Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6942
(13) U
(46) 2010.12.30
(51) МПК (2009)
G 01L 3/10
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА
(21) Номер заявки: u 20100565
(22) 2010.06.21
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт механики
металлополимерных систем имени
В.А.Белого Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Сергиенко Владимир Петро-
вич; Климович Леонид Николаевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт механи-
ки металлополимерных систем имени
В.А.Белого Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(57)
Устройство для измерения крутящего момента, содержащее усилитель, управляемый
генератор, стабилизатор, блок автоматической регулировки выходного напряжения, по-
вторитель, измерительный блок, индуктивный вращающийся трансформатор с контакт-
ными выводами для включения в питающую сеть, а также измерительный мост, первый
выход измерительной диагонали моста соединен с первым входом усилителя, второй вы-
ход измерительной диагонали моста соединен со вторым входом усилителя, первый выход
усилителя соединен с первым входом управляемого генератора, первый выход которого
соединен с первым входом повторителя и первым входом блока автоматической регули-
ровки выходного напряжения, первый выход последнего соединен со вторым входом
управляемого генератора, входы стабилизатора подключены к выходам индуктивного
вращающегося трансформатора, при этом первый выход стабилизатора соединен с пита-
ющей шиной усилителя, управляемого генератора, блока автоматической регулировки
выходного напряжения, повторителя, второй выход усилителя, вторые входы и выходы
управляемого генератора, блока автоматической регулировки выходного напряжения, по-
вторителя соединены с шиной нулевого потенциала, отличающееся тем, что в него до-
полнительно введены первый и второй сумматоры сигналов, фильтр высоких частот,
бесконтактный токосъемник, дополнительный генератор, первый выход которого соединен
с первым входом первого сумматора, первый выход которого соединен с первым входом
BY6942U2010.12.30

2. BY 6942 U 2010.12.30
2
измерительной диагонали моста, первый выход повторителя соединен со вторым входом
первого сумматора сигналов, первый выход управляемого генератора, соединенный с пер-
выми входами повторителя и блока автоматической регулировки выходного напряжения,
дополнительно соединен с первым входом второго сумматора сигналов, второй выход до-
полнительного генератора соединен со вторым входом второго сумматора, первый выход
которого соединен с первым входом фильтра высоких частот, выходы фильтра высоких
частот через бесконтактный токосъемник соединены со входами измерительного блока,
при этом первый выход стабилизатора дополнительно соединен с питающей шиной пер-
вого и второго сумматоров, дополнительного генератора, а второй выход стабилизатора,
вторые входы и выходы дополнительного генератора, вторые выходы первого и второго
сумматоров, второй вход фильтра высоких частот соединены с шиной нулевого потенциала.
(56)
1. А.с. СССР 453648, МПК G 01R 27/00, 1974.
2. BY 741, МПК G 01L 3/10, 2002.
Полезная модель относится к измерительной технике, связанной с силоизмерением, и
может быть использована для бесконтактного измерения крутящего момента вращающих-
ся валов машин, например в машинах трения.
Известно устройство - преобразователь малых приращений сопротивления в частоту,
содержащее усилитель, управляемый генератор, измерительный мост, в плечо питания
которого включена преобразуемая величина, а измерительная диагональ последнего со-
единена с первым входом усилителя [1].
Недостатком известного устройства для измерения крутящего момента необходимо
отметить, что применение импульсного трансформатора в управляемом RC-генераторе
имеет во многих случаях удовлетворительные метрологические характеристики (узкий
динамический диапазон изменения частоты и низкую частоту преобразования), а также
трудность передачи информации с помощью вращающихся трансформаторов без предва-
рительного преобразования. Далее отметим, что питание измерительного моста через им-
пульсный трансформатор приводит к появлению паразитного сигнала, обусловленного
наличием межобмоточной емкости, которая, поступая на вход усилителя, вносит погреш-
ность в процесс измерения, снижая тем самым точность и быстродействие.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой
модели является устройство для измерения крутящего момента, содержащее усилитель,
управляемый генератор, стабилизатор, блок автоматической регулировки выходного
напряжения, повторитель, измерительный блок, индуктивный вращающийся трансформа-
тор с контактными выводами для включения в питающую сеть, а также измерительный
мост, первый выход измерительной диагонали моста соединен с первым входом усилите-
ля, второй выход измерительной диагонали моста соединен со вторым входом усилителя,
первый выход усилителя соединен с первым входом управляемого генератора, первый
выход которого соединен с первым входом повторителя и первым входом блока автома-
тической регулировки выходного напряжения, первый выход последнего соединен со вто-
рым входом управляемого генератора, входы стабилизатора подключены к выходам
индуктивного вращающегося трансформатора, при этом первый выход стабилизатора со-
единен с питающей шиной усилителя, управляемого генератора, блока автоматической
регулировки выходного напряжения повторителя, второй выход стабилизатора, второй
вход питающей диагонали измерительного моста, второй выход усилителя, вторые входы
и выходы управляемого генератора, блока автоматической регулировки выходного
напряжения, повторителя соединены с шиной нулевого потенциала [2].

3. BY 6942 U 2010.12.30
3
Недостатком известного устройства для измерения крутящего момента является низ-
кое быстродействие, обусловленное питанием измерительного моста низкой частотой вы-
ходного сигнала управляемого генератора.
Задачей настоящей полезной модели является повышение быстродействия.
Указанная задача решается тем, что известное устройство для измерения крутящего
момента содержит усилитель, управляемый генератор, стабилизатор, блок автоматической
регулировки выходного напряжения, повторитель, измерительный блок, индуктивный
вращающийся трансформатор с контактными выходами для включения в питающую сеть,
а также измерительный мост, первый выход измерительной диагонали моста соединен с
первым входом усилителя, первый выход усилителя соединен с первым входом управляе-
мого генератора, первый выход которого соединен с первым входом повторителя и пер-
вым входом блока автоматической регулировки выходного напряжения, первый выход
последнего соединен со вторым входом управляемого генератора, входы стабилизатора
подключены к выходам индуктивного вращающегося трансформатора, при этом первый
выход стабилизатора соединен с питающей шиной усилителя, управляемого генератора,
блока автоматической регулировки выходного напряжения, повторителя, второй выход
стабилизатора, второй вход питающей диагонали измерительного моста, второй выход
усилителя, вторые входы и выходы управляемого генератора, блока автоматической регу-
лировки выходного напряжения, повторителя соединены с шиной нулевого потенциала.
Согласно полезной модели, в него дополнительно введены первый и второй сумматор
сигналов, фильтр высоких частот, бесконтактный токосъемник, дополнительный генера-
тор, первый выход которого соединен с первым входом первого сумматора, первый
выход которого соединен с первым входом измерительной диагонали моста, первый
выход повторителя соединен со вторым входом первого сумматора сигналов, первый вы-
ход управляемого генератора, соединенный с первыми входами повторителя и блока ав-
томатической регулировки выходного напряжения, дополнительно соединен с первым
входом второго сумматора сигналов, второй выход дополнительного генератора соединен
со вторым входом второго сумматора, первый выход которого соединен с первым входом
фильтра высоких частот, выходы фильтра высоких частот через бесконтактный токосъем-
ник соединены с входом измерительного блока, при этом первый выход стабилизатора
дополнительно соединен с питающей шиной первого и второго сумматоров, дополнитель-
ного генератора, а второй выход стабилизатора, вторые входы и выходы дополнительного
генератора, вторые выходы первого и второго сумматоров, второй вход фильтра высоких
частот соединены с шиной нулевого потенциала.
Повышение быстродействия измерения крутящего момента обеспечивается введением
дополнительного генератора первого сумматора, а также новых связей, что позволило
обеспечить питание измерительного моста стабилизированным по амплитуде и по повы-
шенным по частоте переменным напряжением генератора.
На фигуре представлена структурная схема устройства для измерения крутящего мо-
мента. Устройство содержит измерительный мост 1, усилитель 2, первый сумматор 3, ста-
билизатор 4, индуктивный вращающийся трансформатор с контактными выводами для
включения в питающую сеть 5, управляемый генератор 6, повторитель 7, блок автомати-
ческой регулировки выходного напряжения 8, дополнительный генератор частоты 9, вто-
рой сумматор 10, фильтр высоких частот 11, бесконтактный токосъемник 12,
измерительный блок 13, причем первый выход измерительной диагонали моста 1 соеди-
нен с первым входом усилителя 2, второй выход измерительной диагонали моста 1 соеди-
нен со вторым входом усилителя 2, первый выход усилителя 2 соединен с первым входом
управляемого генератора 6, первый выход которого соединен с первым входом повтори-
теля 7 и первым входом блока автоматической регулировки выходного напряжения 8,
первый вход последнего соединен со вторым входом управляемого генератора 6, входы
стабилизатора 4 подключены к выходам индуктивного вращающегося трансформатора 5,

4. BY 6942 U 2010.12.30
4
при этом первый выход стабилизатора 4 соединен с питающей шиной усилителя 2, управ-
ляемого генератора 6, блока автоматической регулировки выходного напряжения 8, по-
вторителя 7, первого 3 и второго 10 сумматоров, дополнительного генератора 9, второй
выход стабилизатора 4, второй вход питающей диагонали измерительного моста 1, второй
выход усилителя 2, вторые входы и выходы управляемого генератора 6, блока автоматиче-
ской регулировки выходного напряжения 8, повторителя 7, дополнительного генератора 9,
вторые выходы первого 3 и второго 10 сумматоров, второй вход фильтра высоких ча-
стот 11 соединены с шиной нулевого потенциала.
Измерительный тензорезисторный мост 1 предназначен для измерения крутящего мо-
мента, преобразованного в деформацию измерительного элемента упругости вала при
кручении, а этой деформации - в изменение электрического сопротивления тензорезисто-
ров, наклеенных на вал, благодаря включению тензорезисторов по мостовой схеме на вы-
ходе измерительной диагонали моста 1 получается выходное переменное напряжение,
которое пропорционально приложенному крутящему моменту.
Сигнал на выходе измерительного моста 1 обычно не превышает единиц милливольт,
а для работы управляемого генератора 6 необходимо управляющее напряжение порядка
нескольких вольт. Между измерительным мостом 1 и управляемым генератором 6 вклю-
чен усилитель 2 разности двух сигналов, обеспечивающий необходимое управляющее
значение напряжения. Управляемый генератор 6 представляет собой широкополосный
усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. В качестве положительной
обратной связи может служить мост Вина или двойной Т-мост. Отрицательная обратная
связь образуется постоянными резисторами. При поступлении на вход управляемого гене-
ратора 6 переменного напряжения, совпадающего по фазе и частоте с выходным, про-
исходит изменение частоты управляемого генератора 6, пропорциональное амплитуде
входного напряжения. Повторитель 7 выполняет функцию усиления сигнала по мощно-
сти, а также развязки и согласования выхода управляемого генератора 6 со вторым входом
первого сумматора 3. Блок автоматической регулировки 8 выходного напряжения позво-
ляет автоматически поддерживать уровень выходного напряжения постоянным во всем
диапазоне девиации частота и через повторитель 7 и первый сумматор 3 стабилизировать
уровень выходного напряжения питающей диагонали моста. Стабилизатор 4 выполняет
функцию стабилизации напряжения питания устройства, передаваемого через индуктив-
ный вращающийся трансформатор 5. Бесконтактный токосъемник 12 может быть выполнен
как индуктивным, емкостным, так и в виде беспроводного радиоканала. Дополнительный
генератор 9 выполнен в виде синтезатора частот. Первый 3 и второй 10 сумматоры вы-
полняют функцию суммирования частот входных сигналов. Фильтр высоких частот 11
выполняет функцию выделения необходимого диапазона рабочих частот. Измерительный
блок 13 служит для регистрации информации о крутящем моменте.
Устройство работает следующим образом. Управляемый генератор 6 вырабатывает
частоту синусоидальных колебаний определенной амплитуды, которая через повторитель 7
поступает на второй вход первого сумматора 3. Одновременно с сигналом управляемого
генератора 6 на первый вход сумматора 3 поступает сигнал частоты с дополнительного
генератора 9, превышающий частоту предыдущего сигнала. Далее увеличенная частота с
выхода сумматора 3 подается в питающую диагональ тензорезисторного измерительного
моста 1. Мост 1 в исходном состоянии уравновешен, и на выходе его напряжение отсут-
ствует. Рассмотрим работу устройства в переходном режиме. Пусть, например, произошло
приращение сопротивления тензодатчиков предварительного уравновешенного измери-
тельного моста 1 в направлении, соответствующем знакам изменения крутящего момента.
Напряжение на выходе измерительного моста 1, пропорциональное приращению сопро-
тивления тензорезисторов, поступает на вход усилителя 2 разности двух сигналов. На вы-
ходе усилителя 2 появляется усиленное переменное напряжение, поступающее на вход
управляемого генератора 6, совпадающее по фазе и частоте с выходным напряжением ге-

5. BY 6942 U 2010.12.30
5
нератора 6. Вследствие чего частота генератора изменяется пропорционально прираще-
нию сопротивления измерительного моста 1 и соответственно крутящему моменту. При
больших девиациях частоты уровень выходного напряжения изменяется, и блок автома-
тической регулировки 8 выходного напряжения вырабатывает сигнал разности прираще-
ния амплитуды, поступающей на второй вход управляемого генератора 6, и изменяет его
выходное сопротивление нагрузки. Таким образом, уровень выходного напряжения ста-
билизирован и не зависит от девиации частоты. Выходная частота управляемого генерато-
ра 6, пропорциональная крутящему моменту, поступает на первый вход сумматора 10.
Одновременно с частотой управляемого генератора на второй вход сумматора 10 посыла-
ется высокочастотный сигнал со второго выхода дополнительного генератора 9. Выходная
высокочастотная составляющая частоты сигнала с выхода сумматора 10, пропорциональ-
ная крутящему моменту, проходя через фильтр высоких частот 11 и бесконтактный токо-
съемник 12, поступает на вход измерительного блока 13, который регистрирует значение
крутящего момента.
Таким образом, введение в известное устройство дополнительного генератора 9, пер-
вого 3 и второго 10 сумматоров, фильтра высоких частот 11, бесконтактного токосъемни-
ка 12 и новых связей позволяет повысить быстродействие измерения крутящего момента.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.