《能源监测与评价》——能源监测技术（八）

四、其他物理量的测量技术

(一)转速的测量

在动力工程中，考察动力机械(如汽轮机、燃气轮机、内燃机等)和流体机械(如风机、水泵等)的性能时，转速是一个重要的特性参数。此外，动力机械的许多特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。因此了解转速的测量方法是很重要的。需要指出的是，转速通常是指单位时间内旋转机械转轴的平均旋转速度，而不是瞬肘旋转速度。转速的单位是r/mln。物体的转速一股采用间接的方法测量，即通过各种各样的传感器将转速变换为其他物理量，如机械量、电磁量、光学量等，然后再用模拟和数字两种方法显示。

转速测量的方法很多，测量仪表的形式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、钟表式转速表及测转速发电动机等;后者在使用时不必与被测转轴接触，如光电式转速表、电子数字式转速仪、闪光测转速仪等。

1.电气式转速测量方法

电气式转速测量方法很多，这里仅介绍电磁式转速仪和发电机式转速仪。把转速转换成脉冲系列的传感器常用的有电磁感应式、霍尔式、磁敏式和光电式传感器。

最简单的电磁感应式的工作原理是：转动部件上若有凸起的铁磁物，如齿轮，则可在其近旁安装绕有线圈的磁铁，如图2-65(a)所示。当齿轮的齿经过磁极时，磁通变化，在线圈上产生感应电动势已，经过放大整形送人脉冲计数器，在一定时间间隔内累计脉冲数，便可得到转速。显然齿数越多，分辨力越强。

若转动部件为非铁磁性物质，可采用图2-65(b)所示的方法，即将开口钢丝环套在转动体上、环的缺口处磁化成一对磁极，用录音机磁头在近距离内检测磁极经过时的磁场波动信号，放大整形后计数，同样可以测出转速。由于钢环的磁场比磁带上的磁信号强得多，磁头不必与钢环接触，所以不会磨损。

以上这两种非接触测量方法所产生的电脉冲幅值都和转速成正比，且输出为脉冲数，易于数字显示。

发电机式转速仪是一种专门测转速的微型电机，它是利用电磁感应原理制成的一种把转动的机械能转换成电信号输出的装置，与普通发电机不同之处是其输出电压与转速之间有较好的线性关系、较高的灵放度、较小的惯性和较大的输出信号等。发电机式转速仪分为直流和交流两类。直流测转速发电机又分为永磁式和他激式两种，交流测转速发电机则分为同步和异步两种。其中直流测转速发电机的输出电压和转速有较好的线性关系，并且直流的极性

能反映转向，用在模拟式测速电路上很方便。交流测转速发电机的输出频率与转速严格对应，用在数字测速电路上不必经过模数转换，只要放大整形求出频率值即可。

发电机式转速仪有直流测转速发电机和交流测转速发电机。直流测转速发电机的平均直流输出电压Uo与转速N大致成正比，其表达式为

输出电压U0的极性随旋转方向的不同而改变。由于电枢导线的数目有限，因此输出电压有小纹波。对于高速旋转的情况，纹波可利用低通滤波器来减小。典型的永磁式高精度测转速发电机的直流输出电压为7V，额定转速为5000r/min;在0～3600r/min范围内的非线性度为0.07%。

交流测转速发电机是一种两相感应发电机，一般多采用笼式转子，为了提高精度有时也采用拖杯式转子。其中一相加交流激励电压以形成交流磁场，当转子随被测轴旋转时，就在另一相线圈上感应出频率和相位都与激励电压相同，但幅值与瞬时转速N(N=w/2Π)成正比的交流输出电压U0。当旋转方向改变时，U0也随之发生180度的相移。当转子静止不动时，输出电压U0基本上为零。

测速发电机在使用时易受环境温度、湿度及电方面的干扰影响，其精度为1%～2%，测速范围在10000r/min以下，并且要吸收掉被测旋转轴的一部分功率，在一般稳定转速测量中用的不多，但在瞬变转速的测量中却有反应快、信号易于采集记录等优点。

以上各种方法中，凡是输出频率信号的转速传感器，都可以利用频率转换器把频率信号变成0～10mA或1～20mA的直流标准信号。但是对于用计算机控制的系统，完全可以直接把脉冲频率送入串行输入通道，由计算机的时钟定时采样得到转速，不一定需要经过频率转换器。

2.闪光测转速法

闪光测转速法又称频闪式测转速法，闪光测速仪是用已知频率的闪光去照射被测轴，利用频率比较的方法来测量转速。它的原理是基于人的“视觉暂留现象”。一个闪光目标，当闪动频率大于10Hz时，人看上去就是连续发亮的。根据这一原理，用一个频率连续可调的闪光灯照射被测旋转轴上的某一固定标记(如齿轮的齿、圆盘的辐条或在旋转轴上涂以黑白点)，并调节闪光频率f，当频率是被测转数N的n倍或1/n时(n为整数)，标记就会在每转到同一位置时被照亮一次，当照亮次数大于每秒10次时，旋转的标记看上去就停留于固

定位置不动。但只有当n=1，也就是灯泡闪光频率厂等于被测转速N时，标记图像才最清楚。这样就可以通过闪光灯的闪动频率来测量转速，而闪光频率可从刻度盘上直接读出。

通常灯泡的闪光频率为每分钟110～25000次，对于转速大于25000r/min的情况可通过下述办法来测量。首先从最高闪光频率往下调，当第一次看到标记不动时，得到闪光频率fi。接着继续减小闪光频率，直到再次看到标记不动时，得到闪光频率。重复上述过程，当第m次看到标记不动时得到频率fm，则被测转速N为

闪光测速仪的优点是非接触式测量，测量精度高，量程范围宽，可完成每分钟几百至几万转的转速测量。特别适用于测量高转速机械，还可以用来作为观察运动机件工作情况的一种手段。当运动机件的旋转频率或往复运动频率fx与闪光频率f0相等或成整数倍时，人们可以看到运动机件停留在某一位置，好像是原地静止不动一样，因此可以清楚地观察运动着的机件，如进排气阀、弹簧、叶片和齿轮等在工作中的状况。闪光测速的缺点是精度不高。