采用高精度扭矩传感器 T40MAR 对船舶发动机进行优化

采用 HBM 高精度 T40MAR 扭矩传感器 对船舶发动机进行性能优化,可以节省大量燃料,确保其符合国际规范降低排放的要求。

国际 MARPOL 公约要求船舶逐步减少污染物排放,能够开发结合各种燃料(如经典船用燃料和液化天然气)的新发动机,双燃料发动机可以大幅降低废气排放,但从一种燃料快速切换到另一种燃料时,确保不会丧失功率。此外,当发动机在LNG模式下使用时,必须可靠地防止爆震,失火或过载(见图1)等临界操作模式(气缸压力)。

确保这一点的最重要的是负载信号的精确识别。这适用于经典船用燃料和液化天然气之间的切换,并且不能有任何功率损失,并确保发动机的驱动工作点处在最佳操作窗口中,且无需考虑驾驶情况[1]。因此可以显著降低燃油消耗,提高驱动效率(见图1)。

为了识别负载信号,需要根据发动机转矩M和角速度ω的精确测量来计算驱动功率P并将其传输到中央电子单元中。

P = ω*M              (1)

只有负载测量具有足够高的精度才能在最佳工作窗口中对这些船舶发动机进行适当的控制[1]。扭矩测量越精确,控制越准确。扭矩可以采用直接或间接测量方式进行。

如何测量负载?

间接测量

传动轴上的间接负载测量需要通过测量转矩相关参数并进行后续计算。 这些扭矩相关参数通常采用以下测定:

  • 输入轴表面的应变测量。 为此,将应变计直接胶合到轴上,然后连接到测量桥路中。 测量桥的激励电压和测量信号的传输都是需要是非接触式的。

  • 测量轴的扭转角度。

直接负载测量

直接负载测量将扭矩传感器集成到驱动轴中(见图2)。 扭矩传感器已经工厂采用校准机进行校准。 传感器可以方便地安装,拆卸,更换和重新校准。

图 2: 船舶认证 T40MAR 扭矩传感器

直接负载测量将扭矩传感器集成到驱动轴中(见图2)。 扭矩传感器已经工厂采用校准机进行校准。 传感器可以方便地安装,拆卸,更换和重新校准。

表 1: 直接和间接方法之间的容差比较
整体 5 … 7% , 不确定性 ~ 0,2 … 0,3%, 不确定性
输入量 间接: 应变片 直接: 扭矩传感器
杨氏模量 2 … 5% ~ 0%
应变系数 ~ 1% ~ 0%
轴规格 ~ 1% ~ 0%
应变片定位 1 … 5% ~ 0%
温度影响 2 … 5% ~ 0,1%

校准和可追溯性

对于高扭矩测量来说,这种物理量的校准和可追溯性越来越重要,以确保驱动功率的精度或效率,这对于满足船用发动机行业严格的环境规定至关重要[2]。 一般来说有三种扭矩校准方法:

  • 杠杆臂系统 - 当校准质量块(砝码)的重力通过已知长度的杠杆臂作用在试样上时,进行精确的扭矩校准[4]。
  • 扭矩校准中的第二种技术,是参考力传感器[3]替代砝码来进行。
  • 第三个原理是采用参考扭矩传感器。

采用参考扭矩传感器的系统可以使用任何机构来产生转矩,然后用转矩参考传感器[2] [3]测量。

HBM 扭矩校准机

图3:HBM 达姆施塔特校准实验室中的 400 kN·m 校准机

根据校准参考标准,这种新的校准机(见图3)组合了用于扭矩校准的两种方法:杠杆臂质量系统和参考扭矩传感器法。采用专门用于校准的 T10FH / 150 kN·m  和T10FH / 400 kN·m 传感器作为参考传感器。这两个精密参考传感器,可以实现0.1%的测量不确定度。

这是通过将扭矩传感器追溯到德国国家标准的参考文件进行不间断比较来完成的。德国国家标准的 1.1 MN·m 最高测量不确定度,由 PTB “扭矩标准机”来进行。这台新的400 kN·m校准机精度可追溯到0.08% 。

 

结论

T40MAR 扭矩传感器是专门用于船舶推进系统的开发和认证。其测量精度使得比航运业当前的环境法规要求的精度高出10倍以上的载荷信号进行计算。


References

[1]   K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2]   H. Frais, L. Lioba, D. Röske, Development of a New 400KN.m Torque Calibration Machine, Paper, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2015)  

[3]   R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[4]   Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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