轉速測量與溫度測量

王朝亮，翟成虎

（66350部隊，河北保定 071000）

轉速是旋轉體轉數與時間之比的物理量，工程上通常表示為轉速=旋轉次數/時間，是描述物體旋轉運動的一個重要參數。轉速表是機械行業必備的儀表之一，轉速表從原理上可分為機械轉速表、電磁轉速表。電磁轉速表又可分為磁轉速表、交流轉速表、直流轉速表、數字轉速表。下面將具體研究磁轉速表的組成、功用及工作情況。

使用測溫儀表對機械設備的溫度進行定量的測量，測量溫度時，總是選擇一種在一定溫度范圍內隨溫度變化的物理量作為溫度的標志，根據所依據的物理定律，由該物理量的數值顯示被測物體的溫度。目前，溫度測量的方法已達數十種之多，這里主要介紹電學測溫法。

1 磁轉速表

1.1 磁轉速表組成和工作原理

磁轉速表由傳感器和指示器組成。傳感器是一個三相交流發電機，傳送被測轉速；指示器主要有同步電動機，測速部分和顯示被測轉速的指示部分。

感受—轉換—傳送—指示，是測量儀表工作的一般規律。磁轉速表的工作過程，也包含感受、轉換、傳送、指示四個基本環節，但是，其順序為傳送—感受—轉換—指示。發動機的轉速，首先經過傳送環節到感受環節中，感受環節根據轉速大小產生相應的渦流電磁力矩，轉換環節再將渦流力矩轉換為角度，指示環節最后指示出發動機的轉速。

1.1.1 傳送

傳送環節由三相交流發電機和同步電動機組成。三相交流發電機裝在發動機上，同步電動機裝在指示器內。

發動機工作時，發電機的磁鐵轉子由軸帶著轉動，定子繞組便切割磁力線，產生三相交流電，此交流電的頻率與發動機的轉速成正比。三相交流電通過連接導線輸送到同步電動機的定子繞組中，定子繞組中便產生旋轉磁場，使同步電動機轉子旋轉，同步電動機的轉速與三相交流電的頻率成正比，因而也與發動機轉速成正比。這樣傳送環節便起到了傳送轉速的作用。

1.1.2 感受

感受環節由磁鐵和渦流盤組成。

渦流盤是一個非鐵磁質金屬材料（如鋁錳合金）做成的圓盤。磁鐵，由同步電動機帶著旋轉。磁鐵旋轉時，渦流盤切割磁力線而產生渦流。渦流又產生磁場。渦流磁場同磁鐵磁場相互作用，便形成渦流電磁力矩。渦流電磁力矩作用于渦流盤上，其方向與磁鐵旋轉的方向相同，大小與磁鐵轉速的大小成正比。

1.1.3 轉換

轉換環節由渦流盤（既屬于感受環節又屬于轉換環節的一部分）和游絲組成。

游絲的內端固定在渦流盤的轉軸上，外端固定在支架上。渦流盤帶著轉軸轉動時，游絲被扭緊，產生反作用力矩。游絲反作用力矩的大小與渦流盤轉動的角度成正比。當游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時渦流盤停止轉動（不考慮渦流盤在平衡位置附近的衰減振動）。因此，渦流盤轉動的角度與渦流電磁力矩也成正比。這樣，轉換環節就將渦流電磁力矩轉換成角度了。

1.1.4 指示

指示環節由指針和刻度盤組成。

指針由渦流盤的轉軸直接帶動，或者由渦流盤的轉軸經過齒輪帶動。指針在刻度盤上指示的數值，即表示發動機的轉速。

磁轉速表各基本環節的聯動工作情形如下：

發動機工作時，發電機轉子轉動，同步電動機的轉子和感受環節中的磁鐵同步轉動。于是渦流盤上產生渦流電磁力矩。在該力矩的作用下，渦流盤轉動。渦流盤轉動的同時，游絲變形而產生反作用力矩。游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時，渦流盤停止轉動，指針在刻度盤上指出相應的轉速。

發動機的轉速改變時，發電機轉子，同步電動機轉子和磁鐵的轉速都相應的改變，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被打破，渦流盤轉動角度也要改變。當兩個力矩再度平衡時，渦流盤轉到新位置，指針指出改變后的轉速。

1.2 磁轉速表的指示公式

磁轉速表的指示公式，表示磁轉速表指針轉角與諸因素的關系。

磁轉速表的指示是由渦流電磁力矩和游絲反作用力矩這兩個矛盾著的相互作用決定的。矛盾的任何一方變化，都會影響指針的指示。因此，為了得出磁轉速表的指示公式，必須分別對兩個力矩加以研究。

1.2.1 渦流電磁力矩

（1）渦流電磁力矩與下列諸因素有關，見圖1。

圖1 渦流產生示意圖

與磁感應強度（B）的平方成正比。磁感應強度越強，渦流盤切割磁力線越多，渦流越大；渦流磁場與磁鐵磁場的作用力越大，渦流電磁力矩也越大，這是二次正比關系。

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

與轉速（n）成正比。轉速越高，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。

與磁極對數（P）成正比。磁極對數越多，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，這是一次正比關系；有效半徑越大，渦流磁場與磁鐵磁場之間的作用力所形成的渦流電磁力矩也越大，這是二次正比關系。

（2）渦流電磁力矩公式。

磁鐵以轉速n（r/min）轉動時，設任一個磁極的線速度為V，則該磁極使渦流盤產生的感應電動勢可用下式表示：

式（1）中，E 為感應電動勢。

磁極的線速度與磁鐵轉動的角速度有關，即：

式（2）中，ω為磁鐵轉動的角速度（rad/s），ω=2 fn/60這樣，感應電動勢便可以表達為：

由感應電動勢的作用而產生的渦流可用下式表示：

式（4）中，I為渦流。

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

式（5）中，F 為力。

此力對轉軸形成的力矩就是渦流電磁力矩。當磁極對數為P時，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角的乘積。其關系式如下：

式（7）中，M反為游絲反作用力矩；K為游絲彈性剛度；a為指針轉角。

1.2.3 指示公式

當游絲反作用力矩與渦流電磁力矩平衡時，指針停止轉動。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，磁極對數、渦流盤的有效半徑、有效長度都是固定不變的數值。以此可得出以下結論：

（1）指針轉角與轉速成正比，與磁感應強度的平方成正比，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，磁感應強度、渦流盤電阻、游絲彈性剛度均為常數，指針轉角只與轉速有關，因此，指針轉角的大小可以表示轉速的大小。

（3）由于指針轉角與轉速成正比，所以，磁轉速表的刻度是均勻的。

2 溫度測量

電學測溫法是采用某些隨溫度變化的電學量作為溫度的標志。屬于這一類的溫度計主要有熱電偶溫度計、電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計。

2.1 熱電式溫度計原理

熱電偶溫度計是一種在工業上、機械設備上使用極廣泛的測溫儀器，是利用熱電偶的熱電現象來測量溫度的。它主要用來測量較高的溫度，如燃氣溫度等。熱電偶的種類有數十種之多。有的熱電偶能測高達3 000 ℃的高溫，有的熱電偶能測量接近絕對零度的低溫。熱電式溫度計的感溫元件是熱電偶。

2.1.1 熱電現象

熱電偶有兩端（圖2），一端是焊接點，稱為熱端；另一端分開著，中間連接一個靈敏的電壓表，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，發現電壓表指針不轉動，說明電路內部不產生電勢。然后，在熱電偶熱端加熱，即T熱>T冷，加熱到一定程度，便發現電壓表的指針轉動；加熱越久，熱端的溫度越高，電壓表指示的越多。這就說明，熱電偶兩端有溫度差后，電路內產生了電勢，這種現象為熱電現象，產生的電勢稱為熱電勢。

圖2 熱電現象

2.1.2 熱電勢產生的原因

熱電偶產生熱電勢的原因，①不同金屬接觸在一起，會出現一種金屬帶正電，另一種金屬帶負電，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、接觸處的溫度有關；②每一金屬的溫度不均勻時，也有電位差產生，但這種電位差很小，可以忽略。產生接觸電位差的道理，與半導體PN 結形成的道理類似。不過這里相接觸的兩種金屬都是金屬導體，都只有一種載流子（自由電子）。把金屬內部一定數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。當兩種不同金屬相接觸時，由于不同金屬內的電子氣密度不同，在接觸處產生壓力差。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散。擴散的結果，失去電子的金屬帶正電，得到電子的金屬帶負電，因此，在兩金屬之間形成接觸電位差，并有了局部電場，這個電場將使自由電子沿電場相反的方向運動。當擴散作用和電場作用達到平衡時，即自由電子的運動達到平衡狀態時，兩金屬之間的接觸電位差保持某一恒定值。

2.2 電阻溫度計原理

電阻溫度計根據導體電阻隨溫度的變化規律來測量溫度。用來測量滑油溫度、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不穩定，所以電阻式溫度表一般只用來測量較低的溫度。

2.2.1 金屬的電阻與溫度的關系

由鉑，銅或鎳構成的普通RTD 感測元件具有可重復的電阻-溫度關系（RvsT）和工作溫度范圍。鉑是制作RTDs 的最佳金屬，因為它具有非常線性的電阻-溫度關系，在很寬的溫度范圍內具有高重復性。它被用于定義國際溫度標準ITS-90的傳感器中。鉑金被選擇也因為它的化學惰性。用作電阻元件的金屬的顯著特征是在0和100 ℃之間，電阻與溫度關系線性近似。該電阻的溫度系數由α表示，通常以Ω/（℃）為單位，給出：

式（11）中，R0是0 ℃時傳感器的電阻，R100是100 ℃時傳感器的電阻。鉑的這些不同的α值是通過摻雜實現的；基本上，小心地將雜質引入鉑，摻雜期間引入的雜質嵌入鉑的晶格結構中，會導致不同的R-T曲線，因此α值不同。

2.2.2 電阻溫度計組成

電阻式溫度計由感溫器和指示器組成，感溫器是一個感溫電阻，指示器是一個二線框動鐵式電流比值表。感溫器插入被測對象的內部，感受其溫度的變化，并把溫度的變化轉換為電阻的變化，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對象的溫度。在電阻溫度表中，目前廣泛采用雙對角線電橋作為測量電路，這種電橋的靈敏度較高，感溫電阻變化時，電流比值的變化范圍很大。

3 結束語

通過重點對磁轉速表工作原理和指示公式的分析，掌握了磁轉速表的工作特點，能夠為機械故障診斷提供依據；對熱電偶測溫計和電阻測溫計的工作原理進行分析，掌握了兩種測溫方法的不同，對實際工作有一定的指導意義。