Açılı sensörlerle tork ölçümü

Sabit, metal bir şafta uygulanan torkun ölçülmesi genelde basittir. Şaftın elastik sınırı aşılmadığı müddetçe, şaftın bükülme miktarı tork ile orantılıdır. Bükülmenin derecesini ölçün; şaft malzemesinin Young Modülüne bakın; Mühendisin El Kitabından matematiksel bir formülü uygulayın ve işte oldu, torkun oldukça iyi bir ölçümünü elde ettiniz.

Torkun sürekli olarak dönen bir şaftta ölçümü ise biraz daha karmaşıktır. Bunu yapmanın çeşitli yolları mevcuttur, ama en çok kullanılan yöntem torku, şaftı döndürmek için gerekli olan güç miktarından çıkarsamaktır. Bunun için genelde hareketi tahrik eden motora sağlanan akımın ölçülmesi gerekir. Basit ve güzel bir yöntemdir ama yanlıştır çünkü akım tüketimi hız, gerilim beslemesi, rulman durumu, sıcaklık, vb. gibi başka faktörlere bağlıdır.

Gerinim ölçerlerle tork ölçümü

Daha doğru olan yöntem, şafttaki bükülmeyi gerinim ölçerler ya da yüzey akustik dalga (SAW) cihazları kullanarak ölçmektir. Bu yöntem doğru sonuçlar verir ama ya bir kayar bilezik ya da şafttaki gerinim ölçerler ve dış dünya arasında kablosuz bir sinyal aktarım yöntemi kullanılmasını gerektirdiğinden karmaşıktır. Gerinim ölçerleri kullanmak zorunda kalmış tüm mühendisler size sinirli bir şekilde, gerinim ölçer teorisi ve gerinim ölçer uygulaması arasında büyük bir fark olduğunu söyleyecektir. Gerinim ölçerlerde genelde büyük sıcaklık katsayıları ve zorlu şartlarda takılı oldukları yerden çıkma şeklinde kötü bir alışkanlık vardır. Torkun laboratuvarda gerinim ölçerler ya da SAW cihazlarıyla ölçümü genelde iyidir ama çoğu endüstriyel uygulama için gerçekçi bir teklif değildir.

Açılı sensörlerle tork ölçümü

Başka bir yol daha vardır. Pek yeni sayılmaz ama unutulmaya yüz tutmuş durumdadır. İlk olarak 1950’lerde motorlarda (başta Hercules / C-130 kargo uçağının turbo-prop motorları) tork ölçümü için kullanılmıştır. Bu teknik, şafta takılmış ve hizalanmış iki ‘çok hızlı’ çözücü arasındaki faz kaymasını ölçerek, bir şafttaki bükülmeyi ve dolayısıyla torku ölçer. (‘Çok hızlı’ çözücünün çıkışına atıfta bulunmaktadır:- 2 hızlı bir çözücü, 180 derecenin üzerinde mutlak olan döngüsel bir çıkışa sahiptir; 36 hızlı bir çözücü, 10 derecenin üzerinde mutlak olan döngüsel bir çıkışa sahiptir vs.)

Şaft döndükçe, her çözücü, bir tanesi sinüzoit olarak farklılaşan ve bir tanesin de kosinüzoit olarak farklılaşan iki sinyal üretir. Basitleştirmek amacıyla, Şekil 2’de yalnızca demodüle edilmiş sinüzoit sinyal gösterilmiştir.

Şek. 1 – Çok hızlı çözücüler kullanılarak tork ölçümü

Sıfır tork uygulandığında, iki çözücünün sinyalleri sıfır faz kayması gösterir. Tork uygulandıkça, bir çıkışın fazı diğerine kıyasla kayıyormuş gibi görünür. Buna bağlı olarak, faz kayması uygulanan torkla doğru orantılıdır. Yüksek döngü sayısına (örn. 128) sahip bir çok hızlı çözücü kullanıldığında, önemli oranda faz kayması üretmek için yalnızca az miktarda bir bükülme gerekli olur. Bir diğer deyişle, son derece hassas bir tekniktir ve <1 derece, hatta <0,1 derecelik bükülmelerin ölçümü için uygundur. Bunun anlamı şaftın uzun olmasının gerekli olmadığıdır. Bu yaklaşım için gerekli olan şaft uzunluğu <25mm olabilir. Bu, kasti olarak esnek bir şaft kullanılarak ya da çözücüler eş merkezli olacak şekilde düzenlenerek (biri diğerinin içinde) ve şaftın içi ve dış kısımlarını (çok) sert bir torsiyon yayı ile bağlanarak başarılabilir.

Gerinim ölçerlerin aksine, çözücüler sağlam, güvenilir ve doğru olmalarıyla ünlüdür – havacılık, askeri, petrol ve gaz ekipmanlarıyla ilgili zorlu işlerde tercih edilmelerinin sebebi budur. Temassız cihazlar olduklarından kayar bileziklere ya da radyo frekansı sinyali aktarımına gerek yoktur.

Peki neden bu teknik artık pek kullanılmıyor? Belki de bunun sebeplerinden biri, çözücülerin de artık pek kullanılmıyor oluşudur. Yassı ya da plak çözücüler (ortasında büyük bir delik olan düz çözücüler) torkun ölçülmesi için ideal şekle sahiptir ama inanılmaz derecede pahalıdırlar. Ayrıca, bir çözücü için tahrik ve işleme elektronikleri bulmak zor olabilir. Modern mühendisler daha çok dijital elektroniklere aşina olduğundan, analog elektronikleri kullanmak ve AC sinyallerinin faz kaymasını ölçmekten çekiniyor olabilirler.

Yeni nesil endüktif sensörler

Günümüzde çözücülerin yerini giderek daha modern versiyonları olan endüktif kodlayıcılar ya da ‘incoder’ler’ almaktadır. Incoder’ler çözücülerle aynı endüktif ilkelere dayalı olarak çalışır ama hacimli ve pahalı tel sargı transformatör yapıları yerine baskı devreler kullanır. Bu, incoder’in hacmi, ağırlığı ve maliyetini azaltırken, ölçüm performansını maksimuma çıkarması açısından önemlidir. Ayrıca incoder’ler basit ve kolay kullanımlı bir arayüz sunmaktadır:- DC güç girişi ve seri veri çıkışı. Incoder’ler çözücülerle aynı temel fizik kurallarına dayalı olduğundan, yüksek hassasiyet, zorlu ortamlarda güvenilir ölçüm gibi aynı operasyonel avantajları sağlarlar. Dahası, ortasında büyük bir delik olan düz şekilleriyle, açılı ölçüm için mükemmel biçim faktörüne sahiptirler. Bu sayede şaft incoder’in statörünün ortasından geçerken, rotor da doğrudan dönen şafta bağlanır. Böylece çözücülerde olduğu gibi kayar bilezik ihtiyacı da ortadan kalkmış olur.

Şek. 2 – Torkun ve mutlak açının endüktif kodlayıcılarla ölçülmesi

Incoder’in bütün elektronikleri zaten statörünün içinde yer aldığından ayrı elektronikler bulunmasına gerek yoktur. Avantaj sağlayacak bir şekilde, incoder’ler devir başına 4 milyon sayım yapabilir ve bu sebeple çok küçük bir açısal bükülme bile yüksek çözünürlüklü tork ölçümü için yeterli olur.

Bir incoder’in termal katsayısı, en iyi gerinim ölçerlere kıyasla bile çok küçüktür ve yüksek açısal hıs sahip şaftların tüm dinamik distorsiyon etkileri her iki kodlayıcıda ölçümleri tetikleyen aynı saat sinyali kullanılarak ortadan kaldırılabilir.

Gerinim ölçer tekniğinin aksine, aşırı ya da şok uygulanan tork ile ekipmana zarar verme tehlikesi yoktur, dahası, bu teknik bir gerinim ölçerle yalnızca torku ölçmenin maliyetinden daha ucuza hem açıyı hem de torku ölçmektedir.

Muhtemelen çözücülerin modasının geçmesinden ötürü modası geçmiş olan eski bir tekniktir. Modern endüktif kodlayıcılar, açı ölçümü için endüktif fizik kurallarının kullanımını yeniden canlandırmakta ve bununla birlikte bu kullanışlı, sağlam ve etkili tork + açı ölçümünü de canlandırmaktadır.