Устройство для измерения характеристик судовой силовой установки

(21) 4297907 (22) 24.08.8 (46) 07.12.8 (71) Ленингр морское учил (72) Н.Е.Жад и Берн ысшее ин м.С.О.Ма . Смирно каровад В.А.Н,Цырульников ) 531.781 (088.8) ) Рыбальченко Ю.И чики крутящего мо оение, 1981, с.17 Хайкин А.Б., Жадо судовой автоматик1982, с, 169-17 Магнитоупругента.-М.:Маширис.8.ин Н.Е. Элеме(54) УСТРОЙСТВО ТЕРИСТИК СУДОВОЙ (57) Изобретениерольно-измерительбыть использованого момента,мощност ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКИЛОВОЙ УСТАНОВКИ тносится к контой технике и может для измерения крутяще и и частоты вращенияИзобретение 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 техникиЦелью изобретения является, повы шение 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,8015275 на валах, связаннх 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, измерительныеполюса 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. фиг.4 - принципиальная схема устрой ва.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 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), выходкоторого через последовательно соединенные компаратор 10 и элемент 11 времени подключен к входу третьего Фильтра 12 нижних частот, Выход компаратора подключен к второму входупервого 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 источ ника 15 переменного напряжения, Измерительные приборы на чертеже не показаны.Устройство также содержит измери-.тельный элемент 16, который устанавли вают на валу 17. Измерительные полюса18 датчика установлены на образующейвал, а полюса 19 возбуждения - поокружности.Устройство работает следующим образом,1(рестовой магнитоупругий датчик 1устанавливают в непосредственной близи к гребному валу с некоторым начальным зазором между полюсами магнитопро вода и измеряемой поверхностью валаи таким образом, чтобы измерительныеполюса были расположены по образующейвала, От источника 15 в обмотку воз-,буждения датчика 1 и на вход фазовращателя 2 подают переменное электричес/кое напряжение, изменяющееся с частотой уВ отсутствие нагрузки на валувследствие начальной магнитной аниэотропии поверхности вала и электромагнитной несимметрии датчика 1 на выходе датчика (одном входе сумматора 3)действует нулевой сигнал. На другойвход сумматора с выхода Фазовращателя 45подают электрическое напряжение компенсации, Напряжение компенсации подбирают при настройке устройства равным по значению и противоположнымпо Фазе первой гармонической составляющей нулевого сигнала так, чтобына выходе сумматора 3 нулевой сигналпринял минимальное значение. Приложенный к валу крутящий момент вызывает появлеейе механических напряже 55ний на его поверхности, которые определяют дополнительную магнитнуюанизотропию вала и измерительногоэлемента 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 поверх/ ности 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 Ч, представляет собой электрическое напряжение, имеющее вид непрерывной последовательности однополярных прямоугольных импульсов, следующих с частотой вращения вала Я . Один период измерения Тнапряжения Ч, 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,(Ч, Т ), либо когда под измерительными полюсами находится вал 17 и зазор между измерительными полюсами и поверхностью вала имеет величину Ф (Ч, ,). Значение напряжения Ч, зависит от зазора 3 магнитоцэупругих 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 проницаемостью, значительно превосходящей магнитную проницаемость материала ва5 5275 ла, то напряжение Ч,рказывается значительно больше Чь,Это обусловливает импульсный характер изменения напряжения Ч,. Для выделения напря" жения Чи пропорционального кру тящему моменту М и независящего от ,магнитной неоднородности материала вала, напряжение Ч с выхода первого ФНЧ 6 подают на вход второго ФНЧ 8с Тагде Ы - длина по дуге измерительногоэлемента;М - прилагаемый к валу крутящий 15момент,сНапряжение Ч подают на измеритель.иный (регистрирующий) прибор момента.Для формирования электрического напряжения Ч пропорционального частоте 20йвращения вала и , напряжение Ч,с выхода ФНЧ 6 подают на вход ФВЧ 9,На выходе ФВЧ 9 получают переменноеимпульсное напряжение без постояннойсоставляющей Это напряжение подают 25на вход компаратора 10, на выходекоторого действует импульсное напряжение строго прямоугольной формы.Частота повторения импульсов на выходе компаратора равна частоте вращения 30вала, а амплитуда не зависит от крутящего момента. Импульсы, имеющие диительность й , открывают ключ 7. Свыхода компаратора 10 импульсное напряжение поступает на вход элемента 11времени, на выходе которого действуютоднополярные импульсы. Длительность Сэтих импульсов постоянна и не зависит отинтервала времени,амплитуда А, независит от момента,а частота повторения 40равна частоте вращения вала Й .С выхода элемента 11 времени напряжениепоступает на вход ФНЧ 12. На выходеФНЧ 12 действует постоянное напряжение Ч = Л С Я и , которое подают на измерительный (регистрирующий)прибор числа оборотов. для формирования электрического напряжения Ч ,пропорционального мощности Р на валу,напряжение Ч, с выхода ЙНЧ 6 подаютна вход бесконтактного ключа 13. Последний открывается на интервал времени С импульсами, поступающими с выхода элемента 11 времени на его второй вход. Поэтому на вход фНЧ 14 поступает напряжение Ч, в течение интервала С и с частотой Я, На выходеФНЧ 14 действует постоянное напряжение Ч= Ч, С Я; - Ч, й: М.Й: Р 21очерез первый контактный кпол 7, Работой последнего управляет выходное напряжение компаратора 10, которое открывает его на интервал времени 1, и закрывает на интервал времени Ключ 7 пропускает на вход ФНЧ 8 напряжение Ч, . Напряжение на выходе ФНЧ 8 1 е(-- ; Ч М,2 ГизНапряжение Ч подают на измерительный(регистрирующий) прибор мощности.Часто для измерения характеристикиспользуют магнитоупругий эффект в материале самого вала. Однако применесние измерительного элемента в предлагаемом устройстве имеет следующиепреимущества. Значительно повышенаточность и облегчена градуировкаустройства. Повышение точности достигается тем, что измерительный элементвыполняют из однородного и с большоймагнитоупругой чувствительностью материала. Гребной вал обладает низкоймагнитоупругой чувствительностью исильно выраженной магнитной неоднородностью как по окружности, таки по длине, что приводит к сильнымпомехам и большим погрешностям измерения. Кроме того, измерительный элемент в предлагаемом устройстве выполняют съемным. Это позволяет осуществлять градуировку просто и с большойточностью на лабораторном или заводском стендах. Можно также изготовитьдостаточное количество одинаковыхизмерительных элементов из материалас одинаковыми свойствами. Косвенныйметод градуировки известного устройства, используемого без измерительного элемента, отличается низкой точностью,1 ля того, чтобы магнитная неоднородность гребного вала не влияла наточность предлагаемого устройства,необходимо, чтобы переменный магнитный поток возбуждения датчика 1 непроникал в поверхностный слой вала.Практически это означает, что магнитная индукция в поверхностном слое вала должна быть много меньше значениямагнитной индукции в измерительномэлементе. Это условие выполняется,если толщина измерительного элементане меньше, чем удвоенное значение глубины проникновения переменного магнитного потока в него, При Ликсиро 1527521ванной 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 О ют 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 измерительными полюсами вдоль образующей вала. Тогда выходное модулирующее напряжение датчика имеет фор му, близкую к прямоугольным импуль. сам. Фронты этих импульсов формируются при появлении и исчезновении измерительного О элемента под измерительными полюсами датчика. Прохождение измерительного эле" мента под полюсами возбуждения датчика не влияет на выходной сигнал. Действительно, магнитный поток в магнитной системе датчика, от которого зависит35 выходной сигнал, определяется напряжением при обмотке возбуждения, ПриЙ питании датчика от источника напря жения и при малом активном сопротив О лении цепи обмотки возбуждения напряжение на обмотке возбуждения не изменяется при изменении зазоров в магнитной системе датчика. Фрмула изобретенияУстройство 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 которого 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 нижнихчастот, измерительные полюса датчикаустановлены вдоль образующей вала.Подписное при ГКНТ ССС оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Заказ 7503/47 Тираж 789ВНИИПИ Государственного комитета113035, Москва, Ж эобретени Раушская и открытб д. 4