Системы оценки технико-экономических показателей судна. Торсиометр

 

Торсиометр предназначен для измерения крутящего момента, частоты вращения и мощности на гребном валу судна.

Торсиометр может использоваться как самостоятельно, так и в составе системы оценки технико-экономических показателей работы судна, эконометром. Кроме мощности, крутящего момента и частоты вращения главного двигателя в такой системе измеряется, как правило, расход топлива и скорость судна.

Структурная схема одного из вариантов построения торсиометра приведена на рис. 5.8.

Торсиометр содержит два измерительных канала - канал крутящего момента и канал частоты вращения.

В качестве датчика крутящего момента используются металлические тензорезисторы R, выполненные из константана и наклеенные на поверхность вала, под углом 45⁰ к его осевой линии. Если угол будет оставаться 45⁰, то тензорезисторы будут реагировать не только на крутящий момент, но и на упор на винте. Тензорезисторы соединены в схему измерительного моста. Выходной сигнал моста управляет частотой расположенного на валу генератора. В отсутствие крутящего момента М мост сбалансирован и его выходной сигнал равен нулю. При этом генератор вырабатывает частотный сигнал f, с начальной частотой f_о, который через вращающийся сигнальный трансформатор Т_с передается с вала на дальнейшую обработку.

 

Структурная схема торсиометра

 

С появлением крутящего момента тензорезисторы деформируются, тензомост разбалансируется, что вызывает пропорциональное увеличение частоты сигнала f, который может быть представлен в виде:

,

где D f - приращение частоты сигнала под действием крутящего момента.

Частотный сигнал через вращающийся сигнальный трансформатор Т_с подается в частотно - импульсный преобразователь канала момента, где приращение D f измеряется, одновременно масштабируясь таким образом, чтобы индицируемая цифровым индикатором величина численно соответствовала крутящему моменту.

Питание расположенных на валу блоков обеспечивается вращающимся трансформатором Т_п и блоком питания (выпрямитель со стабилизатором).

Питающий Т_п и сигнальный Т_с вращающиеся трансформаторы принципиально выполнены одинаково. Вращающаяся обмотка уложена в пазы кольцевого магнитопровода П- или Ш-образной формы. Вторая обмотка выполнена на неподвижной части магнитопровода такой же формы, но охватывает лишь часть окружности вала. При этом магнитная связь между обмотками обеспечивается непрерывно, при любом угловом положении вала. Между вращающейся и неподвижной частью имеется воздушный зазор несколько миллиметров. Тем самым обеспечивается бесконтактная связь неподвижных и вращающихся на валу блоков системы.

В качестве датчика частоты вращения в торсиометре использован индукционный преобразователь. В него входят зубчатое колесо, охватывающее вал и закрепленный стационарно индукционный датчик. При прохождении зубцов возле датчика он вырабатывает импульсы, частота которых f_n пропорциональна частоте вращения вала.

Частота f_n измеряется частотно-импульсным преобразователем, масштабируется и подается на цифровой индикатор в виде числа, соответствующего частоте вращения вала (см. п. 4.10).

Значение мощности, передаваемой валом, определяется в множительном устройстве, на основе соотношения:

,

 где 9,55 – масштабирующий коэффициент, учитывающий единицы измерения: момент, кН×м; частота вращения, 1/мин.

Для получения на индикаторе требуемого численного значения момента торсиометр имеет органы настройки и калибровки.

Для калибровки торсиометра в схеме установленного на валу блока имеется калибровочный резистор R_c. Этот резистор на время калибровки подключается переключателем S_с параллельно одному из тензорезисторов в измерительный мост.

Калибровка выполняется когда вал не вращается, при этом крутящий момент отсутствует. Когда переключатель S_с разомкнут, калибровочный резистор к измерительному мосту не подключен. Измерительный мост при этом должен быть сбалансирован и его выходной сигнал равен нулю. В таком состоянии управляемый генератор должен вырабатывать частоту f₀ » 6500 Гц. Для ее настройки в схеме генератора имеется переменный резистор.

Когда калибровочный резистор R_с подключается параллельно тензорезистору, измерительный мост разбалансируется и частота управляемого генератора увеличивается на величину D f.

Подключение калибровочного резистора эквивалентно изменению сопротивления тензорезистора, как если бы это уменьшение было вызвано его деформацией под действием крутящего момента.

Между относительной деформацией тензорезистора и изменением его сопротивления имеется взаимосвязь:

,

где D R - изменение сопротивления тензорезистора при его деформации;

 R - начальное сопротивление тензорезистора;

 k - коэффициент тензочувствительности тензорезистора;

D l - изменение длины тензорезистора;

 l - начальная длина тензорезистора.

Отношение  - является относительной деформацией тензорезистора. Если обозначить ее , то можно записать:

Подключение калибровочного резистора вызывает появление D R и имитирует тем самым некоторое значение e _им.

Имитируемая деформация будет определяться формулой:

.

Например, при k=2,1, R=600 Ом, R_с=300 кОм, получим:

Связь между деформацией поверхности вала, передаваемой на тензорезисторы, и кутящим моментом, с учетом параметров вала, выражается формулой:

М = e × W_p × 2 G × 10^-9 [кг × м],

где W_p - мм³ - полярный момент инерции сечения вала;

G, кг×м² - модуль сдвига материала вала (модуль касательной упругости).

Например, если диаметр вала D=480 мм; модуль упругости G=8,36 × 10^-5 кг/см², то имитируемый крутящий момент:

 кг×м,     

где .

Таким образом, имитируемое при калибровке значение момента зависит от параметров вала.

При настройке торсиометра это значение должно быть установлено на его индикаторе регулировкой резистора, изменяющего параметр D f характеристики управляемого генератора. После калибровки R _с отключается.

Торсиометр является сложным измерительным устройством, с многократным преобразованием сигнала и значительным числом органов настройки. К его достоинствам следует отнести потенциально высокую надежность, обусловленную бесконтактным способом подачи питания и съема информационного сигнала с вала. При этом погрешность измерения находится на уровне ±(1…1,5)%.

 

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: