Крутящий момент определяется компьютерной обработкой визуализации величины скручивания шпинделя посредством формирования отражённой оптически идентифицируемой бегущей волны по спирали от внешнего линейного источника света. Скорость изменения движения бегущей волны будет прямо пропорциональна скручиванию шпинделя и как следствие — изменению крутящего момента.
Оптически идентифицируемая бегущая волна по спирали фиксируется видеокамерой (тремя видеокамерами для 3-D), изображение обрабатывается компьютером, и по скорости её изменения — определяется изменение крутящего момента.
Способ содержит линейный осветитель с оптико-механическим преобразователем значения скручивания шпинделя в световую бегущую по спирали волну и измерительной части в составе видеокамер с компьютером для обработки изображения.
Технический результат оптико-механического преобразования достигается за счёт того, что на шпиндель сего обоих сторон крепятся по одному коаксиально расположенному прозрачному цилиндру таким образом, чтобы другие стороны цилиндров были свободными, т.е. могла закручиваться один в другом и относительно друг друга.
На внешнюю сторону внутреннего цилиндра наклеена плёнка со светоотражающей наружу спиралью, выполненной из чередующихся светоотражающих прямоугольных сегментов. На внутреннюю часть внешнего цилиндра наклеена плёнка, только уже со светопрозрачной спиралью из чередующихся светопрозрачных прямоугольных сегментов другого шага.
При скручивании шпинделя крутящим моментом от редуктора в каждый момент времени только один сегмент спирали одного цилиндра будет наиболее полно совпадать с сегментом спирали другого цилиндра, формируя в объективе видеокамеры световой пиксель, отражённый от внешнего линейного источника света. Скорость изменения световых пикселей в общем объёме измерительных цилиндров формирует оптически идентифицируемую световую волну по спирали.
Расчётные характеристики и условия формирования бегущей волны подробно приведены в моей публикации от 2008 года здесь: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9155.html .
Внешний вид прототипа измерительных цилиндров указан на рис. 11.1 и 11.2.
Рис. № 11.1. Возможное размещение сегментов спиралей на измерительных цилиндрах.
Рис. № 11.2. Конструктивное исполнение измерительных цилиндров.
Технический результат измерительной части достигается видео фиксацией в режиме реального времени оптически идентифицируемой световой спирально закрученной волны, а также её цифровой обработки с преобразованием значений изменений скорости световой волны в значение крутящего момента.
Чувствительность заявленного способа.
Предлагаемые промышленностью современные электронные энкодеры и тензометрические датчики в настоящее время в том числе и для систем измерения крутящего момента имеют предел чувствительности примерно 1 миллион откликов, например, на 1 оборот.
Рассмотрим чувствительность оптико-механического преобразователя с внешним измерительным цилиндром шпинделя металлопрокатной клети:
Диаметр цилиндра – 0,5 метр, длинна цилиндра — 2 метра. Оптически прозрачные сегменты сечением 1х1 мм размещены по спирали длинной 1570 м по всей поверхности цилиндра с количеством сегментов (пикселей) в спирали – 785000. При повороте такого цилиндра относительно другого на 1/785 оборота будет сформирована оптически идентифицируемая бегущая волна длинной–1570 м посредством 7850000 сегментов (пикселей).
За один оборот одного цилиндра будет сформирована оптически идентифицируемая бегущая волна длинной–1232450 м посредством 616225000 сегментов (пикселей).
Допустим, что видеокамера позволяет снимать, а программа распознавать изменения во времени со скоростью не менее 1/25 пикселя сек (стандартный видео формат — 25 кадров в секунду).
При заявленных выше параметрах предел чувствительности оптико-механического способа соответствует 15 405 625 000 откликов на 1 оборот, т.е. в десятки тысяч раз лучше существующих в настоящее время и перспективных электронных энкодеров, тензометрических датчиков и т.п.
Чувствительность заявленного выше способа зависит от геометрических размеров измерительных цилиндров / сегментов спиралей, а также от разрешения видеокамеры.
Исходя из выше изложенного, за счёт изменения геометрических размеров оптико-механического преобразователя или изменения чувствительность видеокамер можно увеличить чувствительность заявленного способа ещё в десятки и сотни раз.