多功能扭矩校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證

摘??要：為滿足國內(nèi)工業(yè)能力和能源需求發(fā)展，為確保我國船舶及航空等領(lǐng)域動(dòng)力計(jì)量?jī)x器量值準(zhǔn)確性和溯源性，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)50?kNm多功能扭矩校準(zhǔn)裝置。首先介紹了扭矩校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)原理，然后通過試驗(yàn)分析，對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，研究裝置量值傳遞過程中的穩(wěn)定性和擴(kuò)展不確定度。試驗(yàn)結(jié)果表明：在測(cè)量范圍為（1～50）kNm范圍內(nèi)，裝置擴(kuò)展不確定度為Urel=0.1%（k=2）。此裝置可根據(jù)《扭矩計(jì)量器具》（JJG?2047—2006）檢定規(guī)程，將扭矩參數(shù)溯源到國家基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)扭矩計(jì)量?jī)x器量值準(zhǔn)確性和溯源性。

關(guān)鍵詞：扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置??不確定度??計(jì)量??準(zhǔn)確性??溯源性

中圖分類號(hào)：TH823.4

Design?and?Performance?Verification?of?a?Multifunctional?Torque?Calibration?Device

XIA?Bingyu

Shanghai?Institute?of?Quality?Inspection?and?Technical?Research，?Shanghai，?201114?China

Abstract：?In?order?to?meet?the?development?of?domestic?industrial?capacity?and?energy?demand，?and?ensure?the?accuracy?and?traceability?of?the?value?of?power?measurement?instruments?in?shipbuilding，?aviation?and?other?fields?in?China，?the?authors?team?has?designed?and?manufactured?a?50kNm?multifunctional?torque?calibration?device.?This?article?first?introduces?the?structural?principle?of?the?torque?calibration?device.?Then，?it?tests?and?verifies?its?performance?through?experimental?analysis，?and?studies?its?stability?and?expanded?uncertainty?in?the?process?of?its?value?transmission.?Experimental?results?show?that?in?the?measurement?range?of?（1～50）?kNm，?the?expanded?uncertainty?of?the?device?is?Urel=0.1%?（k=2）.?This?device?can?trace?torque?parameters?to?national?standards?according?to?the?verification?regulation?of?"Torque?Measuring?Instruments”?（?JJG?2047—2006），?so?as?to?achieve?the?accuracy?and?traceability?of?the?value?of?torque?measuring?instruments.

Key?Words：?Torque?calibration?device;?Uncertainty;?Measuring;?Accuracy;?Traceability

為能更好地向長(zhǎng)三角制造業(yè)提供可靠的扭矩計(jì)量服務(wù)，2021—2023年期間，上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院計(jì)量檢測(cè)所智能制造產(chǎn)業(yè)化計(jì)量校準(zhǔn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)設(shè)計(jì)并建立了一臺(tái)參考式扭矩校準(zhǔn)裝置。該裝置測(cè)量范圍為（1～50）kNm，不確定度Urel=0.1%（k=2）。可用于校準(zhǔn)（1～20）kNm扭矩傳感器以及（1～50）kNm液壓扳子或電動(dòng)、氣動(dòng)扭矩扳子。

1??扭矩校準(zhǔn)裝置現(xiàn)狀

當(dāng)前按結(jié)構(gòu)原理，扭矩裝置可分為通過杠桿和砝碼組合成標(biāo)準(zhǔn)扭矩的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)以及基于標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器為標(biāo)準(zhǔn)扭矩值來源的參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)兩種類別[1-2]。我國扭矩基準(zhǔn)現(xiàn)保存于中國計(jì)量科學(xué)研究院，由多臺(tái)不同量程的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組成，測(cè)量范圍0.5?Nm～5?kNm，不確定度Urel=0.01%（k=2）。除基準(zhǔn)外，目前中國計(jì)量科學(xué)研究院已建立的基于杠桿砝碼結(jié)構(gòu)的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中，最小測(cè)量范圍為1?mNm[3]，最大測(cè)量范圍為100?kN·m[4]。除中國計(jì)量科學(xué)院外，我國目前已建立的最大靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)量范圍為200?kNm（保存于國防大扭矩一級(jí)計(jì)量站）[5]。704所建立的一臺(tái)以電磁力替代砝碼實(shí)現(xiàn)力值加載的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是目前國內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的最小扭矩標(biāo)準(zhǔn)。相比于靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)參考式結(jié)構(gòu)不受杠桿砝碼尺寸限制，可實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)量范圍。

隨著國內(nèi)工業(yè)能力和能源需求發(fā)展，作為重要技術(shù)指標(biāo)的扭矩計(jì)量需求也與日俱增。扭矩的測(cè)量范圍也從常規(guī)的5?kNm以內(nèi)迅速擴(kuò)展至50?kNm。參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置具有占地面積小、建造成本低、維護(hù)方便、量程無級(jí)化等優(yōu)點(diǎn)，作為工作級(jí)扭矩標(biāo)準(zhǔn)更具優(yōu)勢(shì)[6-8]。因此本團(tuán)隊(duì)所研扭矩校準(zhǔn)裝置，采用參考式結(jié)構(gòu)。以HBM公司生產(chǎn)的TB2扭矩標(biāo)準(zhǔn)傳感器為參考標(biāo)準(zhǔn)，通過自編驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)（1～50）kNm的扭矩計(jì)量，最終確定裝置擴(kuò)展不確定度為0.1%（k=2）。

2??扭矩校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所研設(shè)備包含一套控制系統(tǒng)和一臺(tái)校準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)裝置為立式結(jié)構(gòu)，整體分為三層，最下面一層為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由伺服電機(jī)和減速機(jī)組成；中間一層為標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被測(cè)傳感器安裝空間，配有超限保護(hù)機(jī)構(gòu)；最上面一層為升降平臺(tái)系統(tǒng)。整個(gè)結(jié)構(gòu)為三角形布置，最大程度克服扭矩對(duì)框架產(chǎn)生的變形。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器與被校扭矩傳感器通過撓性聯(lián)軸器等連接件垂直串接。控制系統(tǒng)通過讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的輸出值，發(fā)出控制指令給扭矩加載機(jī)構(gòu)以控制施加的扭矩值到給定的校準(zhǔn)點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同步讀取標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器與被校扭矩傳感器的輸出值，并對(duì)讀取的數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行處理，以此完成整個(gè)的校準(zhǔn)過程。如果加載控制系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的輸出值產(chǎn)生較大偏差使扭矩控制失靈時(shí)，超限保護(hù)機(jī)構(gòu)將保護(hù)傳感器和整套裝置的安全。

控制系統(tǒng)可分為電機(jī)控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊兩大部分組成。裝置電控系統(tǒng)主要包括伺服電機(jī)控制、扭矩信號(hào)采集、模擬量激勵(lì)和離散量激勵(lì)等。參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置的扭矩傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)過程是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)化測(cè)試流程，通過對(duì)于伺服電機(jī)的控制使加載扭矩達(dá)到預(yù)定的穩(wěn)態(tài)值，并同時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)傳感器和被校扭矩傳感器的扭矩信號(hào)輸出，以達(dá)到對(duì)于被校扭矩傳感器的校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)軟件包括用戶管理、電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制算法以及數(shù)據(jù)管理等模塊。軟件的設(shè)計(jì)以扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)為藍(lán)本，根據(jù)參考式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置的特點(diǎn)進(jìn)行適用性修改。主要將加載砝碼的控制改為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，以此產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的扭矩值。通過RS232串口實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)以及扭矩值進(jìn)行采樣，通過電機(jī)控制模塊控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)扭矩的加載與卸載，通過組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與顯示。加載電機(jī)采用速度控制方式。通過改變電機(jī)控制模塊發(fā)送給加載電機(jī)的脈沖的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩加載速度和大小的精確控制。

3??性能試驗(yàn)及數(shù)據(jù)比對(duì)分析

為驗(yàn)證本項(xiàng)目所研校準(zhǔn)裝置對(duì)于校準(zhǔn)扭矩傳感器和液壓扳子校準(zhǔn)的計(jì)量能力，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了2組比對(duì)測(cè)試。試驗(yàn)采用本院所已建立的靜重式扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置和液壓扳子檢定儀作為比對(duì)對(duì)象。采用本院所現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀和標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子作為比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。比對(duì)規(guī)程參考《JJG?995—2005靜態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》《JJG?797—2013扭矩扳子檢定儀檢定規(guī)程》《JJG?1103—2014標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子檢定規(guī)程》等。同時(shí)，本試驗(yàn)還包含了對(duì)扭矩校準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性的考核。扭矩校準(zhǔn)裝置所用標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器分別送檢北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所、上海船舶設(shè)備研究所，本文分析比對(duì)了送檢結(jié)果，并對(duì)裝置穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)判。

本次測(cè)試包含以下幾部分內(nèi)容：

（1）穩(wěn)定性試驗(yàn)：用于對(duì)本裝置使用的標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀進(jìn)行性能測(cè)試，驗(yàn)證其可靠性。

（2）扭矩傳感器試驗(yàn)：用于驗(yàn)證本裝置對(duì)扭矩傳感器的計(jì)量能力。

3.1??穩(wěn)定性試驗(yàn)

3.1.1?參考依據(jù)

《標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程》（JJG?557—2011）；《靜態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》（JJG?995—2005）。

3.1.2??送檢標(biāo)準(zhǔn)傳感器

標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀：型號(hào)TB2，編號(hào)261340002，規(guī)格50?kNm，技術(shù)指標(biāo)MPE：±0.05%。

扭矩測(cè)量?jī)x：型號(hào)TB2，編號(hào)232230006，規(guī)格5?kNm，技術(shù)指標(biāo)MPE：±0.05%?。

3.1.3環(huán)境條件要求

環(huán)境條件：溫度（20±5）℃。濕度不大于80%。在測(cè)試過程中，室溫變化不超過1℃。

3.1.4操作具體步驟

試驗(yàn)前先仔細(xì)檢查標(biāo)準(zhǔn)裝置，確保標(biāo)準(zhǔn)裝置工作狀態(tài)正常；本次比對(duì)的試驗(yàn)方法參照《JJG?557—2011?標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程》《JJG995—2005?靜態(tài)扭矩測(cè)量?jī)x檢定規(guī)程》執(zhí)行，比對(duì)項(xiàng)目為示值誤差和重復(fù)性。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器測(cè)量上限的20%、40%、60%、80%和100%測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)裝置上的整數(shù)點(diǎn)的示值為依據(jù)，在被檢測(cè)力儀上讀取示值。

50?kNm標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀是本項(xiàng)目新購置標(biāo)準(zhǔn)傳感器，為考核其可靠性，分別送檢704所和304所，比對(duì)其復(fù)現(xiàn)性。

5?kNm標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀是已使用多年的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，為考核其長(zhǎng)期穩(wěn)定性，送檢上海計(jì)量院，比對(duì)其2022年和2023年數(shù)據(jù)。

3.1.5?數(shù)據(jù)結(jié)果處理及比對(duì)

（1）50?kNm扭矩傳感器數(shù)據(jù)，如表1所示。

（2）5?kNm扭矩傳感器數(shù)據(jù)，如表2所示。

3.1.6結(jié)論

通過數(shù)據(jù)比對(duì)，驗(yàn)證本項(xiàng)目扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置所用標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器誤差范圍在0.03%之內(nèi)。滿足使用要求。

3.2??扭矩傳感器比對(duì)試驗(yàn)

扭矩傳感器比對(duì)試驗(yàn)，參考依據(jù)是根據(jù)JJG?557—2011?標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程。

3.2.1?比對(duì)設(shè)備

扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置：測(cè)量范圍（1～50）kNm，技術(shù)指標(biāo)Urel=0.1%（k=2），單位SQI。

扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)：測(cè)量范圍（0.5～50）kNm，技術(shù)指標(biāo)Urel=0.05%（k=2），單位304所。

比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)是：扭矩測(cè)量?jī)x，型號(hào)：NJ?10000Nm；編號(hào)：JL-A-A1-L5160/1511956；規(guī)格：（2000～10000）Nm；技術(shù)指標(biāo)：MPE：±0.3%。

3.2.2環(huán)境條件要求

環(huán)境條件：溫度（20±5）℃。濕度不大于80%。在測(cè)試過程中，室溫變化不超過1℃。

3.2.3操作具體步驟

試驗(yàn)前先仔細(xì)檢查標(biāo)準(zhǔn)裝置，確保標(biāo)準(zhǔn)裝置工作狀態(tài)正常；本次比對(duì)的試驗(yàn)方法參照《JJG?557—2011?標(biāo)準(zhǔn)扭矩儀檢定規(guī)程》執(zhí)行，比對(duì)項(xiàng)目為示值誤差和重復(fù)性。標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器測(cè)量上限的20%、40%、60%、80%和100%測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)裝置上的整數(shù)點(diǎn)的示值為依據(jù)，在被檢測(cè)力儀上讀取示值。

En值計(jì)算方式參考：

其中：x為本實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，U為本實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果不確定度，x0為304所測(cè)試結(jié)果，U0為304所測(cè)量結(jié)果不確定度。En值小于1，結(jié)果滿意。

3.2.4數(shù)據(jù)結(jié)果處理及比對(duì)

將送檢304所所得測(cè)量結(jié)果，同我們的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，來對(duì)本裝置進(jìn)行測(cè)量不確定度的驗(yàn)證，具體數(shù)據(jù)見附表3。

3.3結(jié)論

通過數(shù)據(jù)比對(duì)，En值小于1，結(jié)果滿意。驗(yàn)證本項(xiàng)目扭矩標(biāo)準(zhǔn)裝置在進(jìn)行扭矩傳感器校準(zhǔn)時(shí)，能滿足使用要求。

4??結(jié)語

本文對(duì)項(xiàng)目自研參考式扭矩校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)原理和試驗(yàn)方法做了介紹。裝置基于參考式原理，采用立式結(jié)構(gòu)，通過伺服控制系統(tǒng)及NI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的扭矩控制。通過穩(wěn)定性考核和比對(duì)測(cè)試，本裝置性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足使用要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：在測(cè)量范圍為（1～50）kNm范圍內(nèi)，裝置擴(kuò)展不確定度為Urel=0.1%（k=2）。本裝置的建立為滿足國內(nèi)工業(yè)能力和能源需求發(fā)展，為確保我國船舶及航空等領(lǐng)域動(dòng)力計(jì)量?jī)x器量值準(zhǔn)確性和溯源性，提供了可靠的溯源技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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