3.3. Средства измерения крутящих моментов

Среди электрических устройств, предназначенных для измерения крутящих моментов, наибольшее распространение получили различные торсионные датчики, в которых происходит измерение деформации скручивающегося упругого элемента (торсионного вала).

В качестве измерительных преобразователей величины деформации торсионного вала используют тензорезисторные мосты. При этом возникает определенная сложность с подачей напряжения питания к подобным преобразователям в случае их расположения на вращающемся валу, что характерно для определения крутящего момента двигателя. С аналогичной проблемой приходится сталкиваться и при снятии с преобразователя измерительного сигнала.

Рис. 3. 8. Торсионный датчик с контактными щетками:

1 – торсионный вал; 2 – тензорезисторы; 3 – корпус с односторонним шариковым подшипником; 4 – контактные кольца; 5 – контактные щетки; 6 –вентилятор

Одним из вариантов решения этой задачи является применение контактных щеток (рис. 3.8). Но щетки, которые обычно выполняются из графита, подвергаются износу, затрудняет применение подобной конструкции для осуществления постоянного определения крутящего момента в процессе эксплуатации механизма (станка или др.).

Рис. 3. 9. Бесконтактный датчик крутящего момента

В качестве альтернативы может применяться бесконтактный торсионный датчик [6], схема которого показана на рисунке 3.9. Стационарный генератор b₂переменного напряжения частотой 15 кГц, питающийся от аккумулятораb₁или от сети, вырабатывает напряжение, которое посредством индуктивной передачиb₃поступает на вращающуюся часть датчика. Непосредственно на вращающейся части закреплен блокb₄, преобразующий переменное входное напряжение в стабилизированное постоянное напряжения питания тензорезисторного мостаa.

Выходной сигнал мостовой схемы через преобразователь напряжение-частота с₁поступает на металлические кольца, которые в паре с внешними пластинами образуют емкостную связьс₂, обеспечивающую передачу измерительного сигнала в стационарную часть прибора. Прошедший усилительс₃сигнал поступает в блок индикации моментаe₁. Кроме того этот сигнал может быть использован для определения мощности, для чего он перемножается с сигналом скорости вращения, поступающего из устройства измерения частоты вращения. Данное устройство, как правило, состоит из датчика импульсовd₁, приемника импульсовd₂ и усилителяd₃. Для отображения значений скорости вращения и мощности на валу предусмотрены соответствующие индикаторные устройстваe₂ иe₃.

3.4. Классы точности средств измерений (си)

3.4.1. Нормирование погрешностей средств измерений (си).

Погрешность, свойственная СИ, находящемуся в нормальных условиях применения – это основная погрешностьСИ (см. часть 1). Основная погрешность СИ нормируется путем заданияпределов допускаемой основной погрешности.В соответствие с действующими стандартами основная погрешностьвычисляется как арифметическая сумма наибольших возможных значений ее отдельных составляющих (систематической и случайной).

В настоящее время существуют три основных способа нормирования погрешности измерительных приборов и преобразователей.

1. Первый способ нормирования погрешностей СИзаключается в следующем. Основная погрешностьзадается постоянной во всем диапазоне измерения или преобразования, то-есть, одночленной формулой:

 = а , (3.2)

или относительной основной погрешностью вида

 = 100/ Х , (3.3)

где Х – это значение измеряемой посредством СИ величины.

Основная погрешность СИ также может задаваться и отношением абсолютной погрешности к X_max – максимальному значению измеряемой величины (диапазону измеряемой величины), то-есть:

 = 100/X_max, (3.4)

В этом случае погрешность называется приведенной погрешностью.

Этот способ широко применяется для нормирования основной погрешности сравнительно узкодиапазонных измерительных приборов, а также для измерительных преобразователей (формулы (3.2), (3.4)). Описанный способ нормирования основной погрешности СИ резко занижает фактическую точность измерений, которая может быть повышена путем использования поправочных кривых или таблиц поправок.

2. Второй способ нормирования основных погрешностей СИиспользует линейную зависимость абсолютной или относительной погрешности СИ от номинального значения измеряемой величины. При этом для представления абсолютной или относительной основной погрешности используются двучленные формулы вида:

 = (а + b X), (3.5)

 =  [c + d (X_max/ X - 1)] %, (3.6)

где a, b, c, d – постоянные числа, аX_max – наибольшее значение измеряемой величины (верхний предел диапазона измерений).

При X = X_max относительная основная погрешность достигает значения =c , а при X  X_max погрешность остается болше этой величины.

Кроме формул (3.5), (3.6) допускается также использование формулы

 =  [c + d |X*/ X - 1|] % , (3.7)

в которой используется X* - значение измеряемой величины, при котором основная погрешность достигает наименьшего значения.

Нормирование формулами (3.5) – (3.7) узаконено ГОСТами.

Если зависимость основной погрешности от измеряемой величины имеет более сложный характер, то она задается в виде таблицы пределов абсолютной основной погрешности для разных значений измеряемой величины.

Этот способ применяется обычно для широкопредельных измерительных приборов.

3. Третий способ нормирования основной погрешности(абсолютной и относительной) состоит в задании погрешностей, различных для разных диапазонов измерений.

Этот способ тоже применяется для широкодиапазонных СИ.

2. Классы точности измерительных приборов.

Класс точности измерительного прибора (СИ) –это обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей. Классы точности присваивают СИ в соответствии с гостированными правилами.

Исторически сложилось так, что на классы точности разделены все средства измерения, кроме угломерных приборов, и приборов для измерения длин (вследствие большого числа типов таких приборов).

Основой для присвоения измерительным приборам того или иного класса точности является их основная погрешность и способ ее выражения . Средствам измерения, которые характеризуются относительной основной погрешностью, задаваемой одним из трех вышеописанных способов, присваивают класс точности следующим образом.

1. Средствам измерения, в которых пределы допускаемой относительной основной погрешности выражаются по формуле (3.3) (то-есть она не зависит от значения измеряемой величины – постоянна внутри диапазона измерения), присваиваются классы точности из ряда:

К = [ 1; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 ] 10^N ; (3.8)

N = 1; 0; -1; -2; . . . . .

Например, для СИ с  = 0,2% класс точности обозначается как

Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды СИ, причем для одного и того же значения N не больше пяти классов точности.

2. Средствам измерения, в которых пределы допускаемой относительной основной погрешности, выражаются двучленной формулой (3.6), приписывают класс точности вида c / d .

Так, например, если относительная основная погрешность СИ описывается формулой:

 =  [0,02 + 0,01 (X_max/ X - 1)] % ,

то измерительному прибору приписывается класс точности 0,02/0,01

Если же пределы допускаемой относительной основной погрешности СИ описываются двучленной формулой (3.7), то класс точности обозначается дробью вида c / |d|.

Так, например, если погрешность СИ описывается формулой:

 =  [0,5 + 0,2 |X*/ X - 1|] % ,

то класс точности, соответствующий ему – это 0,5 / |0,2| .

Следует отметить, что для большинства измерительных приборов относительная основная погрешность описывается формулами (3.6) или (3.7), так как основная погрешность СИ, в основном, определяется абсолютной погрешностью измерительной схемы, которая постоянна внутри диапазона измерения.

1Подробно прямой пьезоэффект был рассмотрен в разделе, посвященном пьезоэлектрическим датчикам давления.