SU1114902A1

SU1114902A1 - Torque pickup

Info

Publication number: SU1114902A1
Application number: SU823522482A
Authority: SU
Inventors: Михаил Викторович Хохряков; Олег Михайлович Дерфель; Вадим Александрович Гончарук; Александр Николаевич Бало
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1982-12-15
Publication date: 1984-09-23

Abstract

ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, содержащий блок возбуждени чувствительного элемента, емкостный дифференциальный чувствительный элемент, подключенный через усилитель к вхо дам информационного и подготовительного компараторов, пр мой выход последнего через один элемент И св зан с нулевым входом информационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блока возбуждени , отличающийс тем, что, с целью повышени точности измерени , он снабжен вспомогательным чувствительным элементом, схемой синхронизации и корректирующим блоком , содержащим триггер управлени коррекцией, три двухвходовых элемента И и аналоговое запоминающее устройство , выход которого подключен к блоку возбуждени , а первый и второй входы аналогового запоминающего устройства соединены с соответствующими двухвходовыми элементами И, первые входы которых св заны с первым стробирующим выходом схемы синхронизации , тактирующий вход которого подключен к выходу вспомогательного чувствительного элемента, а вторые входы двухвходовых элементов И св заны соответственно с пр (/) мым и инверсным выходами триггера управлени коррекцией, который через третий и второй двухвходовые элементы И .соединен с информацион- . ным компаратором, при этом третий и второй двухвходовые элементы И св заны с вторым тактирующим выходом схемы синхронизации, третий выход которой соединен с блоком возбуждени емкостного чувствительного элемента, причем вспомогательный чувствительный элемент смещен относительно емкостного чувствительного элемента на угол - jr 2лг . f i-+ira, где 2 - число зубьев индуктора; ,1,2,...TORQUE SENSOR containing the excitation unit of the sensitive element, a capacitive differential sensitive element connected through an amplifier to the inputs of the information and preparatory comparators, the direct output of the latter through one element AND is connected to the zero input of the information trigger, and the second element I, and the exciting plates capacitive sensing element connected to the first and second outputs of the excitation unit, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, it provides an auxiliary sensing element, a synchronization circuit and a correction unit containing a correction control trigger, three AND two-input elements and an analog storage device whose output is connected to the excitation unit, and the first and second inputs of the analog storage device are connected to the corresponding two-input AND elements, the first inputs of which with the first gating output of the synchronization circuit, the clock input of which is connected to the output of the auxiliary sensitive element one and the second inputs of the two-input elements AND are associated respectively with the direct (and) and inverse outputs of the correction control trigger, which is connected to the information through the third and second two-input elements AND. with a third comparator, the third and second two-input elements AND are associated with the second clock output of the synchronization circuit, the third output of which is connected to the excitation unit of the capacitive sensing element, the auxiliary sensing element being offset with respect to the capacitive sensing element - jr 2lg. f i- + ira, where 2 - the number of teeth of the inductor; , 1,2, ...

Description

Изобретение относитс -к силойзмерительной технике и может быть испол зовано дл измерени фазовым методом крут щего момента на валу, соедин ющего привод и нагрузку. Известны схемы дифференциальных чувствительных элементов емкостного типа, защищенньгх от воздействи возмущающих факторов путем охвата чувст вительных элементов емкостного типа отрицательной обратной св зью С11. Недостатком этих устройств вл етс невозможность обеспечени измерени при непрерывном вращении вала Наиболее близким к изобретению по технической сущности вл етс датчик крут щего момента, содержащий блок возбуждени чувствительного эле мента, емкостный дифференциальный чувствительный элемент, подключенный через усилитель к входам информационного и подготовительного.компараторов , пр мой выход последнего через один элемент И св зан с нулевым входом информационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного-чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блокавозбуждени С21. Недостатком известного устройства вл етс его низка точность, котора вызвана зависимостью услови срабатывани датчика крут щего момента от возникающей в процессе эксплуатации нестабильности емкостей воздушных конденсаторов емкостного чувствительного элемента, их напр жений возбуждени и параметров фазочувствительной схемы. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени датчика крут щего момента за счет уменьшени погрешностей от нестабильности возбуждающих напр жений, изменени емкости между электродами емкостного чувствительного элемента. Поставленна цель достигаетс тем, что датчик крут щего момента, содержащий блок возбуждени чувствительного элемента, емкостный дифференциальньй чувствительный элемент, подключенный через усилитель к входам информационного и подготовительного компараторов, пр мой выход последнего через один элемент И св зан с нулевым входом инфор мационного триггера, и второй элемент И, причем возбуждающие пластины емкостного чувствительного элемента подключены к первому и второму выходам блока возбуждени , снабжен вспомогательным чувствительным элементом, схемой синхронизации и корректирующим блоком, содержащим триггер управлени коррекцией, три двухвходовых элементаИ и аналоговое запомийающеё устройство, выход которого подключен к блоку возбуждени , а первый и второй входы аналогового запоминающего устройства соединены с соответствующими двухвходовыми элементами И, первые входы KoYopbK св заны с первым стробирующим выходом схемы синхронизации , тактирующий вход которой подключен к выходу вспомогательного чувствительного элемента, а вторые входы двухвходовьк элементов И св заны соответственно с пр мым и инверсным выходами триггера управлени коррекцией , который через третий и второй двухвходовые элементы И соединен с информационным компаратором, при этом третий и второй двухвходовые элементы И св заны с вторым тактирующим выходом схемы синхронизации, третий выход которой соединен с блоком возбуждени емкостного чувствительного элемента, причем вспомогательный чувствительный элемент смещен относительно емкостного чувствительного элемента (ЧЭС) на угол . . где Z - число зубьев индуктора; 1 О,1,,« На фиг. 1 приведена функциональйа схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временна диаграмма работы основных узлов. Устройство содержит индуктор 1 с зубь ми, дифференциальный емкостный чувствительный элемент 2, блок 3 возбуждени чувствительного элемента , усилитель 4, информационный компаратор 5 и подготавливающий компаратор 6, элементы И 7 и 8, информационный триггер 9, схему 10 синхронизации , корректирующий блок 11, включающий элементы И 12 - 14, аналоговое запоминающее устройство 15 и триггер 16 -управлени коррекцией. В устройство входит также вспомогательный чувствительный элемент 17. В датчике крут шего момента имеетс установленный на вращающемс валу индуктор 1 с расположенными на нем с равным шагом зубь ми и взаимодействующие с зубь ми чувствительные элементы 2 и 17, выходы которых соедине . ны соответственно с входом усилител 4 и тактирующим входом схемы 10 синхронизации. Выход усилител 4 сое динен с входами компараторов 5 и 6. Пр мой и инверсный выходы компаратора: 5 св заны с первыми входами элементов И 7 и 14 соответственно, а выход компаратора 6 св зан с первым входом элемента И 8. Стробирующий выход схемы 10 синхронизации соединен с вторыми входами элементов И 7, 8 и 14. Выходы элементов И 7 и 14 соединены соответственно с единичным и нулевым установочными входами триг гера 16, единичный выход которого св зан с первым входом элемента И 12 и единичным установочным входом триг гера 9, а нулевой выход триггера 16 соединен с первым входом элемента И 13. Вторые входы элементов И 12 и 13 соединены с управл юищм выходом . схемы 10 синхронизации, а вькоды элементов И 12 и 13 соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами аналогового запоминающего устройства 15, выход которого соединен с первьм входом блока 3 воз буждени . Второй вход блока 3 соединен с выходом возбуждени схемы 10 синхронизации. Первый и второй выходы блока 3 подключены соответственно к клеммам о. и б чувствительного элемента 2. Выход элемента И 8 соединен с нулевым установочным входом триггера 9, единичньй выход которого ; вл етс выходом датчика крут щего момента. Повьпиение точности предлагаемого устройства основано на включении дифференциального емкостного чувстви тельного элемента и фазочувствительной схемы, обрабатывающей его выходной сигнал, в контур самонастраивающейс системы. Система обеспечивает пошаговую отработку вли ни возмущаю щих воздействий в интервалах между моментами вьщачи полезной информации Тактирование системы осуществл етс сигналами вспомогательного чувствительного элемента 17. Устройство работает следующим образом. На первом и втором выходах блока возбуждени создаютс два разноппл р ных пр моугольных напр жени и UBbOt2. «сдвинутых по фазе на половину периода. При этом сигнал на первом выходе блока 3 зависит от выходHoid сигнала Uoiiv блока 15: J|Bbixn Y i при ) } - ...v)l „р„ sincouO, ивЫ112 г J где и)- кругова частота управл емого сигнала возбуждени - Sin (и t, подаваемого на второй вход блока 3 с выхода возбуждени схемы 10 синхронизации; и, U2-некоторые посто нные напр жени . На стробирующем выходе схемы 10 синхронизации создаютс короткие положительнче импульсы, следующие с периодом ,. но задержанные относительно начала положительной полуволны сигнала Sinojt на интервал &t. Величина At выбираетс из услови Т . где U - суммарное врем переходного процесса в чувствительном элементе 2, усилителе 4 и компараторах 5 и 6, вызванное сменой пол рности возбуждающих напр жений Ug,jj,y, Ugbiri При вращении вала зубь индуктора 1 пересекают рабочие области чувствительного элемента 2 и вспомогательного чувствительного элемента 17 (например, индукционного типа). Поскольку последний смещен относительно элемента 2 по углу (фиг. 1) на .2l.i Е Z где -i 0,1,2,...; Z - число зубьев индуктора, сигналы с выходов элемента 17 и усилител 4 чередуютс (фиг. 2 q и 2.) Порог срабатывани компаратора 5 выбран нулевым, а дл компаратора 6 смещен на величину Е (фиг. 2а) . При превышении мгновенным значением выходного сигнала усилител 4 (дл моментов подачи стробирующего импульса на первом выходе схемы 10) величины Е выходно сигнал компаратора 6 достигает высокого уровн , вследствие чего через элемент И 8 на нулевой установочный вход тригге- . ра 9 поступает пачка импульсов (фиг. 2;), перевод его в нулевое состо ние (фиг. 2е- ) , Конец пачки соответствует превьшению порога Е над мгновенным значением сигнала усилител 4 (в момент строба). 51 При прохождении зубом индуктора зоны А рабочей области элемента 2 мгновенные значени сигнала на инверсном выходе компаратора 5 (дл моментов подачи строба) имеют высокий уровень и через элемент И 14 на нулевой установочный вход триггера 16 поступают импульсы (с частотой возбуждени ), подтвержда его нулево состо ние. При прохождении зубом центра рабочей области элемента 2(половина зуба находитс в зоне А, половина в зоне Б) происходит переворот фазы выходного, сигнала элемента 2, измене ние знака мгновенного значени сигна ла усилител 4, сигналы на основном выходе компаратора 5 достигают высокого уровн и через элемент И 7 пере вод т триггер 16 в единичное состо ние , который переводит в единичное .состо ние информационный триггер 9. Положительный перепад на единичном выходе триггера 9 вл етс инфоматив ным параметром выходного сигнала предлагаемого устройства. Положитель ный перепад возникает при равном накрытии зубом ин/(уктора 1 зон Л и В емкостного чувствительного элемента . При вращении вала вспомогательным чувствительным элементом 17 формируютс сигналы, тактирующие работу схе мы синхронизации 10. При по влении тактирующего сигнала схемс 10 вьфабатывает на управл ющем выходе корот кие положительные импульсы, поступаю щие на вторые входы элементов И 12 и 13, в результате чего происходит опрос состо ни триггера 16 в момент когда зубь индуктора 1 наход тс вне рабочей области чувствительного элемента 2. При единичном состо нии триггера 16 импульс управлени поступает через элемент. И 12 на вычитающий вход блока 15, в противном случае - через элемент И 13 на суммирующий вход, что соответственно вызывает изменение вькодного напр же ни блока 15 Vf(yf на шаг, равный 2 -ди или. +ди. После р да шагов величина ) измен етс до значени , практически удовлетвор ющего условию .i+UA2. ) C/i-Ue.C5 УПОР /,ч С7+С2 К где Urtop. напр жение опрокидырани триггера 16. Величина шага uU выбираетс из требовани необходимой точности датчика крут щего момента. Предлагаема схема представл ет собой дискретную след щую систему с посто нным шагом регулировани aU, рабочим уравнением которой вл етс уравнение (4). Это уравнение (4) и условие информационного срабатывани (вызванного по влением зуба в рабочей области элемента 2) отличаютс значени ми емкостей конденсаторов вместо С., и Сл Дл уравнени (4), в частности, ,3,1, так как зуб в момент подачи тактирующего импульса находитс вне рабочей области чувствительного элемента 2 (N,1 И Ng - коэффициенты, учитывающие уменьшение емкостей воздушных конденсаторов чувствительного элемента 2 при прохождении над ними зуба . индуктора). Таким образом, введение в предлагаемый датчик крут щего момента вспомогательного чувствительного элемента , корректирующего блока, соответствующих логических схем и св зей между ними обеспечивает уменьшение погрешностей от нестабильности возбуждающих напр жений изменени емкости между электродами ЧЭС, а также параметров фазочувствительной схемы. обрабатьшаюдей выходной сигнал ЧЭС, в результате чего повьш1аетс точность датчика крут щего момента. В результате повышаетс достоверность информации о величине крут щего момента, передаваемого силовым валом, что позвол ет более эффективно решать задачи технической диагностики силовых установок, оптимизации их режимов .The invention relates to a force-measuring technique and can be used to measure the torque on the shaft connecting the drive and the load with a phase method. The circuits of differential sensitive elements of capacitive type are known, which are protected from the influence of disturbing factors by embracing the sensitive elements of capacitive type with negative feedback C11. The disadvantage of these devices is the impossibility of providing measurement with continuous shaft rotation. The closest to the invention to the technical essence is a torque sensor containing a sensitive element excitation unit, a capacitive differential sensitive element connected through an amplifier to the inputs of the information and preparatory devices. my output of the latter through one element I is associated with the zero input of the information trigger, and the second element I, and the excitation plates e bone-sensitive element are connected to first and second outputs blokavozbuzhdeni C21. A disadvantage of the known device is its low accuracy, which is caused by the dependence of the condition of the torque sensor response on the instability of the capacitors of the air capacitors of the capacitive sensing element, their excitation voltages and the parameters of the phase-sensitive circuit arising during operation. The aim of the invention is to improve the accuracy of the measurement of the torque sensor by reducing the errors from the instability of the exciting voltage, changing the capacitance between the electrodes of the capacitive sensing element. The goal is achieved by the fact that a torque sensor containing a sensor element excitation unit, a capacitive differential sensor element connected through an amplifier to the inputs of the information and preparatory comparators, the direct output of the latter through one element AND is connected to the zero input of the information trigger, and the second element And, the excitation plates of the capacitive sensing element being connected to the first and second outputs of the excitation unit, is provided with an auxiliary sensing An element, a synchronization circuit and a correction unit containing a correction control trigger, three two-input elements and an analog storage device whose output is connected to the excitation unit, and the first and second inputs of the analog storage device are connected to the corresponding two-input elements And, the first inputs KoYopbK are connected to the first gating output of the synchronization circuit, the clocking input of which is connected to the output of the auxiliary sensitive element, and the second inputs of the two-input element I and I are connected respectively to the direct and inverse outputs of the correction control trigger, which are connected to the information comparator through the third and second two-input elements, while the third and second two-input elements of I are connected to the second clock output of the synchronization circuit, the third output of which is connected to an excitation unit of the capacitive sensing element, the auxiliary sensing element being offset relative to the capacitive sensing element (BSEC) by an angle. . where Z is the number of teeth of the inductor; 1 O, 1 ,, “In FIG. 1 shows the functional scheme of the proposed device; in fig. 2 - time diagram of the main units. The device contains an inductor 1 with teeth, a differential capacitive sensing element 2, a sensing element excitation unit 3, an amplifier 4, an information comparator 5 and a preparatory comparator 6, elements 7 and 8, information trigger 9, a synchronization circuit 10, a correction unit 11 including And elements 12-14, an analog storage device 15 and a trigger 16 for controlling the correction. The device also includes an auxiliary sensing element 17. In the torque sensor, there is an inductor 1 mounted on a rotating shaft with teeth located on it with equal pitch and sensitive elements 2 and 17 interacting with the teeth, the outputs of which are connected. here, respectively, with the input of the amplifier 4 and the clock input of the synchronization circuit 10. The output of amplifier 4 is connected to the inputs of comparators 5 and 6. The direct and inverse outputs of the comparator: 5 are connected to the first inputs of the And 7 and 14 elements, respectively, and the output of the comparator 6 is connected to the first input of the And 8. The gate output of the synchronization circuit 10 connected to the second inputs of elements 7, 8, and 14. The outputs of elements 7 and 14 are connected respectively to the single and zero installation inputs of trigger 16, the single output of which is connected to the first input of the element 12 and the single installation input of trigger 9, and zero trigger output 16 connect ene with a first input of AND gate 13. The second inputs of AND gates 12 and 13 are connected to a control yuischm yield. synchronization circuits 10, and the codes of the And 12 and 13 elements are connected respectively to the subtractive and summing inputs of the analog storage device 15, the output of which is connected to the first input of the excitation unit 3. The second input of unit 3 is connected to the excitation output of the synchronization circuit 10. The first and second outputs of the block 3 are connected respectively to the terminals o. and b of the sensitive element 2. The output of the element And 8 is connected to the zero installation input of the trigger 9, the unit output of which; is the output of the torque sensor. The accuracy of the proposed device is based on the inclusion of a differential capacitive sensitive element and a phase-sensitive circuit, processing its output signal, in the loop of the self-tuning system. The system provides step-by-step testing of the influence of disturbing influences in the intervals between the moments of useful information. The system is clocked by signals from the auxiliary sensitive element 17. The device operates as follows. On the first and second outputs of the excitation unit, two differently-applied rectangular voltages and UBbOt2 are created. “Shifted in phase by half the period. The signal at the first output of block 3 depends on the output of the Hoid signal Uoiiv of block 15: J | Bbixn Y i when)} - ... v) l „p„ sincouO, and ИВЫ112 g J where and) is the circular frequency of the controlled excitation signal - Sin (and t supplied to the second input of block 3 from the excitation output of synchronization circuit 10; and, U2 is some constant voltage. At the gate output of synchronization circuit 10 short positive pulses are created which follow with a period, but delayed relative to the beginning of the positive half wave the Sinojt signal per interval & t. The value of At is chosen from the condition T. where U is The initial transient time in the sensitive element 2, amplifier 4 and comparators 5 and 6 caused by the change of polarity of the exciting voltages Ug, jj, y, Ugbiri When the shaft rotates, the teeth of the inductor 1 cross the working areas of the sensitive element 2 and the auxiliary sensitive element 17 (for example , induction type). Since the latter is displaced relative to element 2 by the angle (Fig. 1) by .2l.i Е Z where -i 0,1,2, ...; Z is the number of teeth of the inductor, the signals from the outputs of the element 17 and the amplifier 4 alternate (Fig. 2 q and 2.) The trigger threshold of the comparator 5 is set to zero, and for the comparator 6 is shifted by the value E (Fig. 2a). When the instantaneous value of the output signal of amplifier 4 (for the moments of supplying a strobe pulse at the first output of circuit 10) exceeds the value of E, the output signal of the comparator 6 reaches a high level, as a result, through element 8 to the zero setting input, trigger-. Pack 9 receives a packet of pulses (Fig. 2;), putting it in the zero state (Fig. 2-). The end of the pack corresponds to the excess of the threshold E over the instantaneous value of the signal of the amplifier 4 (at the time of the strobe). 51 When the inductor tooth passes through zone A of the working area of element 2, the instantaneous values of the signal at the inverse output of comparator 5 (for the strobe feed moments) are high and through element 14 at the zero setting input of the trigger 16 pulses arrive (with the excitation frequency), confirming it is zero condition. When the tooth passes the center of the working area of the element 2 (half of the tooth is in zone A, half in zone B), the output phase, the signal of element 2 is reversed, the sign of the instantaneous value of the signal of amplifier 4 changes, the signals at the main output of comparator 5 reach a high level and through the element And 7 translates the trigger 16 into a single state, which translates information trigger 9 into a single state. A positive difference at a single output of trigger 9 is an informative parameter of the output signal offered by troystva. A positive differential occurs when the in / a tooth is equal to the tooth (capacitor sensing element L and B zones 1). When the shaft is rotated by the auxiliary sensing element 17, signals are generated that synchronize the synchronization circuit 10. When the synchronizing signal appears, the 10 output signal at the control output short positive pulses arriving at the second inputs of the And 12 and 13 elements, as a result of which the state of the trigger 16 is polled at the moment when the teeth of the inductor 1 are outside the working area of the sensitive element 2. At the single state of the trigger 16, the control pulse is supplied through the element, and 12 to the subtractive input of the block 15, otherwise through the element 13 to the summing input, which accordingly causes a change in the output voltage of the 15 Vf block (yf per step equal to 2 -di or. + di. After a series of steps, the value changes to a value that almost satisfies the condition .i + UA2.) C / i-Ue.C5 STOP /, h C7 + C2 K where Urtop. tilt trigger voltage 16. The pitch value uU is selected from the requirement for the required torque sensor accuracy. The proposed scheme is a discrete tracking system with a constant control step aU, the working equation of which is equation (4). This equation (4) and the information trigger condition (caused by the appearance of a tooth in the working area of element 2) differ in the values of the capacitors of capacitors instead of C., and C For equation (4), in particular, 3.1, since the tooth at the feed of the clock pulse is outside the working area of the sensing element 2 (N, 1, and Ng are coefficients that take into account the decrease in the capacitances of the air capacitors of the sensing element 2 as the tooth passes through them. The inductor). Thus, introducing into the proposed torque sensor an auxiliary sensing element, a corrective unit, corresponding logic circuits and connections between them ensures a reduction in errors due to the instability of the exciting voltages of the capacitance between the BSEC electrodes, as well as the parameters of the phase-sensitive circuit. Process the BSEC output signal, resulting in increased torque sensor accuracy. As a result, the reliability of information on the magnitude of the torque transmitted by the power shaft is increased, which makes it possible to more effectively solve the problems of technical diagnostics of power plants and the optimization of their modes.

Зона A SOffffS n Ъ V вых Д-т tfSbitaZone A SOffffS n b V out Dt tfSbita

вat

Шьп7Шпп7

IIIIIIHI ,IIIIIIHI,

N . ЗонаА Зfffl S «/1//7W I I , H h /-4K- i . y j « 1 жN. ZonaAffffl S «/ 1 // 7W I I, H h / -4K- i. y j "1

UtbtKirUtbtkir

3 (вых 113 (out 11

USbixSUsbixs

фиъ.2fi.2

Claims

TORQUE SENSOR containing a sensing element excitation unit, a capacitive differential sensing element connected through an amplifier to the inputs of the information and preparatory comparators, the direct output of the latter through one element And is connected to the zero input of the information trigger, and the second element And, moreover, the exciting plate of the capacitive sensor connected to the first and second outputs of the excitation unit, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, it is equipped with auxiliary a sensing element, a synchronization circuit and a correction unit containing a correction control trigger, three two-input elements And and an analog storage device, the output of which is connected to the excitation unit, and the first and second inputs of the analog storage device are connected to the corresponding two-input elements And, the first the inputs of which are connected to the first gate output of the synchronization circuit, the clock input of which is connected to the output of the auxiliary sensing element, and the second inputs The two-input elements And are connected respectively with the direct and inverse outputs of the correction control trigger, which is connected through the third and second two-input elements And. to the information comparator, while the third and second two-input elements And are connected with the second clock output of the synchronization circuit, the third _(the output of which is connected with the block.

excitation capacitive sensor element, and the auxiliary sensor element is offset relative to the capacitive sensor element at an angle