Základní typy měřičů momentu síly

Měřiče momentu síly můžeme z fyzikálního hlediska rozdělit do následujících skupin:
a)     
měřiče pro nepřímé měření momentu síly,
b)     
odporové měřiče,
c)     
indukčnostní měřiče,
d)     
magnetoelastické měřiče,
e)     
měřiče s využitím Wiedemannova jevu,
f)       
kapacitní měřiče.
 

Nepřímé měření momentu síly

            Moment síly můžeme v některých případech určit z naměřených hodnot poháněného elektromotoru – proudu, napětí, a rychlosti otáčení. Pro motor o výkonu P (W) a otáčkách za minutu n je moment motoru Mm (N.m)

 

     

(5.5)

            Z velikosti momentu Z velikosti momentu elektromotoru lze přibližně určit tvářecí moment síly Mv podle rovnice

 

     

(5.6)

            Pro Pro otáčivý setrvačný moment Md platí

 

     

(5.7) 

kde      I  

kde
a
a

I 
D
m



moment setrvačnosti,   
průměr hřídele,
hmotnost rotoru.

Moment při chodu naprázdno Mp je dán vztahem

 

 

(5.8)

 

Pro Pro moment tření platí vztah

 

     

(5.9)

kde      F – 

kde
a
a
a
a

F
d
μ
ic
η
 





síla působící na hřídel,
průměr kružnice,  
součinitel tření v ložiskách hřídelů,  
celkový převod,  
účinnost převodu od motoru až k zátěži.

            Určení jednotlivých momentů z naměřených parametrů motoru není přesné a vhodné, neboť je nutno měřit několik veličin a určení účinnosti bývá velmi obtížné.

 

Odporové měřiče

            Tyto měřiče bývají nejvíce rozšířené. Deformaci měřicího členu (hřídele) můžeme měřit dvěma způsoby, a to:

- odporovým potenciometrem, který pracuje jako snímač úhlové výchylky. Tento způsob vyžaduje velké deformace měřicího členu. Jedná se o málo využívaný typ snímače. Používá se jako převodník k mechanickým snímačům momentu síly. Potom vytváří výstupní elektrický signál.

- odporovým tenzometrem pracujícím jako snímač smykového napětí. Použití tenzometrů je velmi časté a je vhodné pro dynamická měření. Jako deformačního prvku se užívá většinou hřídele. Na jejím povrchu jsou ve směru maximálních smykových napětí, t.j. pod úhlem 45° vzhledem k ose hřídele, nalepeny odporové tenzometry, které vytvářejí celý můstek. Je nutno vyloučit vliv ohybových a tahových napětí.

 

Snímač firmy HBP

Rotační s přenosem třecími kroužky

Snímač kroutícího momentu s kroužkovými sběrači

         Na Obr. 5.1. je zobrazen princip snímače momentu síly s odporovými tenzometry. Na měřicí části hřídele 1 jsou do můstku nalepeny odporové tenzometry. Signál z měřicích a napájecích bodů měřicího můstku je veden přes sběrací kroužky 3 a sběrače 4 na svorkovnici 5 na statorové části. Celý snímač je uzavřen krytem 2. Aby nedocházelo k opotřebení sběračů v době kdy se neměří,  je možno sběrače od kroužků pákovým mechanismem odklonit. Na       Obr. 5.2. je schéma elektrického zapojení snímače do můstku.

Obr. 5.1. Princip snímače momentu síly s odporovými tenzometry 

Obr. 5.2. Zapojení snímače do můstku

         Rozsah měřených hodnot je 10 N.m až 100 kN.m, dosahují přesnosti až 0,1 %. Výstupní napětí je 1 až 2 mV na 1 volt napájecího napětí. Teplotní rozsah snímače je      0 až 70°C. Nejvyšší otáčky 7000 až 15000 min-1. Při dynamických měřeních je nezbytné napájení můstku stejnosměrným napětím nebo střídavým napětím o vyšším kmitočtu.

Indukčnostní měřiče                                  Ukázka kroužkových sběračů fifmy HBM                                           

Obr. 5.3. Indukčnostní snímač polohy pro měření momentu síly

Jako snímačů momentu síly se používají především typy s malou vzduchovou mezerou. Úhlová výchylka dvou průřezů hřídele se převede na změnu vzduchové mezery. Speciální konstrukce umožňují umístění vinutí na statorovou část hřídele. Tím jsou odstraněny komplikace s přenosem signálu z rotujícího hřídele. Takové řešení je velmi složité.

Na Obr. 5.3. je zobrazeno uspořádání snímače s využitím běžného indukčnostního snímače polohy. Ohybová deformace ramen řemenice se měří dvěma shodnými snímači polohy, jejichž cívky jsou zapojeny do můstku.

 

Jiné řešení je, kdy na hřídeli jsou v určitém rozestupu umístěny tři prstence z nemagnetického materiálu. Na dvou krajních jsou pak umístěny ploché prstence z feromagnetického materiálu, opatřené zuby, které jsou na straně ke středu. Mezi těmito prstenci je umístěn třetí prstenec, také z feromagnetického materiálu, se zuby na obou stranách. Zuby krajních a středního prstence do sebe zapadají s vůlí, která je v celém obvodu konstantní a tvoří vzduchové mezery d 1, d 2. Okolo tohoto systému je umístěna cívka nebo systém cívek. Zkroucením hřídele dojde ke změně vzduchových mezer d 1, d2 a tím ke změně indukčnosti nebo vzájemné indukčnosti snímače. Tato změna odpovídá momentu síly. Takovéto snímače se vyrábějí pro použití do 4000 ot/min. Jejich hlavní nevýhodou je, že mají vývody pouze ve statorové části.

  Statický snímač kroutícího momentu of firmy Meatest, pro více informací KLIKNI

 

Magnetoelastické měřiče

Měření je možné dvěma způsoby. Nejjednodušší uspořádání magnetoelastického snímače je na Obr. 5.4a. Na hřídeli namáhaném momentem síly je nasunuta cívka a hřídel je součástí elektrického obvodu. Jeho deformací dochází ke změně permeability  a tím i ke změně indukčnosti cívky. Tento způsob není příliš rozšířen z důvodu chyb, které způsobují vůle v ložiscích a odchylka od kruhového profilu hřídele. Na Obr. 5.4b. se měří změna permeability mezi body 1-2 nebo 3-4 pomocí přiloženého indukčnostního snímače tvaru U. Řešení kroutícího momentu těmito metodami je dosti výjimečné, protože je provázeno mnoha parazitními vlivy, jejichž kompenzace je obtížná.

                  Obr. 5.4. Magnetoelastický snímač momentu síly: a) cívka nasunuta na hřídeli   b) použitím indukčnostního 
                                 snímače tvaru

   

Měřiče využívající inverze Wiedemannova jevu

Sám princip tohoto snímače se nabízí pro měření kroutícího momentu, jelikož jeho výstupní napětí odpovídá úhlu zkroucení trubky snímače. Je tedy pouze nutné zařadit tuto trubku mezi hřídel hnací a hnanou.

Princip snímače je na Obr. 5.5. Obsahuje dvě vinutí, jedno s velkým počtem závitů je navinuto na torzně namáhané tyči, druhé (budící) vinutí je protaženo ve směru osy trubky. U plného hřídele prochází budicí proud přímo hřídelem. Při namáhání trubky nebo hřídele momentem síly se indukuje v sekundární cívce napětí úměrné momentu síly.

Při měření torze otáčející se měrné části (hřídele), vzniká problém přenosu budícího proudu do rotujícího vinutí. Vzhledem k tomu, že se jedná o přenos poměrně velkých proudů je řešení velmi obtížné a proto se pro tuto aplikaci uvedený princip málo používá.

Obr. 5.5. Princip snímače síly využívající inverze Wiedemannova jevu

 

Magnetoanizotropní měřiče

Snímač je složen ze dvou magnetických obvodů. Budící vinutí je napojeno na zdroj střídavého proudu konstantního kmitočtu a amplitudy. Tím je vytvořeno symetrické magnetické pole na povrchu hřídele. Jádra jsou umístěna otevřenou částí blízko hřídele tak, že budící magnetický obvod je rovnoběžný s osou hřídele (Obr. 5.6.). Budící magnetické pole je souměrné, proto neprochází sekundárním obvodem, umístěným kolmo k budícímu. Je-li však hřídel zatížena kroutícím momentem, deformuje se také magnetické pole obvodu a tak dojde k průchodu magnetického toku sekundárním magnetickým obvodem. Tím je na něm indukováno napětí, úměrné velikosti deformace magnetického pole a tím i působícímu momentu síly. Takto konstruovaný snímač je velmi citlivý na nehomogenitu hřídele.

 

Pro přehled snímačů mometu síly firmy OMEGA klikni.

 

Snímače statického kroutícího momentu, montáž na osu firmy OMEGA

Obr. 5.6. Magnetoanizotropní snímač kroutícího momentu

Tyto nežádoucí vlivy odstraňuje  tzv. prstencový snímač. Ten se skládá ze tří stejných prstenců, které mají vyčnívající póly S1, P, S2 a mohou být pro rychlou a snadnou montáž složeny ze dvou polovin. Vinutí cívek na jednotlivých pólových nástavcích jsou zapojena tak, že mají střídavě opačný smysl. Střední prstenec je proti oběma vnějším prstencům posunut o polovinu pólové rozteče, přičemž vzdálenost mezi prstenci je rovněž rovna polovině pólové rozteče.

Obr. 5.7. Prstencový magnetoanizotropní snímač momentu síly

 

Střední prstenec slouží jako budící magnetický obvod. Oba vnější prstence jako sekundární (měřící), jejich snímací cívky jsou zapojeny v sérii s opačným smyslem vinutí. Při zatížení hřídele momentem síly vznikají v povrchových vláknech hřídele tečná napětí. Tato napětí mají tahovou složku a tlakovou –σ. Obě působí k ose hřídele pod úhlem 45°. Tím dochází ke změně permeability.

 

Tento typ snímače má malé rozměry, především měřící délku, výstupní signál se snímá ze statorové části, není citlivý na prach, vlhkost chvění apod. Vyrábí se pro rozsah 50 N.m až 1 kN.m, pro rozsah otáček 0 až 100 000 ot/min.

Kapacitní snímače

Na Obr. 5.8. je znázorněn kapacitní snímač momentu síly. Je tvořen dvěma elektrodami 3, 4 zubového tvaru, uchycenými pevně na hřídeli.. Elektroda 4 je izolována od hřídele 5. Působením momentu síly na měřící část hřídele 2 dojde k natočení elektrod a tím ke změně kapacity. Výstupní signál je z rotujícího hřídele vyveden na statorovou část.

Obr. 5.8. Kapacitní snímač momentu síly

 

Ostatní metody

V praxi se lze setkat rovněž s dalšími principy měření momentu síly, což jsou např.
·        fázové měřiče
·        brzdy
·        dynamometry atd.

                                        

Dynamometr Magtrol na měření kroutícího momentu, otáček a výkonu.

Dynamometr Magtrol

Jednotka pro měření a analýzu kroutícího momentu.

  Zde naleznete článek z Technického týdeníku "Měření síly a krouticího momentu a zkoušení pružin".