热能与动力机械测试技术.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流热能与动力机械测试技术.精品文档.第一章 概 述重点:测量的种类、测量仪器的组成、分类和主要性能指标、测量仪器的动态特性和标定难点:二阶仪器的频率响应和阶跃响应特性、二阶测试系统的动态特性参数的确定第一节 热能与动力机械测试技术发展概况测试技术对自然科学、工程技术发展的重要性,越来越为人们所认识和重视,并已成为科学研究不可缺少的重要手段。与其他学科一样,在热能与功力机械领域中,测试技术的发展也经历了一个漫长的历程。50年代以前,作为参数测量的感受元件较多属于机械式传感器,如弹簧压力表、膨胀式温度汁等。进入60年代后,开始应用非电量电测技术和相
2、应的二次仪表,使测试技术上了一个新的台阶。随着计算机与电子技术的发展,测试技术开始了个新的发展阶段。80年代开始应用计算机和智能化仪表,以实现对动态参数的实时检测和处理;随后,即80年代至今,许多新型传感技术的相继出现,诸如激光全息摄影技术、光纤传感技术、红外CT技术、超声波测试技术等高新技术,均已逐步深入到热能与动力机械研究的各个领域,用于对燃烧过程、流动过程、燃烧产物的浓度和粒度场、传热传质过程等的高速瞬变动态参数的测量,从而使得对热能与动力机械的研究,从宏观过程的研究深入到微观、瞬变过程的研究。许多研究成果表明,这些高科技的传感技术加上智能化的二次仪表和计算机的应用,起到了极其重要的作用
3、。由于对热能与动力机械中各种过程内在规律的深入研究,对过去的传统观念作出了新的解释,并有新的发现,从而大大促进了学科的发展。 随着科学技术的进步,测试技术已逐步成为一门完整、独立的学科,同时它又是与传感技术、电子及计算机技术、应用数学及控制理论等相互交叉的学科。这一学科的发展,无疑将会大大促进热能与动力机械工程领域科学研究和应用技术的发展。第二节 测量的基本概念 测量是人类对自然界中客观事物取得数量观念的一种认识过程。它是用特定的工具和方法通过试验手段将被测物理量与另一同名的作为单位的物理量比较,以确定两者之间的比值。因此,测量过程实际上是确定一个数值未知的物理量的过程。 在热能与动力机械工程
4、中,被测的基础物理量有:温度、压力、流量、功率、转速等。由于这些物理量的性质以及测量的目的和要求不同,所以测量方法和所用的仪器也各异。 一、测量方法 按照得到最后结果的过程不同,测量方法可分为下述三类。 1直接测量 凡被测量的数值可以直接从使用的测量仪器上读得的,称为直接测量,如用压力计测量压力、用温度计测量温度等。直接测量是测量的基础。对于稳态物理量,直接测量时常用的方法有如下几种:(1)直读法 用度量标准直接比较,或从仪表上直接读出被测量的绝对值,如用刻度尺测量长度,用弹簧秤测定质量等。(2)差值法 从仪表上直接读出两量之差值作为所求之量如用U形液柱式差压计测量介质的压差,(3)代替法 用
5、已知量代替被测量,即调整已知量使两者对仪表的影响相等,此时被测量即等于已知量,如用光学高温计测量温度。(4)零值法 使被测量对仪表的影响被同类的已知量的影响相抵消,则被测量便等于已知量,如用天平秤测定物质的质量、用电位计测量热电势等。测量方法的选择应取决于测试工作的具体条件和要求。在满足测量精度的前提下,应力求简便、迅速,不苛求使用高精度的仪表。2间接测量被测量的数值不能直接从测量仪器上读得,而需要直接测量得到与被测量有一定函数关系的量、然后经过运算得到被测量的数值。凡属此类测量,均称为间接测量。如内燃机功率(KW),可借助下述函数关系求得式中,T为内燃机曲轴转矩(Nm);n为转速(r/min
6、)。首先,T及n分别采用转矩仪和转速仪直接测量,然后用上述函数关系计算相应的功率P。 3组合测量 测量中使各个未知量以不同组合形式出现(或改变测量条件以获得不同的组合),根据直接测量或间接测量所得数据,通过求解联立方程组求得未知量的数值。凡属此类测量,均称为组合测量。在组合测量中,未知量与被测量之间存在一定的关系。例如,用铂电阻温度计测量介质温度时,电阻值和温度的关系为式中,为t()时的铂电阻值();为0时的铂电阻值();a、b为铂电阻的温度系数(/)。 为确定铂电阻的温度系数,首先需测得在不同温度下的电阻值,然后再经组合解联立方程组,以获得a、b的数值。组合测量在动力机械中较为常用,如汽轮机
7、空载下由功率损失与转速关系建立经验公式,以确定转速系数与指数等。二、非稳态和瞬变参数的测量随时间不断改变数值的被测量,称为非稳态和瞬变参数(或称动态参数,如非稳定工况或过渡工况时内燃机的转速、功率;在制冷过程中冷库的温度等等。这些参数随时间变化的函数可以是周期函数、随机函数等。此类参数需要用显示式记录方式观察和记录被测量的变化过程和大小。对缓慢变化现象的参数,可以用慢扫描示波器、XY函数记录仪或其他机械式记录仪来测量变化图形。对一些快速瞬变参数,则需采用灵敏度更高的记录或显示仪器,如用电测、光测的方法记录和显示。三、模拟测量与数字测量系统有时被测参数的量或它的变化,不表现为“可数”的形式,而是
8、在测量过程中首先将被测物理量转换成模拟信号,并最终以仪表指针的位置或记录仪描绘的图形显示测量的结果。凡属此类测量,均称为模拟测量,其相应的测量系统称为模拟测量系统。该系统的主要优点是直观性强、灵活、简便、价格低;主要缺点是测量精度低,指示器读数误差难以达到小于0.5的要求。随着计算机和电子技术的发展,数字测量系统在热能与动力机械测试技术中的应用口趋广泛。这类测量可直接用数字形式表示。由于模数(AD)转换技术已能足够精确地将模拟形式的信号转换成数字形式,所以模拟与数字测量两者的转换已不存在技术上的困难,且数字测量系统的主要优点是能排除人为的读数误差,并可直接由数字记录或打印机记录数据,或与计算机
9、相联实现数据自动处理。但由模拟信号表示的模拟量和由数字信号表示的数字量仍有本质上的区别。模拟信号含有“仿真”的意思,即模拟电压和电流信号的电平可以连续地或以无限小的阶跃量仿照被测量的变化而改变,理论上模拟信号的分辨能力是无限的。在数字信号中,电压或电流的电平不再代表信号幅值的大小。这里只有两种电平即“通”(或逻辑“1”)和“断”(或逻辑“0”),信号的幅度是用几个“通”或“断”电平的组合表示。所以,数字信号只能取有限个数值,只能按照断续阶跃量的形式来表达连续的时变信号,它的分辨能力决定于所取增量的大小。因此,模拟测量系统的测量过程是连续的,它能给出被测变量的瞬时值。数字测量系统的测量过程则是断
10、续的,它给出的数值是被测量在一段时间内的平均值。第三节 测量仪器的组成和分类一、测量仪器的组成用图1l所示热电偶测定温度的简图来说明模拟测量系统的组成。由工作原理可知,热电偶用热电动势的形式来感知温度,构成测量仪器的感受件,通常称为传感器。热电动势用补偿导线来完成传递信号的作用,构成测量仪器中的中间件。如果信号过弱,有时需放大。热电动势由电压计指针的偏转位置或数字显示给出指示,构成测量仪器的指示或记录件,或称效用件。因此,按工作原理,任何测量仪器都包括感受件、中间件和效用件三个部分,下面分别作简要介绍。 图1-1测量仪器组成示意图1感受件它直接与被测对象发生联系(但不一定直接接触)感知被测参数
11、的变化,同时对外界发出相应的信号。作为仪器的感受件必须满足下述三个条件:1) 它必须随被测参数的变化而发生相应的内部变化(这个内部变化就是传感器的输出信号)。如热电偶的一端受热后,因金屑的热电效应而产生热电动势。2) 它只能随被测参数的变化而发出信号(即不受其他任何参数的影响)。如热电偶产生热电动势的大小只随温度而变化,其他如压力等参数的变化则不引起热电动势的改变。3) 感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系,即一个确定的信号只能与参数的一个值相对应。实际上,这三个条件是难以完全得到满足的,特别是其中第2)项条件。因此,任何传感器都不可能是十全十美的,都受一定使用条件的限制。如在使
12、用上不加以注意,就会得出错误的测量结果。2中间件最简单的中间件是单纯起“传递”作用的元件它将传感器的输出原封不动地传给效用件。这种单纯的传递件一般只有当传感器输出的信号较强,感受件与效用件之间的距离不大或效用件的灵敏度很高(或消耗的能量很小)时才有可能采用。常采用的中间件有导线、导管、光导纤维、无线电通信等。在近代的热能与动力机械测试工作中,都要求实现数据集中观测、遥测和自动记录。所以,大多数测量仪器的中间件还必须完成“放大”、“变换”和“运算”任务。仪器的放大件有两类:一类是感受件发出的信号较强,放大时不需外加能量,它只利用机械构件扩大指针和标尺之间的相对位移,使之易于观测;另一类是需要外加
13、能量的,这在电测仪器中用得很多。例如,用电子电位计测量热电功势时,就要将电动势放大10万倍才足以驱动伺服电动机带动指针作出指示。这类放大在电测仪器中利用电子器件来完成。有时,为了信号放大或改变传感器输出信号性质的需要,在电测仪器的测量电路中设有信号“变换器”和“运算器”。3效用件它直接与观测者发生联系,其作用是根据传感器输出信号的大小向观测者指出被测参数在数量上的大小。最简单而常见的仪器效用件是指示件,它通过标尺和指针(或液面、光线等)的相对位置来反映被测参数的瞬时值,有这种效用件的仪器被称作指示式仪器。效用件能将被测参数变化历程记录下来的仪器称为记录式仪器,如笔式记录仪、磁带记录仪等。记录式
14、仪器所能反映的是被测参数在各个瞬时的变化情况但有时需要知道被测参数对时间的积分。例如,在测定流量时,不仅要知道流量的瞬时值,而且还要知道在某个时间间隔内流过的总流量,如以qv表示瞬时体积流量(),则就是从时间到间隔内流过的总体积流量。若这一积分过程可由测量仪器本身来完成,则这样的测量仪器称积分式仪器或累计仪器,如流量计、电度表等。此外,按照效用件的功能来分类可分为:数字式仪器、信号式仪器、电接触式仪器、调节式仪器等等。二、测量仪器的分类测量仪器按其用途可分为范型仪器和实用仪器两类。范型仪器是准备用以复制和保持测量单位,或是用来对其他测量仪器进行标定和刻度工作的仪器。这类仪器的准确度很高,对它的
15、保存和使用有较高的要求。实用仪器是供实际测量使用的仪器,它又可分为试验室用仪器和工程用仪器。前者必须要提供关于它们读数的标定曲线或数值表,使用时应考虑周围环境对示值的影响(如温度、压力、磁场、振动等),其测量结果具有较高的准确度;后者并不需要标定资料它们的准确度是预先根据其结构、制造和运用条件定出的。对它的要求是动作迅速,使用简单、可靠,其测量结果应能满足工程测量误差所允许的范围。第四节 测量仪器的主要性能指标测量仪器的性能指标决定了所得测量结果的可靠程度,其中主要有:准确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞、指示滞后时间等。1被确度仪器的指示值接近于被测量的实际值的准确程度。称为准确度。它通常以“
16、允许误差”的大小来表示。允许误差的物理意义是;仪器读数允许的最大绝对误差折合为该仪器量程的百分数,即 (1-1)式中,为允许误差;为允许的最大绝对误差;、为仪器刻度的上限和下限值。例如,有一温度计的刻度是从-30120,而允许的最大绝对误差为士2,则其允许误差为测量仪器采用允许误差来表示仪器准确度的级别,例如允许误差为1.5的仪器为“1.5级”。通常工程用仪器为0.54级;试验室用仪器为0.20.5级;范型仪器在0.2级以上。仪器的准确度级别一般都标志在其标尺板上。因此,在选用仪器时,应在满足被测量要求的条件下,尽量选择量程较小的仪器,一般应使测量值在满刻度的2/3以上为宜(见第二章第五节中间
17、接测量的误差计算举例),并根据对被测量绝对误差的要求选择测量仪器的精度等级。2恒定度仪器多次重复测量时,其指示值的稳定程度,称为恒定度。通常以读数的变差来表示。当外部条件不变时,用同仪器对某物理量的同一参数值重复进行测量或是相隔一段时间再测量时,指示值之间的最大差数与仪器量程之比的百分数为读数的变差。读数的变差的另种持例是当仪器指针上升(正行程)与下降(反行程)时,对同一被测量所得读数之差(由于仪器内部有阻尼,传动系统中有摩擦和间隙,这种变差是存在的)。显然,仪器读数的变差不应超过仪器的允许误差。3灵敏度它以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例S来表示 (1-2)式
18、中,为指针的线位移或角位移;为被测量的变化值。 4灵敏度阻滞 灵敏度阻滞又称为感量,此量是足以引起仪器指针从静止到作极微小移动的被测量的变化值。这一特性参数对于用在零值法中的指零仪器有着重要的意义。一般仪器的灵敏度阻滞应不大于仪器允许误差的一半。5指示滞后时间 从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需的时间,称为指示滞后时间,或称时滞。时滞主要由仪器的惯性引起。因仪器均存在引起惯性的因素,如机械式仪器中运动件的质量、电测仪器中的电感或电容、传热式仪器中的热容量等,故时滞是无法避免的。此外,还有一些用来评定仪器质量或特性的参数将在有关章节中加以说明。应当指出仪器的上述指标在仪器的使用和保管过程
19、中并非固定不变,而往往逐渐变坏,因此必须及时加以检验和校正。如果仪器检定的结果表明,其误差超出允许范围而又无法校正时,即应报废。对于试验室用仪器,为求得更为可靠的测量结果,应进行校正,即将被校仪器与准确度更高的标准仪器比较其读数,将标尺上各点实际误差测出,作校正曲线或数值表,如图1-2所示。使用时对该仪器的读数引入一个校正数。如仪器标尺上某一点的读数校正数为校正数标准值一读数第五节 仪器在瞬变参数测量中的动态特性 在工程测量中稳态参数的测量和分析已有比较成熟的方法,但是随着科学技术的发展,对非稳态参数及瞬变过程的测试已日趋重要。如测量内燃机在燃烧过程中气缸内气体压力的波形、汽轮机压气机过渡工况
20、时的气体流动等,都要对一些迅速变化的物理量进行测定。因此,要求动态测试仪器应具有较高的动态响应特性,但要完全满足这些要求将是十分困难的。这是由于测量仪器的指示和记录部分是个具有一定质量的弹性系统,或是由各种电器元件组成的电气系统,这些系统不可避免地存在着“惯性”和“阻尼”,要推动记录元件势必消耗一定能量,因而出现种种衰减滞后现象。这就使得测量仪器所测录的结果与真实物理量之间存在着幅值和相位的差异,甚至使所测录的变化曲线完全失真。 因此,选择合适的测量仪器使其与所测参数的动态特性相匹配,并使测量的动态误差达到试验所允许的范围,这就成为动态测试技术中的关键问题。一、仪器动态特性的数学描述 测量仪器
21、的动态特性通常采用常系数线性常微分方程来描述,其输入量和输出量之间的关系通常可表达如下(1-3)式中,y为输出量;x为输入量;t为时间;数组与为常数。 如果用算子D代表,方程式(1-3)可改写为 (1-4)方程式(14)也常称为任意阶线性系统(仪器或传感器)用其子形式表示的运动微分方程。 二、传递函数与频率响应 研究传感器的动态特性时,常引用传递函数的概念。传递函数是指用输出信号对输入信号之比来表示信号间的传递关系,并用H表示。由式(1-4)可得算子形式的传递函数(1-5)若用方框图表示:在研究动态测量时,最重要的一种情况是对正弦输入的动态响应,也就是当测量系统输入信号为时,其系统的响应,如图
22、1-3所示。输出信号在开始有一段非正弦波的过渡响应阶段,由于系统的阻尼随时间增长而衰减,直至消失而接近正弦信号,其后即进入稳态响应阶段,这时输出波形的稳态正弦信号为号的频率和输入信号频率相同,但振幅有差异(动态误差),相位滞后该系统相应的频率响应见图1-3b,其中一条为幅频特性曲线,另一条是相频特性曲线。对正弦波传递函数,可由式(1-5)中把D换成得到(1-6)往往把传递函数称为传感器(或线性系统)频率的响应函数,简称为频率响应或频率特性。三零阶仪器最简单的情况是在方程式(1-3)中假定,除外所有、系数都为零。这时方程变成最简单的代数方程 (1-7)用式(1-7)描述的仪器称为零阶仪器,式中S
23、为静态灵敏度。 因式(1-7)是线性方程,所以不管x随时间如何变化,仪器输出不受干扰也没有时间滞后,因此可以认为零阶仪器(或传感器)有完全理想的特性。 测量位移的电位计就是零阶仪器的实例。图1-4为其示意图。在由电压激励的电阻上有一个滑动触头,如果电阻在长度L上是线性分布,则可给出 (1-8)式(1-8)意味着不管随时间如何变化,输出电压总与成一定比例。 在多数情况下,由于各种因素的影响,仪器的特性往往是非线性的。图1-5所示为方程中包含有高次项的特性曲线,这对仪表的示值是不利的。但实际测量中,若非线性幂次不高,则在输入量变化不大的范围内,可以把实际曲线的某一段用切线或割线来代替,如图1-5a
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