CN212111021U - 一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，所述微小扭矩自动校准器包括支架、主动轮、从动轮、编码器、砝码及接近开关；旋转驱动装置通过电磁离合器与传动轴连接，电磁离合器的动作电流采用恒流源输出；支架由立柱及水平臂组成，主动轮能够绕立柱的轴线转动；主动轮上设的轴套能够与传动轴卡接；水平臂上设从动轮，从动轮上设编码器，单丝线的一端与主动轮连接，另一端绕过从动轮后竖直向下连接砝码；砝码下方的机架上设接近开关；恒流源、编码器及电磁离合器分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。本实用新型能够在全速范围内通过算法智能化校准扭矩，自动全程对扭矩进行校准，具有肉眼可视的校准过程，并且支持人工无扰式复验。

Description

一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器

技术领域

本实用新型涉及焦化行业中煤性能评价技术领域，尤其涉及一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器。

背景技术

长期以来，用于焦化行业对煤性能进行评价的仪器设备由于国内起步晚和制造水平所限等因素的影响，一直没有实质性进步，基本依赖进口机型。随着技术进步和国内对同类设备应用的重视，相继有类似产品推出，但从使用性能以及原理、结构上，都很难满足精度要求，导致该类国产设备不能投入实际应用。

从目前的进口机型或国产机型上看，此类设置都存在着操作繁琐、效率低下、自动化程度低的弊端，更为重要的是，某些情况下需要人工操作，而这一环节会直接影响仪器测量结果的准确性和可靠性。导致同型、同规格、同试样的条件下，所获得的数据没有重复性，使行业性数据结果无法对比，影响了生产、学术上的横向交流和提高，严重影响了生产力的提升。

影响基氏流动度测定结果的主要因素有几种，而其中最重要的核心就是扭矩的校准，目前国内外多数采用手持扭矩校准器(一种扭矩表)来进行校准，另外还有一种方式是基于应变式传感器，即用电子压力或拉力类传感器间接进行测量的方式(以下简称电子式)。

电子式由于被测扭矩微小、受环境因素影响大、传感器本身的误差波动和不确定性，在使用前必须进行自身校准，否则就会存在较大误差，从而增加了操作上的繁杂程度。

手持扭矩校准器在符合测量输出扭矩量程范围时其灵敏度较低，更为重要的是，其使用时完全依靠人工操作，因此对操作人员的要求较高。具体操作时，需要由操作人员将扭矩表卡装在扭矩输出的旋转轴上，且必须保证垂直，然后扭矩输出轴开始高速旋转进行测量，在测量过程中极易出现松脱和不可避免的手部抖动，给扭矩测量带来了较大影响和不确定性。若扭矩不符合标准，则需要调整输出扭矩后重新测量，常常需要反复进行校正。另外，若要测不同转速下的扭矩输出，准确性就更难达到了。很明显，这种校正方式在操作上完全受限于操作人员的责任心、手法以及耐心，稍有疏忽就会导致结果出现错误。此外，这种手持扭矩校准器的最高测定精度为±5％，从这个指标看其已经处于校准最大误差要求的极限，若要获得更高精度显然已经不可能实现。

另外，上述两种测量方式存在一个共性，即测量过程不符合GB和ISO相关标准要求, 标准中要求测量扭矩时要保证输出轴至少旋转一周，用以验证360度范围输出的扭矩是否均满足要求，而电子式仅仅测量圆周上的一个点，手持扭矩校准器若想符合要求需要分别测量多次才能满足。

综上，现有常规的扭矩校装置存在下列不足：1)电子式不能满足旋转一周进行扭矩校准的要求，因此这种校准方式存在根本性错误；2)电子式受各种综合因素影响导致误差大，且其自身每次都要进行校准；3)手持扭矩校准器本身的精度无法满足要求，操作繁琐；4)手持扭矩校准器很难满足平稳旋转一周来对扭矩进行校准；5)上述两种方式都无法进行自动化校准，均需要人工操作；6)上述两种方式均无法实现全速范围内的扭矩校准。

基于这种现状，对于基氏流动度检测时输出扭矩的校准急需研制出一种可靠的、科学的、智能化程度高、更加直观的，特别是能在不同转速下全范围进行自动校准的设备。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，能够在全速范围内通过算法智能化校准扭矩，能够自动的全程对扭矩进行校准，具有肉眼可视的校准过程，并且支持人工无扰式复验。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，包括支架、主动轮、从动轮、编码器、砝码及接近开关；所述基氏流动度测定仪设机械臂带动搅拌器转动，机械臂能够在外部驱动下竖直移动，机械臂内置有旋转驱动装置及电磁离合器，旋转驱动装置通过电磁离合器与输出轴连接，电磁离合器的动作电流采用恒流源输出；输出轴的下端竖直向下延伸到机械臂的下方；所述支架固定在基氏流动度测定仪的机架上，支架由立柱及水平臂组成，立柱的上部设托板，主动轮与立柱同轴设置于托板上并能够绕立柱的轴线转动；主动轮的上侧设轴套，轴套能够与输出轴卡接；主动轮上方的立柱顶部设分离挡板；水平臂的伸出端设从动轮，从动轮上设编码器，从动轮的轴线沿水平方向设置，单丝线的一端与主动轮连接，另一端绕过从动轮后竖直向下连接砝码；砝码下方的机架上设接近开关；恒流源、编码器及电磁离合器分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。

所述轴套的上部设弹性结构，弹性结构由沿轴套周向开设的多条狭缝组成，狭缝平行于轴套的轴线方向开设；输出轴下移时轴套的上部张开使输出轴的下端进入轴套内，通过弹性结构使轴套与输出轴紧密连接，在输出轴的带动下，轴套带动主动轮转动，并进一步通过单丝线带动砝码上下移动。

所述水平臂的伸出端设短轴，从动轮通过轴承套设在短轴上。

所述轴承为微型低阻轴承。

所述单丝线在连接砝码的一端外侧设护罩，护罩的顶部靠近从动轮的底部，护罩的顶部中心开设通孔供单丝线穿过，护罩的底部与机架可拆卸地固定连接；所述护罩采用透明亚克力材料制作。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)在全速范围内通过算法智能化校准扭矩；

2)能够自动的全程对扭矩进行校准；

3)肉眼可视的校准过程，并支持人工无扰式复验。

附图说明

图1是本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器的结构示意图。

图2是图1中的A-A视图。

图3是本实用新型所述砝码限定移动范围示意图。

图中：1.机械臂 2.输出轴 3.单丝线 4.水平臂 5.从动轮 6.编码器 7.护罩 8.砝码 9.接近开关 10.紧固件 11.机架 12.立柱 13.托板 14.主动轮 15.分离挡板 16.轴套 17.电磁离合器 18.轴承 19.短轴 20.恒流源 A.狭缝 P.单丝线固定点

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1、图2所示，本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，包括支架、主动轮14、从动轮5、编码器6、砝码8及接近开关9；所述基氏流动度测定仪设机械臂1带动搅拌器转动，机械臂1能够在外部驱动下竖直移动，机械臂1内置有旋转驱动装置及电磁离合器17，旋转驱动装置通过电磁离合器17与输出轴2连接，电磁离合器17的动作电流采用恒流源20输出；输出轴2的下端竖直向下延伸到机械臂1的下方；所述支架固定在基氏流动度测定仪的机架11上，支架由立柱12及水平臂4组成，立柱 12的上部设托板13，主动轮14与立柱12同轴设置于托板13上并能够绕立柱12的轴线转动；主动轮14的上侧设轴套16，轴套16能够与输出轴2卡接；主动轮14上方的立柱 12顶部设分离挡板15；水平臂4的伸出端设从动轮5，从动轮5上设编码器6，从动轮5 的轴线沿水平方向设置，单丝线3的一端与主动轮14连接，另一端绕过从动轮5后竖直向下连接砝码8；砝码8下方的机架11上设接近开关9；恒流源、编码器6及电磁离合器 17分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。

所述轴套16的上部设弹性结构，弹性结构由沿轴套周向开设的多条狭缝A组成，狭缝A平行于轴套16的轴线方向开设；输出轴2下移时轴套16的上部张开使输出轴2的下端进入轴套16内，通过弹性结构使轴套16与输出轴2紧密连接，在输出轴2的带动下，轴套16带动主动轮14转动，并进一步通过单丝线3带动砝码8上下移动。

所述水平臂4的伸出端设短轴19，从动轮5通过轴承18套设在短轴19上。

所述轴承18为微型低阻轴承。

所述单丝线3在连接砝码8的一端外侧设护罩7，护罩7的顶部靠近从动轮5的底部，护罩7的顶部中心开设通孔供单丝线3穿过，护罩7的底部与机架11可拆卸地固定连接；所述护罩7采用透明亚克力材料制作。

本实用新型所述一种所述基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器的校准方法如下：

1)在全速范围内通过算法智能化校准扭矩；

启动微小扭矩自动校准器时，控制系统首先通过接近开关9判断砝码是否处于初始位置，位置确认后，机械臂1竖直向下运动使输出轴2与轴套16对接并锁定，然后启动电磁离合器17，此时电磁离合器17的电流为零，故输出轴2不转动；

通过恒流源20控制电磁离合器17的电流由零开始逐渐增加，输出轴2开始产生转矩，由于电磁离合器17的初始电流较小，输出轴2上的转矩不足以让砝码8产生向上的位移；此时编码器6处于初始零点脉冲状态；

随着电流继续增加，当输出轴2上的转矩大于砝码8所产生的静力矩时，砝码8开始上升，砝码8的位移量由编码器6转换为对应的脉冲数P；即：

PPS＝P/t (1)

式(1)中，PPS为单位时间内脉冲数，即砝码8向上移动的加速度；P为脉冲数；t 为时间；

主动轮14的直径是常数D，编码器6的线数为常数C，则有：

Lp＝πD/C (2)

式(2)中：Lp为单位脉冲距离；

通过式(2)，控制系统可判断当前砝码8的准确位置；当其达到上极限位置点时，无条件停止输出轴2的旋转；

恒流源20的输出电流i决定了输出轴2上的扭矩值，即：

i＝f×I×PPS (3)

式(3)中，f为比例系数，即调整过程的快慢系数；I为消除静差参数，即使砝码8 处于悬停的平衡参数；

通过式(3)，利用常规的PID算法，即可获得当前电流i的大小，记做：i_b，从而实现通过改变输出轴2的转矩使砝码8在提升一段距离后悬停在某一位置；在电磁离合器 17的输入转速范围内砝码8仍处于悬停状态，则证明扭矩在全速范围内均符合；

2)全程自动对扭矩进行复验校准；

全程是指主动轮14旋转一周的过程中，在任意位置均能够进行扭矩复验校准；进行复验校准时，先使电磁离合器17的电流置零，此时砝码8处于初始位置，假设在主动轮 14旋转一周的过程中需要通过m个点位来进行复验，则有：

h＝πD/m (4)

式(4)中，h是相邻2个点位的间隔距离，对应点位数m，有h1，h2，……hm-1；

控制系统进行验证时，给电磁离合器17输入使砝码8提升的电流，砝码8到h1位置时，将电磁离合器17的当前电流设置为ib，则砝码8悬停在h1位置；若在这个点位砝码 8无法悬停，则编码器6的位置不在h1，所以通过判断编码器6的实时位置即可判断当前验证点位是否合格；若该点位合格，则重复上述过程，对其余各个点位进行复验；

3)人工手动复验；

当所述1)在全速范围内通过算法智能化校准扭矩的操作完成后，意味着砝码8能够在限定移动范围内的任意一点悬停，此时不通过所述2)全程自动对扭矩进行复验校准，直接人工用手托住砝码8，如砝码8能够在限定移动范围内的任意位置悬停，则复验通过。

所述1)在全速范围内通过算法智能化校准扭矩时，将砝码8限定移动范围分割成多个点位，各点位的具体值根据单丝线3固定点随主动轮14转动一圈的周长除以整数n确定。

单丝线3的一端固定在主动轮14上的单丝线固定点P处，当主动轮14顺时针(图示方向)旋转时,将使单丝线3缠绕在主动轮14上，单丝线3绕过从动轮5后，在其另一端的末端栓一个砝码8，此时砝码8在主动轮14顺时针旋转带动下被提升。

砝码8的质量大小决定了与主动轮14直接相连的轴套16上扭矩大小。即砝码8的质量越大，需要施加在轴套16上的扭矩就越大。由此可见，本实用新型的扭矩校准器的构造原理较为简单，就是基于砝码8质量平衡的原理,当砝码8上升，就表明当前轴套16上的扭矩大于砝码8产生的静力矩，反之亦然。

根据GB及ISO相关标准，基氏流动度测定时的扭矩标准值为101.6±5.1g·cm，(即0.00996±0.0005N·M)，假设主动轮14和从动轮5有效直径均为50.8mm，当产生标准值的扭矩时，砝码8的质量为40g。而主动轮14旋转一周的周长为160mm，如图3所示，砝码8的上极限点位H点与初始点位Z点之间的垂直距离可以通过编码器6测量获得；当砝码8的质量为40g时，在H点与Z点之间的任意一点悬停时，忽略摩擦阻力和单丝线3自身质量影响，理论上40g砝码对应的扭矩就是101.6g.cm。

同时，根据相关标准规定,上述扭矩的误差为±5.1g·cm,换算成砝码质量就是±2g·cm, 那么当砝码为38g至42g时，均在允许的范围内。

扭矩的产生是由内置在机械臂1中旋转驱动装置及电磁离合器17实现的，通过恒流源20实现电流调节，当改变电磁离合器17的电流时，输出轴2上的扭矩发生相应变化。

因此，本实用新型所述一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器的的设计原理就是通过电流的大小来改变扭矩的大小,再通过砝码8的位置状态来实现校准。

如图1、图2所示，在机架11上通过紧固件10及立柱12与托板13连接，托板13 用于放置主动轮14，为防止主动轮14在输出轴2的作用下向上移动时出现过度移位，在主动轮14的上方设置了分离挡板15，在正常校验过程中，分离挡板15与主动轮14不接触。主动轮14的一侧设有向外伸出的轴套16，轴套16的上部沿圆周方向开设多条狭缝A，使轴套16的上部具有弹性，以便轴套16与输出轴2可以配合卡合锁定。

机械臂1是基氏流动度测定仪的一个组成部分，其中内置了旋转驱动装置与电磁离合器17，旋转驱动装置通过电磁离合器17连接输出轴2，通过恒流源20实现电流调节，电磁离合器17传递的扭矩通过输出轴2输出。当机械臂1竖直向下移动后输出轴2的下部插入到轴套16内与轴套16的上部卡接，在轴套16上部弹性结构的作用下主动轮14与输出轴2实现连接，当输出轴2旋转时就可以带动主动轮14同步旋转。当机械臂1向上移动时，主动轮14随之移动的过程中遇到分离挡板15，在分离挡板15的阻力作用下输出轴2与轴套16分离。

主动轮14的边缘处开有孔，用于固定单丝线3的一端，并通过单丝线3与从动轮5建立连接关系，从动轮5的一侧设短轴19，短轴19上安装有微型低阻轴承，从动轮5通过微型低阻轴承安装在短轴19上，因此从动轮具有极小的旋转阻尼。为了测量砝码8的移动距离，在从动轮5的短轴19上安装编码器6，实现旋转位移的测量。

为了防止砝码8受风力等外力影响，设置了护罩7，护罩7由透明的亚力克材料制成，有利于操作人员直接进行观察。当砝码8回落到初始位置Z点时，由接近开关9进行检测，护罩7设计成可拆卸结构，便于手动复验时操作方便。

由式(1)可知，单位时间内脉冲数PPS越大，则证明在单位时间内获得的脉冲数越多，即位移速度越快，PPS也代表了砝码8向上运动的加速度。

通过式(2)，控制系统(基氏流动度测定仪的控制系统)可以判断当前砝码8所在的准确位置。当砝码8达到H点时，无条件停止输出轴2的旋转，以保护砝码8不越过从动轮5而脱轨。当砝码8回到Z点时，控制系统通过接近开关9获得信号，从而确定砝码8 已回到初始位置。

经过式(3)运算后，控制系统控制砝码8处于平衡，并使最后的ib值保持，然后将电磁离合器17的输入转速提高，其理论转速范围为0～3000r/min；在提升转速过程中，尽量平滑匀速提升，或可根据设置的全速范围时间来平滑提升。如在0～3000r/min范围内砝码8仍处于悬停状态，则证明扭矩是在全速范围内都符合。实际应用中，也可以采用较为实用的方案，即将H-Z的距离分割为多个点位，例如按主动轮14每转动90°划分一个点位，除初始位置外，其余3个点位分别对应90°、180°及360°。也可以按主动轮 14每转动30°划分一个点位，但点位越多，校准的效率会越低。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，其特征在于，包括支架、主动轮、从动轮、编码器、砝码及接近开关；所述基氏流动度测定仪设机械臂带动搅拌器转动，机械臂能够在外部驱动下竖直移动，机械臂内置有旋转驱动装置及电磁离合器，旋转驱动装置通过电磁离合器与传动轴连接，电磁离合器的动作电流采用恒流源输出；传动轴的下端竖直向下延伸到机械臂的下方；所述支架固定在基氏流动度测定仪的机架上，支架由立柱及水平臂组成，立柱的上部设托板，主动轮与立柱同轴设置于托板上并能够绕立柱的轴线转动；主动轮的上侧设轴套，轴套能够与传动轴卡接；主动轮上方的立柱顶部设分离挡板；水平臂的伸出端设从动轮，从动轮上设编码器，从动轮的轴线沿水平方向设置，单丝线的一端与主动轮连接，另一端绕过从动轮后竖直向下连接砝码；砝码下方的机架上设接近开关；恒流源、编码器及电磁离合器分别连接基氏流动度测定仪的控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，其特征在于，所述轴套的上部设弹性结构，弹性结构由沿轴套周向开设的多条狭缝组成，狭缝平行于轴套的轴线方向开设；传动轴下移时轴套的上部张开使传动轴的下端进入轴套内，通过弹性结构使轴套与传动轴紧密连接，在传动轴的带动下，轴套带动主动轮转动，并进一步通过单丝线带动砝码上下移动。

3.根据权利要求1所述的一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，其特征在于，所述水平臂的伸出端设短轴，从动轮通过轴承套设在短轴上。

4.根据权利要求3所述的一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，其特征在于，所述轴承为微型低阻轴承。

5.根据权利要求1所述的一种基氏流动度测定仪用微小扭矩自动校准器，其特征在于，所述单丝线在连接砝码的一端外侧设护罩，护罩的顶部靠近从动轮的底部，护罩的顶部中心开设通孔供单丝线穿过，护罩的底部与机架可拆卸地固定连接；所述护罩采用透明亚克力材料制作。

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