多功能扭矩校準裝置設計及性能驗證

摘??要：為滿足國內工業能力和能源需求發展，為確保我國船舶及航空等領域動力計量儀器量值準確性和溯源性，筆者團隊設計制造了一臺50?kNm多功能扭矩校準裝置。首先介紹了扭矩校準裝置的結構原理，然后通過試驗分析，對其性能進行了測試驗證，研究裝置量值傳遞過程中的穩定性和擴展不確定度。試驗結果表明：在測量范圍為（1～50）kNm范圍內，裝置擴展不確定度為Urel=0.1%（k=2）。此裝置可根據《扭矩計量器具》（JJG?2047—2006）檢定規程，將扭矩參數溯源到國家基準，實現扭矩計量儀器量值準確性和溯源性。

關鍵詞：扭矩標準裝置??不確定度??計量??準確性??溯源性

中圖分類號：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

為能更好地向長三角制造業提供可靠的扭矩計量服務，2021—2023年期間，上海質量監督檢驗技術研究院計量檢測所智能制造產業化計量校準創新團隊自主研發設計并建立了一臺參考式扭矩校準裝置。該裝置測量范圍為（1～50）kNm，不確定度Urel=0.1%（k=2）。可用于校準（1～20）kNm扭矩傳感器以及（1～50）kNm液壓扳子或電動、氣動扭矩扳子。

1??扭矩校準裝置現狀

當前按結構原理，扭矩裝置可分為通過杠桿和砝碼組合成標準扭矩的靜重式扭矩標準機以及基于標準扭矩傳感器為標準扭矩值來源的參考式扭矩標準機兩種類別[1-2]。我國扭矩基準現保存于中國計量科學研究院，由多臺不同量程的靜重式扭矩標準機組成，測量范圍0.5?Nm～5?kNm，不確定度Urel=0.01%（k=2）。除基準外，目前中國計量科學研究院已建立的基于杠桿砝碼結構的靜重式扭矩標準機中，最小測量范圍為1?mNm[3]，最大測量范圍為100?kN·m[4]。除中國計量科學院外，我國目前已建立的最大靜重式扭矩標準裝置測量范圍為200?kNm（保存于國防大扭矩一級計量站）[5]。704所建立的一臺以電磁力替代砝碼實現力值加載的靜重式扭矩標準機是目前國內可實現的最小扭矩標準。相比于靜重式扭矩標準機參考式結構不受杠桿砝碼尺寸限制，可實現更大的測量范圍。

隨著國內工業能力和能源需求發展，作為重要技術指標的扭矩計量需求也與日俱增。扭矩的測量范圍也從常規的5?kNm以內迅速擴展至50?kNm。參考式扭矩標準裝置具有占地面積小、建造成本低、維護方便、量程無級化等優點，作為工作級扭矩標準更具優勢[6-8]。因此本團隊所研扭矩校準裝置，采用參考式結構。以HBM公司生產的TB2扭矩標準傳感器為參考標準，通過自編驅動控制系統，實現（1～50）kNm的扭矩計量，最終確定裝置擴展不確定度為0.1%（k=2）。

2??扭矩校準裝置設計

本項目所研設備包含一套控制系統和一臺校準裝置。校準裝置為立式結構，整體分為三層，最下面一層為驅動系統，由伺服電機和減速機組成；中間一層為標準傳感器和被測傳感器安裝空間，配有超限保護機構；最上面一層為升降平臺系統。整個結構為三角形布置，最大程度克服扭矩對框架產生的變形。標準扭矩傳感器與被校扭矩傳感器通過撓性聯軸器等連接件垂直串接。控制系統通過讀取標準扭矩傳感器的輸出值，發出控制指令給扭矩加載機構以控制施加的扭矩值到給定的校準點。數據處理系統同步讀取標準扭矩傳感器與被校扭矩傳感器的輸出值，并對讀取的數據對進行處理，以此完成整個的校準過程。如果加載控制系統或標準扭矩傳感器的輸出值產生較大偏差使扭矩控制失靈時，超限保護機構將保護傳感器和整套裝置的安全。

控制系統可分為電機控制模塊和數據采集模塊兩大部分組成。裝置電控系統主要包括伺服電機控制、扭矩信號采集、模擬量激勵和離散量激勵等。參考式扭矩標準裝置的扭矩傳感器自動校準過程是一個閉環的自動化測試流程，通過對于伺服電機的控制使加載扭矩達到預定的穩態值，并同時測量標準傳感器和被校扭矩傳感器的扭矩信號輸出，以達到對于被校扭矩傳感器的校準功能。系統軟件包括用戶管理、電機控制、數據采集、閉環控制算法以及數據管理等模塊。軟件的設計以扭矩標準機的監控系統為藍本，根據參考式扭矩標準裝置的特點進行適用性修改。主要將加載砝碼的控制改為對標準扭矩傳感器的輸入數據進行控制，以此產生標準的扭矩值。通過RS232串口實現對控制信號以及扭矩值進行采樣，通過電機控制模塊控制伺服電機的轉速實現扭矩的加載與卸載，通過組態軟件實現對數據的處理與顯示。加載電機采用速度控制方式。通過改變電機控制模塊發送給加載電機的脈沖的頻率來控制電機的轉動速度，從而實現對扭矩加載速度和大小的精確控制。

3??性能試驗及數據比對分析

為驗證本項目所研校準裝置對于校準扭矩傳感器和液壓扳子校準的計量能力，團隊設計了2組比對測試。試驗采用本院所已建立的靜重式扭矩標準裝置和液壓扳子檢定儀作為比對對象。采用本院所現有標準扭矩儀和標準扭矩扳子作為比對標準。比對規程參考《JJG?995—2005靜態扭矩測量儀檢定規程》《JJG?797—2013扭矩扳子檢定儀檢定規程》《JJG?1103—2014標準扭矩扳子檢定規程》等。同時，本試驗還包含了對扭矩校準裝置穩定性的考核。扭矩校準裝置所用標準扭矩傳感器分別送檢北京航天計量測試技術研究所、上海船舶設備研究所，本文分析比對了送檢結果，并對裝置穩定性進行評判。

本次測試包含以下幾部分內容：

（1）穩定性試驗：用于對本裝置使用的標準扭矩儀進行性能測試，驗證其可靠性。

（2）扭矩傳感器試驗：用于驗證本裝置對扭矩傳感器的計量能力。

3.1??穩定性試驗

3.1.1?參考依據

《標準扭矩儀檢定規程》（JJG?557—2011）；《靜態扭矩測量儀檢定規程》（JJG?995—2005）。

3.1.2??送檢標準傳感器

標準扭矩儀：型號TB2，編號261340002，規格50?kNm，技術指標MPE：±0.05%。

扭矩測量儀：型號TB2，編號232230006，規格5?kNm，技術指標MPE：±0.05%?。

3.1.3環境條件要求

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

3.1.4操作具體步驟

試驗前先仔細檢查標準裝置，確保標準裝置工作狀態正常；本次比對的試驗方法參照《JJG?557—2011?標準扭矩儀檢定規程》《JJG995—2005?靜態扭矩測量儀檢定規程》執行，比對項目為示值誤差和重復性。標準扭矩傳感器測量上限的20%、40%、60%、80%和100%測量點進行檢測，檢測時以標準裝置上的整數點的示值為依據，在被檢測力儀上讀取示值。

50?kNm標準扭矩儀是本項目新購置標準傳感器，為考核其可靠性，分別送檢704所和304所，比對其復現性。

5?kNm標準扭矩儀是已使用多年的標準傳感器，為考核其長期穩定性，送檢上海計量院，比對其2022年和2023年數據。

3.1.5?數據結果處理及比對

（1）50?kNm扭矩傳感器數據，如表1所示。

（2）5?kNm扭矩傳感器數據，如表2所示。

3.1.6結論

通過數據比對，驗證本項目扭矩標準裝置所用標準扭矩傳感器誤差范圍在0.03%之內。滿足使用要求。

3.2??扭矩傳感器比對試驗

扭矩傳感器比對試驗，參考依據是根據JJG?557—2011?標準扭矩儀檢定規程。

3.2.1?比對設備

扭矩標準裝置：測量范圍（1～50）kNm，技術指標Urel=0.1%（k=2），單位SQI。

扭矩標準機：測量范圍（0.5～50）kNm，技術指標Urel=0.05%（k=2），單位304所。

比對標準是：扭矩測量儀，型號：NJ?10000Nm；編號：JL-A-A1-L5160/1511956；規格：（2000～10000）Nm；技術指標：MPE：±0.3%。

3.2.2環境條件要求

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

3.2.3操作具體步驟

試驗前先仔細檢查標準裝置，確保標準裝置工作狀態正常；本次比對的試驗方法參照《JJG?557—2011?標準扭矩儀檢定規程》執行，比對項目為示值誤差和重復性。標準扭矩傳感器測量上限的20%、40%、60%、80%和100%測量點進行檢測，檢測時以標準裝置上的整數點的示值為依據，在被檢測力儀上讀取示值。

En值計算方式參考：

其中：x為本實驗室測試結果，U為本實驗室測量結果不確定度，x0為304所測試結果，U0為304所測量結果不確定度。En值小于1，結果滿意。

3.2.4數據結果處理及比對

將送檢304所所得測量結果，同我們的測量結果進行比較，來對本裝置進行測量不確定度的驗證，具體數據見附表3。

3.3結論

通過數據比對，En值小于1，結果滿意。驗證本項目扭矩標準裝置在進行扭矩傳感器校準時，能滿足使用要求。

4??結語

本文對項目自研參考式扭矩校準裝置的結構原理和試驗方法做了介紹。裝置基于參考式原理，采用立式結構，通過伺服控制系統及NI系統實現高準確度的扭矩控制。通過穩定性考核和比對測試，本裝置性能指標達到設計指標，滿足使用要求。試驗結果表明：在測量范圍為（1～50）kNm范圍內，裝置擴展不確定度為Urel=0.1%（k=2）。本裝置的建立為滿足國內工業能力和能源需求發展，為確保我國船舶及航空等領域動力計量儀器量值準確性和溯源性，提供了可靠的溯源技術。

參考文獻

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