Company Logo
ООО "Измерительные Системы" представляет высококачественное измерительное оборудование из Германии - датчики крутящего момента, датчики силы, измерительную электронику, испытательные стенды.


Форма входа

Случайно

Измерение крутящего момента

Развитие и будущее технологии измерения крутящего момента

Автор: к.т.н. Вильфрид Криммель. Перевод: АЛЬФА-СЕНСОР © 2010.
Вильфрид Криммель работает в области измерительной техники крутящего момента более 20 лет. На фирме Lorenz Messtechnik GmbH он руководит калибровочной лабораторией.

1. Тензометрическая технология измерений

Историческое развитие технологии измерения крутящего момента начинается в 1678 году. В этом году английский учёный Роберт Гук описал пропорциональную зависимость между деформацией материала и напряжением материала в известном законе Гука.
Закон Гука     Закон Гука формула

Дальнейшим витком развития послужил 1833 год. Тогда английский учёный Хантер Кристи описал мостовую схему, при помощи которой можно измерять малейшие изменения напряжения. Не смотря на то, что схема в последующем получила название в честь второго изобретателя, Чарльза Витстоуна, настоящая слава принадлежит все же Хантеру Кристи.

Мост Витстона           Формула измерения малых напрряжений

Мостовая схема Wheatstone

Уильям Томсон, который позже стал лордом Кельвином (его именем названа температурная шкала), открыл в 1856 году зависимость между растяжением проводника и его электрическим сопротивлением.

Формула Кельвина

Зависимость сопротивления проводника от его расстяженияПосле этого не раз проводились эксперименты с проводниками. Например, в 1937 году с ними экспериментировал Нернст, чтобы измерить давление в двигателе внутреннего сгорания. Однако, первой модели свободно наклеиваемого тензорезистора пришлось ждать до 1938 года. Тогда профессором Руге был разработан первый тензорезистор. Уже три года позже появились первые индустриально изготовленные проволочные тензорезисторы, которые очень быстро нашли практическое применение. Настоящим прорывом для промышленно производимых тензодатчиков стали появившиеся в 1952 году на рынке плёночные тензорезисторы. Они вытравливались на покрытой проводящим материалом плёнке. Таким способом тензорезисторы изготавливаются и сегодня. Ещё в том же году, плёночные тензорезисторы были предложены для измерений крутящего момента. Таким образом были изготовлены первые невращающиеся тензодатчики крутящего момента. Эти датчики помогли решить многие задачи в разработках и испытаниях посредством измерения крутящего момента реакции. Но более важным и частым применением датчиков крутящего момента являются измерения на вращающемся валу. Здесь разработки длились ещё несколько лет, чтобы предложить на рынке готовые к применению тензометрические датчики крутящего момента.

2. Первые вращающиеся датчики крутящего момента

Датчик крутящего момента на основе углоизмерительной системыПри нагружении вала аксиальным крутящим моментом происходит его скручивание на угол пропорциональный крутящему моменту. Этот угол может быть измерен при помощи углоизмерительной системы. Работающие по этому принципу вращающиеся датчики крутящего момента с индуктивной измерительной системой были предложены на рынке уже после 1945 года. Для питания датчика использовались несущие частоты в несколько сотен кГц. Таким образом, удалось уменьшить габариты катушек индуктивности системы. Амплитуда переменного измерительного сигнала была пропорциональна углу скручивания измерительного вала датчика крутящего момента и имела ту же частоту, что и напряжение питания.

Принципиальная схема трансформаторного транслятораДля питания расположенной на вращающемся валу измерительной системы и для передачи модулированного по амплитуде измерительного сигнала применялись трансляторы, построенные по принципу вращающегося трансформатора. Одна обмотка трансформатора закреплена на статоре, вторая расположена концентрично первой на роторе. При передаче амплитудно-модулированного измерительного сигнала через построенный по такой схеме транслятор коэффициент передачи включается напрямую в измерительный сигнал. Из-за аксиальных и радиальных смещений, эксцентричного вращения, изменения магнитных характеристик материала и магнитных утечек могут возникать поргешности в измерениях.

Первая передача измерительного сигнала тензорезисторного моста, наклеенного на вращающийся вал производилась посредством контактных колец в 1952 году.
Разрез датчика с контактными кольцамиПередача питающего и выходного напряжения через контактные кольца требует определённой осторожности. Контактные кольца должны быть изолированы от вала и друг от друга. Уже малейшие ошибки в изоляции могут привести к значительным измерительным ошибкам. Сила нажатия скользящего контакта должна быть выбрана так, чтобы с одной стороны сопротивление контакта было возможно малым, надёжность контакта относительно отрывания вследствие сотрясений и эксцентричности контактных колец длжна была быть достаточно высокой и с другой стороны не должно было быть допущено возникновение чрезмерного нагрева и износа контактных пар. Решающую роль помимо выбора материала играет тщательная обработка поверхностей.
Особенные сложности возникают при высоких скоростях вращения. Некоторые датчики снабжены подъёмными устройствами для щёток, которые опускаются только для измерений. Недостатком данной технологии является то, что контактные кольца и угольные щётки со временем изнашиваются и требуют замены.

Принципиальная схема вращающегося датчика с переменным напряжением питанияДля создания датчика со стабильной и не требующей технического обслуживания передачей сигнала, была разработана технология, обеспечивающая бесконтактную передачу измерительного сигнала с тензорезисторного моста. Благодаря запитыванию моста переменным напряжением, на его выходе получается пропорциональное крутящему моменту амплитудно-модулированное переменное напряжение. Как необходимое для питания тензометрического моста переменное напряжение, так и измерительный сигнал могут передаваться благодаря трансформаторной передаче.
После этого, победное шествие вращающихся датчиков крутящего момента на основе тензорезисторов уже невозможно было остановить.
Благодаря постоянно уменьшающимся размерам электроники в 1972 стало возможным разместить на вращающемся валу измерительный усилитель, который служил для питания тензорезисторного моста и подготовки измерительного сигнала. Один трансформаторный транслятор служил для питания датчика, другой - для частотно-модулированной передачи измерительного сигнала.

Тензометрическая техника тем временем развивалась дальше. Сегодня выпускаются датчики крутящего момента как с температурной компенсацией, так и с компенсацией дрейфа сигнала. Большое преимущество тензометрической техники состоит в том, что компенсация помех возможна непосредственно в месте измерения. Температурная зависимость модуля упругости применяемых материалов составляет, например, у стали около 3 % на 100 К изменения температуры. Так как эта величина помехи входит напрямую в коэффициент чувствительности датчика, его необходимо соответствующим образом компенсировать.
У датчиков с углоизмеряющей системой, если и делается компенсация, то она проводится в усилителе. Таким образом здесь обязательно нужно считаться с влиянием температуры. Углоизмеряющие датчики имеют ещё одну проблему в том, что для измерения крутящего момента требуется относительно большой угол скручивания. Это ведёт к мягким торсионным конструкциям, которые позволяют осуществлять только медленные измерительные процессы.
Постоянно уменьшающиеся размеры электроники и соответственно улучшающиеся возможности передачи измерительного сигнала привели к изменению рынка датчиков крутящего момента в том направлении, что теперь они поставляются с интегрированными усилителями.

3. Современные вращающиеся датчики крутящего момента

Современный датчик крутящего момента со встроенной электроникойПервые датчики крутящего момента имели, как правило, аналоговый выходной сигнал. При таких интерфейсах невозможно исключить помехи исходящие от соседствующих силовых узлов и приводов, особенно при протяженной подводке и высокой динамике. Из-за этого в прошлом увеличивали уровень сигнала датчика. Общепринятые уровни сигнала в ± 5 В и ± 10 В. И всё же, для многих применений помехоустойчивость не достаточна высока. Решение данной проблемы лежит в цифровой сенсорной электронике. Схема её принципиальной механической конструкции представлена на следующей картинке.

 

Принципиальная механическая схема датчика крутящего момента с оцифровыванием сигналаНа валу находится суженное по диаметру место, где наклеен тензометрический мост. На валу так же находятся вращающаяся часть трансформаторного транслятора и вращающаяся электроника. В корпусе находится стационарная часть транслятора и остальная электроника. Для подключения датчика, на корпусе находится штекер.
Интегрированная электроника как в статоре, так и в роторе содержит микропроцессор с сопутствующей памятью. Измерительный сигнал генерирутся на роторе посредством тензорезисторов, тут же усиливается и оцифровывается. Цифровой сигнал попадает в процессор, который готовит его к передаче на статор в форме последовательного сигнала с контрольной суммой. В статоре сигнал данных подготавливается и в заключение формируется в процессоре для последовательного интерфейса RS 485.
Благодаря применению процессоров такие данные как серийный номер, калибровочные значения, измерительный диапазон, дата калибровки и прочие могут быть сохранены как на роторе, так и на статоре и при необходимости могут быть считаны.
Питание датчика происходит через контролируемый процессором источник, который может подключить калибровочный контроль для проверки датчика. Благодаря оцифровыванию измерительного сигнала непосредственно на месте его снятия и сохранению, а так же считыванию данных датчика обеспечивается очень высокая эксплуатационная надёжность измерительного устройства.

Блок-схема цифровой передачи измерительного сигнала с интегрированными микропроцессорами:

Блочная схема цифровой передачи измерительного сигнала с интегрированными процессорами

 

4. Области применения датчиков крутящего момента сегодня

Некоторые отрасли науки и техники сегодня уже невозможно представить без датчиков крутящего момента. Ниже представлены только некоторые сферы их применения:

Образование Научные исследования, Разработка изделий, Испытания Производство, контроль качества, Мониторинг продукции Прочие применения

Электродвигатели
Характеристические кривые
Мощность
Крутящий момент

Двигатели внутреннего сгорания
Мощность
Крутящий момент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Испытательные стенды
Роликовые испытательные стенды
Электродвигатели
Двигатели внутреннего сгорания
Коробки передач
Генераторы
Вентиляторы
Насосы

Реология
Реометр

Датчики крутящего момента встроенные в автомобиль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Системы управления и регулирования
Момент затяжки болтовых соединений

Выравнивание, Балансирование
Предварительная нагрузка подшипников
Предварительное натяжение пружин
Зазор

Винтовая техника
Момента затяжки
Момент расслабления

Проверка функционирования
Момент вращения кривошипа
Генераторы
Компрессоры
Насосы
Вентиляторы
Транспортировочная лента
Электродвигатели

Реология
Реометр

Стенды для долгосрочных испытаний
Ручной инструмент
Бытовая техника
Автомобиль
Двигатели внутреннего сгорания

Ветряные генераторы
Мощность
Крутящий момент

Буровые вышки
Крутящий момент в бурильной колонне

Позиционный привод
Характеристика закрывания вентилей

Сельское хозяйство
Машины управляемые крутящим моментом

Кораблестроение
Гребной вал судна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как это видно из таблицы, датчики крутящего момента применяются во многих областях: от образования, через разработку изделий, производство, контроль качества до мониторинга готовой продукции. Даже в сельском хозяйстве можно найти датчики крутящего момента в машинном парке. Для доказательства отслеживаемости средств измерений всё чаще используются эталонные датчики крутящего момента, для проверки средств производства на месте их применения.

4.1 Область применения — Стенд испытания электродвигателей

Для проверки моторов и ручных инструментов с приводом необходимы датчик крутящего момента и нагрузочный узел. При испытании нагрузочные данные записываются в процессе продолжительной работы. Эти данные дают сведения о правильности функционирования компонентов изделия, например, о надлежащем подключении полюсов электродвигателя. При помощи динамической нагрузки можно так же получить информацию о качестве регулирования приводов.

Схема стенда испытания двигателей   Шкаф управления   Стенд испытания двигателей 

4.1.1 Область применения — Стенд испытания двигателей внутреннего сгорания

Здесь датчик присоединяется непосредственно к тормозу. Подсоединение двигателя внутреннего сгорания происходит посредством коленчатого вала. Это значительно упрощает выравнивание испытуемого объекта. Кроме того вибрация двигателя не так сильно передается на датчик. Как видно на фотографии, из соображений безопасности, вокруг датчика и коленчатого вала предусмотрено защитное ограждение, которое во время работы стенда закрывается также и сверху.

Схема стенда испытания двигателей внутреннего сгорания    Датчик крутящего момента с коленвалом   

5. Будущее датчиков крутящего момента

Тензометрическая техника будет в будущем основной несущей силой датчиков крутящего момента. Благодаря постоянно уменьшающимся размерам и улучшающейся стабильности электроники, возможно конструировать датчики для всё более высокого коэффициента жесткости, что ведёт к улучшающейся динамике измерений. Это достигается тем, что при той же точности измерений измерительный сигнал становятся всё меньше, благодаря высокой электрической стабильности измерительного усилителя.

С другой стороны улучшенная обработка измерительного сигнала может быть применена для увеличения точности измерительного устройства. Будущее принадлежит также «умным» датчикам с сохранением измерительно-технических данных, благодаря чему измерения становятся всё более надёжными и данные для контроля качества могут считываться непосредственно из датчика.

*

Конвертер величин


Исходная величина:
Значение:

Требуемое значение:

Десятичный знак - "."


Книги!

Copyright ООО "Измерительные Системы" 2009-2013. Mr.Sanders.