CN117906807A - 一种扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭矩测量装置及方法，装置包括联轴器、扭矩传递筒、第一轮盘、第二轮盘、扭矩检测模块和多对发光元件和光敏元件，扭矩传递筒同轴固定套设在联轴器上，第二轮盘同轴固定安装在扭矩传递筒的一端；第一轮盘同轴固定套设在联轴器上，其与第二轮盘相对分布；第一轮盘和第二轮盘的边缘沿其周向均匀间隔相对设有多对贯穿的阵列孔；每对发光元件和光敏元件相对分布在对应一对阵列孔的两侧，且每对发光元件和光敏元件分别与扭矩检测模块通讯连接。本发明能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜。

Description

一种扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明涉及扭矩测量技术领域，具体涉及一种扭矩测量装置及方法。

背景技术

在石油、天然气和化工等行业中，非电机驱动的旋转机械得到广泛应用。例如燃气轮机驱动压缩机组即是一种关键旋转设备，用于压缩和输送气体。燃气轮机具有高效、可靠和环保等优点，因此在这些行业中得到了广泛应用。然而，为了确保燃气轮机驱动压缩机组的安全、稳定和高效运行，对其扭矩进行实时、准确的测量和控制至关重要。

然而，像燃驱动压缩机组这种旋转机械在运行过程中，扭矩会受到多种因素的影响，如负载变化、燃气轮机性能波动、压缩机工况变化等。这些因素可能导致扭矩波动，从而影响设备的运行效率和安全性。因此，对燃气轮机驱动压缩机组的扭矩进行实时监测和控制，可以有效地预防故障、提高设备寿命和降低运行成本。

目前，扭矩测量和控制技术主要依赖于以下几种类型的传感器及测试技术：(1)应变型扭矩法：利用应变型扭矩传感器在受到力时产生应变的物理特性。它通常是结构简单、成本较低的一个选项，因此在实际应用中广泛使用。(2)磁弹性扭矩法：这种方法依赖于磁弹性扭矩传感器磁弹性材料的性质，这些材料的磁性会随着应力的改变而改变。这种类型的传感器通常比较复杂，需要对应的材料和现场工况有严格的要求。(3)转角型扭矩法：转角型扭矩测量方法通过比较同一转轴上不同位置传感器所输出脉冲信号的相位差，结合转轴材料的扭转刚度系数来间接测量施加在转轴上的扭矩载荷。这种方法通常更适合于长轴系扭矩测量，可以适应严苛的环境并实现长期可靠工作。(4)磁电式扭矩测量法，在弹性轴上安装两个相同的齿轮，磁芯和线圈组成信号采集系统，齿顶与磁芯之间预留出微小间隙，当轴转动时，两个线圈中分别感应出两个交变电动势，而且交变电动势仅与两个齿轮的磁芯相对位置和相交位置有关，通过检测电动势的大小即可得到相应的扭矩值。磁电式扭矩测量法的优点是精度高，成本较低，性能可靠，其为非接触测量，即不需要电源和中间传输环节。

但应变型扭矩传感器在旋转条件下的供电和信号传输可能存在问题。磁弹性传感器对应的材料和现场工况有严格的要求，这在一定程度上限制了其实际应用。传统的转角型扭矩测量方法必须在轴系旋转起来后才能进行扭矩测量，不能测试静态载荷。一些特殊的场合，转轴一旦转动即带上负载，不存在扭矩为零的初始状态，这就给扭矩测量系统的现场安装和调校带来很大不便。磁电式扭矩测量法缺点是结构复杂，频响有限，难以制造，响应时间较长，相应的传感器尺寸和质量较大，低速时信号小而高速时动平衡困难。磁电式扭矩测量法适用于测量能够产生较大转角位移的扭矩，能够测量启动和低速转矩。由于其动态特性不好，所以不适于高速转动轴的扭矩测量。

针对上述问题和缺点，提出了一种扭矩测量装置及方法。

发明内容

本发明提供一种扭矩测量装置及方法，旨在解决现有技术中的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种扭矩测量装置，包括联轴器、扭矩传递筒、第一轮盘、第二轮盘、扭矩检测模块和多对相互匹配的发光元件和光敏元件，所述扭矩传递筒同轴固定套设在所述联轴器上，所述第二轮盘同轴固定安装在所述扭矩传递筒的一端；所述第一轮盘同轴固定套设在所述联轴器上，其与所述第二轮盘相对分布；所述第一轮盘和所述第二轮盘的边缘沿其周向均匀间隔相对设有多对贯穿的阵列孔；每对所述发光元件和所述光敏元件相对分布在对应一对所述阵列孔的两侧，且每对所述发光元件和所述光敏元件分别与所述扭矩检测模块通讯连接。

本发明的有益效果是：测量过程中，发光元件发射光信号，光敏元件接收发光元件发射的光信号，并发送给扭矩检测模块；扭矩检测模块接收传输过来的光信号并转化成电压信号，并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩，测量方便，精确度高。

本发明能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，还包括温度传感器，所述温度传感器分布在所述联轴器旁，并与所述扭矩检测模块通讯连接。

采用上述进一步方案的有益效果是测量过程中，通过温度传感器实时检测联轴器的温度，修正最终扭矩计算值，提高测量的精确度。

进一步，所述扭矩传递筒包括比较器模块和微处理器，每对所述发光元件和所述光敏元件分别与所述比较器模块通讯连接，所述比较器模块与所述微处理器通讯连接。

采用上述进一步方案的有益效果是测量时，比较器模块接收光敏元件传输过来的光信号并转化成电压信号，微处理器接收电压信号并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩。

进一步，还包括显示器，所述显示器与所述扭矩检测模块通讯连接。

采用上述进一步方案的有益效果是测量获得的结果可显示于上述显示器，方便检测人员查看。

进一步，所述扭矩传递筒呈一端封闭、另一端敞口的圆筒状结构，其封闭端设有供所述联轴器穿过的通孔，所述通孔的孔壁与所述联轴器固定连接；所述第二轮盘同轴固定安装在所述扭矩传递筒的另一端敞口处。

采用上述进一步方案的有益效果是扭矩传递筒的结构设计合理，既方便装配在联轴器上，又方便装配第二轮盘，装配方便。

进一步，所述第一轮盘与所述第二轮盘之间留有缝隙。

采用上述进一步方案的有益效果是第一轮盘与第二轮盘分布合理，方便测量扭矩。

进一步，所述联轴器包括中心轴、第一法兰和第二法兰，所述第一法兰和所述第二法兰分别同轴固定套设在所述中心轴的两端。

采用上述进一步方案的有益效果是中心轴方便装配扭矩传递筒和第一轮盘，第一法兰方便连接非驱旋转机械，第二法兰方便连接驱动机。

进一步，所述第一法兰和所述第二法兰的外径不一致。

采用上述进一步方案的有益效果是第一法兰和第二法兰尺寸设计合理，方便连接不同的设备。

本发明还涉及一种扭矩测量方法，采用如上所述的扭矩测量装置实现，包括以下具体步骤：

发光元件发射光信号，光敏元件接收所述发光元件发射的光信号，并发送给比较器模块；所述比较器模块接收传输过来的光信号并转化成电压信号，微处理器接收电压信号并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩。

采用上述进一步方案的有益效果是本发明还提供一种扭矩测量方法，该测量方法能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜。

进一步，还包括温度传感器实时检测联轴器的温度，并发送给所述比较器模块。

采用上述进一步方案的有益效果是温度传感器设置合理，通过温度传感器实时检测联轴器的温度，修正最终扭矩计算值，提高测量的精确度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构剖视图；

图3为本发明测量时的结构示意图；

图4为本发明扭矩测量测量原理示意图；

图5为本发明信号处理示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、中心轴；2、扭矩传递筒；3、第一轮盘；4、第二轮盘；5、阵列孔；6、第一法兰；7、第二法兰；8、温度传感器；9、发光元件；10、光敏元件；11、扭矩检测模块；12、显示器；13、比较器模块；14、微处理器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

如图1至图5所示，本实施例提供一种扭矩测量装置，包括联轴器、扭矩传递筒2、第一轮盘3、第二轮盘4、扭矩检测模块11和多对相互匹配的发光元件9和光敏元件10，所述扭矩传递筒2同轴固定套设在所述联轴器上，所述第二轮盘4同轴固定安装在所述扭矩传递筒2的一端；所述第一轮盘3同轴固定套设在所述联轴器上，其与所述第二轮盘4相对分布；所述第一轮盘3和所述第二轮盘4的边缘沿其周向均匀间隔相对设有多对贯穿的阵列孔5；每对所述发光元件9和所述光敏元件10相对分布在对应一对所述阵列孔5的两侧，且每对所述发光元件9和所述光敏元件10分别与所述扭矩检测模块11通讯连接。

测量过程中，发光元件9发射光信号，光敏元件10接收发光元件9发射的光信号，并发送给扭矩检测模块11；扭矩检测模块11接收传输过来的光信号并转化成电压信号，并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩，测量方便，精确度高。

优选地，本实施例中，上述第一轮盘3和第二轮盘4分别优选圆盘状结构。

优选地，本实施例中，上述发光元件9和光敏元件10优选两对，两对发光元件9和光敏元件10相对分布。

需要说明的是，上述发光元件9和光敏元件10分别采用的是现有技术，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

本实施例能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例还包括温度传感器8，所述温度传感器8分布在所述联轴器旁，并与所述扭矩检测模块11通讯连接。

测量过程中，通过温度传感器8实时检测联轴器的温度，修正最终扭矩计算值，提高测量的精确度。

需要说明的是，上述温度传感器8采用的是现有技术，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

实施例3

在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述扭矩传递筒2包括比较器模块13和微处理器14，每对所述发光元件9和所述光敏元件10分别与所述比较器模块13通讯连接，所述比较器模块13与所述微处理器14通讯连接。

测量时，比较器模块13接收光敏元件10传输过来的光信号并转化成电压信号，微处理器14接收电压信号并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩。

需要说明的是，上述比较器模块13和微处理器14分别采用的是现有技术，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

实施例4

在上述各实施例的基础上，本实施例还包括显示器12，所述显示器12与所述扭矩检测模块11通讯连接。

测量过程中，测量获得的结果可显示于上述显示器12，方便检测人员查看。

基于上述方案，每对发光元件9和光敏元件10、显示器12、温度传感器8分别通过线路与比较器模块13连接，比较器模块13通过线路与微处理器14连接。

需要说明的是，上述显示器12采用的是现有技术，其具体结构及原理在此不再进行赘述。

实施例5

在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述扭矩传递筒2呈一端封闭、另一端敞口的圆筒状结构，其封闭端设有供所述联轴器穿过的通孔，所述通孔的孔壁与所述联轴器固定连接；所述第二轮盘4同轴固定安装在所述扭矩传递筒2的另一端敞口处。

扭矩传递筒2的结构设计合理，既方便装配在联轴器上，又方便装配第二轮盘4，装配方便。

实施例6

在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述第一轮盘3与所述第二轮盘4之间留有缝隙。

第一轮盘3与第二轮盘4分布合理，方便测量扭矩。

基于上述方案，在外力作用下，联轴器会发生微小移动，此时会产生扭矩。所述第一轮盘3与所述第二轮盘4之间留有缝隙方便扭矩测量。

实施例7

在上述各实施例的基础上，本实施例中，所述联轴器包括中心轴1、第一法兰6和第二法兰7，所述第一法兰6和所述第二法兰7分别同轴固定套设在所述中心轴1的两端。

中心轴方便装配扭矩传递筒和第一轮盘，第一法兰方便连接非驱旋转机械，如离心压缩机，第二法兰方便连接驱动机，如燃气轮机。

实施例8

在实施例7的基础上，本实施例中，所述第一法兰6和所述第二法兰7的外径不一致。

第一法兰6和第二法兰7尺寸设计合理，方便连接不同的设备。

实施例9

在上述各实施例的基础上，本实施例还提供一种扭矩测量方法，采用如上所述的扭矩测量装置实现，包括以下具体步骤：

发光元件9发射光信号，光敏元件10接收所述发光元件9发射的光信号，并发送给比较器模块13；所述比较器模块13接收传输过来的光信号并转化成电压信号，微处理器14接收电压信号并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩。

本实施例还提供一种扭矩测量方法，该测量方法能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜。

实施例10

在实施例9的基础上，本实施例还包括温度传感器8实时检测联轴器的温度，并发送给所述比较器模块13。

温度传感器8设置合理，通过温度传感器8实时检测联轴器的温度，修正最终扭矩计算值，提高测量的精确度。

本发明中扭矩的测量方法步骤如下：

S1：在第一轮盘3和第二轮盘4的两侧安放发光元件9和光敏元件10，发光元件9输出光信号或者激光信号，光敏元件10接收到输出光信号或者激光信号后，传送至扭矩检测模块11，扭矩检测模块11测传输过来的电压信号，通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩，并于显示器16上显示；

同时，通过温度传感器8能实时测量联轴器的温度，修正最终扭矩计算值；

S2：当联轴器旋转时，联轴器的两端没有扭矩，第一轮盘3和第二轮盘4上的阵列孔5完全重合，联轴器旋转时光敏元件10会检测到发光元件9发出的光，使得光敏元件10呈现“通”与“断”的变化，“通”状态的周期为Ton，“断”状态的周期为Toff，输出高低压电平的电脉冲信号向外输出，且Ton与Toff相等，所产生的电信号的相位关系直接与第一轮盘3和第二轮盘4的相对位移相关；

S3：当联轴器上有扭矩时，第一轮盘3和第二轮盘4上的阵列孔5不重合，阵列孔5重合面积变小，随着联轴器扭矩的增加，第一轮盘3和第二轮盘4相互之间的旋转偏转与施加的扭矩成正比，旋转时光敏元件10会检测到发光元件9发出的光，使得光敏元件10呈现“通”与“断”的变化，将输出高低压电平的电脉冲信号向外输出，Ton与Toff不相等，扭矩值越大，Ton越小，Toff越大，随着第一轮盘3和第二轮盘4的转动，通过对脉冲的计数与计时，完成扭矩大小的确定；

S4：电脉冲信号首先被送到比较器模块13，电脉冲信号作为比较器的一个输入，将参考电压作为另一个输入，将参考电压作为另一个输入，参考电压是比较器模块中使用的基准电压，大小1-5V，比较器模块13将电脉冲信号和参考电压进行比较，当电脉冲信号的电压高于参考电压时，比较器模块13的输出为高电平；当电脉冲信号的电压低于参考电压时，比较器模块13的输出为低电平，然后输出一个数字信号，数字信号被微处理器14接收，微处理器14通过检测数字信号的边缘来确定电脉冲信号的高低电平位置，并通过内部的计时器来记录边缘发生的时间，最后微处理器通过算法来根据电脉冲信号的高低电平位置和发生时间来计算扭矩。

具体的根据Ton/Toff与扭矩成正比关系，设定一个基础的扭矩测量公式，其公式为：

T＝K*Δθ

其中：T表示扭矩；K表示扭矩传感器的灵敏度系数，是一个常数，表明在无偏差情况下的理想响应；Δθ表示轮盘之间的相对角度偏差；

结合零点偏移扭矩Z、满量程扭矩FST、全量程扭转角度偏差FSTw以及温度对弹性模量的影响E₀(1-A*K)，通过校准来修正这种偏差，修正后的扭矩计算公式如下：

其中：T是扭矩；E₀是15℃弹性模量；K为联轴器温度；

A，B，C，D是校正系数，F是修正系数，Z是零点偏移扭矩；

FSTw是扭矩传感器在满载条件下的角度偏差，它反映了设备在最大工作扭矩下的角度误差。在理想情况下，扭矩和角度偏差之间应该是线性关系，即扭矩越大，角度偏差也越大；

NL是非线性误差，实际的扭矩-角度偏差关系不是严格的线性关系，通过引入一个非线性校正系数1+D*NL来修正。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明能实现旋转和静态条件下的扭矩测量，具有较高的精度和稳定性。同时简化了现场安装和调校过程，降低了对材料和工况的要求，提高了测量范围和动态响应性能，且制造加工难度低，造价便宜，已经在长输天然气管道燃驱压缩机组上得到了应用，在对机组性能评估、优化运行、故障诊断等方面发挥了巨大作用，除了应用在非电驱的旋转机械外，还将有助于扭矩测量技术在更广泛的领域得到应用，满足不同场合的需求。

需要说明的是，本发明所涉及到的各个电子部件均采用现有技术，并且上述各个部件之间电连接，与各个部件之间的控制电路为现有技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扭矩测量装置，其特征在于：包括联轴器、扭矩传递筒(2)、第一轮盘(3)、第二轮盘(4)、扭矩检测模块(11)和多对相互匹配的发光元件(9)和光敏元件(10)，所述扭矩传递筒(2)同轴固定套设在所述联轴器上，所述第二轮盘(4)同轴固定安装在所述扭矩传递筒(2)的一端；所述第一轮盘(3)同轴固定套设在所述联轴器上，其与所述第二轮盘(4)相对分布；所述第一轮盘(3)和所述第二轮盘(4)的边缘沿其周向均匀间隔相对设有多对贯穿的阵列孔(5)；每对所述发光元件(9)和所述光敏元件(10)相对分布在对应一对所述阵列孔(5)的两侧，且每对所述发光元件(9)和所述光敏元件(10)分别与所述扭矩检测模块(11)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：还包括温度传感器(8)，所述温度传感器(8)分布在所述联轴器旁，并与所述扭矩检测模块(11)通讯连接。

3.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述扭矩传递筒(2)包括比较器模块(13)和微处理器(14)，每对所述发光元件(9)和所述光敏元件(10)分别与所述比较器模块(13)通讯连接，所述比较器模块(13)与所述微处理器(14)通讯连接。

4.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：还包括显示器(12)，所述显示器(12)与所述扭矩检测模块(11)通讯连接。

5.根据权利要求1-4任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述扭矩传递筒(2)呈一端封闭、另一端敞口的圆筒状结构，其封闭端设有供所述联轴器穿过的通孔，所述通孔的孔壁与所述联轴器固定连接；所述第二轮盘(4)同轴固定安装在所述扭矩传递筒(2)的另一端敞口处。

6.根据权利要求1-4任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述第一轮盘(3)与所述第二轮盘(4)之间留有缝隙。

7.根据权利要求1-4任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述联轴器包括中心轴(1)、第一法兰(6)和第二法兰(7)，所述第一法兰(6)和所述第二法兰(7)分别同轴固定套设在所述中心轴(1)的两端。

8.根据权利要求7所述的扭矩测量装置，其特征在于：所述第一法兰(6)和所述第二法兰(7)的外径不一致。

9.一种扭矩测量方法，其特征在于：采用如权利要求2-8任一项所述的扭矩测量装置实现，包括以下具体步骤：

发光元件(9)发射光信号，光敏元件(10)接收所述发光元件(9)发射的光信号，并发送给比较器模块(13)；所述比较器模块(13)接收传输过来的光信号并转化成电压信号，微处理器(14)接收电压信号并通过计算输出脉冲的个数以及时间间隔从而计算出扭矩。

10.根据权利要求9所述的扭矩测量方法，其特征在于，还包括温度传感器(8)实时检测联轴器的温度，并发送给所述比较器模块(13)。