2011热能与动力工程测试技术课件第十章.pdf

第十章第十章转速与功率测量转速与功率测量主要内容主要内容转速测量转速测量功率测量（转矩的测量）功率测量（转矩的测量）第一节第一节转速测量转速测量一、转速表分类一、转速表分类接触式接触式离心式转速表离心式转速表磁性转速表磁性转速表电动转速表电动转速表定时转速表定时转速表重块式离心转速表结构示意图重块式离心转速表结构示意图重锤重锤滑块滑块杠杆杠杆指针指针齿条齿条离心式转速表离心式转速表NS游丝游丝指针指针永久磁铁永久磁铁圆盘圆盘铁心铁心旋转轴旋转轴磁性转速表结构示意图磁性转速表结构示意图磁性转速表磁性转速表用于发动机台架的磁电式转速测量用于发动机台架的磁电式转速测量电动转速表电动转速表实际上是一个小型永磁的交流或直流发电机，实际上是一个小型永磁的交流或直流发电机，由被测轴通过联轴器直接带动发电，转速由被测轴通过联轴器直接带动发电，转速越高，产生的电动势越高越高，产生的电动势越高定时转速表定时转速表通过累计一定时间内的转数来测量转速测通过累计一定时间内的转数来测量转速测量时，转速表的转轴对正并压入测量轴的量时，转速表的转轴对正并压入测量轴的中心孔，按下按钮，启动轮起动，此时指中心孔，按下按钮，启动轮起动，此时指针转动，开始测量转速。

针转动，开始测量转速接触式转速表的特点接触式转速表的特点优点：优点：结构简单，使用方便，价格低结构简单，使用方便，价格低缺点：缺点：测量范围一般不高于测量范围一般不高于30000r/min30000r/min，测量精，测量精度低，受环境温度影响大度低，受环境温度影响大非接触式非接触式光电式转速传感器光电式转速传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器反射式红外转速传感器反射式红外转速传感器数字式转速传感器数字式转速传感器光电式转速传感器光电式转速传感器工作原理：工作原理：利用装在被测转速轴上的遮光盘间利用装在被测转速轴上的遮光盘间断的遮住光源照射在光电管上的光束，使光电管极断的遮住光源照射在光电管上的光束，使光电管极点电流发生交替变化遮光盘每转一周，传感器发点电流发生交替变化遮光盘每转一周，传感器发出出z z个脉冲信号，脉冲信号的频率为个脉冲信号，脉冲信号的频率为znf60=遮光盘的狭缝数遮光盘的狭缝数透光式光电转速传感器透光式光电转速传感器光源光源遮光板遮光板光电管光电管原理示意图原理示意图反射式光电转速传感器反射式光电转速传感器反射纸反射纸照射和发射光线照射和发射光线光电式数字转速传感器简图光电式数字转速传感器简图磁电式转速传感器磁电式转速传感器原理：原理：由导磁材料制成的有由导磁材料制成的有z z个齿齿轮装在被测轴上，由永个齿齿轮装在被测轴上，由永久磁铁和线圈组成的磁头安装在紧靠边缘内久磁铁和线圈组成的磁头安装在紧靠边缘内2mm 2mm 处，齿轮处，齿轮每转个一个齿就切割一次磁力线，产生一个感应电动势的每转个一个齿就切割一次磁力线，产生一个感应电动势的脉冲信号，每转一周就产生脉冲信号，每转一周就产生z z个脉冲信号。

个脉冲信号结构简单，无需配置专门的电源装置，产生的脉冲信号不结构简单，无需配置专门的电源装置，产生的脉冲信号不受转速影响受转速影响优点znf60=齿轮的齿数齿轮的齿数原理示意图原理示意图齿轮齿轮永久磁铁永久磁铁线圈线圈第二节第二节转矩测量转矩测量一、功率测量方法一、功率测量方法通过电功率测量（能量转换法）通过电功率测量（能量转换法）通过转矩间接测量通过转矩间接测量9550TnP =平衡力法平衡力法传递法传递法测功机测功机转矩仪转矩仪测量出驱动动力机械的电机的输入功率和电机的效率，即可得到能量转换法能量转换法基本原理基本原理基于弹性材料的扭转变形，当扭矩仪在传递扭矩时，两基于弹性材料的扭转变形，当扭矩仪在传递扭矩时，两端的横截面发生相对变形，同时在轴的外圈表面也因承端的横截面发生相对变形，同时在轴的外圈表面也因承受力而发生应变通过测量扭转角或表面应变方式的大受力而发生应变通过测量扭转角或表面应变方式的大小来确定扭矩小来确定扭矩T T特点特点只能传递被测扭矩而不能吸收功率，因此扭矩仪只能安装只能传递被测扭矩而不能吸收功率，因此扭矩仪只能安装在原动机和负载之间在原动机和负载之间传递法传递法传递法转矩仪的分类传递法转矩仪的分类传感器所传感器所感受的参数感受的参数: :变形型、应变型和应力型变形型、应变型和应力型转矩信号的转矩信号的产生方式产生方式: :电阻式、光学式、感应式等电阻式、光学式、感应式等转矩信号的转矩信号的传输方式传输方式: :接触式和非接触式接触式和非接触式传感器的传感器的安装方式安装方式: :串装式和附装式串装式和附装式平衡力法平衡力法基本原理：基本原理：当匀速运转的动力机械的传动轴对外输出一当匀速运转的动力机械的传动轴对外输出一定大小的转矩时，在其机壳上必然同时作用着大小相等、定大小的转矩时，在其机壳上必然同时作用着大小相等、方向相反的平衡力矩。

通过测量机壳上的平衡力矩来确定方向相反的平衡力矩通过测量机壳上的平衡力矩来确定机械传动轴上的作用力矩机械传动轴上的作用力矩L测功机标定示意图测功机标定示意图机壳机壳平衡支承平衡支承二、常用转矩仪二、常用转矩仪1、钢铉转矩仪、钢铉转矩仪0012fl=()220TKff=基本原理：基本原理：根据弹性扭曲的变形引起钢铉伸缩，从根据弹性扭曲的变形引起钢铉伸缩，从而使钢铉振动的固有频率发生变化来测量转矩而使钢铉振动的固有频率发生变化来测量转矩钢铉的固有振动频率钢铉的固有振动频率钢铉的受扭矩钢铉的受扭矩T T时的频率时的频率振铉式扭矩仪振铉式扭矩仪2、相位差转矩仪、相位差转矩仪原理：原理：在弹性变形范围内，利用弹性轴间隔一定在弹性变形范围内，利用弹性轴间隔一定长度的两个端面上所产生扭转角的与转矩成正比长度的两个端面上所产生扭转角的与转矩成正比利用光学元件将转矩引起的弹性轴变形产生的相利用光学元件将转矩引起的弹性轴变形产生的相位转角转换为电信号，从而实现转矩的测量位转角转换为电信号，从而实现转矩的测量分类：分类：根据感受件不同，可分为三种形式根据感受件不同，可分为三种形式光电式转矩仪光电式转矩仪光学式转矩仪光学式转矩仪磁电式转矩仪磁电式转矩仪（1 1）光电式转矩仪）光电式转矩仪原理：原理：利用弹性扭轴两端的光学元件将转矩引起的弹性利用弹性扭轴两端的光学元件将转矩引起的弹性变形产生的相位差转换为电信号，再根据监测到的电信变形产生的相位差转换为电信号，再根据监测到的电信号确定作用在轴上的转矩。

号确定作用在轴上的转矩光源光源光敏光敏元件元件弹性轴弹性轴光栅盘光栅盘工作原理图工作原理图输出波形图输出波形图数学模型数学模型cccIIITtTtII=/c光电流脉冲的平均值只与弹性轴扭转后的扭转角有关，光电流脉冲的平均值只与弹性轴扭转后的扭转角有关，而与弹性轴旋转的速度无关而与弹性轴旋转的速度无关为光栅盘上相邻两黑白图形包含的夹角为光栅盘上相邻两黑白图形包含的夹角3 3）磁电式转矩仪）磁电式转矩仪基本原理基本原理：在相距在相距L L的的量截面上装有两个带齿量截面上装有两个带齿的圆盘及构造与性能完的圆盘及构造与性能完全相同的两个磁电式传全相同的两个磁电式传感器，轴每转一周产生感器，轴每转一周产生一列脉冲信号，当轴传一列脉冲信号，当轴传递转矩产生变形时，两递转矩产生变形时，两个传感器产生的脉冲信个传感器产生的脉冲信号波形间将产生一个与号波形间将产生一个与扭矩成正比的相位角扭矩成正比的相位角相位角信号输入到测量相位角信号输入到测量电路并经数据处理求出电路并经数据处理求出转矩电磁传感器的输出信号电磁传感器的输出信号信号输出信号输出E信号输出信号输出F信号输出信号输出E信号输出信号输出F外齿轮外齿轮弹性轴弹性轴电动机电动机旋转套筒旋转套筒内齿轮内齿轮永久磁铁永久磁铁线圈线圈磁电式转矩传感器结构示意图磁电式转矩传感器结构示意图3 3、应变式转矩仪、应变式转矩仪原理：原理：利用应变原理，当被测轴承受转矩时，其利用应变原理，当被测轴承受转矩时，其产生切应力，而最大应力发生在轴的外圆周面上。

产生切应力，而最大应力发生在轴的外圆周面上两个主应力轴线成两个主应力轴线成4545和和135135夹角通过测量粘夹角通过测量粘贴在主应力方向上的应变片的应变值贴在主应力方向上的应变片的应变值来测量来测量转矩364(1)E DM=+4 4、磁致伸缩式转矩仪、磁致伸缩式转矩仪原理：原理：利用铁磁物体利用铁磁物体的磁导率在机械力的的磁导率在机械力的作用下发生显著变化作用下发生显著变化拉应力下，其磁导率拉应力下，其磁导率增加，压应力下磁导增加，压应力下磁导率减小无扭矩无扭矩有扭矩有扭矩三、测功机三、测功机测功机根据传递力矩的媒介不同，测功机可分为三种形式测功机根据传递力矩的媒介不同，测功机可分为三种形式：电力测功机电力测功机电涡流测功机电涡流测功机水力测功机水力测功机1 1、电力测功机、电力测功机1.1.基本原理基本原理：使待测的动力机械直接带动一台直流或交使待测的动力机械直接带动一台直流或交流发电机，然后根据发电机的电功率及效率计算出动力流发电机，然后根据发电机的电功率及效率计算出动力机械的输出功率由于电机效率一般难以精确确定，所机械的输出功率由于电机效率一般难以精确确定，所以该种测量方法精度不高，在这价格昂贵，一般很少使以该种测量方法精度不高，在这价格昂贵，一般很少使用用。

2.2.分类：分类：直流电力测功机和交流电力测功机直流电力测功机和交流电力测功机3.3.直流电力测功机结构简图直流电力测功机结构简图转子转子定子定子励磁绕组励磁绕组电枢电枢绕组绕组励磁绕组励磁绕组电枢电枢绕组绕组测力测力机构机构力臂力臂4.4.工作方式：测功和发电工作方式：测功和发电测功时测功时转子被动转子被动力机械带力机械带动转动动转动转子电枢切转子电枢切割磁力线，割磁力线，产生电流产生电流产生电磁力产生电磁力矩阻止转子矩阻止转子转动转动磁场对定子磁极磁场对定子磁极产生作用力，形产生作用力，形成定子摆动力矩成定子摆动力矩输出力矩与阻力输出力矩与阻力矩相等，定子做矩相等，定子做匀速转动匀速转动装在定子一侧的测力机构的显示值即为装在定子一侧的测力机构的显示值即为动力机械的转矩值动力机械的转矩值5.5.数学模型数学模型RnKPRnKKIKTRnKREIet/22322121=为转速为定子励磁绕组的磁通为电机电动势系数，nKnKE,11 =交流电力测功机交流电力测功机特点：吸收和发出的都是交流电，既可按电动机运行，也可吸收和发出的都是交流电，既可按电动机运行，也可按发电机运行，发出的电能可以消耗与负荷电阻上，按发电机运行，发出的电能可以消耗与负荷电阻上，也可输回供电电网加以利用。

也可输回供电电网加以利用测量方式：测量方式：（1 1）被测动力机械直接驱动三相交流发动机，测得有小功）被测动力机械直接驱动三相交流发动机，测得有小功率为率为（2 2）采用直流测功机相同的原理采用直流测功机相同的原理cos1003UIPe=2 2、电涡流测功机、电涡流测功机1.1.基本原理基本原理一种利用涡电流起制动作用的转矩测量仪装有励磁线一种利用涡电流起制动作用的转矩测量仪装有励磁线圈和涡流环的定子由轴承支撑在轴承支架上，由带齿轮圈和涡流环的定子由轴承支撑在轴承支架上，由带齿轮感应子和转轴构成的转子支撑在定子中，通过定子外壳感应子和转轴构成的转子支撑在定子中，通过定子外壳上力臂测出的定子沿轴线的摆动量来确定转矩的大小上力臂测出的定子沿轴线的摆动量来确定转矩的大小2.2.特点：特点：结构简单、控制方便、转速范围和功率范围宽；结构简单、控制方便、转速范围和功率范围宽；涡电流转换成热能消耗掉，因此不能发出电力反馈电涡电流转换成热能消耗掉，因此不能发出电力反馈电网，不能作为电动机反拖动力机械网，不能作为电动机反拖动力机械3.3.结构简图结构简图定子定子励磁绕组励磁绕组感应子感应子转子转子涡流环涡流环轴承轴承摆动轴承摆动轴。