УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА
DEVICE TO MEASURE TORQUE

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения вращающих моментов на валу электродвигателей, преимущественно не допускающих дополнительного воздействия во время работы на вращающуюся часть, например электродвигателей гироскопов.
Известно устройство для измерения крутящего момента, содержащее измерительный полумост из двух тензопреобразователей, соответствующим образом размещенных на роторе, пять токосъемных контактов контактного или бесконтактного токосъемника, предназначенных соответственно для подключения источника питания к вершинам измерительного полумоста и вывода информативных сигналов в часть схемы устройства, которая расположена на статоре и содержит два повторителя напряжения, дифференциальный усилитель, инвертирующий сумматор и устройство деления. Одна из вершин полумоста, образованная крайним выводом тензопреобразователя, через токосъемный контакт и повторитель напряжения подключена к инвертирующему входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к соответствующему входу устройства деления. Вторая вершина полумоста, образованная крайним выводом тензопреобразователя, через токосъемный контакт и повторитель напряжения подключена к одному из входов инвертирующего сумматора, выход которого подключен ко второму входу устройства деления и прямому входу дифференциального усилителя, выход которого подключен также ко второму входу инвертирующего сумматора. Средний вывод полумоста, объединяющий соответствующие выводы тензопреобразователей, через токосъемный контакт соединен с общей точкой схемы.
В процессе работы устройства при изменении показаний тензопреобразователей, вследствие деформации вала на крайних выводах относительно общей точки схемы ввиду высокого входного сопротивления повторителей напряжения устанавливаются определенные значения напряжения, которые поступают соответственно на инвертирующий вход дифференциального и первый вход инвертирующего сумматора. Одновременно на второй вход сумматора поступает сигнал с выхода дифференциального усилителя, на прямой вход которого поступает сигнал с выхода сумматора (см. патент РФ №2180734, кл. G01L 3/10, 2002 г.).
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что оно не позволяет осуществлять измерения с достаточно высокой точностью, так как при работе устройства не компенсируются температурные и переходные моменты.
Известно устройство для исследования бесконтактного электродвигателя, содержащее корпус, на котором установлен статор блока нагрузки. Ротор блока нагрузки закреплен на валу, установленном в корпусе с возможностью вращения. На статоре имеется обмотка управления. Со статором блока нагрузки соединен статор первого датчика угла, предназначенного для определения угла поворота статора блока нагрузки относительно корпуса. Блок нагрузки предназначен для задания момента нагрузки на валу устройства. На корпусе также установлен статор датчика момента, ротор которого жестко соединен с валом. На данном роторе имеется обмотка управления. Данный датчик момента предназначен для создания компенсирующего момента на валу. На валу с возможностью вращения от собственного электродвигателя установлен корпус, в котором установлен статор исследуемого электродвигателя, ротор которого скреплен с валом. Устройство снабжено датчиком углового положения ротора, исследуемого электродвигателя, датчиком его вращения и датчиком момента. Блок управления устройства включает регистратор, коммутатор, схему управления, функциональный преобразователь, управляемые источники питания (см. АС СССР №1126904, кл. G01R 31/04, 1984 г. - наиболее близкий аналог).
В результате анализа выполнения известного устройства необходимо отметить, что оно не позволяет обеспечить измерение вращающего момента с высокой точностью, так как не позволяет компенсировать температурные погрешности и составляющие внешнего вредного момента.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений моментов, развиваемых электродвигателями.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для измерения вращающего момента, содержащем корпус, чувствительный элемент, установленный в корпусе на упругих опорах, первый датчик углового положения чувствительного элемента, выход которого соединен с входом магнитоэлектрического компенсатора через первый усилитель постоянного тока, успокоитель и элементы крепления электродвигателя, новым является то, что в него введены второй датчик углового положения чувствительного элемента, второй усилитель постоянного тока, успокоитель выполнен на первом и втором датчиках угловой скорости чувствительного элемента, третьем усилителе постоянного тока и преобразователе тока во вращающий момент, причем усилители используются в режиме усилителей тока, при этом первый и второй датчики углового положения чувствительного элемента расположены симметрично и включены последовательно-согласно один относительно другого, а второй выход первого усилителя постоянного тока через второй усилитель постоянного тока соединен с входом измерителя тока, при этом датчики скорости чувствительного элемента расположены симметрично и соединены последовательно-согласно один относительно другого с входом третьего усилителя постоянного тока, выход которого соединен с входом преобразователя тока во вращающий момент
В устройство могут быть введены датчики температуры магнитных систем магнитоэлектрических компенсаторов, включенные в мостовую схему измерения температуры, выход которой подключен к входу усилителя тока, выход по току которого подключен к катушкам компенсации температурных изменений индукции постоянных магнитов магнитной системы магнитоэлектрических компенсаторов вращающего момента.
Технический результат достигается за счет использования первого и второго датчиков углового положения чувствительного элемента, которые включены согласно-последовательно и расположены симметрично относительно вертикальной оси чувствительного элемента. Датчики скорости чувствительного элемента расположены также симметрично и включены согласно-последовательно. Это компенсирует составляющие сигнала, вызванные поперечными колебаниями чувствительного элемента. Использование усилителей в режиме усилителей тока позволяет компенсировать температурные изменения параметров катушек. Использование датчика температуры магнитной системы компенсатора, включенного в мостовую схему (схеме) на входе усилителя, и катушки, образующей с магнитной системой компенсатора электромагнит, позволяет компенсировать температурные изменения индукции постоянных магнитов компенсатора.
Использование потенциометра для регулировки напряжения на входе усилителя и преобразователя тока во вращающий момент позволяют компенсировать постоянную составляющую внешнего вредного момента.
Использование потенциометра для регулировки коэффициента усиления усилителя позволяет устранить влияние изменения затухания от изменения момента инерции подвижной части при смене контролируемого электродвигателя гироскопа.
Устройство содержит корпус 1, чувствительный элемент 2, установленный в корпусе на упругих опорах 3, компенсатор 4, арретир 5, датчики 6, 7 углового положения чувствительного элемента, усилители 8, 9, 10 постоянного тока, измеритель тока 11, датчики скорости 12, 13 чувствительного элемента, преобразователь 14 тока во вращающий момент, элементы крепления 15 подлежащего исследованию электродвигателя, токоподводы 16. Устройство также содержит датчик температуры 17 магнитной системы компенсатора 4, усилитель 18, преобразующий изменение сопротивления датчика температуры 17 в постоянный ток, электромагнит 19 и потенциометр 20, позволяющий задавать напряжение на вход усилителя 21 постоянного тока, выход которого подключен к преобразователю 22 тока во вращающий момент. Потенциометр 23 обеспечивает регулирование коэффициента усиления усилителя 10.
Датчики скорости 12, 13 чувствительного элемента, третий усилитель 10 постоянного тока, потенциометр 23 и преобразователь 14 тока во вращающий момент образуют успокоитель с регулируемой эффективностью.
Датчик температуры 17, усилитель 18 и электромагнит 19 образуют систему устранения температурных изменений индукции компенсатора 4.
Потенциометр 20, усилитель 21 и преобразователь 22 тока во вращающий момент образуют систему компенсации постоянной составляющей внешнего вредного момента.
Устройство работает следующим образом.
Испытываемый электродвигатель (например, гироскопа) посредством элементов крепления 15 устанавливают на чувствительный элемент 2. При помощи потенциометра 20 выставляется такое напряжение на входе усилителя 21, которое вызывает в преобразователе 22 ток, компенсирующий внешний вредный момент.
Вращением рукоятки потенциометра 23 выставляется требуемое успокоение.
На испытываемый электродвигатель через токоподводы 16 подается питание. Реактивный момент, возникающий при разгоне ротора электродвигателя, действует на чувствительный элемент 2, отклоняя его от первоначального положения, например, по часовой стрелке. Это отклонение воспринимается датчиками 6, 7 углового положения чувствительного элемента, которые включены согласно-последовательно и расположены симметрично относительно вертикальной оси чувствительного элемента 2.
Такое расположение и включение датчиков позволяет исключить в их суммарном сигнале составляющие от поступательного движения чувствительного элемента (поперечные колебания) под действием внешней вибрации и, следовательно, повысить точность измерения. Суммарный сигнал датчиков 6, 7 поступает на вход первого усилителя 8 постоянного тока, где усиливается и подается в компенсатор 4, в котором протекающий компенсационный ток прямо пропорционально преобразуется в момент, противодействующий моменту, приложенному к чувствительному элементу 2 со стороны испытываемого электродвигателя.
После успокоения переходного процесса момент электродвигателя уравновешивается моментом, развиваемым компенсатором 4, и, следовательно, компенсационный ток, текущий на первом и втором выходах по току первого усилителя 8, пропорционален внешнему моменту, действующему на чувствительный элемент. Со второго выхода по току первого усилителя 8 сигнал поступает на вход второго усилителя 9 постоянного тока, который преобразует его в ток, амплитуда и направление которого, индицируемые на шкале измерителя тока 11, подключенного к выходу по току второго усилителя 9, соответствуют действующему на чувствительный элемент 2 вращающему моменту.
После разгона электродвигателя, о чем будет свидетельствовать установившаяся величина среднего значения момента (равная нулю для закрытого электродвигателя (гироскопа) и равная величине аэродинамического сопротивления - для открытого), с него снимается питание. Электродвигатель начинает выбегать. В этом случае на чувствительный элемент действует момент сопротивления вращению ротора (в опорах ротора), значение этого момента индицируется на шкале измерителя тока.
При этом успокоитель работает следующим образом.
Датчики скорости 12, 13 чувствительного элемента, расположенные симметрично и включенные согласно-последовательно, вырабатывают электрический сигнал, пропорциональный угловой скорости чувствительного элемента. Такое расположение и включение датчиков скорости исключает из суммарного сигнала их составляющие, вызванные поперечными колебаниями чувствительного элемента.
Суммарный сигнал с датчиков скорости поступает на вход третьего усилителя 10 постоянного тока, где усиливается, и с выхода по току подается в преобразователь 14 тока во вращающий момент. Преобразователь формирует момент, действующий на чувствительный элемент 2, пропорциональный угловой скорости, а направление момента таково, что препятствует движению чувствительного элемента (демпфирует его). Таким образом, обеспечивается успокоение (демпфирование) переходного процесса.
Использование в устройстве усилителей, выполняемых по принципу усилителя тока, позволило устранить влияние температурных воздействий внешней среды на динамические свойства устройства.
Так, использование в качестве усилителя обратной связи первого усилителя 8 позволило устранить влияние изменений температуры катушек компенсатора на собственную частоту устройства.
Введение в измеритель компенсационного тока второго усилителя тока 9 позволило устранить влияние изменений температуры на показания измерителя тока 11, что повышает точность.
В успокоителе за счет третьего усилителя тока 10 исключается влияние изменений температуры катушек преобразователя 14 тока во вращающий момент на степень успокоения (коэффициент демпфирования).
Использование датчика температуры 17, усилителя 18 и катушки 19 позволило устранить температурные изменения индукции компенсатора 4.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает повышение точности измерения.