1. 提供功率信号

现代大型内燃机的控制系统需要精确和快速响应(例如,燃料供给),以应对不同负载。以确保能够在任何时候都可以提供足够的功率,并降低能源损耗,保证安全可靠地运行。这需要将功率信号提供给车辆,压缩机和泵系统,需要采用特殊测量设备产生。一般来说,有三种不同的方法:

  1. 间接测量功率信号,例如通过流速,温度,压力等信息进行功率计算。通过这种方法,功率信号的不确定性非常高。另外一个缺点是,通过计算获得的辅值和动力过程不同步。
  2. 通过输入轴端的特定辅助量来间接测量。这包括通过轴表面扭转应变或是轴的扭转角来测量。在这些情况下,功率信号依然是通过计算得出。
  3. 测量输入轴扭矩直接获得功率信号。

本文将详细描述这三种功率测量方法,以及测量的不确定性。

2. 功率计算的基础

旋转轴的功率计算可通过等式

(1)

这里 M 是扭矩,n 是转速,扭矩计算可通过等式
(2)

这里 τ 是剪切应变, W shaft 是轴的阻力矩。扭转轴的特点是,两个主要方向的应力具有相同的绝对值,也就是:

(3)

由于在这种情况下,莫尔圆的中心定位于其坐标系的原点,剪切应力对应于主正应力的绝对值。因此可以认为

(4)

这里 ׀σ׀ 是应力的绝对值。以下应用:

(5)

假设输入轴是一个圆柱形的实心轴。(1) … (5) 功率由下式给出
(6)

扭转轴的应力为:

(7)

这里 E 是弹性模量, μ 泊松比和 是在主应力方向扭转轴表面的绝对应变值。  (6) … (7) 功率由下式给出

(8)

案例 A: 通过应变片测量应变

从应变因子的容差表中,见表1,单个错误时允许的。

案例 B: 通过测量扭转角 φ 测量应变

以下内容应用于:

(9)

输入轴的直径 d 和长度 l 以及测量误差 φ, 见表 1.

考虑 (8) 和 (9),通过测量转角的功率计算公式为:

(10)

3. 可允许的误差有多大?

在 (8),案例 A 和 B 中,所有的参数需要被 考虑。可通过以下方式评估:

案例 A 需要 应变片定位公差,以及温度误差,以便进行热补偿。应变片的安装质量产生的误差不在考虑范围内。

如果没有进一步的误差,表 1 显示了以上测量设备产生的总误差可以通过 μ 测量。理论上其不会查过 3 %, 但是在实际中,经常会大幅升高。

4. 降低功率信号测量的不确定性

为了降低方法 b 中的测量不确定性。必须加载到最大可能的扭矩,对带有测试设备的扭转轴进行标定。因此,加载设备需要进行一步步加载。通过大约的线性特性曲线和足够的测量点,可以修正测量的不确定性并进行校准。

但是,这在实际过程中是非常困难的。在大型驱动设备上安装测试设备并标定是非常困难的。

解决方案是需要在驱动端采用扭矩传感器 (方法 c.)。并且,需要在设计阶段就进行考虑,并且需要安装在驱动端和从动端之间。

Mounting of a torque flange in a drive train, with an HBM Torque Flange with a nominal (rated) measuring range of 2MNm

图1: 在驱动端安装扭矩传感器,HBM 扭矩法兰的量程高达 2MNm

按照上述 (1),功率可以直接通过扭矩和转速测量获得。

扭矩传感器可以事先进行满量程标定或是部分量程标定。依据不同量程和型号,测量不确定性为 0.03% 到 0.1% 之间。测量的不确定性和扭矩相关,但是和其他量无关,例如应变或是扭转角。由于内置温度补偿功能,扭矩传感器可以在很宽的温度范围内使用。

安装,替换和重新标定扭矩传感器非常简单。并且,提供了额外的功能。:

  • 扭矩信号的高分辨率 (16 ... 19 bit),能够记录幅度变化很小的扭矩信号
  • 更高的带宽 (最大到 6kHz),可以用于记录高动态变化过程  (例如,扭转振动)
  • 在不同的负载条件的情况下,非常快的控制信号
  • 结构结实,即使在恶劣环境下依然高可靠
  • 极为优秀的重复性和长期可靠性,适合长期监控
  • 提供特定周期的可视化特性扭矩曲线,便于维护 (CBM)

参考书

Karl Hoffmann
An Introduction to Measurements using Strain Gages
Publisher: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (1987)

Horst Kuchling
Taschenbuch der Physik
17th edition (2007)
Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

Authors

Eberlein, Dirk
Product and Application Manager, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

Kleckers, Thomas
Product and Application Manager, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

Weissbrodt, Klaus
Product and Application Manager, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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