензорезистивних перетворювачів.

6. Назвіть основні переваги консольних перетворювальних елементів.

7. Назвіть переваги незрівноважених мостових кіл.

8. На чому базується принцип дії силовимірювальних пристроїв?

9. Які труднощі виникають при побудові п’єзоелектричних динамометрів?

10. Назвіть основні переваги п’єзоелектричних динамометрів.

11. Поясніть принцип дії динамометрів зрівноважувального перетворення.

12. Поясніть принцип роботи ємнісних перетворювачів тиску.

13. Поясніть будову та принцип дії приладів для вимірювання тиску з диференціально-трансформаторними вимірювальними колами.

14. Поясніть принцип роботи безконтактного торсіометра.

15. Які пружні елементи використовують для вимірювання крутних моментів?

16. Яким чином здійснюють вимірювання крутних моментів обертових валів?

Л Е К Ц І Я 4