Информационно-измерительная система для измерения крутящих моментов

УДК 621.314.25

DOI 10.21685/2307-5538-2018-3-1

В. Я. Горячев, С. В. Кисляков, Д. И. Нефедьев, Е. В. Варушин

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ

V. Y. Goryachev, S. V. Kislyakov, D. I. Nefediev, E. V. Varushin

INFORMATION-MEASURING SYSTEM FOR MEASURING TORQUE MOMENTS

Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования являются фазовые датчики с электромагнитной редукцией, преобразующие вращающий момент в угловое перемещение. Предметом исследования является информационно-измерительная система для измерения крутящих моментов, работоспособная вне зависимости от скорости вращения вала исполнительного механизма. Целью работы является получение результатов исследования информационно-измерительной системы крутящих моментов на базе электромагнитных датчиков с электромагнитной редукцией. Материалы и методы. Для измерения крутящего момента на валу разработана структурная схема информационно-измерительной системы, позволяющей определять фазовый сдвиг напряжений, пропорциональный углу крутящего момента. Результаты. Предложен подход к определению крутящих моментов вне зависимости от скорости вращения вала исполнительного механизма. Реализован макет информационно-измерительной системы на фазовых датчиках угловых перемещений с бегущим магнитным полем. Выводы. Решена задача разработки информационно-измерительной системы, реализованной способом макетирования и экспериментального исследования в статическом режиме. Из полученных результатов следует, что структура данной информационно-измерительной системы может быть использована в реальных условиях эксплуатации.

Abstract. Background. The object of the study are phase sensors with electromagnetic reduction, converting the torque into angular displacement. The subject of the study is an information-measuring system for measuring torque, which is operable regardless of the speed of rotation of the actuator shaft. The aim of the work is to obtain the results of the investigation of the information-measuring torque system based on electromagnetic sensors with electromagnetic reduction. Materials and methods. To measure the torque on the shaft, a structural diagram of the information-measuring system has been developed, which makes it possible to determine the phase shift of the voltages proportional to the angle of the torque. Results. An approach is proposed for determining the torque, regardless of the speed of rotation of the actuator shaft. The mock-up of the information-measuring system on the phase sensors of angular displacements with a running magnetic field is realized. Conclusions. The task of development of the information-measuring system realized by the method of prototyping and

experimental research in a static mode is solved. From the obtained results it follows that the structure of this information-measuring system can be used in real operating conditions.

Ключевые слова: крутящий момент, датчик, структурная схема информационно-измерительной системы, макет.

Key words: torque, sensor, structural diagram of the information-measuring system, layout.

Введение

Эффективные и надежные автоматические системы управления различными промышленными установками и технологическими процессами могут быть созданы лишь на базе эффективных и надежных средств автоматизации, в ряду которых первыми стоят информационно-измерительные системы (ИИС). Необходимость разработки ИИС крутящих моментов вращающихся валов различных установок была всегда актуальной. Достаточно проработан вопрос измерения крутящих моментов неподвижных валов [1]. Для таких измерений использовались ИИС в основном на базе тензометрических датчиков. Достаточно просто решается проблема измерения крутящих моментов вращающихся валов [2]. Наиболее успешным является использование ИИС на базе оптических растровых систем. И в том и другом случае звеном первичного преобразования механического вращающего момента в угловое перемещение являются упругие элементы различной конструкции [3]. Вторым звеном преобразования ИИС крутящих моментов является преобразователь (датчик), воспринимающий различные физические величины и преобразующий их в электрические сигналы.

Исполнительные механизмы механических устройств работают как в режиме неподвижных валов, так и с вращающимися валами [4]. Поэтому разработка ИИС крутящих моментов, способных работать вне зависимости от вращения валов, является актуальной.

Данная работа определяет возможности реализации ИИС крутящих моментов валов, способной измерять крутящие моменты на валу вне зависимости от скорости вращения вала. Структура ИИС разработана на базе торсиона и фазовых датчиков с электромагнитной редукцией [5].

Структурная схема ИИС крутящих моментов

Структурная схема ИИС крутящих моментов представлена на рис. 1. Источником механической энергии является двигатель, вал которого через упругий элемент (торсион) соединен с валом нагрузки. Под действием крутящего момента и момента сопротивления нагрузки тор-сион подвергается упругой деформации вращения, обеспечивая относительное угловое смещение валов на определенный угол, зависящий от упругих свойств торсиона. Конструкция соединительной муфты обеспечивает ограничение максимального угла закручивания торсиона для предотвращения неупругой деформации торсиона.

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы крутящих моментов

Датчики с электромагнитной редукцией устанавливаются на корпусах двигателя и нагрузки соосно с их валами. При этом подвижная часть датчиков с электромагнитной редукцией расположена непосредственно на валах. Датчики 1 и 2 в предлагаемой ИИС подключены к генератору синусоидальных колебаний частотой 5 кГц. Каждый из датчиков имеет выходную синусную и косинусную обмотки, напряжения на которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота соответствующего вала. Напряжение с выхода синусной обмотки первого датчика подается на вход первого усилителя (см. рис. 1). Напряжение с выхода косинусной обмотки первого датчика подается на вход второго усилителя. Выходное напряжение первого усилителя подается на вход первого фазовращателя, изменяющего фазу выходного напряжения на +90 град. С выхода второго усилителя напряжение подается на вход первого корректора амплитуды. После дополнительного усиления этих напряжений усилителями сигналы подаются на сумматор. Напряжение на выходе сумматора имеет неизменную амплитуду и начальную фазу, пропорциональную углу поворота вала двигателя.

Напряжение с выхода синусной обмотки второго датчика подается на вход третьего усилителя. Напряжение с выхода косинусной обмотки второго датчика подается на вход четвертого усилителя. Выходные сигналы второго датчика подвергаются такой же обработке, как и сигналы первого датчика. В результате чего напряжение на выходе второго сумматора пропорционально углу поворота вала нагрузки.

Напряжения с выходов первого и второго сумматоров подаются на фазометр. Фазовый сдвиг пропорционален углу закручивания торсиона, т.е. крутящему моменту на валу двигателя.

Конструкция датчиков угловых перемещений

Конструкция датчика угловых перемещений с электромагнитной редукцией схематично представлена на рис. 2.

1

Рис. 2. Датчик угловых перемещений

Датчик состоит из статора 1, ротора 2, обмоток датчика 3. Внешняя поверхность ротора имеет зубцы, аналогичные зубцам статора. Особенность конструкции датчика угловых перемещений с электромагнитной редукцией заключается в том, что в пределах зубцового деления ширина зубца равна ширине паза, а количество зубцов ротора на единицу больше или меньше количества зубцов статора. Возможны и более сложные соотношения между количеством зубцов. На рис. 2 представлен пример конструкции датчика с 12 зубцами на статоре и 13 зубцами на роторе [6].

Как и все датчики угловых перемещений с электромагнитной редукцией, данный датчик содержат три обмотки. Обмотки возбуждения укладываются в кольцевые пазы, расположенные на внутренней стороне статора. Витки синусной обмотки распределены по синусному закону, витки косинусной обмотки распределены по косинусному закону в функции порядкового номера зубца.

Для упрощения технологии укладки обмоток датчика предлагается использовать датчики с внутренним статором. На рис. 3 представлена конструкция статора реального датчика угловых перемещений, а на рис. 4 - конструкция ротора датчика.

Рис. 4. Ротор датчика угловых перемещений

В пазы статора уложена синусная обмотка, число витков которой в зависимости от номера зубца статора определяется по следующей формуле:

Wk = W sin

—(k - 0,5) n

где Wck - количество витков синусной обмотки на участке k; n - количество зубцов информационной линейки. В приведенной конструкции датчика магнитопровод статора имеет 16 участков; Wm - максимальное количество витков, которое зависит от размеров паза и диаметром провода; k - номер зубца.

В те же пазы статора уложена косинусная обмотка, число витков которой в зависимости от номера зубца статора определяется по следующей формуле:

WKk = Wm sinI—

I n

где Wk - количество витков косинусной обмотки на участке k .

Равномерная обмотка укладывается в те же пазы. Количество витков этой обмотки одинаково на всех зубцах статора.

При питании равномерной обмотки переменным током при повороте ротора на 1/16 часть оборота напряжение на выходе синусной обмотки изменяется по следующему закону:

uc (t) = Um sin(16À) sin(rot + ф).

Выходное напряжение косинусной обмотки

ujt) = Um cos(16À)sin(Mt + ф),

где ис (V) - напряжение синусной обмотки; ит - амплитуда выходного напряжения; X - угол поворота ротора; ю - частота питающего напряжения; ф - начальная фаза выходного напряжения.

Выходные напряжения синусной обмотки датчика 1, установленного на двигателе, подаются на соединенные каскадно усилитель 1, фазовращатель 1 и усилитель 5 (рис. 1). В фазовращателе напряжение синусной обмотки изменяет начальную фазу на 90 град. в сторону опережения.

Выходные напряжения усилителей 5 и 6 подаются на сумматор 1. Сумма двух напряжений, изменяющихся по амплитуде по синусному и косинусному закону в функции угла поворота ротора и сдвинутых по фазе на 90 град., будет равняться напряжению с постоянной амплитудой и фазой, кратной углу поворота ротора двигателя.

Как следует из структурной схемы, с валом нагрузки связан датчик 2. Конструкция датчика идентична конструкции датчика 1.

Выходные напряжения синусной и косинусной обмотки датчика 2 проходят такую же обработку, как и соответствующие напряжения датчика 1. Таким образом, на выходе сумматора 2 будет иметь место напряжение, неизменное по величине с фазой, кратной углу поворота вала нагрузки. Корректоры амплитуд необходимы для точной настройки результирующего коэффициента усиления.

В идеальном случае выходные напряжения сумматоров будут практически равны по величине, но фазовый сдвиг между ними будет пропорционален углу закручивания торсиона.

Основные соотношения параметров элементов фазовращателей информационно-измерительной системы крутящих моментов

На равномерные обмотки датчиков с генератора подается синусоидальное напряжение частотой 5 кГц:

и (V) = ит ),

где ю = п104 рад/с.

В статическом режиме при скорости вращения вала, равной нулю (0 = 0), на выходе синусной и косинусной обмоток формируется напряжение, частота которого равна выходной частоте генератора. Если вал двигателя вращается с частотой, отличной от нуля, то напряжение на выходах обмоток является функциями времени:

ис (V) = ит яп(160/1) + ф), ик (V) = ит ^(160/1) эт(ю + ф).

Множитель 16 является коэффициентом редукции датчиков, используемых в реальной ИИС.

На рис. 5 представлена схема фазовращателя 1. Начальная фаза входного напряжения фазовращателя изменяется на 90 град. в сторону опережения.

ЯЗ

Рис. 5. Схема фазовращателя

Далее необходимо определить соотношения между параметрами элементов фазовращателя [7]. Напряжение на неинвертирующем входе фазовращателя (см. рис. 5) определится уравнением

U 2 = U1^^ e-J90O = U1

roCiZi

Ф1 +90o ) . j((+90o

e Ui sin фie 1

где и 1 - входное напряжение первого фазовращателя; и2 - комплекс напряжения на прямом входе операционного усилителя; ю = п104 - циклическая частота входного напряжения;

1

Zi = R2 - j

Г i J

R22 +

l J

ej<h = zj -

комплекс сопротивления цепи последовательно

юС1 ^

соединенных элементов Я2 и С1 на частоте ю [8].

Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя равняется и2, поэтому с учетом того, что входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности, выходное напряжение фазовращателя будет равно

U 3 = U i -

(Ri + R3 ) = Ui - U2 (i + R3 ) (i - sin ф1

Ri 4 1 ^ -1 Ri

j

= U -((+RàUi + (-+R3ÍUisinф^-^

Ri

Ri

Как следствие,

и3 = Ui -(i R R) Ui + Ui sinф [cos(-ф + 90o) + jsin(-ф + 90o)] =

Ri Ri

= Ui - ' ^Ui + ^ Ui sinф1(-sin(^) + jcos(-^i)). Ri Ri

Выделив действительную и мнимую часть уравнения выходного напряжения, получаем

(Ri+ R3) (Ri+ R3) 2 U3 = Ui -Ui + ^-31Ui(sin2 Ф1 + j sin Ф1 cos Ф1) =

Ri _i Ri

= U i

i -^ + ^-—sin2 ф1 + -—sin ф1 cos ф1

R1 R1 R

или

U. 3 = Ui

(Ri + R3 ) (Я + R3 ) 2 (R + R3 ) i-l ' ъ) + l ' ^(i - cos2 ф1) + / ' ^sin ф1 cos Ф1 R1 R R

= Ui

(Ri + R3 ) 2 (R + R3 ) i-—cos2 ф1 + j^-—sin ф1 cos ф1

R1 R1

4 "1

Модуль выходного напряжения при нулевом аргументе входного напряжения равен

U3 = U1

If

1 i -U-—cos2 ф1 + ^-—sin ф1 cos ф1

^ Ri J r Ri

2

Аргумент выходного напряжения равен

Ф3 = arctg

---sin ф1 cos ф1

Ri 1 1

i (Ri + R3) 2ф

i -—-—cos2 ф1

Ri

i

í.........................................................................................

Measuring. Monitoring. Management. Control

Стабильность начальной фазы выходного напряжения достигается тогда, когда Я1 = Я3, т.е. при коэффициенте усиления каскада, равном единице. В этом случае ф3 =— 2ф2. Если ф1 = —45 град., то ф3 = 90 град.

Для сохранения соотношения напряжений синусного и косинусного каналов используется корректор амплитуды в канале косинусного напряжения.

Параметры макета ИИС крутящих моментов

Для испытаний ИИС крутящих моментов было реализовано схемотехническое макетирование.

В качестве генератора напряжений использовался генератор типа GAG-810. Напряжение генератора синусоидальной формы с частотой 5 кГц подавалось на равномерные обмотки датчиков. Коэффициент редукции датчиков равнялся 16. Максимальная амплитуда напряжений на выходах датчиков составила 5 мВ.

Напряжения с выходов датчиков подавались на электронный блок, реализованный на базе операционного усилителя типа LM324N [9]. Суммарный коэффициент усиления всех каскадов равен 1000.

Общий вид макета блока обработки сигналов представлен на рис. 6.

Рис. 6. Макет блока обработки сигналов

Напряжения с выходов сумматоров 1 и 2 (см. рис. 1) подавались на фазометр (Ф 2-34).

Экспериментальное исследование ИИС для измерения угловых перемещений и крутящих моментов производилось в статическом режиме [10, 11].

На валу нагрузки был закреплен стержень длиной 0,55 м перпендикулярно оси вала. На расстоянии 0,5 м от оси вала нагрузки размещалось приспособление для разновесов. Вал двигателя фиксировался в таком положении, чтобы рычаг располагался горизонтально.

Изменялись разновесы от 0 до 6 кг через 500 г. В результате эксперимента было снято 13 точек характеристики ИИС. Вес рычага при проведении испытаний не учитывался. При этом фазометр фиксировал изменение угла фазового сдвига напряжений. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Таблица 1

М , кгс • м 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3

М , Нм 0 2,45 4,9 7,35 9,8 12,25 14,7 17,15 19,6 22,05 24,5 26,95 29,4

Ф, град. 0 25,2 49,3 74,6 102 124 151 174 203 224 254 274 303

На рис. 7 показана зависимость фазового сдвига выходных напряжений от крутящего момента на валу нагрузки ИИС, работающей в статическом режиме.

от крутящего момента на валу нагрузки ИИС

Зависимость фазового сдвига от крутящего момента на валу представляется практически линейной.

Приведенная погрешность исследуемой ИИС для измерения крутящих моментов в результате проведенного эксперимента составила менее 2,5 %.

Заключение

Решена задача разработки ИИС для измерения крутящих моментов на основе редукционного электромагнитного датчика, отличающаяся простотой построения и использования. Проведенные экспериментальные исследования ИИС для измерения крутящих моментов, построенной на базе макетного образца редукционного электромагнитного датчика, показали приемлемые метрологические характеристики. Таким образом, данная структура ИИС может быть использована в реальных условиях эксплуатации.

Библиографический список

1. Батоврин, А. А. Электромашинные фазовращатели / А. А. Батоврин. - Л. : Энергоатом-издат, 1986. - С. 124.

2. Конюхов, Н. Е. Электромагнитные датчики механических величин / Н. Е. Конюхов, Ф. М. Медников, М. Л. Нечаевский. - М. : Машиностроение, 1987. - С. 256.

3. Осадчий, Е. П. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Е. П. Осадчий. - М. : Машиностроение, 1979. - С. 480.

4. Горячев, В. Я. Редукционные датчики угловых перемещений с бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин, Ю. А. Шатова // Новые промышленные технологии. - 2007. - Вып. 2. - С. 45-50.

5. Петропавловский, В. П. Фазовые цифровые преобразователи угла / В. П. Петропавловский, Н. В. Синицын. - М. : Машиностроение, 1984. - С. 136.

6. Горячев, В. Я. Фазовые датчики механических величин с бегущим магнитным полем : монография / В. Я. Горячев. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - С. 308.

7. Горячев, В. Я. Влияние конструктивных параметров фазовых датчиков с бегущим магнитным полем на их метрологические характеристики / В. Я. Горячев, В. И. Волчихин // Датчики и системы. - 2006. - Вып. 12. - С. 18-22.

8. Горячев, В. Я. Анализ систематической погрешности информационно-измерительной системы на основе датчика биений с бегущим магнитным полем / В. Я. Горячев, О. В. Гаврина, Ю. К. Чапчиков, Ю. А Шатова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 1 (25). - С. 46-57.

9. Гришко, А. К. Управление электромагнитной устойчивостью радиоэлектронных систем на основе вероятностного анализа динамики информационного конфликта / А. К. Гришко, А. С. Жумабаева, Н. К. Юрков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 66-75.

10.Артамонов, Д. В. Методика проведения экспериментально-теоретических динамических исследований в процессе проектирования приборных устройств / Д. В. Артамо-

нов, А. Н. Литвинов, Н. К. Юрков // Надежность и качество сложных систем. - 2017. -№ 4 (20). - С. 28-34.

11. Экспериментальная информационно-измерительная система для проведения испытаний на воздействие вибрации / С. А. Бростилов, Д. А. Голушко, Н. В. Горячев, В. А. Трусов, Н. К. Юрков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. -№ 1 (19). - С. 64-70.

Горячев Владимир Яковлевич

доктор технических наук, профессор, кафедра электроэнергетики и электротехники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: gorvlad1@yandex.ru

Кисляков Сергей Вячеславович

инженер,

кафедра электроэнергетики и электротехники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: sergey_kuz3ws@mail.ru

Нефедьев Дмитрий Иванович

доктор технических наук, профессор,

кафедра информационно-измерительной техники

и метрологии,

Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru

Варушин Евгений Владимирович

инженер,

кафедра электроэнергетики и электротехники, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: mal.bi.sh@mail.ru

Goryachev Vladimir Yakovlevich

doctor of technical sciences, professor, sub-department of power and electrical engineering, Penza State University

Kislyakov Sergey Vyacheslavovich

engineer,

sub-department of power and electrical engineering,

Penza State University

Nefediev Dmitriy Ivanovich

doctor of technical sciences, professor,

sub-department of information and measuring

technology and metrology,

Penza State University

Varushin Evgeniy Vladimirovich

engineer,

sub-department of power and electrical engineering,

Penza State University

УДК 621.314.25 Горячев, В. Я.

Информационно-измерительная система для измерения крутящих моментов / В. Я. Горячев, С. В. Кисляков, Д. И. Нефедьев, Е. В. Варушин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2018. - № 3 (25). - С. 5-13. - БО! 10.21685/2307-5538-2018-3-1.