(二)功率的測量

1.概述

在動力工程中功率的測量是十分重要的。例如，對于葉輪機械而言，功率是其重要的性能參數(shù)，在用試驗方法獲取性能曲線時，必須準確測量功率;對于動力機械，有效功率更是其最重要的性能參數(shù);在評價制冷機的性能系數(shù)(COP值)和壓縮機的比功率時都需要準確地測量軸功率;在火力發(fā)電廠中各種輔機(風機、水泵)的能耗也是重要的考核指標。值得注意的是，對于汽輪機、燃氣輪機、內燃機需要測量的是輸出軸功率，而對于制冷機、風機、壓縮機和水泵等要測量的是輸入功率，即原動機傳給這些動力機械的軸功率。

測量功率通常有以下三種方法：①測量轉矩和轉逮的方法;②測量電動機輸入功率和效率的方法;③熱平衡法。對第一種方法，因為功率等于轉矩和轉速的乘積，因此測量出轉矩和轉速即可得到軸功率。

測量電動機的輸入功率以及電動機的效率也可確定動力機械的功率，即

當不能用上述兩種方法測定葉輪機械的軸功率時，通常采用熱平衡法來間接測定其功率。熱平衡法是基于能量守恒原理，例如測定壓縮機功率時，其能量方程為

壓縮機機殼的散熱損失Qrc?？筛鶕?jù)壓縮機機殼的面積、溫度以及環(huán)境溫度按經(jīng)驗公式進行估算，壓縮機軸承損失Qmc則依據(jù)潤滑油帶走的熱量估算，即

因此用熱平衡法測定葉輪機械的軸功率實際上是測量壓縮氣體的溫度、壓力和流量以及潤滑油的流量和溫升等。值得注意的是，由于葉輪機械通流截面的氣體參數(shù)沿周向和徑向往往不是均勻的，因此為了準確測定氣流參數(shù)的平均值，必須布置數(shù)量足夠并按一定規(guī)律分布的周向和徑向測點。

2.轉矩測量

測量轉矩不僅是為了確定旋轉機械的功率，而且轉矩是各種工作機械傳動軸的基本荷載形式，與動力機械的工作能力、能源消耗、效率、運轉壽命及安全性能等因素緊密聯(lián)系。轉矩的測量對傳動軸荷載的確定與控制、傳動系統(tǒng)工作零件的強度設計以及原動機容量的選擇等都具有重要意義。

使機械元件轉動的力矩或力偶稱為轉動力矩，簡稱轉矩。機械元件在轉矩作用下都會產(chǎn)生一定程度的扭轉變形，故轉矩有時又稱為扭矩。在國際單位制(SI)中，轉矩的計量單位為牛頓·米(N.m)。

轉矩可分為靜態(tài)轉矩和動態(tài)轉矩。靜態(tài)轉矩是不隨時間變化或變化很小。很緩慢的轉矩。靜態(tài)轉矩包括靜止轉矩、恒定轉矩、緩變轉矩和微脈動轉矩。靜止轉矩的值為常數(shù)，傳動軸不旋轉;恒定轉矩的值為常數(shù)，但傳動軸以勻速旋轉，如電動機穩(wěn)定工作時的轉矩;緩變轉矩的值隨時間緩慢變化，但在短時間內可認為轉矩值是不變的;微脈動轉矩的瞬時值有幅度不大的脈動變化。

動態(tài)轉矩是隨時間變化很大的轉矩。動態(tài)轉矩包括振動轉矩、過渡轉矩和隨機轉矩。振動轉矩的值是周期性波動的;避渡轉矩是機械從一種工況轉換到另一種工況時的轉矩變化過程;隨機轉矩是一種不確定的、變化無規(guī)律的轉矩。

轉矩的測量方法可以分為平衡力法、能量轉換法和傳遞法。其中傳遞法涉及的轉矩測量儀器種類最多，應用也最廣泛。

通過測量機體上的平衡力矩(實際上是測量力和力臂)來確定動力機械主軸上工作轉矩的方法稱為平衡力法。平衡力法直接從機體上測轉矩，不存在從旋轉件到靜止件的轉矩傳遞問題。但它僅適合測量勻速工作情況下的轉矩，不能測動態(tài)轉矩。

依據(jù)能量守恒定律，通過測量其他形式能量如電能、熱能參數(shù)來測量旋轉機械的機械能，進而求得轉矩的方法即能量轉換法。從方法上講，能量轉換法實際上就是對功率和轉速進行測量的方法。能量轉換法測轉矩一般只在電動機和流體機械方面有較多的應用。

傳遞法是利用彈性元件來傳遞轉矩，在傳遞轉矩時彈性元件物理參數(shù)會發(fā)生響應，然后根據(jù)這些物理參數(shù)變化與轉矩關系來測量轉矩。轉矩測量儀器及裝置很多，應根據(jù)使用環(huán)境、測量精度等要求來選擇。

應變式轉矩測量儀是應用較廣的一種測量轉矩的儀器。它是通過測量轉矩作用在轉軸上產(chǎn)生的應變來測量轉矩，圖2-69所示為應變片式轉矩傳感器，在沿軸向±45。方向上分別粘貼有4個應變片，感受軸的最大正、負應變，將其組成全橋電路，則可輸出與轉矩M成正比的電壓信號。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。

轉矩測量與一般應力測量的不同之處是，貼在轉軸上的電阻應變片與電阻應變儀之間可以用導線直接傳遞信號和供給電源，而測量轉矩時，因為轉動軸是旋轉體，在轉矩傳感器與電阻應變儀之間不能單靠導線傳遞信號，而要通過集流環(huán)。集流環(huán)有電刷一滑環(huán)式、水銀式和感應式等。集流環(huán)存在觸點磨損和信號不穩(wěn)定等問題，不適于測量高速轉軸的轉矩。近年來，無接觸集流環(huán)及無線電應變測量技術得到了很快的發(fā)展。應變片式轉矩傳感器結構簡單，精度較高，應用較廣泛。

除了應變片式轉矩傳感器外，還有光電式轉矩傳感器，如圖2-70所示。在轉軸上安裝兩個光柵圓盤，兩個光柵盤外側設有光源和光敏元件。無轉矩作用時，兩光柵的明暗條紋相互錯開，完全遮擋住光路，因此放置于光柵一側的光敏元件接收不到來自光柵盤另一側光源的光信號，無電信號輸出。當有轉矩作用于轉軸上時，由于軸的扭轉變形，安裝光柵處的兩截面產(chǎn)生相對轉角，兩片光柵的暗條紋逐漸重合，部分光線透過兩光柵而照射到光敏元件上，從而輸出電信號。轉矩越大，扭轉角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而輸出電信號也越大。