Датчики крутящего момента применяются в стендах для измерения вращающего усилия, в испытательном оборудовании и в системах управления промышленными приводами. Их метрологическая пригодность подтверждается испытаниями и поверкой, охватывающими несколько взаимосвязанных направлений. В статье последовательно рассмотрены принципы преобразования момента в электрический сигнал, требования к подготовке образца и условиям испытаний, процедуры статической и динамической градуировки на эталонных установках, а также нормируемые метрологические характеристики: нелинейность, гистерезис и повторяемость. Отдельные разделы посвящены поверке по ГОСТ, эталонным средствам измерения, совместно поверяемым параметрам и областям применения датчиков. Изложение построено в практическом ключе и отражает ключевые положения действующих поверочных методик.
检测原理与机制
Большинство датчиков крутящего момента работают на принципе упругого скручивания вала-чувствительного элемента. Под действием момента в измерительном участке возникают касательные деформации, которые преобразуются в электрический сигнал тензометрическими резисторами, составляющими мостовую схему. Реже применяются датчики на основе магнитоупругого, оптического или индуктивного принципов. В тензометрических конструкциях сигнал с вращающейся части передаётся бесконтактно — через индуктивную или радиочастотную связь, реже через контактные токосъёмники. Выходной сигнал пропорционален приложенному моменту в пределах рабочего диапазона измерений. При испытаниях оценивают полноту реализации этого преобразования: стабильность нуля, чувствительность, поведение сигнала при прямом и обратном нагружении. Понимание механизма преобразования позволяет корректно выбирать точки нагружения и интерпретировать отклонения, выявляемые при градуировке.
Подготовка образца и условия испытаний
Перед испытаниями датчик выдерживают в нормальных условиях лаборатории, как правило, не менее двух часов для выравнивания температуры. Проверяют состояние соединительных элементов, кабельных разъёмов и маркировки. Датчик устанавливают в эталонную установку соосно с линией нагружения; несоосность и перекосы вносят систематическую погрешность, поэтому соосность контролируют по регламенту методики. Затяжку фланцев и муфт выполняют ключом с контролируемым моментом. Аппаратура прогревается в течение времени, указанного в эксплуатационной документации. Испытания проводят при нормальных значениях температуры, влажности и напряжения питания, если методикой не предусмотрены иные условия. Фиксируют предварительные нагружения, рекомендуемые изготовителем, для устранения начальных деформаций в стыках. Все условия заносятся в протокол.
Статическая
и динамическая градуировка на эталонных установках
Статическая градуировка выполняется на установках с нагружением через рычаг и эталонные гири либо на установках с опорным силоизмерителем. Момент воспроизводится не менее чем в пяти точках, равномерно распределённых по диапазону измерений, включая нулевую и предельную. Нагружение проводят ступенями от нуля до верхнего предела и обратно, циклы повторяют для оценки разброса. В каждой точке регистрируют выходной сигнал после успокоения показаний. Динамическая градуировка применяется для датчиков, работающих при переменном моменте: задающее устройство формирует гармоническое или ступенчатое воздействие, по отклику определяют амплитудно- и фазочастотные характеристики в рабочей полосе частот. По результатам градуировки рассчитывают коэффициент преобразования и при необходимости составляют градуировочную характеристику индивидуально для датчика.
Метрологические
характеристики: нелинейность, гистерезис, повторяемость
Нелинейность выражает максимальное отклонение действительной градуировочной характеристики от прямой, проведённой по принятым методикой правилам, и оценивается в процентах от диапазона. Гистерезис определяется как наибольшая разность показаний при прямом и обратном ходе для одной и той же нагрузки; превышение гистерезиса над пределом допускаемой погрешности указывает на дефекты механических стыков или упругого элемента. Повторяемость оценивают разбросом показаний при многократном нагружении в одной точке в одинаковых условиях. Дополнительно нормируются температурный дрейф нуля и чувствительности, а также ползучесть сигнала при длительном нагружении. Полученные значения сравнивают с нормами, установленными в документации изготовителя и в поверочной методике, и используют для отнесения датчика к соответствующему классу точности.
Поверка
по ГОСТ и эталонные средства измерения
Поверка датчиков крутящего момента проводится по методикам, разработанным в соответствии с требованиями ГОСТ и правилами национальной системы обеспечения единства измерений. В качестве эталонных средств применяются установки высшей разрядности, поверенные гири классов точности, эталонные динамометры и измерители показаний с нормированной погрешностью. Соотношение погрешностей эталонных и поверяемых средств выбирается так, чтобы погрешность эталона была пренебрежимо мала относительно допуска поверяемого датчика. При поверке контролируют идентификационные данные, проводят внешний осмотр, опробование, определение метрологических характеристик и оформляют протокол установленной формы. При положительных результатах выдают свидетельство о поверке и наносят поверительное клеймо; отрицательный результат сопровождается извещением о непригодности. Межповерочный интервал устанавливается методикой.
Совместно
поверяемые параметры и области применения
Помимо основной градуировочной характеристики, при испытаниях нередко нормируются сопутствующие параметры: сопротивление изоляции цепей, выходной сигнал при нулевом моменте, ток потребления, устойчивость к изменению температуры и помехам в цепях питания и сигнала. Для датчиков с встроенной электроникой контролируется цифровой выходной протокол. Поверенные датчики применяются в различных областях: в испытательных стендах для определения механических характеристик узлов и крепежа, в мотор-тестерах при измерении момента двигателей, в автоматизированных линиях затяжки резьбовых соединений, в весоизмерительных и дозирующих системах с вращающимися рабочими органами. Выбор поверяемых параметров определяется назначением датчика и условиями эксплуатации, что отражается в методике поверки конкретного типа средства измерений.
FAQ
Каков
срок проведения испытаний и поверки датчиков крутящего момента и когда выдаётся протокол?
Срок складывается из акклиматизации образца, числа поверяемых точек, циклов нагружения и оформления протокола. После завершения градуировочных операций протокол и свидетельство о поверке выдаются в порядке, установленном методикой. Конкретные сроки согласуются с лабораторией при передаче датчика.
Какие
требования предъявляются к образцу датчика при передаче на испытания?
Датчик представляется в чистом состоянии, с исправными соединителями и кабелем, с маркировкой и эксплуатационной документацией. Перед нагружением он выдерживается в нормальных условиях лаборатории, устанавливается в установку соосно с линией нагружения, затяжка фланцев выполняется с контролируемым моментом.
Чем различаются статическая и динамическая градуировка датчиков крутящего момента?
Статическая градуировка воспроизводит момент ступенями в не менее чем пяти точках диапазона рычагом с эталонными гирями либо опорным силоизмерителем. Динамическая градуировка применяется для датчиков, работающих при переменном моменте: по отклику на гармоническое или ступенчатое воздействие определяют частотные характеристики в рабочей полосе.
