УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСЕВОГО УСИЛИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВО ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛАХ
DEVICE TO MEASURE ROTARY SHAFT AXIAL FORCE AND RPM

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах различных силовых установок, используемых на судах, в металлургии и других областях техники.
Известны устройства для измерения осевого усилия во вращающихся валах:
1) Авторское свидетельство №142445. Бюллетень №21 за 1961 г. Устройство для измерения осевого давления во вращающихся валах. Солодовников А.И., Михайлов B.C.
2) Авторское свидетельство №421579. Бюллетень №12 от 30.03.74. Бесконтактный измеритель упора гребного винта. Михайлов B.C., Степанов С.В.,
действие, которых основано на использовании изменения магнитных свойств материала вала под влиянием упругих деформаций.
Однако такие устройства имеют ряд недостатков, в первом случае обусловленных технологическими сложностями изготовления и установки кольцевого магнитоупругого датчика осевых усилий, а во втором случае - низкой помехоустойчивостью, вызванной вредным влиянием магнитной неоднородности материала вала. Помимо этого, в обоих случаях ввиду того, что не всегда известны магнитные свойства материала вала, возникают трудности, связанные с градуировкой показаний этих устройств.
Целью изобретения является повышение надежности, помехоустойчивости, точности измерения и удобства эксплуатации.
Это достигается тем, что для измерения осевого усилия и частоты вращения во вращающихся валах предлагается использовать трансформаторный магнитоупругий преобразователь (ТМУП) осевого усилия приставного типа с эталонным чувствительным элементом (ЭЧЭ), выполненным из однородного и с большой магнитоупругой чувствительностью материала.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - установка эталонного чувствительного элемента и датчика на гребном валу; на фиг.3 - эпюры электрических напряжений на выходах блоков устройства.
Устройство содержит крестовой приставной магнитоупругий датчик 1 и фазовращатель 2, выходы которых подключены к входам сумматора 3. Выход последнего через последовательно соединенные полосовой фильтр 4 и выпрямитель 5 подключен к входу первого фильтра нижних частот 6 (ФНЧ). Выход первого фильтра нижних частот подключен через бесконтактный ключ 7 к входу второго фильтра нижних частот 8. Выход первого фильтра нижних частот также подключен к входу фильтра высоких частот 9 (ФВЧ), выход которого через последовательно соединенные компаратор 10 и элемент времени 11 подключен к входу третьего фильтра нижних частот 12. Выход компаратора подключен ко второму входу первого ключа. Обмотка возбуждения магнитоупругого датчика и вход фазовращателя подключены к выходу источника переменного напряжения 15. Измерительные приборы на чертеже не показаны.
Устройство также содержит эталонный чувствительный элемент (ЭЧЭ) 16, который устанавливают на валу 17. Измерительные полюса датчика 18 и полюса возбуждения 19 установлены по окружности вала в соответствии с фиг.2.
Устройство работает следующим образом.
Крестовой магнитоупругий датчик 1 устанавливают в непосредственной близи к гребному валу с некоторым начальным зазором между полюсами магнитопровода и измеряемой поверхностью вала. От источника 15 в обмотку возбуждения датчика 1 и на вход фазовращателя 2 подают переменное электрическое напряжение, изменяющееся с частотой ω.
1
Ω
1
1эчэ
эчэ
1B
в
1
эчэ
1в
эчэ
в
1эчэ
1в
1
ОУ
1
1
В отсутствие нагрузки на валу вследствие начальной магнитной анизотропии поверхности вала и электромагнитной несимметрии датчика 1 на выходе датчика (одном входе сумматора 3) действует нулевой сигнал. На другой вход сумматора с выхода фазовращателя подают электрическое напряжение компенсации. Напряжение компенсации подбирают при настройке устройства равным по значению и противоположным по фазе первой гармонической составляющей нулевого сигнала так, чтобы на выходе сумматора 3 нулевой сигнал принял минимальное значение. Приложенное к валу осевое усилие вызывает появление механических напряжений на его поверхности, которые определяют дополнительную магнитную анизотропию вала и эталонного чувствительного элемента 16, укрепленного на его поверхности. При вращении вала 17 в определенные интервалы времени эталонный чувствительный элемент находится под полюсами 18 и 19 датчика, в другие интервалы времени под полюсами с другим зазором проходит поверхность вала. Наведенная прилагаемым осевым усилием магнитная анизотропия и чередование прохождения под измерительными полюсами 18 датчика то чувствительного элемента, то поверхности вала вызывают амплитудную модуляцию магнитного потока и выходного сигнала датчика 1, несущая частота которых равна частоте возбуждения ω. Глубина модуляции пропорциональна осевому усилию, а частота модулирующего сигнала пропорциональна частоте вращения вала Ω. Полосовой фильтр 4 выделяет первую гармоническую составляющую несущей частоты, не пропуская далее в тракт измерения субгармоники. С выхода полосового фильтра напряжение полезного сигнала поступает на выпрямитель 5, откуда выпрямленное напряжение подают на вход первого ФНЧ 6, который на своем выходе выделяет полезный сигнал модуляции (огибающую несущей частоты). Выделенный модулирующий сигнал V представляет собой электрическое напряжение, имеющее вид непрерывной последовательности однополярных прямоугольных импульсов, следующих с частотой вращения вала Ω. Один период измерения Т напряжения V содержит два импульса. Эти импульсы имеют различные значения и длительности в зависимости от того, в какой интервал времени они сформированы, либо когда под полюсами датчика находится эталонный чувствительный элемент 16 и зазор между измерительными полюсами и эталонным чувствительным элементом имеет величину δэчэ (V, t), либо когда под измерительными полюсами находится вал 17 и зазор между измерительными полюсами и поверхностью вала имеет величину δв (V, t). Значение напряжения Vэчэ зависит от зазора δ и магнитоупругих свойств эталонного чувствительного элемента, а напряжение V - от зазора δв и магнитоупругих свойств поверхности вала. Так как δ<δ эталонный чувствительный элемент выполняют из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью, значительно превосходящей магнитную проницаемость материала вала, то напряжение V оказывается значительно больше напряжения V. Это обуславливает импульсный характер изменения напряжения V. Для выделения напряжения V, пропорционального осевому усилию Р и не зависящего от магнитной неоднородности материала вала, напряжение V с выхода первого ФНЧ 6 подают на вход второго ФНЧ 8 через бесконтактный ключ 7. Работой последнего управляет выходное напряжение компаратора 10, которое открывает его на интервал времени tэчэ и закрывает на интервал времени tв. Ключ 7 пропускает на вход ФНЧ 8 напряжение Vэчэ. Напряжение на выходе ФНЧ 8:
где α - длина по дуге измерительного элемента;
Р - прилагаемое к валу осевое усилие.
ОУ
Ω
1
0
Ω
0
0
Напряжение V подают на измерительный (регистрирующий) прибор осевого усилия Р. Для формирования электрического напряжения V, пропорционального частоте вращения вала Ω, напряжение V с выхода ФНЧ 6 подают на вход ФВЧ 9. На выходе ФВЧ 9 получают переменное импульсное напряжение без постоянной составляющей. Это напряжение подают на вход компаратора 10, на выходе которого действует импульсное напряжение строго прямоугольной формы. Частота повторения импульсов на выходе компаратора равна частоте вращения вала, а амплитуда не зависит от осевого усилия. Импульсы, имеющие длительность tэчэ, открывают ключ 7. С выхода компаратора 10 импульсное напряжение поступает на вход элемента времени 11, на выходе которого действуют однополярные импульсы. Длительность этих импульсов to постоянна и не зависит от интервала времени tэчэ, амплитуда А не зависит от осевого усилия, а частота повторения равна частоте вращения вала Ω. С выхода элемента времени 11 напряжение поступает на вход ФНЧ 12. На выходе ФНЧ 12 действует постоянное напряжение V=А·t·Ω=n, которое подают на измерительный (регистрирующий) прибор числа оборотов.
Часто для измерения характеристик используют магнитоупругий эффект в материале самого вала. Однако применение измерительного элемента в предлагаемом устройстве имеет следующие преимущества. Значительно повышена точность и облегчена градуировка устройства. Повышение точности достигается тем, что измерительный элемент выполняют из однородного и с большой магнитоупругой чувствительностью материала. Гребной вал обладает низкой магнитоупругой чувствительностью и сильно выраженной магнитной неоднородностью как по окружности, так и по длине, что приводит к сильным помехам и большим погрешностям измерения. Кроме того, измерительный элемент в предлагаемом устройстве выполняют съемным. Это позволяет осуществлять градуировку просто и с большой точностью на лабораторном или заводском стендах. Можно также изготовить достаточное количество одинаковых измерительных элементов из материала с одинаковыми свойствами. Косвенный метод градуировки известного устройства, используемого без измерительного элемента, отличается низкой точностью.
Для того чтобы магнитная неоднородность гребного вала не влияла на точность предлагаемого устройства, необходимо, чтобы переменный магнитный поток возбуждения датчика 1 не проникал в поверхностный слой вала. Практически это означает, что магнитная индукция в поверхностном слое вала должна быть много меньше значения магнитной индукции в измерительном элементе. Это условие выполняется, если толщина измерительного элемента не меньше, чем удвоенное значение глубины проникновения переменного магнитного потока в него. При фиксированной частоте напряжения возбуждения выполнения условий добиваются выбором толщины измерительного элемента, а при заданной толщине элемента изменяют (увеличивают) частоту напряжения возбуждения.
Измерительный элемент может быть выполнен, например, в виде прямоугольной пластины. Ширину пластины выбирают равной габаритному размеру датчика 1. Если вал имеет значительные осевые перемещения, то ширина пластины равна сумме размера датчика и удвоенного значения осевого перемещения вала. Длину пластины выбирают в два или три раза больше ее ширины так, чтобы за время прохождения пластины под полюсами датчика сформировался четкий прямоугольный импульс, позволяющий дальнейшую его обработку. В устройстве датчик 1 устанавливают так, чтобы проекции полюсов магнитопровода на поверхность вала соответствовали фиг.2.
Литература.
1. Жадобин Н.Е. «Магнитоупругие датчики в судовой автоматике». Л.: Судостроение, 1985, 36 с.
2. Жадобин Н.Е., Крылов А.П., Малышев В.А. «Элементы и функциональные устройства судовой автоматики». СПб.: 1998, 440 с.