В судовой энергетике часто возникает задача определения усилий, крутящего момента на валу и мощности. Для этой цели используются приборы, называемые торсиометрами. В качестве измерителей момента в них применяют емкостные, индукционные, тензометрические и фотоэлектрические датчики.
По крутящему моменту Мкр косвенно определяют эффективную мощность механизма:
N = 6,29Mкрn, (кВт), где n - частота вращения вала,
Mкр - крутящий момент кН•м.
Крутящий момент на валу можно определить по углу скручивания вала между двумя сечениями по его длине. Для сплошного вала угол скручивания определяется зависимостью:
где l - расстояние между сечениями; π - число = 3,14; d - диаметр вала; G - модуль упругости материала при сдвиге. Из этой формулы видно, что для данного вала на участке длиной l угол скручивания пропорционален передаваемому крутящему моменту Мкр.
Электрические емкостные торсиометры
Электрический емкостный торсиометр (рис. 1) работает по принципу конденсатора переменной емкости. На гребном валу на расстоянии 100-150 мм закрепляют две разъемные шайбы 1 и 2. Пластинки 3 образуют конденсатор переменной емкости с воздушной прослойкой. При работе двигателя происходит относительное скручивание на угол φ двух сечений валопровода, соответствующих местам закрепления шайб. Вследствие этого изменяется зазор между пластинками 3, что вызывает изменение емкости конденсатора. Изменение емкости через токосъемник 6 и усилитель 5 фиксируется осциллографом 4, шкала которого градуируется в единицах, пропорциональных крутящему моменту.
Рис. 1. Принципиальная схема электрического емкостного торсиометра.
Индукционные фазочувствительные торсиометры
Индукционный фазочувствительный измеритель позволяет оценить крутящий момент по углу скручивания вала (рис. 2). Для этого на валу 2 жестко крепятся зубчатые диски 1 из ферромагнитного материала. Зубцы дисков с зазором движутся в пазах неподвижно закрепленных индукционных датчиков, 3 в виде П-образных сердечников с обмотками. По обмоткам течет переменный ток, магнитный поток сердечников замыкается через зубцы дисков и, если вал неподвижен, фазы напряжений на выходе датчиков совпадают. При вращении под нагрузкой вал скручивается, зубцы дисков смещаются один относительно другого, и нарушается синхронность замыкания магнитных потоков датчиков. Это приводит к разности фаз сигналов, поступающих от датчиков на вход фазочувствительного блока (ФЧБ). Пропорционально крутящему моменту вала на выходе ФЧБ формируется аналоговый сигнал, поступающий на прибор 4, шкала которого градуирована в единицах крутящего момента. Нулевое значение момента получается при неподвижном вале взаимным смещением датчиков по окружности дисков 1.
Рис. 2. Схема индукционного фазочувствительного измерителя крутящего момента и мощности.
Проволочные тензорезисторы выполняют сопротивлением (10..1000) Ом. Они имеют размеры (2...100) мм.
Тензодатчики соединяются в схему моста, точки питания и диагонали которого выведены через коллекторные кольца 1 со щетками (рис. 5). Расположение тензодатчиков 2 под углом 45° к оси вала практически компенсирует искажающее влияние изгиба, сжатия и температуры.
Напряжение в диагонали моста 3 пропорционально крутящему моменту. Если одновременно измерять частоту вращения и ввести результаты обоих измерений в схему умножителя, то можно получить значения мощности на валу.
Фотоэлектрические датчики
Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника (рис. 6) к фотоэлементу.
По крутящему моменту Мкр косвенно определяют эффективную мощность механизма:
N = 6,29Mкрn, (кВт), где n - частота вращения вала,
Mкр - крутящий момент кН•м.
Крутящий момент на валу можно определить по углу скручивания вала между двумя сечениями по его длине. Для сплошного вала угол скручивания определяется зависимостью:
Электрические емкостные торсиометры
Электрический емкостный торсиометр (рис. 1) работает по принципу конденсатора переменной емкости. На гребном валу на расстоянии 100-150 мм закрепляют две разъемные шайбы 1 и 2. Пластинки 3 образуют конденсатор переменной емкости с воздушной прослойкой. При работе двигателя происходит относительное скручивание на угол φ двух сечений валопровода, соответствующих местам закрепления шайб. Вследствие этого изменяется зазор между пластинками 3, что вызывает изменение емкости конденсатора. Изменение емкости через токосъемник 6 и усилитель 5 фиксируется осциллографом 4, шкала которого градуируется в единицах, пропорциональных крутящему моменту.
Индукционные фазочувствительные торсиометры
Индукционный фазочувствительный измеритель позволяет оценить крутящий момент по углу скручивания вала (рис. 2). Для этого на валу 2 жестко крепятся зубчатые диски 1 из ферромагнитного материала. Зубцы дисков с зазором движутся в пазах неподвижно закрепленных индукционных датчиков, 3 в виде П-образных сердечников с обмотками. По обмоткам течет переменный ток, магнитный поток сердечников замыкается через зубцы дисков и, если вал неподвижен, фазы напряжений на выходе датчиков совпадают. При вращении под нагрузкой вал скручивается, зубцы дисков смещаются один относительно другого, и нарушается синхронность замыкания магнитных потоков датчиков. Это приводит к разности фаз сигналов, поступающих от датчиков на вход фазочувствительного блока (ФЧБ). Пропорционально крутящему моменту вала на выходе ФЧБ формируется аналоговый сигнал, поступающий на прибор 4, шкала которого градуирована в единицах крутящего момента. Нулевое значение момента получается при неподвижном вале взаимным смещением датчиков по окружности дисков 1.
В системах автоматического контроля измерять мощность можно непрерывно. В этом случае выходные сигналы по моменту от ФЧБ и частоте вращения от тахогенератора 6 поступают на вход счетного блока (СБ). По полученным данным СБ производит вычисление и выдает на показывающий прибор 5 (градуированный в единицах мощности) сигнал, пропорциональный передаваемой валом мощности.
Индукционные магнитоупругие торсиометры
Индукционный магнитоупругий измеритель служит для измерения крутящего момента вала (рис. 3). Принцип его действия основан на изменении магнитной проницаемости металла вала при деформации. Катушки индуктивности расположены на взаимно перпендикулярных П-образных сердечниках 1 и 2, неподвижно закрепленных у поверхности вала 3 с некоторым воздушным зазором. Через пару катушек сердечника 1 пропускают переменный ток. Магнитный поток сердечника замыкается через воздушные зазоры под его полюсами и через металл вала. Если вал не нагружен, то магнитная проницаемость его металла одинакова во всех направлениях, магнитный поток между полюсом сердечника 1 распределяется симметрично относительно полюсов сердечника 2, и ток в его катушках отсутствует. Если вал нагружен (передает крутящий момент), то в нем возникают усилия растяжения и сжатия, направленные под углом 45° к его оси и вызывающие увеличение магнитной проницаемости металла вала в направлении сжатия и уменьшение - в направлении растяжения. Вследствие этого напряженность магнитного поля под одним из полюсов сердечника 2 становится больше, чем под другим, и в его катушках индуцируется э. д. с. со значением Uвых, пропорциональная крутящему моменту.
Рис. 3. Схема индукционного магнитоупругого измерителя крутящего момента.
На работу такого датчика, получившего название крестового, влияет воздушный зазор между полюсами и валом, а также неоднородность структуры металла вала. Для устранения указанных недостатков и получения большего значения выходного сигнала вокруг вала устанавливают ряд последовательно включенных крестовых датчиков, образующих круговую магнитную систему - кольцевой датчик.
Достоинством рассмотренных датчиков является бесконтактное измерение крутящего момента вала и возможность передачи сигналов на значительные расстояния.
Тензoметрические датчики
Работа тензoметрических датчиков основана на свойстве металлической проволоки или фольги при растяжении или сжатии изменять свое электрическое сопротивление. Тензодатчик (тензорезистор) наклеивается на выходной вал и воспринимает его деформацию. Отдельный тензорезистор измеряет растяжение только в одном направлении. Для увеличения чувствительности тензорезисторов выбирают материалы с высоким коэффициентом тензочувствительности, большим удельным сопротивлением и малым поперечным сечением. Наиболее часто в тензорезисторах применяют константан с незначительным температурным коэффициентом сопротивления, что уменьшает погрешность, вызванную колебаниями температуры. Кроме того, константан в широком диапазоне сохраняет линейную зависимость между относительной деформацией и изменением сопротивления. Для работы при повышенных температурах рекомендуется изготовлять тензорезисторы из нихрома.
Рис. 4. Схема тензорезисторов: а) проволочного; б) фольгового; 1 - ось деформации; 2 - клей; 3 - бумага (пленка); 4 - вывод.
Конструктивно проволочный тензорезистор (рис. 4) представляет собой решетку из проволоки диаметром (0,01...0,05) мм, уложенную зигзагообразно на длине S2 и ширине S1, между двумя электроизоляционными подложками. К концам проволоки присоединены выводные концы. Электроизоляционные подложки выполняют из папиросной бумаги, лаковой пленки или цемента, скрепляемых между собой клеем, лаком или цементом. Зигзагообразную часть тензорезистора называют решеткой.
Рис. 5. Схема расположения тензодатчиков.
Проволочные тензорезисторы выполняют сопротивлением (10..1000) Ом. Они имеют размеры (2...100) мм.
Тензодатчики соединяются в схему моста, точки питания и диагонали которого выведены через коллекторные кольца 1 со щетками (рис. 5). Расположение тензодатчиков 2 под углом 45° к оси вала практически компенсирует искажающее влияние изгиба, сжатия и температуры.
Напряжение в диагонали моста 3 пропорционально крутящему моменту. Если одновременно измерять частоту вращения и ввести результаты обоих измерений в схему умножителя, то можно получить значения мощности на валу.
Фотоэлектрические датчики
Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на измерении интенсивности светового потока, идущего от источника (рис. 6) к фотоэлементу.
Рис. 6. Схема фотоэлектрического датчика.
Интенсивность пучка света, попадающего на приемник 3, зависит от угла скручивания вала и крутящего момента. Происходит это следующим образом: на валу 1 на расстоянии l насажены два диска 2, отверстия 4 в которых совпадают, если вал не испытывает скручивания. В противном случае соосность отверстий нарушается, и поток света, идущий от лампы 5 к фотоэлементу 3, уменьшается. Вследствие чего изменяется сила тока на выходе фотоэлемента. Выходной сигнал с элемента 3 поступает в усилитель.
Комментариев нет:
Отправить комментарий