能源与动力工程测试技术 课件 第十章 转速、转矩及功率测量

先进热动力测试技术AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目录PAGEDIRECTORY绪论1测量技术的基本知识2误差分析与测量不确定度3温度测量4压力测量5流量测量7液位测量8气体成分及颗粒物测量9转速、转矩及功率测量10振动与噪声测量11流速测量6先进测试技术发展1210第十章转速、转矩及功率测量转速测量转矩测量功率测量第一节转速测量一、转速测量概述转速是指单位时间内转轴的平均旋转速度，而不是瞬时旋转速度，单位为r/min。按照测速元件与被测速转轴是否接触可以分为接触式转速测量和非接触式转速测量。常见的接触式转速测量仪表有离心式转速表、钟表式转速表等；非接触式转速测量仪表有频闪式转速仪表、光电式转速仪表、电子数字式转速仪表以及基于激光原理的激光转速仪表等，其特点是测量精度高、使用方便，能够实现远距离的数据传输和显示。第一节转速测量一、常用的转速测量仪器1、接触式转速测量仪表（1）离心式转速表原理：利用离心力器件（重环或重锤）旋转后产生与转速的平方成正比的离心力，通过克服弹簧的反作用力推动指示机构工作。优点：简单通用，且稳定性好，应用较广；缺点：测量精度较低（不优于1~2级），多用作试验时检查动力机械的参考读数。离心式转速表工作原理图第一节转速测量一、常用的转速测量仪器1、接触式转速测量仪表（2）磁性转速表原理：利用回转圆盘在旋转磁场中感应出电涡流而产生扭矩变化，从而带动指针偏转来测速。优点：结构简单，对振动的敏感性小，测速范围宽，故应用范围也较广，典型应用是汽车和船用转速表；缺点：精度不高（1.5～2级）。磁感应式车速里程表第一节转速测量一、常用的转速测量仪器1、接触式转速测量仪表（3）电动转速表原理：电动转速表一般由发送器、指示器和连接导线三部分组成。发送器实际上是一个小型永磁的交流或直流发电机，由被测速轴通过联轴节直接带动发电，转速越高，产生的电动势越大。通过电压表指示所测转速。特点：电动转速表工作时产生的电动势受磁场强度、温度等因素的影响，精度不高（1.5级）。（4）定时转速表原理：在一定时间内通过累计转数来测量转速。特点：定时转速表使用方便，精度较高（可达0.5级），测量上限可达10000r/min，可以用于内燃机等高速机械的转速测量。第一节转速测量一、常用的转速测量仪器2、非接触式转速测量仪表非接触转速表是当前动力机械测量中最常用的测速仪表，它不消耗被测速转轴的扭矩，且测量精度高，但结构相对复杂。（1）光电式转速传感器原理：利用光电元件（如光电池、光电管、光敏电阻等）对光的敏感性来测量转速。投射式反射式第一节转速测量一、常用的转速测量仪器（2）磁电式转速传感器触发齿轮7由导磁材料制成，有z个齿，安装在被测速转轴上。永磁体4和感应线圈5组成磁头，安装在紧靠齿轮边缘约2

mm处。齿轮每转过1个齿就切割1次磁力线，产生1个来自线圈感应电动势的脉冲信号。齿轮每一圈就发出z个电脉冲信号。与光电式转速传感器相比，磁电式转速传感器结构简单，无需配置专门的电源装置，且脉冲信号不会因转速过高而减弱，测速范围广，因此使用范围非常广泛。1-传感器壳体；2-输出信号线；3-保护层；4-永磁体；5-感应线圈；6-杆销；7-触发齿轮；G-气隙磁电式转速传感器工作原理图第一节转速测量一、常用的转速测量仪器（3）霍尔式转速传感器霍尔传感器的感应面对准永久磁铁的磁极并固定在机架上。机轴旋转便带动永久磁铁旋转。每当永久磁铁经过传感器的位置时，霍尔传感器便输出一个脉冲。用计数器记下脉冲数。为提高测量转速或转数的分辨率，可以适当增加永久磁铁数。在安装磁体时要特别注意极性，即相邻两个永久磁铁的极性相反。霍尔元件可用多种半导体材料制作，其优点是结构牢固体积小、重量轻、寿命长、功耗小、频率高（可达1MHz），耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔式测速仪原理1–霍尔元件；2–被测物体；3–永久磁铁左：把永久磁铁粘贴在采用非磁性材料制作的圆盘上部右：把永久磁铁粘贴在圆盘的边缘第一节转速测量一、常用的转速测量仪器（4）激光转速仪氦–氖激光器1发出的激光束穿过半透镜2后，透射的光束经过由透镜3组成的反射光学系统后，聚焦在旋转物体5的表面。旋转物体表面贴有一小块定向反射材料4（简称反射纸）。当激光束照射到没有贴反射纸的表面时，大部分激光沿空间各个方向散射，能够沿发射光轴返回的光束极其微弱，因此，光电管没有感受到任何信息。激光转速仪光路原理图1–激光器；2–半透镜；3、6–透镜；4–反射纸；5–旋转物体；7–光电管第一节转速测量一、常用的转速测量仪器（4）激光转速仪一旦激光光束照射在反射纸上，由于反射纸的“定向反射”特性，有一部分激光沿发射光轴原路返回到半透镜上，经过反射，由透镜6会聚在光电管7上。于是物体旋转一周，反射纸就被激光照射一次，一个激光脉冲返回到光电管，经转换后产生一个电脉冲信号，物体不停地旋转，光电管就输出一系列电脉冲，这就是激光传感器所检取的旋转物体的转速信号。激光转速仪光路原理图1–激光器；2–半透镜；3、6–透镜；4–反射纸；5–旋转物体；7–光电管第一节转速测量一、常用的转速测量仪器（4）激光转速仪与被测物的工作距离可达10m，而其他非接触式转速测量仪工作距离很近；当被测物体除了旋转外，还有振动和回转运动时，激光转速仪可以有效地测量其转速，而且操作简单，读数可靠；具有较强的抗干扰能力。当工作环境存在杂光干扰时，其他非接触式转速仪往往难以正常工作，而激光转速仪则不受其影响。例如，要测量摇头回转的台式风扇的转速，除了激光转速仪以外，其他转速仪都难以胜任。当激光器亮度足够时，即使在激光束的通路上设置几块厚玻璃板，激光转速仪仍能正常测量。这就意味着它可以测量玻璃罩壳内电机的转速，各种风洞里正在进行吹风试验的模型的转速，甚至有可能测量正在水中旋转的螺旋桨的转速。10第十章能源与动力学院转速、转矩及功率测量转速测量转矩测量功率测量第二节转矩测量一、转矩测量方法分类转矩又称扭矩，它往往与动力机械的工作能力、能量消耗、效率、运转寿命及安全等因素紧密联系，是动力机械性能试验中需测量的重要参数之一。（1）传递法传递法，又称扭轴法，是根据弹性元件在传递转矩时所产生的变形、应力或应变等，来测量转矩的方法。圆柱形扭矩是最常用的测量转矩的弹性元件。根据传感器所感应的参数：变形型、应变型和应力型转矩传感器，分别感受转轴的变形、应变和应力根据转矩信号的产生方式：电阻式、光学式、光电式、感应式、电感式、钢铉式、机械式转矩传感器等根据转矩信号的传输方式：接触式和非接触式两大类根据转矩传感器的安装方式：串装式和附装式两类第二节转矩测量一、转矩测量方法分类（2）平衡力法对任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受转矩M作用时，在它的机体上必定同时存在着方向相反的平衡力矩M'，且有M=M'。测量机体上的平衡力矩M'，以确定机器主轴上的作用转矩M的大小的方法称为平衡力法，亦称为反力法。该方法不能测量动态转矩。（3）能量转换法能量转换法是根据能量守恒定律，用其他量参数（如电能参数）来测量机械能参数及转矩的一种间接测量方法。一般来说误差较大，约±（10～15）％，故也很少采用，只有在直接测量无法进行的时候才考虑此法。平衡力法转矩测量的原理1-机壳；2-平衡支承；3-力臂杆；4-测力机构第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（1）钢铉式转矩测量仪原理：弹性扭轴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。钢铉的固有振动频率为两只卡盘2固定在弹性扭轴1上，每只卡盘上有一凸臂3，钢铉4的两端分别安装在两个凸臂上，钢铉与扭轴相对固定。弹性扭轴在转矩的作用下发生弹性变形时，两只卡盘之间产生相对角位移，固定在卡盘凸臂上的钢铉长度发生变化，改变了钢铉的固有频率。1-弹性扭轴；2-卡盘；3-凸臂；4-钢铉钢铉式转矩测量仪f为钢弦的固有振动频率；L0为钢铉的自由长度；σ为钢铉绷紧时的拉应力；ρ为钢铉的密度。第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（1）钢铉式转矩测量仪假设弹性扭轴处于自由状态时，钢铉的固有频率为f0，受转矩T作用时频率为f，则测得频率f则可测量出转矩T。1-弹性扭轴；2-卡盘；3-凸臂；4-钢铉两只卡盘2固定在弹性扭轴1上，每只卡盘上有一凸臂3，钢铉4的两端分别安装在两个凸臂上，钢铉与扭轴相对固定。弹性扭轴在转矩的作用下发生弹性变形时，两只卡盘之间产生相对角位移，固定在卡盘凸臂上的钢铉长度发生变化，改变了钢铉的固有频率。钢铉式转矩测量仪K'是常数，由弹性扭轴的刚度、钢铉的尺寸及测量仪的特性等决定。第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（2）光电式转矩测量仪利用扭轴两端的光学元件将转矩引起的扭轴变形产生的相位差转换为电信号，再根据检测到的电信号确定作用于轴上的扭矩。1、5－套筒；2－光源；3、3'－光栅盘；4－光电管；6－弹性扭轴光电式转矩测量仪第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（2）光电式转矩测量仪光栅盘3和3'通过套筒1、5分别固定在扭轴6的A、B两端，由两片直径相同的圆盘制成，沿径向做成放射状透光和不透光部分相间的图形。当弹性转轴6没有受到转矩的作用时，光栅3上的透光部分正好与光栅3'上的不透光部分重叠，光源2发出的光照射不到光电管4上，光电管输出电流为零；当弹性扭转轴6受到转矩的作用时发生扭转变形，光栅盘3与3'相对错开一定位置，形成一个透光口，此时光源发出的光能穿过两光栅盘，转矩越大，透光口的开度就越大，光通量就越大。

a）两光栅盘正视图b）两光栅盘侧视图光栅盘示意图第二节转矩测量

第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（3）光学式转矩测量仪轴扭转后，轴的两端产生相对位移，这种位移通过弹性传递轴使两面镜子也产生了相对位移，因而使光路发生变化，根据这个变化量即可测得转矩的大小。通过平行光线投射器和望远镜可实现读数。光学式转矩测量仪1－望远镜；2－反射光线；3－扭转应变轴；4－弹性传递轴；5－镜子；6－平行光线投射器；7－光线入射孔；8－直射光线第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（4）磁电式转矩测量仪在相距L的两截面上装有两个齿轮以及两个相同的磁电式传感器，轴每转一转，传感器产生一列脉冲信号，在轴传递转矩而产生扭转变形时，从两个磁电传感器上所得的两列脉冲波形间将产生一个与扭转角成正比的相位差。测量此相位差信号并经数据处理后，即可求出所测量转矩。当弹性轴上无负载时，相对旋转的齿轮对使磁路中气隙不断变化，在线圈8中感应出交变的电势；当承受转矩时，弹性轴两端产生一转角，使线圈8中的感应电势相位发生变化，变化的程度反映了待测转矩的大小。磁电式转矩仪工作原理图磁电式转矩传感器结构示意图1－弹性轴；2－齿轮；3－校准筒；4－永磁体；5－滚动轴承；6－壳体；7－电动机第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（5）应变式转矩测量仪应变式转矩仪是利用应变原理来测量转矩的，它安装在动力机械和负荷之间。当处于动力机械和负荷之间的被测轴(应变式转矩仪轴)承受转矩时，最大应力发生在轴的外圆周面上，两个主应力轴线成45°和135°夹角。因此，把应变片粘贴在测点的主应力方向上测出应变值，从而测得转矩。第二节转矩测量二、常用的转矩测量仪器（6）磁致伸缩式转矩测量仪原理：磁致伸缩效应①铁磁物体的磁化特性在机械力作用下会发生显著变化；②铁磁物体在外界磁场作用下会发生机械变形“磁桥”：A与B为绕在铁心上的交流励磁线圈；C与D为绕在铁心上的感应线圈；两铁心成直角，测量头接近用铁磁材料制成的测量轴，铁心与测量轴表面约有1~2mm的间隙。优点：无触点、坚固耐用、输出电压高（可达10V）、对仪器材料无特殊要求（一般采用低、中碳钢即可）、对温度和干扰不敏感磁致伸缩式转矩仪工作原理图10第十章能源与动力学院转速、转矩及功率测量转速测量转矩测量功率测量第三节功率测量一、功率测量的基本方法主要测量方法：（1）通过电功率测量。又称损耗分析法，动力机械由电动机直接驱动，先测出电动机的输入功率，再利用损耗分析计算电动机的输出功率，即为动力机械的轴功率。（2）通过转矩间接测量。由于动力机械的轴功率正比于转矩与转速的乘积，故常采用间接测量方法。分别测量转矩和转速，再按下式求得功率。1、用测功器作为负载进行功率测量2、采用转矩仪测量转矩电力测功器、水力测功器和磁粉测功器第三节功率测量二、水力测功器水力测功器的主体为水力制动器，它由转子和外壳组成，外壳由滚动轴承支承，因而可以自由摆动。（1）圆盘式水力测功器圆盘式水力测功器是通过改变水层厚度调节制动转矩的。圆盘式水力测功器1-转轴；2-转盘；3-进水口；4-进水阀

5-外壳；6-出水管；7-涡轮；8-引水管第三节功率测量二、水力测功器（2）涡流室式水力测功器涡流式水力测功器通过改变水压或改变作用面积调节制动转矩，前者通过控制排水阀的开度改变内腔水压及水量来调节制动转矩的大小；后者靠闸套的位置移动调节转矩，而内腔始终充满着水。涡流室式水力测功器1-转子小室；2-闸套；3-外壳小室第三节功率测量三、电力测功器电力测功器的转子和定子都是以磁通作为传递媒介进行工作的。转子和定子之间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，所以只要将定子做成能绕其轴线自由摆动的结构，便可测定转子的制动转矩，即定子的反力矩。电力测功器分为直流电力测功器、交流电力测功器和电涡流测功器三种型式。（1）直流电力测功器直流电力测功器结构简图1-防护罩；2-轴承座；3-连轴器；4-转矩、转速传感器；5-连轴器；6-直流电机；7-底座第三节功率测量三、电力测功器（1）直流电力测功器直流电机的感应电动势E为式中，K1为电机的电动势系数，Φ为定子励磁绕组的磁通，n为转速。若在电枢回路中串联负载电阻R，并忽略电枢内阻，则电枢回路中流过的电流I为当作为发电机运行（测功）时，由电磁力产生的制动转矩（即被测动力机械的输出转矩）Tt与定子磁通ф及电枢电流I成正比，即于是有式中，K2、K3为比例系数。第三节功率测量三、电力测功器（1）直流电力测功器直流电力测功器的控制方式有负荷电阻控制方式和自动馈网控制方式两类，直流电力测功器的特性与控制方式有关，要根据动力机械的试验目的和试验方法以及电源和经济方面的多种因素综合考虑选定测功器的控制方式。负荷电阻控制方式右图为以电阻作为负荷的控制方式的直流电力测功器电路简图。DC－直流电源；S1、S2-开关；V-细调节变阻器；W-粗调节变阻器；P-主调节变阻器；C-C-串励绕组；H-H-电枢；F-F-励磁绕组；RL-负荷第三节功率测量三、电力测功器自动馈网控制方式图中同时给出转矩Tt、测量功率PT、驱动转矩Tm、驱动功率P与转速n的关系。在测功状态下，A为最大电流线，此时对应于最大励磁电流和最小负荷电阻，即为负荷调节处于最大位置时的固有特性；A1、A2分别为负荷调节处于中间位置时的固有特性；B为最大转矩线，受电枢的机械强度限制；C为最大功率线，受电机散热条件限制；D为最高转速线，受旋转部分所能承受的最大离心力限制；E为最小吸收转矩或功率线，此时虽无励磁电流通过，但仍存在轴承及空气阻力，因而在E线之下存在不能测定区（图上剖面线范围）。负荷电阻控制方式直流电力测功器的基本特性第三节功率测量三、电力测功器负荷电阻控制方式这种控制方式可将所产生的电能自动反馈给电网，也采用他励式直流电机，以扩大转速调节范围和增大低速时的转矩。1-被测动力机械；2-电力测功器；3-主变流机组4-励磁变流机组；5-励磁调整电阻；6-励磁绕组馈网式直流电力测功器控制线路简图第三节功率测量三、电力测功器（2）交流电力测功器直流电力测功器由于结构方面的限制，其功率容量均较小，一般用于测量中小功率动力机械。对于大功率动力机械的功率测量，多采用交流电力测功器。交流电力测功器结构简图第三节功率测量三、电力测功器交流电力测功器包括三相同步电机测功器、绕线式异步电机测功器和无换向器电机测功器三种。三相同步电机测功器由同步电机的运行原理可知，同步电机的转速等于定子旋转磁场的转速，即同步转速式中，z为极对数；f为定子供电频率（Hz）；n为同步电机的转速（r/s）。在极对数不变时，改变定子供电频率成为同步电机调速唯一可行的方法。第三节功率测量三、电力测功器交流电力测功器包括三相同步电机测功器、绕线式异步电机测功器和无换向器电机测功器三种。绕线式异步电机测功器绕线式异步电机常用改变转子电路中串联电阻的方法实现调速。当测功器作电动机运行时，改变转子电路的电阻即可改变临界转差率S而保持最大转矩不变。与转子电路串联的附加电阻可以通过接触器切换，其阻值越大，机械特性越软，电机的转差率越大，转速n越小。显然，这是依靠增加转差功率损耗的办法来降低转速的。由于损耗主要在电机的外部，因此低速时电机不会过热，但效率很低，经济性差。第三节功率测量三、电力测功器交流电力测功器包括三相同步电机测功器、绕线式异步电机测功器和无换向器电机测功器三种。绕线式异步电机测功器当测功器作发电机运行时，被测动力机械的转速必须高于电机的同步转速，这样才能发电和向电网反馈能量。测功器在低于同步转速下测功，也可采用整流设备向测功器定子供给励磁电流，电流的大小可以调节。绕线式异步电机的转速-转矩特性第三节功率测量三、电力测功器三相同步电机测功器无换向器电机又称晶闸管电机，是一种用可控硅控制的变频调速电机，其构造与同步电机基本相同，但没有换向器，其工作原理、特性及调整方式与直流电机相似。优点：具有与直流电机一样的调速特性；结构简单，便于维护，容易制成大容量（可达数千kW）、高转速（可达数万转/分钟）的测功器；能简便地实现四象限运行（正转和反转，驱动和制动），在作为发电机工作时能将大部分能量回馈倒电网中去，其输入端功率因数及效率也较高；由于没有换向器，所以使用时不会产生火花。第三节功率测量三、电力测功器（3）电涡流力测功器电涡流测功器具有结构简单、控制方便、转速范围和功率范围宽等特点，因此能满足各种动力机械功率测量的要求。由于电涡流测功器所吸收的功全部转为热能，所以必须对涡流环和励磁绕组的周围进行冷却，可以根据发热量大小和测功器结构等因素选择空气冷却或水冷却。电涡流测功器结构简图1-定子；2-励磁线圈；3-感应子；4-转轴；5-涡流环；6-转子轴承；7-定子摆动轴承第三节功率测量三、电力测功器（3）电涡流力测功器电涡流测功器在低转速区域内运行时，制动转矩随励磁电流和转速的增加而迅速增大。但当励磁电流一定时，随着转速的增加，转矩在某一转速附近达到饱和，当转速超过此转速而进一步增加时，转矩几乎不再增加。当转速不变时，转矩也随励磁电流的增加而增大，但当励磁电流增加到使磁路的磁通达到饱和时，继续增加励磁电流转矩也不再增大。电涡流测功器的基本组成与磁路1-磁轭定子；2-磁力线；3-励磁绕组；4-涡流环；5-空气隙；6-感应子第三节功率测量三、电力测功器（3）电涡流力测功器在这种接近等转矩特性的转速范围内，单纯靠增减励磁电流来保持转速恒定是很困难的。因此，电涡流测功器除了用手动调整励磁电流的控制方式外，还应有自动控制装置，使励磁电流随转速自动变化。右图为电涡流测功器的控制方式及其特性。E-被测动力机械；EDy-电涡流测功器；RE-励磁调节电阻；TD-转速传感器；AD-电流传感器手动控制

自动控制恒励磁电流特性恒转速特性比例控制特性第三节功率测量三、电力测功器（3）电涡流力测功器电涡流测功器一般有三种控制模式：恒电流自动控制，使励磁电流保持一定，与转速、电源电压和励磁绕组的电阻等变化无关；恒转速控制，测功器工作时，实时测量出实际转速与设定转速的偏差，再反馈到励磁回路中，控制励磁电流增减，以保持转速恒定在设定转速；比例控制，使励磁电流与转速成比例增加，增加比例及调整范围可以任意选择；E-被测动力机械；EDy-电涡流测功器；RE-励磁调节电阻；TD-转速传感器；AD-电流传感器手动控制

自动控制恒励磁电流特性恒转速特性比例控制特性第三节功率测量四、测功器的使用方法测功器的种类较多，动力机械的试验规范和要求也多种多样，测功器的选型和使用对于保证试验的顺利进行非常重要，下面介绍测功器使用时应注意的一些问题。1、测功器的选型依据——工作范围：各种类型的测功器都有其被允许运行的工况范围。电涡流测功器功率特性图在上图所示的OABCO封闭曲线中，OA段表示励磁电流最大时，吸收功率随转速上升的曲线。当功率达到一定值时（A点），由于测功器热负荷（最高温度）的限制，吸收功率不能继续增加而保持恒定，当近乎恒定的功率保持到B点的转速时，达到测功器允许运行的最高转速，即BC段为测功器旋转件受离心力负荷或轴承允许转速所限制的最高转速限制线，AB段则为测功器能吸收和测量的最大功率限制线。在无励磁电流时（OC段），测功器的特性曲线相当于不同转速下测功器的机械损耗特性曲线，这一曲线的下方部分是不能进行有效测试的。第三节功率测量四、测功器的使用方法——工作范围下图表示了某种型号的3种类型的测功器所允许的工况范围图。水力测功器电涡流测功器

交流电力测功器第三节功率测量四、测功器的使用方法——测量精度测功器的测量精度应符合测量的要求，在满足工作范围的条件下，应使测量尽可能接近满量程进行，以获得较好的测量准确度，通常被测动力机械最大功率与测功器工作范围的最大功率之比应不低于3:4。——响应速度测功器的响应速度还和其外形尺寸有关。对于同一种测功器，外形尺寸越小，转子的转动惯量越小，则响应速度越快。另外，测功器的测力机构中力传感器的动态特性要好，这样才能迅速、准确地反映被测动力机械的性能。第三节功率测量四、测功器的使用方法——工作稳定性当动力机械的输出转矩与测功器的制动转矩平衡时，动力机械能在该转矩工况下稳定运转。从测功器