《有效功率测量》PPT课件.ppt

2019/7/2,有效功率测量,电阻应变式传感器 吸收式测功器 扭矩仪 各类测功器的比较 转速测量,2019/7/2,电阻应变式传感器,一、工作原理 电阻式传感器的工作原理是将被测量的变化转化为电阻值的变化，通过测量电阻的变化来确定被测量。 电阻应变式传感器利用应变效应测量被测量。 导体或半导体制成的电阻丝在机械变形时，其电阻将发生变化，这就是所谓的应变效应。,2019/7/2,电阻应变式传感器,2019/7/2,电阻应变式传感器,一、工作原理 电阻丝的电阻值 取对数并微分得,2019/7/2,电阻应变式传感器,一、工作原理 经变换后得 上式表明，导体或半导体电阻的变化是由于几何尺寸的变化与其电阻率变化的综合结果。,2019/7/2,电阻应变式传感器,一、工作原理 对于导体而言 对半导体而言,2019/7/2,电阻应变式传感器,结论 电阻丝受力变形后，其电阻变化率与其应变成正比，比例常数K0和K0为电阻丝的灵敏系数。 导体K0通常为1.83.6； 用半导体制成的电阻丝。其压阻系数较大，eE(1+2),因而灵敏系数K0eE，该值可达100以上。,2019/7/2,电阻应变式传感器,二、应变片结构 应变片由敏感元件1、基底2、盖片4及引线3构成。,2019/7/2,电阻应变式传感器,丝式应变片 (a)丝绕式；(b)短接式,箔式应变片,2019/7/2,2019/7/2,电阻应变式传感器,半导体应变片,温度自补偿半导体应变片,2019/7/2,电阻应变式传感器,箔式应变片,2019/7/2,电阻应变式传感器,2019/7/2,电阻应变式传感器,特点 箔式：箔式应变片的敏感栅可以按需要制成任意形状，容易制成小尺寸的应变片。由于箔片扁平，接触面积大，传递应变好；散热性能好，允许通过较大的工作电流，所以测量的灵敏度提高。同时其横向灵敏度小，蠕变小，疲劳寿命长，因而使用广泛。 半导体式 ：最突出的优点是灵敏度高，高灵敏度排除了测量微小信号的困难；体积小，可制作小型和超小型应变片；频率响应高；机械滞后和横向效应小，提高了测量的准确性。其缺点主要是电阻温度系数大，对环境温度的变化敏感，不能用于较高的温度；测量大应变时，灵敏度的非线性严重。,2019/7/2,电阻应变式传感器,三、测量电路 应变片电路的变化常用惠斯登电桥进行测量。按工作应变片的数目不同，在电桥中的联接有1/4桥、半桥和全桥接法。,2019/7/2,电阻应变式传感器,三、测量电路,应变片在电桥中的接法,2019/7/2,电阻应变式传感器,三、测量电路,1/4电桥的接法,2019/7/2,电阻应变式传感器,1/4电桥测量电路电桥的输出电压V0为: 如果R1=R2=R3=R4，则电桥输出电压V0为:,2019/7/2,电阻应变式传感器,一般RR，故可以写成 : 输出电压V0与应变量成近似的线性关系 。,2019/7/2,电阻应变式传感器,全桥接法，其电桥输出电压 ： 特点：1）灵敏度提高； 2）非线性得到改善 ； 3）补偿了温度效应 。,2019/7/2,电阻应变式传感器,四、应变片的温度补偿 1、温度影响的来源： 1）电阻丝的电阻温度效应 R=Rt 2）电阻丝与试件或弹性元件的线膨胀系数不同而引起的电阻变化。 R=RK0(1-2) t,2019/7/2,电阻应变式传感器,四、应变片的温度补偿 1、温度影响的来源： 温度变化t后，电阻丝电阻总的变化量为 ： R=R+R=R+K0(1-2)t,2019/7/2,电阻应变式传感器,四、应变片的温度补偿 2、温度补偿 1）贴补偿应变片法。 2）自补偿法 。 当+K0(1-2) =0时，R=0，即可实现实现温度自补偿的目的。,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,2019/7/2,吸收式测功器,有效功率：发动机输出轴上所发出的功率。 式中 M发动机输出扭矩，Nm； n输出轴的转速，r/min。 发动机的有效功率是间接地从扭矩和转速的直接测量结果经上式计算得到。,2019/7/2,吸收式测功器,扭矩的测定方法： 1、吸收法 吸收法是用某种装置给轴以制动力矩，与发动机功相当的制动功以热的形式散发，测量这时的制动力矩就可求得发动机输出扭矩。由于是把发动机的功全部吸收，故称为吸收式测功器，或简称为测功器。 2、传递法 测定发动机与被驱动机械的连接轴的扭转或应变，即测轴传递的扭矩，故称为传递式测功器，或简称扭矩仪。,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 1、工作原理 水力测功器的基本工作原理，是利用在水中旋转的运动物体，使水产生涡流运动，形成摩擦阻力矩。在此过程中，机械能转换成热能，使水的温度升高，从而吸收内燃机的功率。 根据作用力矩与反作用力矩大小相等、方向相反的原理，当转子转速稳定时，水对外壳所产生的摩擦力矩等于内燃机带动转子旋转传给水的扭矩。,2019/7/2,吸收式测功器,水力测功器结构原理图,2019/7/2,吸收式测功器,水力测功器的测力机构,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 1、工作原理 设测力机构测得制动力为F(N)，力臂为L(m)，则制动力矩Mk=FL，所测得的制动功率为,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 1、工作原理 对于某一具体的水力测功器而言，测力机构尺寸是确定的，所以制动功率为 Pe=kFn（kW） 式中 k为水力测功器常数，k=L/9550,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 2、影响水力测功器制动力矩的因素 主要因素是尺寸和转速，整个圆盘对水的摩擦力矩为： 式中 圆盘摩擦损失系数； Ra 圆盘的外半径 ； Rb 浸入水层中的内半径。 调节测功器中的水量，改变圆盘浸湿内半径Rb的值，就能改变测功器吸收功率的大小。,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 3、水力测功器的结构类型 1）圆盘式水力测功器 2）销棒式水力测功器 它的优点是测功器尺寸不大，而功率储备较大。但其工作状况不够稳定，在低负荷区尤为明显。 3）闸套式水力测功器 工作稳定，在低负荷时工作也比较平稳，操作方便。缺点是结构复杂，不能反转。,2019/7/2,吸收式测功器,圆盘式水力测功器简图,2019/7/2,吸收式测功器,销棒式水力测功器简图,2019/7/2,吸收式测功器,闸套式水力测功器简图,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 4、水力测功器的供水系统 对供水系统的要求： 1）测功器的供水压力要稳定。 2）要求具有一定的循环水量，不至水温过高，出水温度保持在5070以下 。 水量可以根据热量平衡方程式求得：,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 4、水力测功器的供水系统 供水系统的类型 1）简易的供水系统 用于较小的发动机试验台，缺点是水不能回收。 2）带循环水池的供水系统 用于较大型的发动机试验台，水的消耗仅限于水的蒸发损失。 3）压力供水系统 用于闸套式水力测功器。,2019/7/2,吸收式测功器,简易供水系统,2019/7/2,吸收式测功器,带水池的测功器供水系统,2019/7/2,吸收式测功器,压力供水系统,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 5、水力测功器的特性曲线 测功器所能吸收的功率或扭矩与转速的关系，称为测功器的特性。测功器的特性曲线表明了它的工作范围，亦即表明了在不同转速下测功器能吸收的最大及最小功率 。 吸收的最大功率：,2019/7/2,吸收式测功器,水力测功器的工作范围,2019/7/2,吸收式测功器,一、水力测功器 5、水力测功器的特性曲线 选择测功器的要求： 1）内燃机的外特性要全部落在曲线图内； 2）尽量靠近oab线，以保证工作的稳定性。,2019/7/2,吸收式测功器,二、电力测功器 1、平衡式电力测功器的原理及特点 当电力测功器的电枢1被动力机械带动在磁场中匀速转动时，有电磁力阻止电枢转动，电力测功器的定子2像水力测功器的外壳那样可以在滚动轴承3中摆动，并带动一套测力机构，当电枢1转动时，由于电磁力的作用使定子2顺着电枢1旋转的方向摆动，此种摆动被测力机构所平衡。当动力机械的扭矩和电力测功器的阻力矩相等时，电枢匀速旋转，测力机构指针的指示值反映了动力机械扭矩的大小。 平衡式电力测功器有直流和交流两种。,2019/7/2,吸收式测功器,平衡式电力测功器原理图,2019/7/2,吸收式测功器,二、电力测功器 2、平衡式直流电力测功器 平衡式直流电力测功器三个组成部分： (1)平衡电机即测功电机，包括直流电机和测力机构。 (2)交直流变流机组。由一台三相交流电机和一台直流电机组成。 (3)激磁机组（小型变流机组）。,2019/7/2,吸收式测功器,交直流变流机组功用： 倒拖时 测功时 小功率测功器不设变流机组，直接用负荷电阻消耗。,外电源,交流电机,直流电机,直流电,平衡电机,平衡电机,直流电机,交流电机,交流电,外网,2019/7/2,吸收式测功器,二、电力测功器 3、平衡式交流电力测功器 工作原理和测力机构与直流电力测功器基本相同 。 平衡电机为交流电机 ，吸收或发出的电流都是交流电，便于和外电网并用，而不需要另设一套价格昂贵的交直流变流机组 。 如交流电力测功器用三相交流电机与外电源的三相电路并网工作 ，要加装价格较高的调频调压设备。,2019/7/2,吸收式测功器,4、电力测功器特性曲线 当测功电机作为发电机工作时，其输出的电压与磁通量及转速成正比： V=cn 令c=a，所以： V=an 设负荷电阻为R，则测功器发出的电流强度为：,2019/7/2,吸收式测功器,4、电力测功器特性曲线 则测功电机所吸收的功率为 ： 令 则 注：不同的励磁电流，B值不同。,2019/7/2,吸收式测功器,电力测功器特性曲线,2019/7/2,课外思考题,1、温度对应变片有何影响？温度误差如何补偿？ 2、影响水力测功器制动力矩的主要因素是什么？ 3、画出水力测功器特性曲线，并说明各线段的含义？水力测功器有何选用要求？,2019/7/2,扭矩仪,工作原理： 扭矩仪的基本工作原理是基于输出轴（中间传动轴）在承受扭矩作用时，轴所产生的扭转变形与传动扭矩的大小成比例。 根据材料的力学性能知道： 或,2019/7/2,扭矩仪,弹性轴扭转变形示意图,2019/7/2,扭矩仪,一、电阻应变式扭矩仪 根据测定的应变值计算输出轴扭矩M： 式中：E轴材料的弹性模量； 全桥电桥测得的应变值； D轴的直径； 轴材料的泊松比。,2019/7/2,扭矩仪,电阻应变式扭矩仪滑环式输出,2019/7/2,扭矩仪,电阻应变式扭矩仪耦合变压器输出,2019/7/2,扭矩仪,二、光电式扭矩仪 光电式扭矩仪的基本工作原理是把被测轴的扭转变形转换为光通量的变化，再利用光电变换器转换为相应的电量输出，测量此电量则可求得扭矩。,2019/7/2,扭矩仪,2019/7/2,扭矩仪,三、钢弦测功仪 1、工作原理 钢弦的固有振动频率为： 钢弦的自振频率f0、张力T、伸长量L与扭矩M之间具有下列关系： f02TLM,2019/7/2,扭矩仪,三、钢弦测功仪 2、钢弦测功器构造及组成 1）钢弦传感器 2）接收仪,2019/7/2,扭矩仪,钢弦传感器示意图,2019/7/2,扭矩仪,钢弦传感器原理图,2019/7/2,扭矩仪,CG-2型接收仪原理图,2019/7/2,扭矩仪,三、钢弦测功仪 3、扭矩的测定 选用适当的扭矩量程MH的扭矩传感器 “CG2”型接收仪的刻度盘分为250格，每格度盘所表示的扭矩MK为： 式中 R工作弦与轴心距离，m； L两个偶合环之间的轴长度，m； G、Jp弹性轴的参数。,2019/7/2,扭矩仪,三、钢弦测功仪 式中C钢弦传感器系数（钢弦常数），表示“CG2”型接收仪的刻度盘上，每格读数对应的钢弦伸长量。设拉弦和压弦的两只钢弦传感器分别有系数C1和C2 。 令 再令 K1=KC1 K2=KC2 拉弦格数变化为：S1=S1-S01 （格） 压弦格数变化为：S2=S2-S02 （格） 则被测扭矩M为：,2019/7/2,各类测功器的比较,2019/7/2,转速测量,在内燃机试验中，转速也是最基本的测试项目之一。通过测定内燃机输出轴的平均转速，可以计算内燃机的有效功率，绘制内燃机的有关特性曲线。 平均转速是指被测轴在某一时间间隔内转速的平均值。内燃机转速通常是指其输出轴在某一稳定工况下的平均转速，以转/分为单位。测量转速的仪表称为转速表或转速计。 转速测量的方法很多，通常可分为模拟方式和数字方式两大类。 模拟方式测量转速的仪表通常有机械式和电气式两种。机械转速表的特点是结构简单，使用方便。但传动部分容易损坏，远距离测量比较困难。电气式转速表便于远距离测量，一般作为随机监测仪表。,2019/7/2,转速测量,一、模拟方式 1、离心式转速表 原理：利用旋转质量的离心力与旋转角速度成比例的原理来测量被测轴的转速 。 特点：离心式转速表结构简单，使用方便，成本低。缺点是测量精度低，其误差一般为1%8%。 量程：3024000r/min。,2019/7/2,转速测量,手持离心式转速表,2019/7/2,转速测量,手持离心式转速表,固定离心式转速表,2019/7/2,转速测量,一、模拟方式 2、磁性转速表 原理：磁性转速表是一种感应式的电涡流转速表，利用电磁感应的原理来实现转速测量。其原理如图4-18所示。 特点：磁性转速表的优点是结构简单，尺寸小，刻度均匀，测速范围较大，缺点是灵敏度差，读数受环境温度影响较大，其测量误差约为1.5%2%。 量程：010000r/min。,2019/7/2,转速测量,磁性转速表示意图,2019/7/2,转速测量,磁性转速表,2019/7/2,转速测量,一、模拟方式 3、发电机式转速表 原理：发电机式转速表由测速电机、连接电缆和转速指示器组成，发电机式转速表是利用感应电压与转速成正比的原理进行测量。 特点：发电机式转速表的特点是：可以远距离测量，遥测距离可达25m，可靠性较高，误差在1.5%2.0%左右。 量程：025000r/min。,2019/7/2,转速测量,发电机式转速表,2019/7/2,转速测量,发电机式转速表,2019/7/2,转速测量,二、数字方式 数字方式转数测量系统由测速传感器和电子计数器(或数字频率计)组成。 测速传感器将被测转速信号转换为电脉冲信号，用电缆传输给电子计数器(或数字频率计)进行数字显示。也可将测速传感器与电子计数器制成一体(如反射式光电测速器)，进行非接触测量。 数字方式测量精度高，可进行数字显示，也可输出数字信号给打印机和电子计算机，实现自动记录及数据处理。,2019/7/2,转速测量,1、测速传感器 数字测速系统常用的测速传感器可分为磁电式和光电式两种类型。 1）磁电式 其工作原理是基于电磁感应原理将被测轴转速变换为电脉冲信号。 磁电式测速传感器由带齿的旋转轮和磁电变换器两部分组成。,2019/7/2,转速测量,磁电式测速传感器,2019/7/2,转速测量,磁电传感器结构原理图,2019/7/2,转速测量,磁电传感器,2019/7/2,转速测量,1）磁电式 圆盘通常制成60个齿 ，并将计数器的计数时间定为1秒，则电子计数器的显示器即显示出被测轴每分钟的转速n，即