轉(zhuǎn)速測(cè)量與溫度測(cè)量

王朝亮，翟成虎

（66350部隊(duì)，河北保定 071000）

轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)數(shù)與時(shí)間之比的物理量，工程上通常表示為轉(zhuǎn)速=旋轉(zhuǎn)次數(shù)/時(shí)間，是描述物體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要參數(shù)。轉(zhuǎn)速表是機(jī)械行業(yè)必備的儀表之一，轉(zhuǎn)速表從原理上可分為機(jī)械轉(zhuǎn)速表、電磁轉(zhuǎn)速表。電磁轉(zhuǎn)速表又可分為磁轉(zhuǎn)速表、交流轉(zhuǎn)速表、直流轉(zhuǎn)速表、數(shù)字轉(zhuǎn)速表。下面將具體研究磁轉(zhuǎn)速表的組成、功用及工作情況。

使用測(cè)溫儀表對(duì)機(jī)械設(shè)備的溫度進(jìn)行定量的測(cè)量，測(cè)量溫度時(shí)，總是選擇一種在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度變化的物理量作為溫度的標(biāo)志，根據(jù)所依據(jù)的物理定律，由該物理量的數(shù)值顯示被測(cè)物體的溫度。目前，溫度測(cè)量的方法已達(dá)數(shù)十種之多，這里主要介紹電學(xué)測(cè)溫法。

1 磁轉(zhuǎn)速表

1.1 磁轉(zhuǎn)速表組成和工作原理

磁轉(zhuǎn)速表由傳感器和指示器組成。傳感器是一個(gè)三相交流發(fā)電機(jī)，傳送被測(cè)轉(zhuǎn)速；指示器主要有同步電動(dòng)機(jī)，測(cè)速部分和顯示被測(cè)轉(zhuǎn)速的指示部分。

感受—轉(zhuǎn)換—傳送—指示，是測(cè)量?jī)x表工作的一般規(guī)律。磁轉(zhuǎn)速表的工作過(guò)程，也包含感受、轉(zhuǎn)換、傳送、指示四個(gè)基本環(huán)節(jié)，但是，其順序?yàn)閭魉汀惺堋D(zhuǎn)換—指示。發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，首先經(jīng)過(guò)傳送環(huán)節(jié)到感受環(huán)節(jié)中，感受環(huán)節(jié)根據(jù)轉(zhuǎn)速大小產(chǎn)生相應(yīng)的渦流電磁力矩，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)再將渦流力矩轉(zhuǎn)換為角度，指示環(huán)節(jié)最后指示出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.1.1 傳送

傳送環(huán)節(jié)由三相交流發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)組成。三相交流發(fā)電機(jī)裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，同步電動(dòng)機(jī)裝在指示器內(nèi)。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)電機(jī)的磁鐵轉(zhuǎn)子由軸帶著轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組便切割磁力線，產(chǎn)生三相交流電，此交流電的頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。三相交流電通過(guò)連接導(dǎo)線輸送到同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中，定子繞組中便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與三相交流電的頻率成正比，因而也與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。這樣傳送環(huán)節(jié)便起到了傳送轉(zhuǎn)速的作用。

1.1.2 感受

感受環(huán)節(jié)由磁鐵和渦流盤組成。

渦流盤是一個(gè)非鐵磁質(zhì)金屬材料（如鋁錳合金）做成的圓盤。磁鐵，由同步電動(dòng)機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)。磁鐵旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦流盤切割磁力線而產(chǎn)生渦流。渦流又產(chǎn)生磁場(chǎng)。渦流磁場(chǎng)同磁鐵磁場(chǎng)相互作用，便形成渦流電磁力矩。渦流電磁力矩作用于渦流盤上，其方向與磁鐵旋轉(zhuǎn)的方向相同，大小與磁鐵轉(zhuǎn)速的大小成正比。

1.1.3 轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)由渦流盤（既屬于感受環(huán)節(jié)又屬于轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的一部分）和游絲組成。

游絲的內(nèi)端固定在渦流盤的轉(zhuǎn)軸上，外端固定在支架上。渦流盤帶著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，游絲被扭緊，產(chǎn)生反作用力矩。游絲反作用力矩的大小與渦流盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度成正比。當(dāng)游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時(shí)渦流盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)（不考慮渦流盤在平衡位置附近的衰減振動(dòng)）。因此，渦流盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與渦流電磁力矩也成正比。這樣，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)就將渦流電磁力矩轉(zhuǎn)換成角度了。

1.1.4 指示

指示環(huán)節(jié)由指針和刻度盤組成。

指針由渦流盤的轉(zhuǎn)軸直接帶動(dòng)，或者由渦流盤的轉(zhuǎn)軸經(jīng)過(guò)齒輪帶動(dòng)。指針在刻度盤上指示的數(shù)值，即表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

磁轉(zhuǎn)速表各基本環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)工作情形如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和感受環(huán)節(jié)中的磁鐵同步轉(zhuǎn)動(dòng)。于是渦流盤上產(chǎn)生渦流電磁力矩。在該力矩的作用下，渦流盤轉(zhuǎn)動(dòng)。渦流盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，游絲變形而產(chǎn)生反作用力矩。游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時(shí)，渦流盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，指針在刻度盤上指出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和磁鐵的轉(zhuǎn)速都相應(yīng)的改變，渦流電磁力矩也隨著改變，渦流電磁力矩與游絲反作用力矩的平衡狀態(tài)被打破，渦流盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度也要改變。當(dāng)兩個(gè)力矩再度平衡時(shí)，渦流盤轉(zhuǎn)到新位置，指針指出改變后的轉(zhuǎn)速。

1.2 磁轉(zhuǎn)速表的指示公式

磁轉(zhuǎn)速表的指示公式，表示磁轉(zhuǎn)速表指針轉(zhuǎn)角與諸因素的關(guān)系。

磁轉(zhuǎn)速表的指示是由渦流電磁力矩和游絲反作用力矩這兩個(gè)矛盾著的相互作用決定的。矛盾的任何一方變化，都會(huì)影響指針的指示。因此，為了得出磁轉(zhuǎn)速表的指示公式，必須分別對(duì)兩個(gè)力矩加以研究。

1.2.1 渦流電磁力矩

（1）渦流電磁力矩與下列諸因素有關(guān)，見圖1。

圖1 渦流產(chǎn)生示意圖

與磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）的平方成正比。磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，渦流盤切割磁力線越多，渦流越大；渦流磁場(chǎng)與磁鐵磁場(chǎng)的作用力越大，渦流電磁力矩也越大，這是二次正比關(guān)系。

與渦流盤切割磁力線的有效長(zhǎng)度（L有效）的平方成正比。有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，切割磁力線越多，渦流就越大，這是一次正比關(guān)系；有效長(zhǎng)度越長(zhǎng)渦流磁場(chǎng)與磁鐵磁場(chǎng)的作用力越大，渦流電磁力矩也就越大，這是二次正比關(guān)系。

與轉(zhuǎn)速（n）成正比。轉(zhuǎn)速越高，渦流盤切割磁力線越多，渦流就越大，渦流電磁力矩也就越大。

與磁極對(duì)數(shù)（P）成正比。磁極對(duì)數(shù)越多，渦流電磁力矩也就越大。

與渦流盤電阻（R）成反比。渦流盤電阻越大渦流就越小，渦流電磁力矩也就越小。

與渦流盤的有效半徑（r）的平方成正比。有效半徑（以渦流盤中心到磁極中心線的距離）越大，渦流盤切割磁力線的線速度越快，渦流就越大，這是一次正比關(guān)系；有效半徑越大，渦流磁場(chǎng)與磁鐵磁場(chǎng)之間的作用力所形成的渦流電磁力矩也越大，這是二次正比關(guān)系。

（2）渦流電磁力矩公式。

磁鐵以轉(zhuǎn)速n（r/min）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，設(shè)任一個(gè)磁極的線速度為V，則該磁極使渦流盤產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可用下式表示：

式（1）中，E 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

磁極的線速度與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度有關(guān)，即：

式（2）中，ω為磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度（rad/s），ω=2 fn/60這樣，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)便可以表達(dá)為：

由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用而產(chǎn)生的渦流可用下式表示：

式（4）中，I為渦流。

渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與磁鐵的磁場(chǎng)相互作用，使渦流盤受到力的作用。此力可用下式表示：

式（5）中，F(xiàn) 為力。

此力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成的力矩就是渦流電磁力矩。當(dāng)磁極對(duì)數(shù)為P時(shí)，渦流盤受到的渦流電磁力矩為2PFr，因此得出渦流電磁力矩公式為：

式（6）中，M渦為渦流電磁力矩。

1.2.2 游絲反作用力矩

游絲反作用力矩等于游絲彈性剛度與指針轉(zhuǎn)角的乘積。其關(guān)系式如下：

式（7）中，M反為游絲反作用力矩；K為游絲彈性剛度；a為指針轉(zhuǎn)角。

1.2.3 指示公式

當(dāng)游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時(shí)，指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)。利用兩力矩平衡的條件，即可求得儀表的指示公式，即：

式（8）～（10）中，磁極對(duì)數(shù)、渦流盤的有效半徑、有效長(zhǎng)度都是固定不變的數(shù)值。以此可得出以下結(jié)論：

（1）指針轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比，與渦流電阻和游絲彈性剛度成反比。

（2）在溫度不變的條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度、渦流盤電阻、游絲彈性剛度均為常數(shù)，指針轉(zhuǎn)角只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此，指針轉(zhuǎn)角的大小可以表示轉(zhuǎn)速的大小。

（3）由于指針轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速成正比，所以，磁轉(zhuǎn)速表的刻度是均勻的。

2 溫度測(cè)量

電學(xué)測(cè)溫法是采用某些隨溫度變化的電學(xué)量作為溫度的標(biāo)志。屬于這一類的溫度計(jì)主要有熱電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)。

2.1 熱電式溫度計(jì)原理

熱電偶溫度計(jì)是一種在工業(yè)上、機(jī)械設(shè)備上使用極廣泛的測(cè)溫儀器，是利用熱電偶的熱電現(xiàn)象來(lái)測(cè)量溫度的。它主要用來(lái)測(cè)量較高的溫度，如燃?xì)鉁囟鹊?。熱電偶的種類有數(shù)十種之多。有的熱電偶能測(cè)高達(dá)3 000 ℃的高溫，有的熱電偶能測(cè)量接近絕對(duì)零度的低溫。熱電式溫度計(jì)的感溫元件是熱電偶。

2.1.1 熱電現(xiàn)象

熱電偶有兩端（圖2），一端是焊接點(diǎn)，稱為熱端；另一端分開著，中間連接一個(gè)靈敏的電壓表，稱為冷端，組成閉合回路。先不給熱電偶加熱，即熱電偶熱端溫度T熱等于冷端溫度T冷，發(fā)現(xiàn)電壓表指針不轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明電路內(nèi)部不產(chǎn)生電勢(shì)。然后，在熱電偶熱端加熱，即T熱>T冷，加熱到一定程度，便發(fā)現(xiàn)電壓表的指針轉(zhuǎn)動(dòng)；加熱越久，熱端的溫度越高，電壓表指示的越多。這就說(shuō)明，熱電偶兩端有溫度差后，電路內(nèi)產(chǎn)生了電勢(shì)，這種現(xiàn)象為熱電現(xiàn)象，產(chǎn)生的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。

圖2 熱電現(xiàn)象

2.1.2 熱電勢(shì)產(chǎn)生的原因

熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的原因，①不同金屬接觸在一起，會(huì)出現(xiàn)一種金屬帶正電，另一種金屬帶負(fù)電，即在接觸表面之間形成接觸電位差，此接觸電位差的大小與金屬性質(zhì)、接觸處的溫度有關(guān)；②每一金屬的溫度不均勻時(shí)，也有電位差產(chǎn)生，但這種電位差很小，可以忽略。產(chǎn)生接觸電位差的道理，與半導(dǎo)體PN 結(jié)形成的道理類似。不過(guò)這里相接觸的兩種金屬都是金屬導(dǎo)體，都只有一種載流子（自由電子）。把金屬內(nèi)部一定數(shù)量的自由電子看成像氣體一樣，即所謂電子氣。電子氣有一定的壓力，該壓力與電子氣密度、溫度成正比。當(dāng)兩種不同金屬相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)的電子氣密度不同，在接觸處產(chǎn)生壓力差。自由電子將從電子氣壓力高的金屬向電子氣壓力低的金屬擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果，失去電子的金屬帶正電，得到電子的金屬帶負(fù)電，因此，在兩金屬之間形成接觸電位差，并有了局部電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)將使自由電子沿電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擴(kuò)散作用和電場(chǎng)作用達(dá)到平衡時(shí)，即自由電子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，兩金屬之間的接觸電位差保持某一恒定值。

2.2 電阻溫度計(jì)原理

電阻溫度計(jì)根據(jù)導(dǎo)體電阻隨溫度的變化規(guī)律來(lái)測(cè)量溫度。用來(lái)測(cè)量滑油溫度、大氣溫度及其他流體的溫度。由于感受溫度的電阻絲在變溫下性質(zhì)不穩(wěn)定，所以電阻式溫度表一般只用來(lái)測(cè)量較低的溫度。

2.2.1 金屬的電阻與溫度的關(guān)系

由鉑，銅或鎳構(gòu)成的普通RTD 感測(cè)元件具有可重復(fù)的電阻-溫度關(guān)系（RvsT）和工作溫度范圍。鉑是制作RTDs 的最佳金屬，因?yàn)樗哂蟹浅＞€性的電阻-溫度關(guān)系，在很寬的溫度范圍內(nèi)具有高重復(fù)性。它被用于定義國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的傳感器中。鉑金被選擇也因?yàn)樗幕瘜W(xué)惰性。用作電阻元件的金屬的顯著特征是在0和100 ℃之間，電阻與溫度關(guān)系線性近似。該電阻的溫度系數(shù)由α表示，通常以Ω/（℃）為單位，給出：

式（11）中，R0是0 ℃時(shí)傳感器的電阻，R100是100 ℃時(shí)傳感器的電阻。鉑的這些不同的α值是通過(guò)摻雜實(shí)現(xiàn)的；基本上，小心地將雜質(zhì)引入鉑，摻雜期間引入的雜質(zhì)嵌入鉑的晶格結(jié)構(gòu)中，會(huì)導(dǎo)致不同的R-T曲線，因此α值不同。

2.2.2 電阻溫度計(jì)組成

電阻式溫度計(jì)由感溫器和指示器組成，感溫器是一個(gè)感溫電阻，指示器是一個(gè)二線框動(dòng)鐵式電流比值表。感溫器插入被測(cè)對(duì)象的內(nèi)部，感受其溫度的變化，并把溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，而電阻的變化又引起指示器中兩線框電流比值的變化，于是指針便指出被測(cè)對(duì)象的溫度。在電阻溫度表中，目前廣泛采用雙對(duì)角線電橋作為測(cè)量電路，這種電橋的靈敏度較高，感溫電阻變化時(shí)，電流比值的變化范圍很大。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)重點(diǎn)對(duì)磁轉(zhuǎn)速表工作原理和指示公式的分析，掌握了磁轉(zhuǎn)速表的工作特點(diǎn)，能夠?yàn)闄C(jī)械故障診斷提供依據(jù)；對(duì)熱電偶測(cè)溫計(jì)和電阻測(cè)溫計(jì)的工作原理進(jìn)行分析，掌握了兩種測(cè)溫方法的不同，對(duì)實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)意義。