Měření krouticího momentu pomocí senzorů

Měření krouticího momentu pomocí vícerychlostních dekodérů. Měření krouticího momentu pomocí vícerychlostních dekodérů.

Díky nástupu nových indukčních senzorů úhlové polohy se nyní k měření krouticího momentu opět začínají používat úhlové senzory.

Měření krouticího momentu nepřetržitě rotujícího hřídele je obtížné a lze je provádět několika způsoby. Nejobvyklejším způsobem je odvodit krouticí moment z velikosti síly potřebné k otáčení hřídelem. To obvykle znamená měření proudu dodávaného do motoru způsobujícího pohyb. Je to jednoduchá metoda, ale nepřesná, protože odběr proudu závisí i na dalších faktorech, jako je rychlost, přiváděné napětí, stav ložisek a teplota.

Přesnější metodou je měřit zkrut hřídele pomocí tenzometrů nebo zařízení pro měření povrchových akustických vln (Surface Acoustic Wave – SAW). Ačkoli je to metoda přesná, vyžaduje buď sběrací kroužek, nebo určitou bezdrátovou metodu přenosu signálu mezi tenzometry na hřídeli a vnějším světem.

Tenzometry mívají významné teplotní koeficienty a nepříjemný sklon k odpojování za náročných podmínek. Měření krouticího momentu pomocí tenzometrů nebo zařízení SAW je často použitelné v laboratoři, avšak nerealistické v mnoha průmyslových aplikacích.

V 50. letech minulého století se krouticí moment motoru měřil podle zkrutu, a tedy i krouticího momentu na hřídeli měřením fázového posunu mezi dvěma „vícerychlostními“ dekodéry namontovanými a zarovnanými na hřídeli. S tím, jak se hřídel otáčí, produkuje každý dekodér dva signály; jeden z nich se mění jako sinusoida a druhý se mění jako kosinusoida. Na obrázku 1 je znázorněn demodulovaný sinusoidní signál.

Když je aplikován nulový krouticí moment, signály ze dvou dekodérů vykazují nulový fázový posun. Podle toho, jak je aplikován krouticí moment, fáze jednoho výstupu vykazuje posun vůči druhému. Fázový posun je přímo úměrný aplikovanému krouticímu momentu. Při použití vícerychlostního dekodéru s vysokým počtem cyklů je pro dosažení významného fázového posunu zapotřebí jen malý zkrut.

Proto jde o velmi citlivou metodu vhodnou pro měření zkrutu menšího než 1 stupeň, nebo dokonce menšího než 0,1 stupně. Není nutné, aby byl hřídel příliš dlouhý – délka hřídele potřebná pro tuto metodu může být menší než 25 mm. Toho lze dosáhnout použitím záměrně pružného hřídele nebo koncentrickým uspořádáním dekodéru – jednoho uvnitř druhého – a propojením vnitřní a vnější části hřídele pomocí tuhé zkrutné pružiny. 

kroutici moment2Měření krouticího momentu a absolutního úhlu pomocí indukčních enkodérů

Nová generace senzorů

Dekodéry se stále více nahrazují modernějšími řešeními – indukčními enkodéry neboli „inkodéry“. Inkodéry pracují na stejném indukčním principu jako dekodéry, ale využívají tištěné obvody namísto konstrukce s transformátory s drátěným vinutím. To je důležité pro minimalizaci rozměrů, hmotnosti a ceny inkodéru při současné maximalizaci jeho měřicího výkonu. Inkodéry rovněž nabízejí jednoduché a snadno použitelné elektrické rozhraní – vstup stejnosměrného napájení a výstup sériových dat.

Protože inkodéry využívají stejné základní fyzikální principy jako dekodéry, nabízejí obdobné provozní výhody. Jsou ploché a mají velký otvor uprostřed, což odstraňuje potřebu sběracích kroužků, stejně jako u dekodérů. Obrázek 2 znázorňuje měření krouticího momentu a absolutního úhlu pomocí indukčních enkodérů.

Protože veškerá elektronika inkodéru je již v jeho statoru, není nutno specifikovat a nakupovat samostatnou elektroniku. Dostupné jsou také inkodéry až se čtyřmi miliony pulzů na otáčku, takže i nepatrný úhlový zkrut je dostatečný pro měření krouticího momentu s vysokým rozlišením. Tepelný koeficient inkodéru je malý v porovnání s tím, čeho lze dosáhnout při použití tenzometrů. Jakékoli případné efekty dynamické deformace od hřídele s vysokou úhlovou rychlostí lze eliminovat použitím stejného signálu hodin pro spouštění odečtu v obou enkodérech.

Nehrozí nebezpečí poškození zařízení z důvodu nadměrného nebo rázově aplikovaného krouticího momentu. Tato metoda rovněž poskytuje dvě měření – úhlu a krouticího momentu – za menších nákladů než při měření krouticího momentu pomocí tenzometru. Měření krouticího momentu pomocí senzorů úhlové polohy může být starou metodou, nicméně nástup nových indukčních enkodérů přispívá k obrození využívání indukčních fyzikálních principů pro měření úhlu a této účinné metody pro měření krouticího momentu a úhlové polohy. 

Darran Kreit je technický manažer společnosti Zettlex UK. Tento článek byl původně publikován 12. prosince 2017 na webové stránce společnosti Control Engineering Europe. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com