MISURA DELLA COPPIA

Durante la ricerca e la supervisione del lavoro vari dispositivi e unità (motori, pompe, compressori, generatori, ecc.) spesso è necessario misurare la coppia sull'albero del dispositivo.

La coppia sull'albero motore può essere misurata approssimativamente con un wattmetro convenzionale misurando contemporaneamente la velocità di rotazione. La coppia è determinata in modo univoco dalla potenza e dalla velocità da dipendenze note. Tuttavia, va tenuto presente qui che misurando la corrente e la tensione che determinano la potenza, determiniamo non la potenza effettiva sull'albero motore, ma la sua energia elettrica, che può essere convertito in meccanico solo se si conoscono sufficientemente accuratamente le caratteristiche elettromeccaniche del motore elettrico. Questo non è sempre possibile, quindi questo metodo di misurazione viene utilizzato solo quando la coppia trasmessa (o consumata dall'oggetto guidato) non è oggetto di ricerca.

Nel caso in cui la coppia debba essere misurata con sufficiente precisione, vengono utilizzati principalmente due metodi: la misurazione con l'ausilio delle cosiddette scale motori e la misurazione con estensimetri di coppia.

Le bilance a motore sono una piattaforma fissata su un asse, su cui è installato l'oggetto di prova (Fig. 17.1).

Quando si utilizzano contrappesi (Fig. 17.1 un ) è praticamente impossibile misurare la coppia variabile e selezionare con precisione il peso dei carichi 4, perché la piattaforma in questa variante è instabile e il mancato soddisfacimento della condizione F∙R = M CR potrebbe farlo oscillare.

Quando si utilizzano le celle di carico 6 (Fig. 17.1 b ) non ci sono problemi di instabilità e quando si installano i sensori 6 su entrambi i lati con Δ ~ 0 il dispositivo può misurare la coppia che cambia non solo la grandezza ma anche la direzione.

L'industria produce anche celle di carico a coppia fissa che possono essere utilizzate in dispositivi simili a bilance per motori (Fig. 17.2).

In questo progetto, la cella di carico 9 può misurare una coppia variabile in grandezza e direzione. L'asse del motore elettrico 7 coincide con l'asse del cuscinetto 6 e del sensore 9 con la massima precisione.

Sono inoltre disponibili celle di carico a coppia rotante che, nella loro applicazione, richiedono l'utilizzo di collettori di corrente.

Sia negli estensimetri fissi che in quelli rotanti, il più delle volte la misurazione viene effettuata da estensimetri incollati all'albero elastico nella direzione della sua "torsione" sotto l'azione di una coppia. Tipicamente, moderno sensori industriali avere strumenti secondari tarati in unità di coppia (N∙m) e dotati di uscita digitale su computer.

In condizioni di laboratorio, quando per alcuni motivi oggettivi non è possibile utilizzare estensimetri di coppia già pronti, è possibile utilizzare un semplice sensore, il cui schema è riportato in Fig. 17.3.

La coppia crea una forza sul raggio di misura 3, che porta ad una variazione della resistenza dell'estensimetro di misura principale incollato al superficie laterale travi. L'estensimetro di compensazione è incollato sulla parte superiore e non subisce allungamenti o compressioni quando la trave viene piegata.

Come trave 4 con estensimetri 5, è anche possibile utilizzare un estensimetro del tipo a trave già pronto.

Il segnale proveniente dagli estensimetri (o da un estensimetro industriale) viene inviato ai conduttori ad anello del collettore di corrente 7, quindi, mediante spazzole di grafite, viene trasmesso ad un dispositivo secondario (stazione di deformazione), dopodiché viene inviato a un dispositivo indicatore o tramite un ADC a un computer.

L'uso di una cella di carico del tipo a trave già pronta è preferibile, perché non c'è bisogno di calibrazione. Inoltre, in molti estensimetri seriali c'è un amplificatore e un ADC contemporaneamente, in connessione con il quale il suo segnale può essere inviato direttamente a un computer.

Quando si misurano i parametri degli oggetti rotanti, molto spesso è necessario fissare la velocità di rotazione (frequenza della doppia corsa), nonché determinate posizioni dell'albero dell'oggetto, ad esempio il punto morto superiore o inferiore delle macchine alternative, le posizioni estreme di cilindri idraulici o pneumatici, ecc. A tale scopo vengono spesso utilizzate coppie optoelettroniche, contatti ermetici a controllo magnetico (interruttori reed) e sensori a induzione.

Nei casi di domanda coppia optoelettronica per controllare la velocità o le posizioni dell'albero, sull'albero rotante del dispositivo viene posizionato un disco con una fessura stretta e sulla stessa linea è installata una sorgente luminosa su un lato del disco e un ricevitore (fotoresistenza o fotodiodo) sul dall'altro lato, che sono inclusi nei circuiti di misura corrispondenti. Quando si passa attraverso la fessura tra la sorgente e il ricevitore di luce parametri elettrici questi ultimi vengono cambiati, appare un segnale, che viene fissato dall'apparecchiatura di misurazione. Per determinare la velocità, tali segnali vengono contati per unità di tempo o viene determinato l'intervallo di tempo tra segnali adiacenti. Il passaggio della luce di una fenditura stretta è selezionato entro pochi decimi di millimetro e dipende dalla luminosità della sorgente luminosa, dalla sensibilità del ricevitore, dalla frequenza di rotazione e dalla distanza della coppia optoelettronica dall'asse di rotazione. Maggiore è questa distanza, più ampio può essere il divario. La frequenza di funzionamento di un tale dispositivo è di centinaia di Hz.

interruttori a lamella molto semplice nel design e affidabile nel funzionamento. Sono due conduttori elastici con proprietà magnetiche posto in una comune capsula di vetro (o qualsiasi altro dielettrico) (Fig. 17.4)

Quando applicato all'interruttore reed campo magnetico i suoi contatti sono attratti l'uno dall'altro e l'interruttore reed inizia a passare elettricità. Gli interruttori Reed sono dispositivi piuttosto in miniatura, il diametro della capsula può essere inferiore a 2 mm con una lunghezza di 5-6 mm. La frequenza del loro funzionamento può essere di centinaia di Hz.

Molto spesso controllano il funzionamento dell'interruttore reed magnete permanente, che è fissato alla parte mobile del dispositivo, la cui posizione si desidera fissare. Quando il magnete si avvicina all'interruttore reed, i suoi contatti si chiudono. Sulla fig. 17.5. dato il circuito più semplice controllo del funzionamento dell'interruttore reed.

Lo svantaggio degli interruttori reed è l'impossibilità di lavorare con correnti elevate, ma in questo caso, quando lo si utilizza come sensore, è possibile limitarsi a una corrente di sole decine di milliampere. Un altro svantaggio è numero limitato operazioni fino alla distruzione dei contatti. Sono circa 10 8 - 10 10 volte o più.

Il sensore a induzione più semplice è un induttore avvolto su un nucleo d'acciaio in acciaio magneticamente morbido (facilmente rimagnetizzato). Quando il sensore entra in un campo magnetico alternato (variabile) nella bobina, Induzione di campi elettromagnetici, che è il segnale di uscita del sensore. Il circuito per l'accensione di un tale sensore è simile al circuito per l'accensione di un interruttore reed (Fig. 17.6).

Come un sensore optoelettronico, questo dispositivo non ha parti mobili e non si consuma durante il funzionamento. Lo svantaggio principale di tali sensori è la significativa dipendenza del livello del segnale dalla velocità di variazione del campo magnetico, e quindi non può essere utilizzato per controllare oggetti che si muovono lentamente (compresa la rotazione).

1. Tecnologia di misurazione tensometrica

Lo sviluppo storico della tecnologia di misurazione della coppia inizia nel 1678. Quest'anno, ha descritto lo scienziato inglese Robert Hooke dipendenza proporzionale tra la deformazione del materiale e la sollecitazione del materiale nella nota legge di Hooke.

L'anno 1833 servì come un ulteriore ciclo di sviluppo. Quindi lo scienziato inglese Hunter Christie ha descritto un circuito a ponte con il quale è possibile misurare le minime variazioni di tensione. Nonostante il fatto che lo schema sia stato successivamente intitolato al secondo inventore, Charles Wheatstone, la vera gloria appartiene ancora a Hunter Christie.

Circuito del ponte di Wheatstone

William Thomson, che in seguito divenne Lord Kelvin (la scala della temperatura porta il suo nome), scoprì nel 1856 la relazione tra il tratto di un conduttore e la sua resistenza elettrica.

Successivamente, più di una volta sono stati effettuati esperimenti con i conduttori. Ad esempio, Nernst li sperimentò nel 1937 per misurare la pressione in un motore a combustione interna. Tuttavia, il primo modello di estensimetro non incollato dovette attendere fino al 1938. Poi il professor Ruge ha sviluppato il primo estensimetro. Già tre anni dopo apparvero i primi estensimetri a filo prodotti industrialmente, che furono trovati molto rapidamente. uso pratico. Una vera svolta per gli estensimetri prodotti industrialmente sono stati gli estensimetri a pellicola che sono apparsi sul mercato nel 1952. Sono stati incisi su una pellicola rivestita con un materiale conduttivo. Gli estensimetri sono ancora realizzati in questo modo oggi. Nello stesso anno furono proposti estensimetri a pellicola per misurazioni di coppia. In questo modo sono state realizzate le prime celle di carico di coppia non rotanti. Questi sensori hanno aiutato a risolvere molti problemi in fase di sviluppo e test misurando la coppia di reazione. Ma un'applicazione più importante e frequente dei sensori di coppia è la misurazione su un albero rotante. Qui, lo sviluppo è continuato per molti altri anni per portare sul mercato trasduttori di coppia estensimetrici pronti per l'uso.

2. I primi sensori di coppia rotanti

Quando l'albero è caricato con una coppia assiale, ruota di un angolo proporzionale alla coppia. Questo angolo può essere misurato con un sistema di misurazione dell'angolo. Dal 1945 sono presenti sul mercato trasduttori di coppia rotativi con sistema di misura induttivo funzionante secondo questo principio. Per alimentare il sensore sono state utilizzate frequenze portanti di diverse centinaia di kHz. In questo modo è stato possibile ridurre le dimensioni degli induttori del sistema. L'ampiezza del segnale di misura alternato era proporzionale all'angolo di torsione dell'albero di misura del sensore di coppia e aveva la stessa frequenza della tensione di alimentazione.

Per alimentare il sistema di misura posizionato su un albero rotante e per trasmettere un segnale di misura modulato in ampiezza, sono stati utilizzati traslatori costruiti sul principio di un trasformatore rotante. Un avvolgimento del trasformatore è fissato sullo statore, il secondo si trova concentricamente al primo sul rotore. Quando si trasmette un segnale di misurazione modulato in ampiezza attraverso un traslatore costruito secondo tale schema, il coefficiente di trasmissione è incluso direttamente nel segnale di misurazione. A causa di disallineamenti assiali e radiali, rotazione eccentrica, variazioni delle proprietà magnetiche del materiale e dispersione magnetica, possono verificarsi errori di misurazione.

La prima trasmissione del segnale di misura di un ponte estensimetrico incollato ad un albero rotante è stata effettuata tramite collettori rotanti nel 1952.
La trasmissione della tensione di alimentazione e di uscita tramite collettori rotanti richiede una certa attenzione. Gli anelli collettori devono essere isolati dall'albero e l'uno dall'altro. Anche il minimo errore di isolamento può portare a significativi errori di misurazione. La forza di pressione del contatto strisciante deve essere scelta in modo che, da un lato, la resistenza di contatto sia la più bassa possibile, l'affidabilità del contatto contro lo strappo dovuto agli urti e l'eccentricità degli anelli collettori deve essere sufficientemente elevata, e, d'altra parte, non deve essere consentito un eccessivo riscaldamento e usura delle coppie di contatti. Oltre alla scelta del materiale, gioca un ruolo decisivo un accurato trattamento superficiale.
Particolari difficoltà sorgono quando alte velocità rotazione. Alcuni trasduttori sono dotati di alza spazzole che si abbassano solo per le misurazioni. Lo svantaggio di questa tecnologia è che gli anelli collettori e le spazzole di carbone si usurano nel tempo e richiedono la sostituzione.

Per creare un sensore con una stabilità e non richiede Manutenzione trasmissione del segnale, è stata sviluppata una tecnologia che fornisce la trasmissione senza contatto del segnale di misura dal ponte estensimetrico. Alimentando il ponte con una tensione alternata, la sua uscita è una tensione alternata modulata in ampiezza proporzionale alla coppia. Sia la tensione alternata necessaria per alimentare il ponte estensimetrico che il segnale di misura possono essere trasmessi per mezzo di una trasmissione a trasformatore.
Dopodiché, la processione vittoriosa dei sensori di coppia rotanti basati su estensimetri non poteva più essere fermata.
A causa delle dimensioni sempre più ridotte dell'elettronica, nel 1972 è stato possibile posizionare un amplificatore di misura su un albero rotante, che serviva per alimentare il ponte estensimetrico e preparare il segnale di misura. Un traduttore del trasformatore serviva per alimentare il sensore, l'altro - per la trasmissione modulata in frequenza del segnale di misura.

Nel frattempo, la tecnologia degli estensimetri si è ulteriormente sviluppata. Oggi i sensori di coppia sono prodotti con entrambi Compensazione della temperatura e con compensazione della deriva del segnale. Un grande vantaggio della tecnologia estensimetrica è che la compensazione dell'interferenza è possibile direttamente nel punto di misura. La dipendenza dalla temperatura del modulo elastico dei materiali utilizzati è, ad esempio, di circa il 3% per l'acciaio per 100 K di variazione di temperatura. Poiché questo valore di interferenza entra direttamente nel fattore di sensibilità del sensore, deve essere compensato di conseguenza.
Per i sensori con un sistema di misurazione dell'angolo, se viene effettuata la compensazione, viene eseguita nell'amplificatore. Pertanto, l'influenza della temperatura deve essere presa in considerazione qui. I sensori angolari presentano un altro problema in quanto è necessario un angolo di torsione relativamente grande per misurare la coppia. Ciò porta a design a torsione morbida che consentono solo processi di misurazione lenti.
Le dimensioni sempre più ridotte dell'elettronica e il corrispondente miglioramento nella trasmissione del segnale di misura hanno portato a un cambiamento nel mercato dei sensori di coppia in quanto ora vengono forniti con amplificatori integrati.

3. Moderni sensori di coppia rotanti

I primi sensori di coppia avevano, di regola, un segnale di uscita analogico. Con tali interfacce è impossibile escludere interferenze provenienti da unità di potenza e azionamenti vicini, soprattutto con connessioni lunghe e dinamiche elevate. Per questo motivo, in passato, il livello del segnale del sensore veniva aumentato. I livelli di segnale generalmente accettati sono ± 5 V e ± 10 V. Tuttavia, per molte applicazioni l'immunità al rumore non è sufficientemente buona. La soluzione a questo problema risiede nell'elettronica dei sensori digitali. Lo schema del suo principale disegno meccanico mostrato nella figura seguente.

Sul pozzo c'è un punto ristretto di diametro dove è incollato un ponte tenometrico. Anche la parte rotante del traslatore del trasformatore e l'elettronica rotante si trovano sull'albero. La custodia contiene la parte fissa del traduttore e il resto dell'elettronica. Per collegare il sensore, c'è una spina sulla custodia.
L'elettronica integrata sia nello statore che nel rotore contiene un microprocessore con memoria associata. Il segnale di misura viene generato sul rotore per mezzo di estensimetri, immediatamente amplificato e digitalizzato. Il segnale digitale entra nel processore, che lo prepara per la trasmissione allo statore sotto forma di segnale seriale con checksum. Nello statore, il segnale dati viene preparato e infine generato nel processore per l'interfaccia seriale RS 485.
Grazie all'utilizzo di processori, dati come numero di serie, valori di calibrazione, campo di misura, data di calibrazione e altro possono essere memorizzati sia sul rotore che sullo statore e possono essere letti se necessario.
Il sensore è alimentato da una sorgente controllata dal processore che può collegare un controllo di calibrazione per testare il sensore. Digitalizzando il segnale di misura direttamente nel punto di acquisizione e memorizzazione, oltre alla lettura dei dati del sensore, si garantisce un'elevata affidabilità operativa del dispositivo di misura.

Schema a blocchi della trasmissione digitale del segnale di misura con microprocessori integrati:

4. Applicazioni dei sensori di coppia oggi

Alcuni rami della scienza e della tecnologia oggi non possono più essere immaginati senza sensori di coppia. Di seguito sono elencate solo alcune delle loro applicazioni:

Come si può vedere dalla tabella, i sensori di coppia sono utilizzati in molte aree, dall'istruzione, allo sviluppo del prodotto, alla produzione, al controllo qualità fino al monitoraggio prodotti finiti. Anche in agricoltura puoi trovare i sensori di coppia nel parco macchine. Per dimostrare la tracciabilità degli strumenti di misura, i trasduttori di coppia di riferimento vengono sempre più utilizzati per verificare le apparecchiature di produzione nel luogo di utilizzo.

4.1 Campo di applicazione - Banco prova motori

Per controllare motori e utensili manuali con un azionamento, sono necessari un sensore di coppia e un gruppo di carico. Durante il test, i dati di carico vengono registrati durante il funzionamento continuo. Questi dati forniscono informazioni sul corretto funzionamento dei componenti del prodotto, come il corretto collegamento dei poli del motore. Tramite un carico dinamico è inoltre possibile ottenere informazioni sulla qualità della regolazione degli azionamenti.

4.1.1 Campo di applicazione - Banco prova per motori a combustione interna

Qui il sensore è collegato direttamente al freno. Il motore a combustione interna è collegato per mezzo di un albero a gomiti. Ciò semplifica notevolmente l'allineamento dell'oggetto in prova. Inoltre, la vibrazione del motore non viene trasmessa in modo così forte al sensore. Come puoi vedere nella foto, per motivi di sicurezza, è prevista una recinzione protettiva attorno al sensore e all'albero motore, che si chiude anche dall'alto durante il funzionamento del cavalletto.

5. Il futuro dei sensori di coppia

La tecnologia degli estensimetri sarà il vettore principale dei sensori di coppia in futuro. Grazie alle dimensioni sempre più piccole e alla migliore stabilità dell'elettronica, è possibile progettare sensori per fattori di rigidità sempre più elevati, il che porta a una migliore dinamica di misura. Ciò è ottenuto dal fatto che a parità di precisione di misura, il segnale di misura diventa sempre più piccolo a causa dell'elevata stabilità elettrica dell'amplificatore di misura.

D'altra parte, è possibile applicare una migliore elaborazione del segnale di misurazione per aumentare la precisione del dispositivo di misurazione. Il futuro è anche dei sensori “intelligenti” con memorizzazione dei dati di misura, grazie ai quali le misure diventano sempre più affidabili e i dati per il controllo qualità possono essere letti direttamente dal sensore.

Potenza e coppia due parametri chiave, in base al quale vengono selezionati i motori ad alta velocità. Qualcuno è interessato a quanta più potenza possibile nel cuore dell'auto. Ad alcune persone interessa di più la coppia massima.

In base a quale di queste caratteristiche i professionisti scelgono le auto? Uno dipende dall'altro? Cosa succede se la coppia è piccola e la potenza è piuttosto alta? Non tutti gli automobilisti esperti saranno in grado di rispondere in modo esauriente a tutte queste domande. E proveremo.

Cosa determina la potenza del motore?

"Quanti cavalli hai?" - una delle domande più frequenti tra gli automobilisti. Tradizionalmente, maggiore è la cosiddetta potenza del motore, più veloce e potente è considerata l'auto. Ma pochi sanno che il valore chiamato potenza non è ufficiale e non è nemmeno incluso nel sistema di misurazione internazionale (ricordate il sistema SI da scuola?).

Questa unità di misura è apparsa nell'era rivoluzione industriale. Un cavallo era uguale alla potenza in grado di sollevare 75 kg per 1 m in 1 s. Ciò è dovuto al fatto che a quel tempo non era molto più importante la velocità dell'auto, ma la velocità dell'estrazione del carbone.

Ai nostri tempi, il noto "l. Insieme a." considerato "illegale". L'Organizzazione internazionale di metrologia chiede che venga ritirato il prima possibile. E la direttiva legislativa ufficiale dal 2010 ne consente l'utilizzo solo come unità di misura ausiliaria.

Tuttavia, non è stato ancora sostituito da kilowatt ufficiali. Ci sono diverse ragioni per questo:

• 1. Espressione banale, ma vera, "l'abitudine è una seconda natura";
• 2. Marketing di aziende automobilistiche;
• 3. Evita la confusione.

Che cos'è il marketing automobilistico? Il fatto è che se almeno uno di loro passa all'unità di misura ufficiale kW, perderà una percentuale tangibile di acquirenti per banale confusione. Dopotutto, se prendiamo, ad esempio, il popolare crossover Kia Sportage, la sua potenza è 136 e 184 in due versioni. In kilowatt - 100 e 135, rispettivamente. Capisci? Come possono passare a un'unità di misura internazionale se i concorrenti ne hanno 184 e ne hanno solo 135? Non c'è da stupirsi che dicano in America: "Il potere aiuta a vendere automobili."

Come si misura la coppia?

Si verifica un momento in cui l'albero motore viene frenato in uno dei seguenti modi:

• freno idraulico;
• Generatore;
• in qualsiasi altro modo che possa far “tirare” l'auto.

Sì, sì, è così che si misura: il motore o le ruote rallentano. Allo stesso tempo, la caratteristica indica il momento massimo che il motore può sviluppare solo quando il pedale del freno è premuto a fondo. All'inizio, questo indicatore è piccolo, poi sale a un picco e poi scende.

Cos'è la coppia?

La maggior parte dei conducenti moderni, sfortunatamente, non ha una comprensione completa di cosa sia la coppia. Si misura in newton metri (n∙m) ed è un valore direttamente correlato alla potenza. Tutto ciò che gli automobilisti sanno sulla coppia è che dovrebbe essere la più alta possibile. Ma allora in che cosa differisce dalla potenza?

Ricorda: potenza, coppia, regime del motore - grandezze interdipendenti. Esistono numerose formule con le quali, conoscendo due di questi parametri, è possibile calcolare il terzo.

parlando linguaggio tecnico, potenza - un valore che rappresenta la quantità di lavoro in cui il motore è in grado di eseguire una certa quantità di volta. La coppia mostra il potenziale del motore per fare proprio questo lavoro. In altre parole, maggiore è la coppia, maggiore è la resistenza che il motore può superare.

Immagina la situazione: stai guidando un'auto con una capacità di 100 CV. Insieme a. Un camion sta guidando davanti e devi sorpassarlo il più rapidamente possibile e tornare sulla corsia desiderata. Per fare ciò, la tua auto dovrà utilizzare tutta la sua potenza. In questo caso la coppia è proprio il cosiddetto leader dei cavalli, che li raccoglie tutti in un unico branco.

Vuoi una spiegazione ancora più semplice? Tracciamo un'analogia con una persona: la sua forza può essere misurata in newton metri e la resistenza - in potenza. Ecco perché i motori diesel "a bassa velocità" sono considerati veri e propri sollevatori di pesi, che lentamente ma con decisione trasportano carichi pesanti sulla "schiena". La benzina, a sua volta, è più veloce, ma carichi pesanti non per loro.

Scelta tra due motori con ca. la stessa quantità potenza, dare sempre la preferenza a un motore più "coppia". Soprattutto se il cambio è meccanico. Se preferisci guidare "al limite", sappi che in questo caso è meglio prendere il motore non ad alti regimi, ma con la coppia massima.

Risultato

Bene, speriamo che tu abbia risposte alle tue domande. Ora probabilmente sai quale motore sarebbe il migliore per te? E tutte le volte successive, seduto al volante, chiedendo le caratteristiche di un'auto o rispondendo alle domande di un collega appassionato di auto, sarai più consapevole dei dettagli. parametri tecnici macchine. Buona fortuna per le strade!

In ingegneria si incontra spesso la rotazione dei corpi: ruotano le ruote dei carri, gli alberi delle macchine, le viti dei piroscafi, ecc.. In tutti questi casi, sui corpi agiscono momenti di forza. In questo caso, è spesso impossibile specificare una forza specifica che crea una coppia e il suo braccio, poiché la coppia non è creata da una forza, ma da molte forze che hanno bracci diversi. Ad esempio, in un motore elettrico, gli avvolgimenti dell'indotto sono attaccati alle spire diverse distanze dall'asse di rotazione delle forze elettromagnetiche; la loro azione congiunta crea una certa coppia, che provoca la rotazione dell'indotto e dell'albero motore ad essa collegato. In questi casi, non ha senso parlare di forza e della leva della forza. Conta solo il momento di forza risultante. Pertanto, è necessario misurare direttamente il momento della forza.

Per misurare il momento di forza, è sufficiente applicare al corpo un altro momento di forza noto, che bilancerebbe il momento misurato. Se si raggiunge l'equilibrio, allora entrambi i momenti delle forze sono uguali in valore assoluto e opposti nel segno. Ad esempio, per misurare la coppia sviluppata da un motore elettrico, sulla puleggia del motore 1 vengono posti dei blocchi 2 compressi da bulloni in modo che la puleggia possa ruotare sotto i blocchi con attrito. Le pastiglie sono fissate a una lunga asta, alla cui estremità è fissato un dinamometro (Fig. 120). L'asse delle pastiglie coincide con l'asse del motore. Quando il motore ruota, il momento delle forze di attrito che agiscono sulle pastiglie dal lato della puleggia fa ruotare le pastiglie con l'asta ad un certo angolo nel senso di rotazione del motore. In questo caso, il dinamometro è leggermente allungato e il momento opposto inizia ad agire sulle pastiglie dal lato del dinamometro, uguale al prodotto della forza di tensione del dinamometro sulla spalla. La forza di trazione del dinamometro è uguale in grandezza e in direzione opposta alla forza che agisce dal lato dell'asta sul dinamometro (Fig. 120). Essendo le pastiglie a riposo, la coppia sviluppata dal motore deve essere uguale in valore assoluto e di segno opposto alla coppia della forza di trazione del dinamometro. Quindi, ad una data velocità, il motore sviluppa un momento pari a .

Riso. 120. Misura del momento di forza creato da un motore elettrico

Quando si misurano coppie molto piccole (ad esempio, in galvanometri sensibili e altri fisici strumenti di misura) la coppia misurata viene confrontata con la coppia agente dal lato della filettatura ritorta. Il sistema di misura, che è sotto l'azione di una coppia, è sospeso su un lungo filo sottile, metallo o silice fusa. Girando, il sistema di misura attorciglia il filo. Tale deformazione provoca la comparsa di forze che tendono a svolgere il filo e, quindi, hanno un momento torcente. Quando il momento misurato diventa uguale al momento del filo ritorto, si stabilisce l'equilibrio. Dall'angolo di torsione all'equilibrio si può giudicare la coppia del filo e, di conseguenza, il momento misurato. La relazione tra la coppia del filamento e l'angolo di torsione è determinata calibrando lo strumento.

annotazione

COME. Gurinov, V.V. Dudnik, V.L. Gaponov, V.V. Kalashnikov

Questo articolo presenta un dispositivo per misurare la coppia su alberi rotanti di vario genere sistemi tecnici. Il dispositivo è realizzato sulla base di un canale radio digitale. Viene descritto il metodo di calibrazione del dispositivo e vengono presentati esempi di misurazioni sugli alberi di vari meccanismi.
Parole chiave: tensometria, coppia, canale radio digitale.

Introduzione. Coppia sugli alberi dispositivi tecniciè caratteristica importante, che definisce i limiti di applicabilità ed efficienza dell'utilizzo dei dispositivi. Misurarlo, specialmente su alberi rotanti di dispositivi in ​​movimento, è difficile. sfida tecnica, per la cui soluzione un numero significativo di dispositivi con principi diversi Azioni. In alcuni casi, la determinazione della coppia e, di conseguenza, della potenza dell'oggetto viene effettuata da indicatori indiretti. Ad esempio, sulle automobili, il momento può essere determinato dall'alimentazione di carburante, dalla temperatura dei gas di scarico e da altre letture. Questo approccio non consente un alto grado affidabilità per determinare la potenza richiesta. La misurazione accurata del momento viene eseguita utilizzando sistemi che determinano la deformazione torsionale dell'albero, tuttavia tali sistemi possono essere molto complessi.
Misurazione della coppia dell'albero. Un metodo comune per misurare la deformazione dell'albero consiste nell'utilizzare un ponte estensimetrico. In questo caso, gli estensimetri a resistenza sono incollati sull'albero con un angolo di 45° rispetto all'asse di rotazione, collegati elettricamente in un circuito a ponte. L'uso di questo schema aumenta la sensibilità, migliora la linearità delle caratteristiche risultanti e riduce significativamente l'effetto della temperatura sul segnale di uscita. Inoltre, il vantaggio di un ponte è che misura solo il cambiamento, non la resistenza totale.
La principale difficoltà in un dispositivo che utilizza estensimetri è il trasferimento di dati sulla resistenza di elementi sensibili da un albero rotante al consumatore. Per molto tempo per questo sono stati utilizzati dispositivi di contatto, induzione, illuminazione e altri. Sviluppo moderno l'elettronica consente di utilizzare un canale radio digitale per rendere la trasmissione dei dati il ​​più semplice possibile. Un piccolo trasmettitore radio può essere montato direttamente su un albero rotante e trasmettere i parametri a un ricevitore non rotante. L'uso di trasmettitori in miniatura consente di determinare la coppia su più alberi contemporaneamente, trasmettendo informazioni a un ricevitore.
Un dispositivo che utilizza dispositivi estensimetrici e un canale radio digitale è stato implementato dagli autori e testato su una serie di dispositivi. Nel dispositivo sviluppato, come trasmettitore è stato utilizzato un modulo radio ricetrasmettitore pronto all'uso DP1201A. È un dispositivo funzionalmente completo installato sulla scheda del microcontrollore. Con un basso consumo energetico (0,2µA tipica corrente in standby), il trasmettitore è ottimizzato per applicazioni che richiedono componenti come taglia piccola, a basso costo e interfaccia digitale. Il modulo radio utilizza un ricetrasmettitore semiduplex integrato operante nella gamma di frequenza 433 MHz. Il sincronizzatore di dati integrato consente di collegare semplici microcontrollori con costi di circuito minimi. Il trasmettitore è stato controllato tramite un'interfaccia periferica SPI seriale. SPI è un'interfaccia sincrona in cui qualsiasi trasmissione è sincronizzata con un segnale di clock comune generato dal processore. ADUC7061 viene utilizzato come processore di controllo. Ciò è dovuto al fatto che ha un ADC a 24 bit integrato, che consente di evitare l'installazione di un convertitore aggiuntivo. Anche a proprietà positive di questo microcontrollore può essere attribuita una bassa tensione di alimentazione di 2,5 V, che si ridurrà tensione totale alimentazione e dimensioni della batteria su albero rotante.
Il ricevitore radio, oltre al trasmettitore radio, comprende un modulo radio DP1201A configurato per la ricezione dei dati (Fig. 1). Poiché per il ricevitore radio non è richiesto un ADC, come processore di controllo è stato utilizzato un PIC16F876A. Come l'ADUC7061, ha dimensioni ridotte e un'interfaccia periferica SPI seriale. I dati ricevuti ed elaborati dal responsabile del trattamento sono trasmessi al sistema di misura.

Riso. uno. Aspetto esteriore schede trasmittenti e riceventi del torsiometro

Lo schema generale del funzionamento del torsiometro è mostrato in fig. 2. La portata del canale radio digitale è di circa 100 m, sufficiente per la caratterizzazione quando il ricevitore è installato su una base fissa o su una parte non rotante del veicolo.
Come si può vedere dalla figura, un trasmettitore è installato direttamente sull'albero e al di sotto è installato un contrappeso a forma di batteria del trasmettitore, che compensa la massa del trasmettitore. Inoltre, un ponte di deformazione è incollato all'albero, costituito da 4 estensimetri collegati al trasmettitore. Quando si attaccano gli estensimetri, si deve tenere conto del fatto che per una misurazione qualitativa a una distanza di 20 mm a sinistra e a destra dell'area in cui sono incollati gli estensimetri, non dovrebbero esserci modifiche nella forma o nello spessore dell'albero .

Riso. 2. Schema strutturale torsiometro

In generale, il torsiometro ha dimensioni e peso ridotti, che ne consentono il montaggio su alberi. equipaggiamento industriale, Veicolo e ad altri dispositivi.
Per calibrare i sensori è stato creato un programma che crea una dipendenza per l'intero intervallo di coppia utilizzando più punti per carichi noti. La coppia, a sua volta, può essere impostata sia da pesi calibrati installati sul braccio misurato sia da un dispositivo di trazione (ad esempio un verricello) utilizzando un dinamometro. Se sono presenti forze di trazione sull'albero, è consigliabile calibrare un estensimetro separato, progettato per tenere conto solo delle forze di trazione. In questo caso, la calibrazione avviene in due fasi.

1. Sull'albero vengono create solo forze di trazione. La quantità di sforzo dell'estensimetro lineare e del ponte di deformazione della coppia viene immessa nel controller del trasmettitore. Sulla base dei valori ottenuti, la dipendenza delle letture dell'estensimetro dall'estensimetro di trazione viene tracciata direttamente nei codici digitali.
2. Viene generata una coppia sull'albero. Viene letto e fissato il valore dei codici ADC provenienti dallo strain bridge.

Il programma di calibrazione prepara i dati per la determinazione della coppia. Samo Software fornisce due algoritmi per un ulteriore ricalcolo dei dati. In accordo con il primo, si costruisce una dipendenza lineare del coefficiente di calibrazione:
, (1)
dove Mè il valore dei momenti dati,
m— codici ADC provenienti da ponte estensimetrico,
è il valore di correzione del momento determinato dai dati di calibrazione del ponte estensimetrico, che dipende dalla deformazione lineare.
In accordo con il secondo metodo, viene costruita una dipendenza non lineare. In questo caso, è consigliabile approssimare i valori sperimentali con il metodo minimi quadrati residui. Coppia contro fattori di calibrazione A 0, A 1è determinato da un polinomio di primo grado:
(2)
Il compito è determinare tali valori dei coefficienti LA 0, LA 1, sotto il quale la curva passerebbe il più vicino possibile a tutti n punti determinati durante la calibrazione (M1,m1); (M2,m 2);… (Mn,mn); trovato sperimentalmente.
In questo caso, è impossibile trovare una curva che passi per tutti i punti dati. Inoltre, nessuno dei punti considerati soddisfa esattamente l'equazione e se sostituiamo le coordinate di questi punti in essa, otteniamo il seguente sistema:
, (3)
dove δ 1 , δ 2 , …, δ n- residui.
Secondo il principio dei minimi quadrati, migliori valori coefficienti A 0, A 1 ci saranno quelli per i quali la somma dei residui al quadrato è la più piccola, cioè il minimo conta.
Quindi, il valore
, (4)
che è considerata in funzione dei coefficienti LA 0, LA 1, dovrebbe avere un minimo. Condizione necessaria Il minimo di una funzione a più variabili è che tutte le sue derivate parziali devono essere uguali a zero. La differenziazione di entrambe le parti dell'equazione porta a un sistema di equazioni:
, (5)
Pertanto, al posto del sistema originale, che è un sistema incoerente, poiché lo è n equazioni in 2 incognite ( n>1), otteniamo il sistema equazioni lineari con coefficienti A 0, A 1,. Poiché il sistema (5) si trova differenziando l'espressione (4) rispetto a coefficienti sconosciuti A 0, A 1, quindi in esso per qualsiasi n>1 il numero di equazioni è esattamente uguale al numero di incognite.
Trasformando il sistema (5) in una forma più conveniente per la sua soluzione, utilizzando la notazione introdotta da Gauss al posto della notazione, otteniamo:
(6)
Allora il sistema (5), dopo aver ridotto di 2 tutte le equazioni e raggruppato i termini, assume la forma:
(7)
Perché il LA0, LA1, esistono valori costanti rispetto alle somme in esame, quindi, in base alla proprietà delle somme, dalla prima equazione del sistema (5) si ottiene la seguente espressione:
, (8)
quelli. la prima equazione del sistema (7). Tutte le altre equazioni del sistema (5) vengono trasformate in modo simile. I coefficienti di queste equazioni sono calcolati da coordinate note punti dati
Per risolvere questo sistema di equazioni è stato utilizzato il metodo di Gauss, in quanto il più conveniente per il calcolo della macchina. Quando si eseguono calcoli per eliminazioni successive di incognite, questo sistema si trasforma in un sistema a fasi. Sulla base del sistema (7), una matrice espansa del sistema viene compilata come segue:
(9)
La soluzione esatta per una matrice non singolare è determinata in un numero ben definito di operazioni. In questo caso, viene eseguita prima una mossa in avanti: la matrice aumentata viene ridotta a triangolare:
. (10)
Condizione necessaria è l'assenza di zero elementi sulla diagonale della matrice. Quindi viene eseguita la mossa inversa, quando vengono trovati tutti i vettori sconosciuti M a partire dall'ultimo. In una mossa in avanti, la prima riga della matrice aumentata è divisa per n:
. (11)
Sottrazione successiva dalla seconda riga della matrice del prodotto aumentata alla prima riga modificata della matrice:
(12)
porta a prossimo tipo matrici:
. (13)
Dividendo la seconda riga per [ m2], la matrice è ridotta alla forma triangolare superiore:
. (14)
Successivamente si ottiene il seguente sistema di equazioni, che è equivalente a quello originale:
. (15)
Le radici sono in sequenza LA 0, LA 1:
(16)
Tenendo conto che la deformazione, di regola, avviene nella zona lineare, l'approssimazione secondo la prima variante, cioè lineare può essere considerato abbastanza adeguato. Tuttavia, ci sono errori associati all'influenza dell'adesivo dell'estensimetro e all'imprecisione dell'adesivo. Questi errori possono essere presi in considerazione dalla calibrazione.
Di conseguenza, si consiglia di applicare la seguente procedura per l'utilizzo dei sensori. Se, in fase di taratura, i valori di coppia vengono impostati entro i limiti eccedenti i momenti che possono verificarsi sull'albero nella modalità di funzionamento, allora è consigliabile utilizzare la seconda opzione di calcolo non lineare. Se i valori di coppia possono superare i valori di calibrazione, è necessario utilizzare un'opzione di calcolo lineare. In questo caso, la precisione sarà leggermente inferiore.
La tecnica proposta consente di calibrare con successo i ponti estensimetrici non solo per misurare le coppie, ma anche le sollecitazioni di flessione e trazione. Allo stesso tempo, gli estensimetri sono incollati lungo la linea di tensione-compressione.
Sulla base di questi algoritmi, è stato creato un programma per lavorare con un sensore di coppia, che consente di scegliere l'uno o l'altro metodo di ricalcolo dei dati. Durante il funzionamento, i dati possono essere trasmessi direttamente al monitor o al dispositivo di memorizzazione di bordo.
Per testare il torsiometro su vari oggetti, sono stati prodotti diversi set di prova di dispositivi.
Una copia è stata installata sull'albero di trasmissione di un'auto a trazione posteriore VAZ. Parallelamente alla coppia, sono state registrate la velocità e le coordinate del sistema di navigazione satellitare. Le misurazioni eseguite a Rostov-on-Don e fuori città hanno mostrato non solo l'elevata efficienza della misurazione delle caratteristiche di trasmissione, ma hanno anche permesso di stimare la potenza richiesta di un'auto che si muove in un flusso di traffico nella nostra città. Quindi, in città, la potenza richiesta praticamente non superava i 20 CV. In Fig. 3.

Riso. 3. Risultati della misurazione della potenza mediante un sensore di coppia montato sull'albero di trasmissione autovettura, muovendosi nel flusso dei trasporti lungo la strada 40let Pobedy, Rostov-sul-Don

Un altro test del sensore è stato effettuato su un elicottero coassiale ultraleggero Rotorfly. Il torsiometro, abbinato al sistema di misurazione di bordo, ha permesso di valutare le caratteristiche energetiche dell'aeromobile a varie modalità. Un esempio di registrazione della coppia del rotore principale superiore con una frequenza di campionamento di 32 Hz ricalcolata nella potenza dell'albero richiesta per una delle modalità di volo è mostrato in Fig. quattro.

Riso. 4. Registrazione della potenza sull'albero del rotore principale superiore dell'elicottero in una delle modalità (volo a una velocità orizzontale di 70 km/h con una discesa verticale di 2 m/s)

Attualmente sono in corso i preparativi per utilizzare il sensore di coppia proposto per ottimizzare il funzionamento di piccole turbine eoliche (Fig. 5).
Gli esperimenti mostrano che l'uso di un ponte estensimetrico per misurare la coppia in combinazione con un ADC ad alta scarica e un canale radio di piccole dimensioni consente di misurare una gamma quasi illimitata di coppie su alberi rotanti. Rileva il minimo cambiamento nel momento sull'albero e continua a misurarlo fino ai momenti, la cui applicazione distruggerà l'albero.

Riso. 5. Vista esterna di un aerogeneratore a due pale (a sinistra) e di un torsiometro installato all'interno della gondola (a destra).

Conclusione. Pertanto, l'uso del torsiometro proposto può consentire di determinare la potenza e il carico richiesti sugli alberi rotanti, anche su oggetti in movimento. In questo caso, i carichi possono andare oltre la zona di calibrazione, cosa che può essere fatta con algoritmi di approssimazione lineare. La determinazione dei carichi all'interno dei valori di calibrazione con algoritmi non lineari consente di tener conto dell'influenza vari fattori sull'errore e migliorare l'accuratezza delle misurazioni.

Letteratura:
1.Mikheev RA, Losev VS, Bubnov A.V. Prove di volo di elicotteri. - M.: Mashinostroenie, 1987. - 126s.
2. Filchakov P.F. Grafico e metodi numerici matematica applicata. - Kiev: Naukova Dumka, 1970. - 770.