转速测量与温度测量

王朝亮，翟成虎

（66350部队，河北保定 071000）

转速是旋转体转数与时间之比的物理量，工程上通常表示为转速=旋转次数/时间，是描述物体旋转运动的一个重要参数。转速表是机械行业必备的仪表之一，转速表从原理上可分为机械转速表、电磁转速表。电磁转速表又可分为磁转速表、交流转速表、直流转速表、数字转速表。下面将具体研究磁转速表的组成、功用及工作情况。

使用测温仪表对机械设备的温度进行定量的测量，测量温度时，总是选择一种在一定温度范围内随温度变化的物理量作为温度的标志，根据所依据的物理定律，由该物理量的数值显示被测物体的温度。目前，温度测量的方法已达数十种之多，这里主要介绍电学测温法。

1 磁转速表

1.1 磁转速表组成和工作原理

磁转速表由传感器和指示器组成。传感器是一个三相交流发电机，传送被测转速；指示器主要有同步电动机，测速部分和显示被测转速的指示部分。

感受—转换—传送—指示，是测量仪表工作的一般规律。磁转速表的工作过程，也包含感受、转换、传送、指示四个基本环节，但是，其顺序为传送—感受—转换—指示。发动机的转速，首先经过传送环节到感受环节中，感受环节根据转速大小产生相应的涡流电磁力矩，转换环节再将涡流力矩转换为角度，指示环节最后指示出发动机的转速。

1.1.1 传送

传送环节由三相交流发电机和同步电动机组成。三相交流发电机装在发动机上，同步电动机装在指示器内。

发动机工作时，发电机的磁铁转子由轴带着转动，定子绕组便切割磁力线，产生三相交流电，此交流电的频率与发动机的转速成正比。三相交流电通过连接导线输送到同步电动机的定子绕组中，定子绕组中便产生旋转磁场，使同步电动机转子旋转，同步电动机的转速与三相交流电的频率成正比，因而也与发动机转速成正比。这样传送环节便起到了传送转速的作用。

1.1.2 感受

感受环节由磁铁和涡流盘组成。

涡流盘是一个非铁磁质金属材料（如铝锰合金）做成的圆盘。磁铁，由同步电动机带着旋转。磁铁旋转时，涡流盘切割磁力线而产生涡流。涡流又产生磁场。涡流磁场同磁铁磁场相互作用，便形成涡流电磁力矩。涡流电磁力矩作用于涡流盘上，其方向与磁铁旋转的方向相同，大小与磁铁转速的大小成正比。

1.1.3 转换

转换环节由涡流盘（既属于感受环节又属于转换环节的一部分）和游丝组成。

游丝的内端固定在涡流盘的转轴上，外端固定在支架上。涡流盘带着转轴转动时，游丝被扭紧，产生反作用力矩。游丝反作用力矩的大小与涡流盘转动的角度成正比。当游丝反作用力矩与涡流电磁力矩平衡时涡流盘停止转动（不考虑涡流盘在平衡位置附近的衰减振动）。因此，涡流盘转动的角度与涡流电磁力矩也成正比。这样，转换环节就将涡流电磁力矩转换成角度了。

1.1.4 指示

指示环节由指针和刻度盘组成。

指针由涡流盘的转轴直接带动，或者由涡流盘的转轴经过齿轮带动。指针在刻度盘上指示的数值，即表示发动机的转速。

磁转速表各基本环节的联动工作情形如下：

发动机工作时，发电机转子转动，同步电动机的转子和感受环节中的磁铁同步转动。于是涡流盘上产生涡流电磁力矩。在该力矩的作用下，涡流盘转动。涡流盘转动的同时，游丝变形而产生反作用力矩。游丝反作用力矩与涡流电磁力矩平衡时，涡流盘停止转动，指针在刻度盘上指出相应的转速。

发动机的转速改变时，发电机转子，同步电动机转子和磁铁的转速都相应的改变，涡流电磁力矩也随着改变，涡流电磁力矩与游丝反作用力矩的平衡状态被打破，涡流盘转动角度也要改变。当两个力矩再度平衡时，涡流盘转到新位置，指针指出改变后的转速。

1.2 磁转速表的指示公式

磁转速表的指示公式，表示磁转速表指针转角与诸因素的关系。

磁转速表的指示是由涡流电磁力矩和游丝反作用力矩这两个矛盾着的相互作用决定的。矛盾的任何一方变化，都会影响指针的指示。因此，为了得出磁转速表的指示公式，必须分别对两个力矩加以研究。

1.2.1 涡流电磁力矩

（1）涡流电磁力矩与下列诸因素有关，见图1。

图1 涡流产生示意图

与磁感应强度（B）的平方成正比。磁感应强度越强，涡流盘切割磁力线越多，涡流越大；涡流磁场与磁铁磁场的作用力越大，涡流电磁力矩也越大，这是二次正比关系。

与涡流盘切割磁力线的有效长度（L有效）的平方成正比。有效长度越长，切割磁力线越多，涡流就越大，这是一次正比关系；有效长度越长涡流磁场与磁铁磁场的作用力越大，涡流电磁力矩也就越大，这是二次正比关系。

与转速（n）成正比。转速越高，涡流盘切割磁力线越多，涡流就越大，涡流电磁力矩也就越大。

与磁极对数（P）成正比。磁极对数越多，涡流电磁力矩也就越大。

与涡流盘电阻（R）成反比。涡流盘电阻越大涡流就越小，涡流电磁力矩也就越小。

与涡流盘的有效半径（r）的平方成正比。有效半径（以涡流盘中心到磁极中心线的距离）越大，涡流盘切割磁力线的线速度越快，涡流就越大，这是一次正比关系；有效半径越大，涡流磁场与磁铁磁场之间的作用力所形成的涡流电磁力矩也越大，这是二次正比关系。

（2）涡流电磁力矩公式。

磁铁以转速n（r/min）转动时，设任一个磁极的线速度为V，则该磁极使涡流盘产生的感应电动势可用下式表示：

式（1）中，E 为感应电动势。

磁极的线速度与磁铁转动的角速度有关，即：

式（2）中，ω为磁铁转动的角速度（rad/s），ω=2 fn/60这样，感应电动势便可以表达为：

由感应电动势的作用而产生的涡流可用下式表示：

式（4）中，I为涡流。

涡流产生的磁场与磁铁的磁场相互作用，使涡流盘受到力的作用。此力可用下式表示：

式（5）中，F 为力。

此力对转轴形成的力矩就是涡流电磁力矩。当磁极对数为P时，涡流盘受到的涡流电磁力矩为2PFr，因此得出涡流电磁力矩公式为：

式（6）中，M涡为涡流电磁力矩。

1.2.2 游丝反作用力矩

游丝反作用力矩等于游丝弹性刚度与指针转角的乘积。其关系式如下：

式（7）中，M反为游丝反作用力矩；K为游丝弹性刚度；a为指针转角。

1.2.3 指示公式

当游丝反作用力矩与涡流电磁力矩平衡时，指针停止转动。利用两力矩平衡的条件，即可求得仪表的指示公式，即：

式（8）～（10）中，磁极对数、涡流盘的有效半径、有效长度都是固定不变的数值。以此可得出以下结论：

（1）指针转角与转速成正比，与磁感应强度的平方成正比，与涡流电阻和游丝弹性刚度成反比。

（2）在温度不变的条件下，磁感应强度、涡流盘电阻、游丝弹性刚度均为常数，指针转角只与转速有关，因此，指针转角的大小可以表示转速的大小。

（3）由于指针转角与转速成正比，所以，磁转速表的刻度是均匀的。

2 温度测量

电学测温法是采用某些随温度变化的电学量作为温度的标志。属于这一类的温度计主要有热电偶温度计、电阻温度计和半导体热敏电阻温度计。

2.1 热电式温度计原理

热电偶温度计是一种在工业上、机械设备上使用极广泛的测温仪器，是利用热电偶的热电现象来测量温度的。它主要用来测量较高的温度，如燃气温度等。热电偶的种类有数十种之多。有的热电偶能测高达3 000 ℃的高温，有的热电偶能测量接近绝对零度的低温。热电式温度计的感温元件是热电偶。

2.1.1 热电现象

热电偶有两端（图2），一端是焊接点，称为热端；另一端分开着，中间连接一个灵敏的电压表，称为冷端，组成闭合回路。先不给热电偶加热，即热电偶热端温度T热等于冷端温度T冷，发现电压表指针不转动，说明电路内部不产生电势。然后，在热电偶热端加热，即T热>T冷，加热到一定程度，便发现电压表的指针转动；加热越久，热端的温度越高，电压表指示的越多。这就说明，热电偶两端有温度差后，电路内产生了电势，这种现象为热电现象，产生的电势称为热电势。

图2 热电现象

2.1.2 热电势产生的原因

热电偶产生热电势的原因，①不同金属接触在一起，会出现一种金属带正电，另一种金属带负电，即在接触表面之间形成接触电位差，此接触电位差的大小与金属性质、接触处的温度有关；②每一金属的温度不均匀时，也有电位差产生，但这种电位差很小，可以忽略。产生接触电位差的道理，与半导体PN 结形成的道理类似。不过这里相接触的两种金属都是金属导体，都只有一种载流子（自由电子）。把金属内部一定数量的自由电子看成像气体一样，即所谓电子气。电子气有一定的压力，该压力与电子气密度、温度成正比。当两种不同金属相接触时，由于不同金属内的电子气密度不同，在接触处产生压力差。自由电子将从电子气压力高的金属向电子气压力低的金属扩散。扩散的结果，失去电子的金属带正电，得到电子的金属带负电，因此，在两金属之间形成接触电位差，并有了局部电场，这个电场将使自由电子沿电场相反的方向运动。当扩散作用和电场作用达到平衡时，即自由电子的运动达到平衡状态时，两金属之间的接触电位差保持某一恒定值。

2.2 电阻温度计原理

电阻温度计根据导体电阻随温度的变化规律来测量温度。用来测量滑油温度、大气温度及其他流体的温度。由于感受温度的电阻丝在变温下性质不稳定，所以电阻式温度表一般只用来测量较低的温度。

2.2.1 金属的电阻与温度的关系

由铂，铜或镍构成的普通RTD 感测元件具有可重复的电阻-温度关系（RvsT）和工作温度范围。铂是制作RTDs 的最佳金属，因为它具有非常线性的电阻-温度关系，在很宽的温度范围内具有高重复性。它被用于定义国际温度标准ITS-90的传感器中。铂金被选择也因为它的化学惰性。用作电阻元件的金属的显着特征是在0和100 ℃之间，电阻与温度关系线性近似。该电阻的温度系数由α表示，通常以Ω/（℃）为单位，给出：

式（11）中，R0是0 ℃时传感器的电阻，R100是100 ℃时传感器的电阻。铂的这些不同的α值是通过掺杂实现的；基本上，小心地将杂质引入铂，掺杂期间引入的杂质嵌入铂的晶格结构中，会导致不同的R-T曲线，因此α值不同。

2.2.2 电阻温度计组成

电阻式温度计由感温器和指示器组成，感温器是一个感温电阻，指示器是一个二线框动铁式电流比值表。感温器插入被测对象的内部，感受其温度的变化，并把温度的变化转换为电阻的变化，而电阻的变化又引起指示器中两线框电流比值的变化，于是指针便指出被测对象的温度。在电阻温度表中，目前广泛采用双对角线电桥作为测量电路，这种电桥的灵敏度较高，感温电阻变化时，电流比值的变化范围很大。

3 结束语

通过重点对磁转速表工作原理和指示公式的分析，掌握了磁转速表的工作特点，能够为机械故障诊断提供依据；对热电偶测温计和电阻测温计的工作原理进行分析，掌握了两种测温方法的不同，对实际工作有一定的指导意义。