Устройство для измерения характеристик судовой силовой установки

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, мощности и частоты вращения на валах, связанных с силовой установкой, в различных областях народного хозяйства, в том числе на морском транспорте. Целью изобретения является повышение надежности и удобства эксплуатации. Первичный магнитоупругий преобразователь совмещает функции датчиков момента и частоты вращения. В устройство введены два бесконтактных ключа, фильтр верхних частот, компаратор и элемент времени, подключенные так, чтобы на выходах устройства действовали электрические напряжения, пропорциональные измеряемым характеристикам. Кроме того, измерительные полюса магнитоупругого датчика установлены вдоль образующих вала, а толщина измерительного элемента превосходит удвоенное значение глубины проникновения в него магнитного потока возбуждения. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1527521

А1 (51)4 С 01 3/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6.

libel.:,, 1 (21) 4297907/24-10 (22) 24.08.87 (46) 07.12.89. Бюл. В 45 (71) Ленинградское высшее инженерное морское училище им.адм.С.О.Макарова (72) Н.Е.Жадобин, В.А.Смирнов и Б.Н.Цырульников (53) 531.781 (088.8) ! (56) Рыбальченко Ю.И. Магнитоупругие датчики крутящего момента.-М.:Машиностроение, 1981, с. 17, рис. 8.

Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики, — Л.:Судостроение, 1982, с. 169-172. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ .(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использованодля измерения крутящего момента,мощностии частоты вращения

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента, мощности и частоты вращения валов различных силовых установок, используемых на морских судах, в металлургии и других областях техники.

Целью изобретения является, повышение надежности и удобства эксплуатации.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - установка измерительного элемента и датчика на гребном валу; на фиг.3 — эпюры электрических напряже-. ний на выходах блоков устройства; на

2 на валах, связанн х с силовой установкой, в различных областях народного хозяйства, в том числе на морском транспорте. Целью изобретения является повышение надежности и удобства эксплуатации. Первичный магнитоупругий преобразователь совмещает функции датчиков момента и частоты вращения. В устройство введены два бесконтактных ключа, фильтр верхних частот, компаратор и элемент времени, подключенные так, чтобы на выходах устройства действовали электрические напряжения, пропорциональные измеряемым характеристикам. Кроме того, измерительные полюса магнитоупругогодатчика уста-- а новлены вдоль образующих вала, а толщина измерительного элемента превосI ходит удвоенное значение глубины проникновения в него магнитного потока С возбуждения. 4 ил.

Эиииб

Сп

b3 фиг.4 — принципиальная схема устройст-. 4 ва. Сд

Устройство содержит крестовой прис- Я тавной магнитоупругий датчик 1, и

Маб 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 6 нижних частот (ФНЧ) °

Выход первого фильтра нижних частот подключен через бесконтактный ключ 7 к входу второго фильтра 8 нижних частот. Выход первого фильтра нижних частот также подключен к входу фильтра 9 высоких частот (ФВЧ), выход

1527521 которого через последовательно соединенные компаратор 10 и элемент 11 времени подключен к входу третьего фильтра 12 нижних частот. Выход компа-5 ратора подключен к второму входу первого ключа. Выход первого фильтра нижних частот еще подключен к первому входу второго бесконтактного ключа 13, второй вход которого подключен к выхо 10 ду элемента времени, а выход соединен с входом четвертого фильтра 14 нижних частот Обмотка возбуждения магнитоупругого датчика и вход фазовращателя подключены к выходу источника 15 переменного напряжения. Измерительные приборы на чертеже не показаны.

Устройство также содержит измери-. тельный элемент 16, который устанавли-20 вают на валу 17. Измерительные полюса

18 датчика установлены на образующей вал», а полюса 19 возбуждения — по окружности.

Устройство работает следующим образом.

1(рестовой магнитоупругий датчик 1 устанавливают в непосредственной близи к гребному валу с некоторым начальным зазором между полюсами магнитопро-30 вода и измеряемой поверхностью вала и таким образом, чтобы измерительные полюса были расположены по образующей вала. От источника 15 в обмотку воз-, буждения датчика 1 и на вход фазовра- 35 щателя 2 подают переменное электричес-! кое напряжение, изменяющееся с частотой у

В отсутствие нагрузки на валу вследствие начальной магнитной аниэо- 40 тропии поверхности вала и электромагнитной несимметрии датчика 1 на выходе датчика (одном входе сумматора 3) действует нулевой сигнал. На другой вход сумматора с выхода фазовращателя 45 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. Приложенный к валу крутящий момент вызывает появлейие механических напряже55 ний на его поверхности, которые оп— ределяют дополнительную магнитную анизотропию вала и измерительного элемента 16, укрепленного на его поверхности. При вращении вала 17 в определенные интервалы времени измерительный элемент находится под полюсами 18 и 19 датчика, в другие интервалы времени под полюсами с другим зазором проходит поверхность вала. Наведенная предлагаемым крутящим моментом магнитная анизотропия и чередование прохождения под измерительными полюсами 18 датчика то измерительного сигнала, то поверхности вала вызывают амплитудную модуляцию магнитного потока и выходного сигнала датчика 1, несущая частота которых равна частоте возбуждения ы .

Глубина модуляции пропорциональна крутящему моменту, а частота модулирующего сигнала пропорциональна частоте вращения вала. Полосовой фильтр

4 выделяет первую гармоническую составляющую несущей частоты; не пропус" кая 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 модуля» ции (огибающую несущей частотц). Выделенный модулирующий сигнал U представляет собой электрическое напряжение, имеющее вид непрерывной последовательности однополярных прямоугольных импульсов, следующих с частотой вращения вала Я . Один период измерения То 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 измерительный элемент 16 и за-. зор между измерительными полюсами и измерительным, элементом имеет величину д „,(V„„,, 1:„ ), либо когда под измерительными полюсами находится вал 17 и зазор между измерительными полюсами и поверхностью вала имеет величину с/ (Ч,, ). Значение напряжения Ч, зависит от зазора д „ магнито иэ упругих свойств измерительного элемента, а напряжение Ч, — от зазора Р> и магнитоупругих свойств поверхности вала. Так как „, (Д и измерительный элемент выполняют из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостьа, значительно превосходящей магнитную проницаемость материала ва5 )5275 ла, то напряжение V,„ðêàýûâàåòñÿ значительно больше Vis .Это обусловли1 вает импульсный характер изменения напряжения Ч,. Для выделения напря" кения V», пропорционального кру- 5 тящему моменту М и независящего от ,магнитной неоднородности материала вала, напряжение V> с выхода первого

ФНЧ 6 подают на вход второго ФНЧ 8

Та где о(— длина по дуге измерительного элемента;

М вЂ” прилагаемый к валу крутящий 15 момент, с.

Напряжение V подают на измерительи ный (регистрирующий) прибор момента.

Для формирования электрического напряжения Ч пропорционального частоте

h вращения вала и, напряжение V с выхода @НЧ 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 30 вала, а амплитуда не зависит от крутящего момента. Импульсы, имеющие длительность й„, открывают ключ 7. С выхода компаратора 10 импульсное напряжение поступает на вход элемента 11 времени, на выходе которого действуют однополярные импульсы. Длительность to этих импульсов постоянна и не зависит от интервала времени t амплитуда А, не зависит от момента,а частота повторения 40 равна частоте вращения вала Я .С выхода элемента 11 времени напряжение поступает на вход ФНЧ 12. На выходе

ФНЧ 12 действует постоянное напряже ние Ч „= Л ° t Я и, которое по- 45 дают на измерительный (регистрирующий)прибор числа оборотов. ? ля формирования электрического напряжения Ч, пропорционального мощности P на валу, напряжение Ч, с выхода ФНЧ 6 подают на вход бесконтактного ключа 13. Последний открывается на интервал времени t импульсами, поступающими с выхода элемента 11 времени на его второй вход. Поэтому на вход ФНЧ 14 поступает напряжение V в течение интервала t и с частотой Я . На выходе

ФНЧ 14 действует постоянное напрякение Ч = V,„,С Я; — V„ и = М 5l- =P.

21 о через первый контактный к пол 7, Ðàботой последнего управляет выходное напряжение компаратора 10, которое открывает его на интервал времени „, и закрывает на интервал времени

Ключ 7 пропускает на вход ФНЧ 8 напряжение Ч, . Напряжение на выходе

ФНЧ 8

1 — —: V М, у : 2 1из

Напряжение Ч подают на измерительный (регистрирующий) прибор мощности.

Часто для измерения характеристик используют магнитоупругий эффект в материале самого вала. Однако применес ние измерительного элемента в предлагаемом устройстве имеет следующие преимущества . Значительно повышена 1 точность и облегчена градуировка устройства. Повышение точности достигается тем, что измерительный элемент 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 глу1 бины проникновения переменного магнитного потока в него . При Ликсиро1527521 ванной частоте напряжения возбуждения выполнения условий добиваются выбором толщины измерительного элемен та, а при заданной толщине элемента

5 изменяют (увеличивают) частоту напряжения возбуждения.

Измерительный элемент может быть выполнен, например, в виде прямоугольной пластины. Лирину пластины выбира- 1ð ют равной габаритному размеру датчи ка 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 измерительными полюсами вдоль образующей вала. Тогда выходное модулирующее напряжение датчика имеет фор- 25 му близкую к прямоугольным импуль. сам.

Фронты этих импульсов формируются при появлении и исчезновении измерительного О элемента под измерительными полюсами датчика. Прохождение измерительного элемента под полюсами возбуждения датчика не влияет на выходной сигнал. Действительно, магнитный поток в магнитной системе датчика, от которого зависит

35 выходной сигнал, определяется напряжением при обмотке возбуждения, При

Й питании датчика от источника напря жения и при малом активном сопротив- 4О лении цепи обмотки возбуждения напряжение на обмотке возбуждения не изменяется при изменении зазоров в магнитной системе датчика.

Ф р м у л а и з о б р е т е н и я

Устройство для измерения характеристик судовой силовой установки, содержащее магнитоупругий датчик, установленный с зазором на гребном валу, на поверхность которого нанесен измерительный элемент, фазовращатель, источник переменного напряжения., выход которого подключен к обмотке возбуждения датчика и входу фазовращателя, сумматор, к одному входу которого подключен выход датчика, к другому входу — выход фазовращателя, а выход сумматора через последовательно соединенные полосовой фильтр и выпрямитель подключен к входу первого фильтра нижних частот, второй, третий и четвертый фильтры нижних частот, к выходам которых подключены измерительные приборы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и удобства эксплуатации, в него введены бесконтактный ключ, первый вход кото» рого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, а выход подключен к входу второго фильтра нижних частот, фильтр верхних частот, вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, компаратор, вход которого подключен к выходу фильтра верхних . частот, а выход подключен к второму входу первого бесконтактного ключа, элемент времени, вход которого подключен к выходу компаратора, а выход подключен к входу третьего фильтра нижних частот, второй бесконтактный ключ, первый вход которого подключен к выходу первого фильтра нижних частот, второй вход подключен к выходу элемента времени, а выход подклю» чен к входу четвертого фильтра нижних частот, измерительные полюса датчика установлены вдоль образующей вала.

1527521

1527521

Составитель Э.Шумилова

РедактОр И.Горная Техред Л.Сердюкова Корректор М.Пожо

Заказ 7503/47 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101