Фотоэлектрический торсиометр

Полезная модель относится к измерительной технике, предназначена для измерения крутящего момента при передаче мощности через вал.
Известен фотоэлектрический торсиометр, принцип действия которого основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника к фотоэлементу (см. Фролов Л.Б. Измерение крутящего момента. М.: «Энергия», 1967. -31 с. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://techlib.org/books/frolov-izmerenie-krutyashhego-momenta/). Интенсивность пучка света, попадающего на приемник, зависит от угла скручивания вала и крутящего момента.
Известен также фотоэлектрический торсиометр, содержащий измерительный вал, выполненный с возможностью отражения света, источник освещения и фотоприемник отраженного сигнала, средство снятия отсчета (см. авт. св-во № 111752, МПК G01L 3/12, 1958).
Недостатком известных фотоэлектрических торсиометров, применяемых для определения крутящего момента вала, является чувствительность прибора к изменению интенсивности излучения источника света вследствие изменения напряжения источника питания, а также влияние на результаты измерения светового потока теней, полутеней и подсвета, которые изменяются при увеличении скорости вращения вала.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является возможность измерения угла закручивания торсиометра и соответственно, крутящего момента и передаваемой мощности при вращении вала с относительно большой скоростью.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в высокой точности измерения угла закручивания при вращении вала с относительно большой скоростью.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический торсиометр, содержащий измерительный вал, выполненный с возможностью отражения света, источник освещения и фотоприемник отраженного сигнала, средство снятия отсчета, отличается тем, что измерительный вал выполнен в виде пластины прямоугольного сечения, концы которой выполнены с возможностью закрепления в концевых втулках, установленных с возможностью вращения в корпусе торсиометра и с возможностью скрепления с обращенными к ним участками вала, при этом на ребрах пластины, у ее концов, закреплены первое и второе зеркало, при этом на корпусе, с возможностью оптического взаимодействия с соответствующим зеркалом, установлены первые светодиод и фотоэлемент и вторые светодиод и фотоэлемент, ориентированные на зеркала перпендикулярно оси вращения измерительного вала.
Сопоставительный анализ существенных признаков аналогов и прототипа с существенным признаками предлагаемого технического решения свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность отличительных признаков формулы полезной модели позволяет достичь высокой точности измерения угла закручивания при вращении вала с относительно большой скоростью, которая достигается использованием измерения не интенсивности освещения, а времени задержки между отраженными от зеркал оптическими сигналами, которые закреплены на концах рабочей пластины, скручиваемой при подведении крутящего момента (или мощности).
На фиг.1 представлена схема общего вида торсиометра; на фиг. 2 показана зависимость времени задержки от скорости вращения и угла закручивания вала длиной l = 0,25 м; на фиг. 3 - зависимость мощности от угла закручивания вала длиной l = 0,25 м и скорости его вращения.
На фиг.1 показаны измерительный вал 1, втулки 2 входного 3 и выходного 4 валов, подшипники 5, корпус 6, заглушки 7, первое 8 и второе 9 зеркала, первые светодиод 10 и фотоэлемент 11 и вторые светодиод 12 и фотоэлемент 13.
На фиг. 2 время задержки от скорости вращения представлено для угла закручивания вала I - θ = 1°; II - θ = 2°; III - θ = 3°; IV - θ = 4°.
-1
-1
-1
-1
На фиг.3 мощность от угла закручивания вала представлена для скоростей вращения А - ω = 41,8 с; B - 62,8 с; C - 83,7 с; D - 104,6 с.
На фиг.1 представлена схема общего вида фотоэлектрического торсиометра. Предлагаемый торсиометр содержит измерительный вал 1, выполненный в виде пластины прямоугольного сечения, концы которой выполнены с возможностью закрепления в концевых втулках 2 входного 3 и выходного 4 валов, которые с помощью подшипников 5 устанавливают в корпусе 6. Корпус 6 закрыт с торцов заглушками 7. На ребрах пластины (измерительного вала 1), у ее концов, на расстоянии l, закреплены первое 8 и второе 9 зеркала. На корпусе 6, с возможностью оптического взаимодействия с соответствующим зеркалом, установлены источники оптического излучения и фотоприемники отраженного сигнала - первые светодиод 10 и фотоэлемент 11 и вторые светодиод 12 и фотоэлемент 13, ориентированные на зеркала 8 и 9 перпендикулярно оси вращения измерительного вала 1.
При подведении крутящего момента к валу происходит его закручивание, угол закручивания вала α определяется по формуле
(1);
1
2
где τ и τ– время фиксации сигналов от фотоприемников первого и второго датчиков; Т - время полного оборота вала вокруг своей оси.
кр
При подведении к вращающемуся выходному валу 3 крутящего момента Мпроисходит пропорциональное скручивание измерительного вала 1 на величину угла закручивания . При направлении светового пучка от светодиодов 10 и 12 на зеркальные поверхности 8 и 9 отраженные лучи попадают на фотоэлементы 11 и 13. В связи с закручиванием измерительного вала 1, отраженный от зеркала 8 луч попадает на фотоэлемент 11 с запозданием по времени (время задержки), которое зависит от угла закручивания , скорости вращения вала ω и его длины l. Результаты расчета зависимости этого времени задержки представлены на фиг.2.
Электронная схема торсиометра также позволяет определять скорость вращения вала по измерению частоты пульсации отраженного оптического сигнала от одного из датчиков.
Результаты расчета мощности, передаваемой через предлагаемый светодиодный торсиометр с размерами сечения плоского вала 5×20 мм и его длиной 0,25 м из материала - стали рессорно-пружинной 50ХФА в зависимости от времени задержки и скорости вращения вала представлены на фиг.3.
Достоинством данного метода является высокая точность измерения угла закручивания, т.к. электронный сигнал представлен не в аналоговом, а цифровом виде. Эта точность определяется только точностью засечки времени оптического сигнала фотоэлементом.
Относительную погрешность можно рассчитать по зависимости
(2);
где N - количество импульсов, прошедших за время запаздывания сигнала;
1
2
Δτ = τ - τот второго датчика относительно первого.
д
о
Так при времени дискретизации дτ = 10 мкс и скорости вращения вала ω = 10 Гц = 62,8 рад/с и, соответственно, времени 1 оборота вала τ = 0,1 с количество импульсов составит
(3).
З
За минимальное время запаздывания сигнала от второго датчика относительно первого Δτ = 0,2 мсек (рис. 4) количество импульсов
(4).
Тогда погрешность измерения скорости вращения
(5),
а максимальная погрешность измерения времени запаздывания сигнала
(6).
З
При максимальном времени запаздывания сигнала Δτ = 1,2 мсек (рис. 4) количество импульсов
(7)
и минимальная погрешность этого измерения составит
(8).
д
Точность измерения можно повысить за счет уменьшения времени дискретизации сигнала Δτ.
Достоинством данного метода является высокая точность измерения угла закручивания, т.к. электронный сигнал представлен не в аналоговом, а цифровом виде. Эта точность определяется только точностью засечки времени оптического сигнала фотоэлементом.
Относительную погрешность можно рассчитать по зависимости
,100%
5 = Vn (2);
где N - количество импульсов, прошедших за время запаздывания сигнала;
Лт = Ti - 12 от второго датчика относительно первого.
д
0
Так при времени дискретизации Лт = 10 мкс и скорости вращения вала со = 10 Гц = 62,8 рад/с и, соответственно, времени 1 оборота вала т = 0,1 с количество импульсов составит
Т
0д
4
д
10
No = %т = /-5 = Ю    (3).
3
За минимальное время запаздывания сигнала от второго датчика относительно первого Дт =0,2 мсек количество импульсов
T
2
10
10
Ni = 7at, = °''~7-5 = 20      (4).
Тогда погрешность измерения скорости вращения
0
1
4
100%
=
0
01%
(5)
5-/io"''
а максимальная погрешность измерения времени запаздывания сигнала
3
100%
=
5
%
(б)
51 = V20 '  •
3
При максимальном времени запаздывания сигнала Лт = 1,2 мсек количество импульсов
2
fl
10
t3
1
2
10
3
N = /at = '""/-5 = 120    (7)
и минимальная погрешность этого измерения составит
32
100%
=
85
%
(8)
5 = Vl20 "  °' •
д
Точность измерения можно повысить за счет уменьшения времени дискретизации сигнала Ат.