多功能扭矩校准装置设计及性能验证

摘  要：为满足国内工业能力和能源需求发展，为确保我国船舶及航空等领域动力计量仪器量值准确性和溯源性，笔者团队设计制造了一台50 kNm多功能扭矩校准装置。首先介绍了扭矩校准装置的结构原理，然后通过试验分析，对其性能进行了测试验证，研究装置量值传递过程中的稳定性和扩展不确定度。试验结果表明：在测量范围为（1～50）kNm范围内，装置扩展不确定度为Urel=0.1%（k=2）。此装置可根据《扭矩计量器具》（JJG 2047—2006）检定规程，将扭矩参数溯源到国家基准，实现扭矩计量仪器量值准确性和溯源性。

关键词：扭矩标准装置  不确定度  计量  准确性  溯源性

中图分类号：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

为能更好地向长三角制造业提供可靠的扭矩计量服务，2021—2023年期间，上海质量监督检验技术研究院计量检测所智能制造产业化计量校准创新团队自主研发设计并建立了一台参考式扭矩校准装置。该装置测量范围为（1～50）kNm，不确定度Urel=0.1%（k=2）。可用于校准（1～20）kNm扭矩传感器以及（1～50）kNm液压扳子或电动、气动扭矩扳子。

1  扭矩校准装置现状

当前按结构原理，扭矩装置可分为通过杠杆和砝码组合成标准扭矩的静重式扭矩标准机以及基于标准扭矩传感器为标准扭矩值来源的参考式扭矩标准机两种类别[1-2]。我国扭矩基准现保存于中国计量科学研究院，由多台不同量程的静重式扭矩标准机组成，测量范围0.5 Nm～5 kNm，不确定度Urel=0.01%（k=2）。除基准外，目前中国计量科学研究院已建立的基于杠杆砝码结构的静重式扭矩标准机中，最小测量范围为1 mNm[3]，最大测量范围为100 kN·m[4]。除中国计量科学院外，我国目前已建立的最大静重式扭矩标准装置测量范围为200 kNm（保存于国防大扭矩一级计量站）[5]。704所建立的一台以电磁力替代砝码实现力值加载的静重式扭矩标准机是目前国内可实现的最小扭矩标准。相比于静重式扭矩标准机参考式结构不受杠杆砝码尺寸限制，可实现更大的测量范围。

随着国内工业能力和能源需求发展，作为重要技术指标的扭矩计量需求也与日俱增。扭矩的测量范围也从常规的5 kNm以内迅速扩展至50 kNm。参考式扭矩标准装置具有占地面积小、建造成本低、维护方便、量程无级化等优点，作为工作级扭矩标准更具优势[6-8]。因此本团队所研扭矩校准装置，采用参考式结构。以HBM公司生产的TB2扭矩标准传感器为参考标准，通过自编驱动控制系统，实现（1～50）kNm的扭矩计量，最终确定装置扩展不确定度为0.1%（k=2）。

2  扭矩校准装置设计

本项目所研设备包含一套控制系统和一台校准装置。校准装置为立式结构，整体分为三层，最下面一层为驱动系统，由伺服电机和减速机组成；中间一层为标准传感器和被测传感器安装空间，配有超限保护机构；最上面一层为升降平台系统。整个结构为三角形布置，最大程度克服扭矩对框架产生的变形。标准扭矩传感器与被校扭矩传感器通过挠性联轴器等连接件垂直串接。控制系统通过读取标准扭矩传感器的输出值，发出控制指令给扭矩加载机构以控制施加的扭矩值到给定的校准点。数据处理系统同步读取标准扭矩传感器与被校扭矩传感器的输出值，并对读取的数据对进行处理，以此完成整个的校准过程。如果加载控制系统或标准扭矩传感器的输出值产生较大偏差使扭矩控制失灵时，超限保护机构将保护传感器和整套装置的安全。

控制系统可分为电机控制模块和数据采集模块两大部分组成。装置电控系统主要包括伺服电机控制、扭矩信号采集、模拟量激励和离散量激励等。参考式扭矩标准装置的扭矩传感器自动校准过程是一个闭环的自动化测试流程，通过对于伺服电机的控制使加载扭矩达到预定的稳态值，并同时测量标准传感器和被校扭矩传感器的扭矩信号输出，以达到对于被校扭矩传感器的校准功能。系统软件包括用户管理、电机控制、数据采集、闭环控制算法以及数据管理等模块。软件的设计以扭矩标准机的监控系统为蓝本，根据参考式扭矩标准装置的特点进行适用性修改。主要将加载砝码的控制改为对标准扭矩传感器的输入数据进行控制，以此产生标准的扭矩值。通过RS232串口实现对控制信号以及扭矩值进行采样，通过电机控制模块控制伺服电机的转速实现扭矩的加载与卸载，通过组态软件实现对数据的处理与显示。加载电机采用速度控制方式。通过改变电机控制模块发送给加载电机的脉冲的频率来控制电机的转动速度，从而实现对扭矩加载速度和大小的精确控制。

3  性能试验及数据比对分析

为验证本项目所研校准装置对于校准扭矩传感器和液压扳子校准的计量能力，团队设计了2组比对测试。试验采用本院所已建立的静重式扭矩标准装置和液压扳子检定仪作为比对对象。采用本院所现有标准扭矩仪和标准扭矩扳子作为比对标准。比对规程参考《JJG 995—2005静态扭矩测量仪检定规程》《JJG 797—2013扭矩扳子检定仪检定规程》《JJG 1103—2014标准扭矩扳子检定规程》等。同时，本试验还包含了对扭矩校准装置稳定性的考核。扭矩校准装置所用标准扭矩传感器分别送检北京航天计量测试技术研究所、上海船舶设备研究所，本文分析比对了送检结果，并对装置稳定性进行评判。

本次测试包含以下几部分内容：

（1）稳定性试验：用于对本装置使用的标准扭矩仪进行性能测试，验证其可靠性。

（2）扭矩传感器试验：用于验证本装置对扭矩传感器的计量能力。

3.1  稳定性试验

3.1.1 参考依据

《标准扭矩仪检定规程》（JJG 557—2011）；《静态扭矩测量仪检定规程》（JJG 995—2005）。

3.1.2  送检标准传感器

标准扭矩仪：型号TB2，编号261340002，规格50 kNm，技术指标MPE：±0.05%。

扭矩测量仪：型号TB2，编号232230006，规格5 kNm，技术指标MPE：±0.05% 。

3.1.3环境条件要求

环境条件：温度（20±5）℃。湿度不大于80%。在测试过程中，室温变化不超过1℃。

3.1.4操作具体步骤

试验前先仔细检查标准装置，确保标准装置工作状态正常；本次比对的试验方法参照《JJG 557—2011 标准扭矩仪检定规程》《JJG995—2005 静态扭矩测量仪检定规程》执行，比对项目为示值误差和重复性。标准扭矩传感器测量上限的20%、40%、60%、80%和100%测量点进行检测，检测时以标准装置上的整数点的示值为依据，在被检测力仪上读取示值。

50 kNm标准扭矩仪是本项目新购置标准传感器，为考核其可靠性，分别送检704所和304所，比对其复现性。

5 kNm标准扭矩仪是已使用多年的标准传感器，为考核其长期稳定性，送检上海计量院，比对其2022年和2023年数据。

3.1.5 数据结果处理及比对

（1）50 kNm扭矩传感器数据，如表1所示。

（2）5 kNm扭矩传感器数据，如表2所示。

3.1.6结论

通过数据比对，验证本项目扭矩标准装置所用标准扭矩传感器误差范围在0.03%之内。满足使用要求。

3.2  扭矩传感器比对试验

扭矩传感器比对试验，参考依据是根据JJG 557—2011 标准扭矩仪检定规程。

3.2.1 比对设备

扭矩标准装置：测量范围（1～50）kNm，技术指标Urel=0.1%（k=2），单位SQI。

扭矩标准机：测量范围（0.5～50）kNm，技术指标Urel=0.05%（k=2），单位304所。

比对标准是：扭矩测量仪，型号：NJ 10000Nm；编号：JL-A-A1-L5160/1511956；规格：（2000～10000）Nm；技术指标：MPE：±0.3%。

3.2.2环境条件要求

环境条件：温度（20±5）℃。湿度不大于80%。在测试过程中，室温变化不超过1℃。

3.2.3操作具体步骤

试验前先仔细检查标准装置，确保标准装置工作状态正常；本次比对的试验方法参照《JJG 557—2011 标准扭矩仪检定规程》执行，比对项目为示值误差和重复性。标准扭矩传感器测量上限的20%、40%、60%、80%和100%测量点进行检测，检测时以标准装置上的整数点的示值为依据，在被检测力仪上读取示值。

En值计算方式参考：

其中：x为本实验室测试结果，U为本实验室测量结果不确定度，x0为304所测试结果，U0为304所测量结果不确定度。En值小于1，结果满意。

3.2.4数据结果处理及比对

将送检304所所得测量结果，同我们的测量结果进行比较，来对本装置进行测量不确定度的验证，具体数据见附表3。

3.3结论

通过数据比对，En值小于1，结果满意。验证本项目扭矩标准装置在进行扭矩传感器校准时，能满足使用要求。

4  结语

本文对项目自研参考式扭矩校准装置的结构原理和试验方法做了介绍。装置基于参考式原理，采用立式结构，通过伺服控制系统及NI系统实现高准确度的扭矩控制。通过稳定性考核和比对测试，本装置性能指标达到设计指标，满足使用要求。试验结果表明：在测量范围为（1～50）kNm范围内，装置扩展不确定度为Urel=0.1%（k=2）。本装置的建立为满足国内工业能力和能源需求发展，为确保我国船舶及航空等领域动力计量仪器量值准确性和溯源性，提供了可靠的溯源技术。

参考文献

[1] 孟峰，林静，张殿龙.参考式扭矩标准装置与静重式扭矩标准装置的比对研究[J].计量学报，2017，38（S1）：112-115.

[2]徐涛.高准确度标准扭矩扳子校准装置研究[D].上海：上海交通大学，2019.

[3]张智敏，1mN9.～1NmN扭矩国家基准装置的建立[J].中国计量，2019（7）：69-72.

[4]张智敏，胡刚，张跃，等.100 kN07静重式扭矩标准装置[J].计量学报，2022，43（10）：1245-1249.

[5] 李涛，陈曦，林静，等.扭矩标准装置的国际比对[J].中国计量2020（6）：95-99.

[6] 夏冰玉，王军，王振.扭矩校准装置的研制[J].自动化应用2023（64）17：157-159.

[7] 倪晋权，黄锋，王跃武，等.参考式扭矩标准装置的设计[J].船舶工程，2017，39（S1）：129-133.

[8] 马相龙，吴承勇，齐红丽，等.5 kN承勇立式参考式扭矩标准装置研究[J].船舶工程，2020，42（S1）：293-297.