基于自制設備的能源與動力工程測試技術實驗課程設計

幸文婷，朱 赤，葉曉明，吳杰俊

（華中科技大學 能源與動力工程實驗教學中心，武漢 430074）

能源與動力工程測試技術是一門融合了能源工程、控制工程、傳感技術、信息技術和應用數學等多學科交叉的綜合應用型課程[1-2]。該課程內容零碎繁多、理論抽象、實踐性強、應用范圍廣，只有通過試驗測量的方法才能解決工程實際問題[3-5]。實驗教學對該課程至關重要，而實驗教學環節卻較薄弱。為使學生更好地掌握測試原理和方法，提高工程應用和實踐創新能力，有必要結合教材內容和課堂教學精心設計配套的實驗環節。

目前市場上所購置的教學儀器相對固化單一、功能有限，針對性差，與理論課程脫軌嚴重，且價格昂貴[6]，而自制儀器具有專業性、適用性、直觀性、先進性、經濟性等特點，彌補了市售產品在品種和性能方面的不足，滿足了特色化教學需求[7-8]。因此我們根據教學內容自制了幾臺實踐教學儀器，以期達到本科實驗教學要求。

能源與動力工程測試技術實驗課程教學計劃為8 學時，包含溫度測量及標定、壓力及流速測量、流量測量及標定、轉速及功率測量4 個實驗項目。該課程以自制教學設備為依托，實驗設置緊密結合工程實際，內容豐富、儀表配置齊全、操作靈活，讓學生對測試技術有了更為全面的理解和掌握。

1 溫度測量及標定實驗

1.1 實驗臺架設計

溫度測量及標定實驗裝置包含恒溫水槽（SYG-15）、冰點槽（冰水混合物）、直流電位差計（UJ33a）、數字多用表（VICTOR 86E）、溫度巡檢儀及各種型式的溫度計等。各溫度計的型號規格如下。

1）標定用水銀溫度計：量程分別為38～42 ℃、48～52 ℃及58～62 ℃，精度0.01 ℃。3 種不同測溫范圍的溫度計分別用來標定3 個對應的實驗工況。

2）壓力式溫度計：型號WTQ-280，量程0～100 ℃，精度2.5 級。

3）雙金屬溫度計：型號WSS-311，量程0～100 ℃，精度1.5 級。

4）K 型鎧裝熱電偶：型號WRNK-191,Φ3×150 mm，量程0～1 100 ℃，精度0.5 級。

5）E 型鎧裝熱電偶：型號WREK-191，Φ3×150 mm，量程0～600 ℃，精度0.5 級。

6）T 型鎧裝熱電偶：型號WRCK-191，Φ3×150 mm，量程-200～350 ℃，精度0.5 級。

7）Pt100鎧裝熱電阻：型號WZPK-191，Φ3×150 mm，量程-50～450 ℃，精度0.5 級。

8）Cu50鎧裝熱電 阻：型號WZC-191，Φ4×150 mm，量程-50～150 ℃，精度0.5 級。

實驗系統連接及實驗裝置如圖1 所示。

1.2 實驗教學設計

實驗教學內容主要包括以下6 個部分。

1）實驗系統搭建：包括儀表安裝、線路連接、電位差計組裝等。

2）溫度計的認知實驗：熟悉各種類型測溫儀表的測試原理，了解其內部結構、應用場合及使用方法。

3）熱電偶冷端溫度補償實驗：采用冰浴法，將清潔水制成的冰塊和蒸餾水混合均勻后放入冰點槽，然后將冷端直接置于溫度為0 ℃的冰點槽中。實驗所需冰塊由Hicon 流水式制冰機制成。系統配置的純水機和制冰機如圖2 所示。

圖2 實驗用純水機及制冰機裝置圖

4）熱電偶溫度測量實驗：將熱電偶與直流電位差計連用，采用直流電位差計測量回路熱電勢E，通過查取相應的熱電偶分度表獲得測量溫度[9]。

5）熱電阻溫度測量實驗：將熱電阻與數字多用表連用，測量熱電阻的阻值R，通過查取相應的熱電阻溫度計分度表獲得測量溫度。

6）通過變工況的溫度測量及標定實驗，分析各溫度計的測量誤差[10]。實驗時將標準溫度計和被標定溫度計都置于恒溫水槽中，比較二者的溫度測量指示值，確定被標定溫度計的基本誤差。通過設置恒溫水槽上的溫度控制儀表，可將溫度設定到實驗工況。本實驗根據標準水銀溫度計的測量范圍，溫度設定值分別為40 ℃、50 ℃和60 ℃。

2 壓力及流速測量實驗

2.1 實驗臺架設計

壓力測量實驗基于將所有壓力計串聯在同一管道上，讓流體分別連續通過各個壓力計，記錄壓力值進行比對的設計理念；流速測量則是通過測出確定流體速度的總壓與靜壓之差進行換算。流速計算為：

式中：c 為流體流速，單位m/s；?p為實驗所測總壓與靜壓差，單位Pa；ρ為流體密度，單位kg/m3。

該裝置由儲水箱、水泵、不銹鋼管路、各種型式的壓力計及速度探針等組成，其主要構成部件參數如下。

1）水泵：不銹鋼離心泵AMSm70/0.55，額定流量4 m3/h，額定揚程20 m，額定功率550 W。

2）2 種液柱式壓力計：U 形管壓力計和單管式壓力計。工作液體為水，不銹鋼面板，玻璃刻度管。

3）3 種彈性式壓力計：彈簧管壓力計、膜片式壓力計和膜盒式壓力計。這3 種壓力計為指針式壓力表，測量范圍為0～0.4 Mpa，精度1.6 級。

4）7 種壓力傳感器：應變式、壓電式、電感式、電容式、壓阻式、壓磁式及霍爾效應壓力傳感器。量程為0～0.4 MPa，精度0.5 級。

5）2 種速度探針：L 形速度探針（畢托管Φ3×60 mm）和笛形管探針（管徑Φ3 mm，正對水流方向上中下位置各開設一個Φ1.5 mm 小孔）。

6）系統管路：不銹鋼管道，管道內徑為40 mm。

7）差壓變送器：0～2.5 MPa。

8）儲水箱：容積100 L。

裝置詳圖如圖3 所示。

圖3 壓力及流速測量實驗裝置圖

2.2 實驗教學設計

實驗教學內容主要包括以下部分。

1）壓力計、壓力傳感器及速度探針的認知實驗：熟悉各種類型壓力計及速度探針的測試原理，了解其內部結構、應用場合及使用方法。

2）壓力測量實驗：進行多工況的壓力測量實驗，通過測試系統管路上同一測量點的壓力值，對比分析各壓力計及壓力傳感器的測量誤差[11]。

3）水頭損失實驗：通過測試系統管路上不同測量點的壓力值，計算并分析沿程損失水頭和局部損失水頭。

其中沿程損失水頭是流體與管壁間的粘性摩擦運動形成的阻力而造成的水頭損失，可表示為：

式中：hf為沿程損失水頭，單位m；p1、p2分別為直管上不同點的壓力測量值，單位Pa；ρ為流體密度；單位kg/m3；g為重力加速度，單位m/s2。

由于沿程損失與管道的長度成正比，與管道的直徑成反比，根據沿程損失的計算公式可算出沿程損失系數為：

式中：λ為沿程損失系數；c為流體流速，單位m/s；l為管道長度，單位m；d為管道直徑，單位m。

局部損失水頭是流體遇到局部障礙（如閥門、管道彎頭、粗細管接口等）時流線發生局部變形，并由于流動分離、二次流等原因產生旋渦運動而造成的水頭損失，可表示為：

式中：hj為局部損失水頭，單位m；ζ為局部損失系數，學生根據機械工程手冊或水力學手冊查詢相應形式的局部損失系數值。

4）流速測量實驗：用L 形速度探針和笛形管探針測量流體的總壓和靜壓差，計算流體的流速，分析并比較兩種速度探針的測量差異。

5）水泵特性實驗：調節電機轉速，繪制水泵壓力-轉速曲線圖，掌握常用機電設備的控制方法。

6）液位測量和控制實驗：儲水箱的液位由進出水流量的差值確定。通過控制水泵電機轉速實現進水調節，通過控制水箱出口調節閥開度實現出水調節。

3 流量測量及標定實驗

3.1 實驗臺架設計

流量測量及標定實驗基于將所有流量計串聯在同一管道上，讓流體分別連續通過各個流量計，記錄流量值進行比對的設計理念。該裝置由儲水箱、計量水箱、水泵、不銹鋼管路及各種型式的流量計等組成，其主要構成部件參數如下。

1）水泵：不銹鋼離心泵AMSm120/0.55，額定流量7 m3/h，額定揚程13 m，額定功率550 W。

2）浮子流量計（轉子流量計）：LZT-2530G，流量范圍3～30 GPM/12～120 LPM，精度等級0.5 級。

3）羅茨流量計（齒輪流量計）：NKGF25，DN20，4～20 mA 信號輸出，24 V 供電，量程0.6～8 m3/h，精度等級0.5 級。

4）渦輪流量計：LWGB-20，DN20，4～20 mA信號輸出，24 V 供電，量程0.7～8 m3/h，精度等級0.5 級。

5）渦街流量計：2022F193-37，DN20，4～20 mA 信號輸出，24 V 供電，量程0.5～10 m3/h，精度等級0.5 級。

6）電磁流量計[12]：DN20，4～20 mA 信號輸出，24 V 供電，量程0.5～10 m3/h，精度等級0.5 級。

7）節流壓差式流量計（節流孔板）：孔徑13 mm。

8）系統管路：不銹鋼管道內徑21 mm。

9）壓差變送器：0～180 kPa。

10）計量水箱：長300 mm，寬350 mm，容積30 L。

11）儲水箱：容積100 L。

裝置詳圖如圖4 所示。

圖4 流量測量及標定實驗裝置圖

3.2 實驗教學設計

實驗教學內容主要包括以下部分。

1）流量計的認知實驗：熟悉各種類型流量計的測試原理，了解其內部結構、應用場合、安裝要求及使用方法。

2）流量測量實驗：進行多工況的流量測量實驗，測量流體經過各流量計的流量值，通過對比計算，分析各種型式流量計的測量誤差。

3）流量標定實驗：采用容積法進行標定[13]。用秒表計量10～20 s 時間內流過計量水箱的容積，計算出平均流量。將各流量計所測流量值與標準流量進行比較，計算并分析標準誤差。

4）水泵特性實驗：調節電機轉速，繪制水泵流量-轉速關系曲線，掌握常用機電設備的控制方法。

5）液位測量和控制實驗：儲水箱的液位由進出水流量的差值確定。通過控制水泵電機轉速實現進水調節，通過控制水箱出口調節閥開度實現出水調節。

4 轉速、轉矩及功率測量實驗

4.1 實驗臺架設計

轉速、轉矩及功率測量實驗裝置由電動機、離心風機、轉速傳感器、轉矩傳感器、功率變送器、PLC 控制器及觸摸屏等組成，其主要部件規格參數如下。

1）電動機：臥式交流異步電動機，YS8012 型。電壓AC220 V，功率750 W，轉速0～2 800 r/min，軸徑Φ19 mm。

2）離心風機：型號DF-6.

3）功率變送器：導軌單相功率變送器，AC220 V，功率測量范圍0～1 500 W.

4）轉速/轉矩傳感器1：JN-DN2 型，由電阻應變式轉矩傳感器和直射式光電測速傳感器集成，采用RS485 通信接口，MODBUS 協議，可同時測量轉速和轉矩。轉速測量范圍為0～5 000 r/min，轉矩測量范圍為0～100 N·m，軸徑Φ28 mm。

5）轉速/轉矩傳感器2：WTQ-2052 型，由相位差轉矩傳感器和直射式光電測速傳感器集成，采用RS485 通信接口，MODBUS 協議，可同時測量轉速和轉矩。轉速測量范圍為0～10 000 r/min，轉矩測量范圍為0～200 N·m，軸徑Φ28 mm。

6）磁電式測速傳感器：NJK-5002C 型，帶霍爾開關。

7）激光轉速儀（手持式）：型號DT-6234C，測試范圍0～99 999 r/min，測量準確度±（0.05%+1 個），6 MHz 石英晶體振蕩器。

8）觸摸屏：12 寸工業級觸摸電容屏，嵌入面板式一體機觸控平板電腦，分辨率1 024×600，主板JI1800，CPU 賽揚雙核2.41 G，硬盤32 G，前置USB 接口。

9）電機變頻器：1.5 kW 單相220 V 變頻器，帶RS485 通訊功能。

10）PLC 控制器：信捷PLC，繼電器型，AC220V 供電，支持RS232、RS485 通訊功能。

11）軟件：MCGS 組態軟件，包括組態環境和運行環境兩部分。組態環境在基于Microsoft 的各種32 位Windows 平臺上運行，運行環境則在實時多任務嵌入式操作系統WindowsCE 中運行，可實時采集轉速、轉矩和功率數據。

裝置詳圖如圖5 所示，數據采集界面如圖6所示。

圖5 轉速、轉矩及功率測量實驗裝置圖

圖6 轉速、轉矩及功率數據采集界面

4.2 實驗教學設計

實驗教學內容主要包括以下部分。

1）轉速及轉矩傳感器的認知實驗：熟悉各種類型傳感器的測試原理，了解其內部結構及使用方法。

2）實驗系統搭建：包括測試硬件系統和軟件系統的搭建、應變片及反射帶的粘貼、采集參數和通道設置、信號測試等。

3）轉速測量實驗：通過信號采集計算出不同傳感器的轉速值，分析不同傳感器的轉速測量差異以及測量精度隨轉速變化的趨勢。

4）轉矩測量實驗：通過信號采集計算出不同傳感器的轉矩值，分析不同傳感器轉矩值的測量差異以及轉矩隨轉速變化的趨勢[14]。

5）功率測量實驗：測出轉矩和轉速，軸的功率為：

式中：Ne為軸功率，單位kW；M為轉矩，單位N·m；n為轉速，單位r/min。

5 實驗誤差分析

學生在進行完系統測試后，需要對各測量儀表進行誤差分析。本課程中誤差按式（6）計算。

式中：σ為標準誤差；Xi為每種測量儀表的單次測量值，如單次溫度計、流量計、壓力計等的讀數；X為真值，取各系統的最終標定值；N為測量次數。

經測量、計算、分析和總結，各儀表的測量誤差主要表現在以下幾個方面。

1）系統誤差：儀表制造、安裝、使用不正確或實驗方法不完善等原因造成。

2）儀表精度：實驗臺架中選用的各溫度計、流量計、壓力計等的儀表精度不同，儀表精度越高，測量誤差越小。

3）儀表量程：測量值在儀表量程之內，相同精度的儀表，量程越小，測量誤差越小。

4）設計工況：本實驗設置了幾組不同的實驗工況，當采用一定量程的儀表時，測量小示值的相對誤差比測量大示值的相對誤差大，因此在工況設計時要盡量讓測量值落在2/3 量程附近。

5）隨機誤差：為提高測量精度，需進行多次測量，多次測量后的算術平均值更接近真值。但受上課時間限制，每組工況測量次數為5 次，隨機誤差較大。

6）過失誤差：通常由于學生粗心大意、讀錯、記錯、算錯或錯誤操作造成的，如在用鎳鉻-鎳硅熱電偶時，錯誤地使用銅-康銅熱電偶分度表；或者在同一管道截面上測量出來的靜壓值大于總壓值。過失誤差應剔除。

6 結束語

基于自制設備的工程測試技術實驗課程，通過溫度、壓力、流量、流速、轉速、轉矩及功率測試實驗，可以讓學生全面掌握工程測試技術技能、鍛煉學生分析和解決復雜測試問題的能力，培養學生的工程實踐能力，實現了課程理論、實驗環節和工程實踐的有機結合[15]。