Датчик крутящего момента, статика или динамика?

Для сопоставления статического и динамического крутящего момента проще всего с начала уяснить разницу между статической и динамической силой. Динамическая сила включает в себя компонент, связанный с ускорением, а статическая сила - нет. Связь между динамической силой (динамическим её компонентом) и ускорением описывается вторым законом Ньютона; F = ma (сила равна массе, умноженной на ускорение). Сила, необходимая для остановки вашего автомобиля с его внушительной массой, будет динамической силой, так как автомобиль должен замедляться (имеется отрицательное ускорение).

Сила, прилагаемая тормозным суппортом к колодкам дискового тормоза для остановки автомобиля, будет статической, потому что тормозные колодки не ускоряются. Крутящий момент - это просто сила, вызывающая вращение тела, так как она приложена не к центру его масс, а на расстоянии от него, называемом плечо. Величина момента будет произведением данной силы на длину плеча. Момент считается статическим, если при этом не появляется угловое ускорение, т.е. имеются еще и другие силы, уравновешивающие данную. Крутящий момент, создаваемый часовой пружиной, будет статическим, поскольку нет реального вращения и, следовательно, нет углового ускорения. Крутящий момент, передаваемый через ведущую ось автомобиля, когда он движется по шоссе (с постоянной скоростью), будет примером вращающего статического крутящего момента, потому что даже при наличии вращения при постоянной скорости ускорение отсутствует. Крутящий момент, создаваемый двигателем автомобиля, будет иметь как статический, так и динамический компоненты, в зависимости от того, где он измеряется. Если он измеряется на коленчатом валу, будут большие динамические колебания крутящего момента, когда каждый цилиндр отрабатывает свой рабочий цикл, и его поршень вращает коленчатый вал. Если крутящий момент измеряется на ведущем валу, он будет почти статическим, поскольку инерция вращения маховика и трансмиссии будут ослаблять динамический компонент крутящего момента, создаваемого двигателем. Момент силы, необходимый для того, чтобы закрывать/открывать окна в автомобиле может стать примером статического крутящего момента, даже при наличии вращательного ускорения привода, потому что и ускорение, и инерция вращения механизма привода очень малы, и в результате динамический крутящий момент (крутящий момент = момент инерции х вращательное ускорение) будет незначительным по сравнению с моментом сил трения, участвующих в движении окна. Этот пример иллюстрирует тот факт, что для большинства измерительных приложений в некоторой степени будут задействованы как статические, так и динамические моменты. Если динамический крутящий момент является основным компонентом общего крутящего момента или представляет собой прицельно интересующий испытателя параметр, необходимо тщательно продумать вопрос, как его измерить наилучшим образом, сопоставить реактивные и встроенные (in-line) датчики.

Измерения встроенным сенсором производятся путем вставки датчика момента между валами, или другими средствами, передающими крутящее усилие, подобно вставке удлинителя-торсиона между головкой и торцевым ключом. Крутящий момент, необходимый для поворота гнезда, будет передаваться непосредственно торсионом-удлинителем. Этот метод позволяет размещать измерительный сенсор как можно ближе к источнику момента и избегать возможных ошибок в измерениях, таких как паразитные моменты (подшипники и т. д.), посторонние нагрузки и компоненты, которые имеют большие моменты инерции и могут нивелировать интересующие испытателя динамические моменты.

Простое измерение крутящего момента. Из предыдущего примера, приведенного выше, динамический крутящий момент, создаваемый двигателем, будет измеряться путем размещения встроенного датчика крутящего момента между коленчатым валом и маховиком, чтобы отстроиться от большой инерционности маховика и любых погрешностей от трансмиссии. Чтобы измерить практически статический, постоянный момент силы, приводящей в движение колеса, встроенный датчик момента может быть размещен между ободом и ступицей транспортного средства или в ведущем валу. Из-за большой инерции типичной линии привода крутящего момента и других связанных компонентов, in-line измерения часто являются безальтернативным способом правильного измерения динамического вращающего/крутящего момента.

Реактивный датчик момента использует третий закон Ньютона: «для каждого действия существует равное и противоположное по знаку противодействие». Чтобы измерить крутящий момент, создаваемый двигателем, мы могли бы измерить его встроенным сенсором, как описано выше. Но можно и найти, какой компенсирующий момент требуется для предотвращения обратного вращения самого двигателя. Этот момент обычно называют реактивным. Они в статике равны по величине и противоположны по направлению (3-й закон Ньютона)

Размещение датчиков крутящего момента важно

Измерение реактивного крутящего момента позволяет избежать очевидной проблемы электрического соединения с сенсором на вращающемся узле (обсуждается ниже), но имеет свои недостатки. От датчика реактивного момента часто требуется выдерживать значительные посторонние нагрузки, такие как вес двигателя или, по крайней мере, некоторые из моментов узлов приводной линии. Эти нагрузки могут привести к ошибкам в перекрестных помехах (отклик сенсора на нагрузки, отличные от тех, которые являются целью измерения) и, иногда, к снижению чувствительности, так как чувствительный элемент должен быть конструктивно слишком большим для выдерживания больших посторонних нагрузок. Оба эти метода, inline и реактивный, дают идентичные результаты для измерений в статике.

Проблема передачи сигналов с датчика. Выполнение in-line измерений на вращающемся узле почти всегда ставит перед пользователем задачу передачи сигнала датчика из движущегося объекта к стационарному его окружению. Не случайно телеметрию на валу сравнивают с космической телеметрией. Для этого есть несколько вариантов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Наиболее часто используемый метод связи между движущимися по окружности сенсорами и стационарной электроникой - это скользящий контакт. Он состоит из набора проводящих колец, которые вращаются вместе с датчиком, и ряда щеток, которые соприкасаются с кольцами и передают сигналы датчиков на стационарный стенд испытания/измерения. Контактные кольца - экономичное решение, которое хорошо работает в широком спектре приложений. Это относительно простое, проверенное временем решение с незначительными недостатками в большинстве практических задач. Щетки и, в меньшей степени, кольца - это изнашиваемые изделия с ограниченным сроком службы, которые не пригодны для длительных испытаний или для применений, которые трудно обслуживать на регулярной основе.

Контактные кольца - экономичное решение

На низких и средних скоростях электрическое соединение между кольцами и щетками создает мало помех, однако на высоких скоростях шум сильно ухудшает их характеристики. Максимальная скорость вращения (об/мин) для контактного кольца определяется скоростью движения поверхности на границе раздела щетка / кольцо. В результате максимально допустимая рабочая угловая скорость будет ниже для более крупных датчиков, как правило, с более высокой мощностью в силу того факта, что контактные кольца должны быть большего диаметра и, следовательно, будут иметь более высокую поверхностную линейную скорость при заданных оборотах в минуту. Типичные предельные скорости будут в диапазоне 5000 об / мин для датчика крутящего момента средней производительности. Наконец, интерфейс кольца/щетки является источником крутящего/тормозящего момента, который может быть проблемой, особенно для измерений с очень низким уровнем измеряемого сигнала или в случаях, когда крутящий момент будет иметь проблемы с преодолением сопротивления щеток.

Вращающийся трансформатор

В целях избавления от некоторых недостатков контактного кольца была разработана система вращающегося трансформатора. В ней используется индуктивное соединение через воздушный зазор для передачи энергии движущемуся датчику. Внешний источник подает напряжение питания переменного тока на тензодатчик через трансформатор возбуждения. Затем тензодатчик передает усиленный сигнал через вторую катушку вращающегося трансформатора на индикатор, испытательный стенд. Благодаря устранению щеток и колец контактного кольца проблема износа исчезла, что делает систему вращающихся трансформаторов пригодной для длительных испытаний.

Вращающиеся трансформаторы улучшают рабочие характеристики

Паразитный момент сопротивления, вызываемый щетками в контакте с контактными кольцами, также исключается. Однако потребность в подшипниках и хрупкость сердечников трансформатора по-прежнему ограничивают максимальные обороты до уровней, лишь немного выше, чем при контактных кольцах. Система также подвержена шуму и ошибкам, вызванным совместной работой первичных и вторичных катушек трансформатора. Из-за особых требований, предъявляемых к вращающимся трансформаторам, также требуется специальное преобразование сигнала для получения его в виде, приемлемом для большинства систем сбора данных с датчиков, что дополнительно увеличивает стоимость систем, которая и без того выше, чем типовая сборка контактных колец.

Развитием этого направления стали дифференциальные трансформаторы Magtrol/

Инфракрасный (ИК)

Как и вращающийся трансформатор Инфракрасный (ИК) датчик измерения крутящего момента использует бесконтактный метод получения данных с вращающегося сенсора на стационарный стенд испытания или показывающий прибор. Точно так же, используя вращающийся трансформатор, питание передается вращающемуся датчику. Однако вместо того, чтобы использовать его для непосредственной запитки тензодатчика, он используется для питания электроники обработки сигналов вращающегося датчика. Схема подает напряжение питания на тензодатчик и оцифровывает его выходной сигнал. ИК обеспечивает бесконтактное дистанционное измерение (телеметрия). Этот цифровой выходной сигнал затем передается инфракрасным излучением на стационарные приемные ИК-диоды, где другие микросхемы проверяют цифровой сигнал на наличие ошибок и преобразуют его обратно в аналоговое напряжение. Поскольку выходной сигнал вращающегося датчика является цифровым, он гораздо менее подвержен шуму от таких источников, как наводки электродвигателя и магнитные поля. В отличие от вращающейся трансформаторной системы, инфракрасный преобразователь может быть сконфигурирован как с подшипниками, так и без них, что обеспечивает отсутствие необходимости технического обслуживания, износа и сопротивления. Хотя это и дороже, чем простое контактное кольцо, здесь имеется несколько преимуществ. При конфигурации без подшипников, как в действительно бесконтактной измерительной системе сбора данных, изнашиваемые элементы исключаются, что делает ее идеально подходящей для мониторинга или длительной работы на стенде испытания двигателей, других испытательных стендов. Что особенно важно, с устранением подшипников рабочие скорости (об / мин) резко возрастают, до 25000 об / мин и выше, даже для агрегатов с высокой мощностью. Для высокоскоростных приложений это часто лучшее решение для дистанционной передачи сигнала с вращающегося датчика.

FM-передатчик

В ещё одном подходе к установлению коммуникативного соединения между вращающимся датчиком и стационарным стендом измерения/испытания используется FM-передатчик. Эти передатчики используются для удаленного подключения любого датчика, будь то сила или крутящий момент, к системе удаленного сбора данных путем преобразования сигнала датчика в цифровую форму и передачи его на FM-приемник, где он преобразуется обратно в аналоговое напряжение. FM-соединения хорошо работают на больших расстояниях. В приложениях с крутящим моментом они обычно используются для специальных, уникальных датчиков, например, когда тензодатчики присоединены непосредственно к компоненту в приводной линии. Это может быть, например, ведущий вал или полуось колес автомобиля. Преобразователь обладает преимуществами простоты установки на компоненте, так как он обычно просто крепится к измеряемому валу и может повторно использоваться несколькими пользовательскими датчиками. У него есть недостаток: ему нужен источник питания на вращающемся датчике, обычно это аккумулятор на 9 В, что делает его пока непрактичным для длительных испытаний. Однако стремительно развивающаяся техника передачи энергии на расстояние или сбора её в условиях вибраций или градиентов температур, а также радикальное снижение энергопотребления микросхем на топологических транзисторах обещает методу хорошую перспективу.

NFC/RFID + импульсно-кодовая модуляция

Кто то из читателей этой страницы скажет, какая может быть перспектива у FM передачи данных в систему сбора и обработки данных с датчиков? В ответ специалисты говорят, да только при телеметрических измерениях FM и останется. Вещание же радиостанций и приемники FM уступят место кодоимпульсной модуляции, цифровому аудио-вещанию. При измерениях же ситуация неоднозначная . Для подавления шумов и здесь уже применяется кодоимпульсная модуляция/демодуляция здесь. Не совсем понятно пока, как преодолеют барьер связи с крутящимися на валах датчиками сенсорные сети, но и в этом вопросе дело только во времени, и решение будет найдено.

Понимание сущности крутящего момента, который должен быть измерен, а также того, какие факторы могут исказить результат при его измерении, окажет решающее влияние на надежность и полезность собранных данных. В тех случаях, когда требуется измерение динамического момента крутящей вал силы, необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы измерить сигнал в правильном месте и не влиять на сигнал крутящего момента, ослабляя его измерительной системой. Знание доступных на практике вариантов подключения к вращающемуся датчику крутящего момента может сильно повлиять на цену комплекта датчиков, которые необходимо купить.

Контактные кольца являются экономичным решением, но имеют свои жесткие ограничения, особенно по рабочим скоростям вращения валов. Технически более продвинутые решения могут быть предложены для более требовательных приложений, но они, как правило, будут более дорогими по цене. 

Как правило, измерение крутящего момента не является самоцелью. Наверняка планируется использовать результаты в том или ином стенде испытания двигателей или других движущихся агрегатов. А значит датчики буду работать в системе привод-нагрузка, или имитатор нагрузки. И здесь при динамических и даже статических измерениях можно натолкнуться на резонансы. Вопросы измерений момента и адекватной работы стенда для испытаний двигателя при неизвестных заранее собственных частотах колебаний по силам лишь единицам испытательных лабораторий мира. См., например, японский патент здесь. Если учесть, что эти частоты неизвестны для любого инновационного решения в области двигателестроения, то найти разработчика стенда испытаний нестандартного двигателя, владеющего динамической проблематикой не так уж и просто.

 Продумывая, анализируя совместно с потенциальным исполнителем проекта требования и условия конкретного применения, можно безошибочно выбрать оптимальную систему измерения крутящего момента с первого раза, сэкономив время и денежные ресурсы.