《能源监测与评价》——能源监测技术（九）

(二)功率的测量

1.概述

在动力工程中功率的测量是十分重要的。例如，对于叶轮机械而言，功率是其重要的性能参数，在用试验方法获取性能曲线时，必须准确测量功率;对于动力机械，有效功率更是其最重要的性能参数;在评价制冷机的性能系数(COP值)和压缩机的比功率时都需要准确地测量轴功率;在火力发电厂中各种辅机(风机、水泵)的能耗也是重要的考核指标。值得注意的是，对于汽轮机、燃气轮机、内燃机需要测量的是输出轴功率，而对于制冷机、风机、压缩机和水泵等要测量的是输入功率，即原动机传给这些动力机械的轴功率。

测量功率通常有以下三种方法：①测量转矩和转逮的方法;②测量电动机输入功率和效率的方法;③热平衡法。对第一种方法，因为功率等于转矩和转速的乘积，因此测量出转矩和转速即可得到轴功率。

测量电动机的输入功率以及电动机的效率也可确定动力机械的功率，即

当不能用上述两种方法测定叶轮机械的轴功率时，通常采用热平衡法来间接测定其功率。热平衡法是基于能量守恒原理，例如测定压缩机功率时，其能量方程为

压缩机机壳的散热损失Qrc。可根据压缩机机壳的面积、温度以及环境温度按经验公式进行估算，压缩机轴承损失Qmc则依据润滑油带走的热量估算，即

因此用热平衡法测定叶轮机械的轴功率实际上是测量压缩气体的温度、压力和流量以及润滑油的流量和温升等。值得注意的是，由于叶轮机械通流截面的气体参数沿周向和径向往往不是均匀的，因此为了准确测定气流参数的平均值，必须布置数量足够并按一定规律分布的周向和径向测点。

2.转矩测量

测量转矩不仅是为了确定旋转机械的功率，而且转矩是各种工作机械传动轴的基本荷载形式，与动力机械的工作能力、能源消耗、效率、运转寿命及安全性能等因素紧密联系。转矩的测量对传动轴荷载的确定与控制、传动系统工作零件的强度设计以及原动机容量的选择等都具有重要意义。

使机械元件转动的力矩或力偶称为转动力矩，简称转矩。机械元件在转矩作用下都会产生一定程度的扭转变形，故转矩有时又称为扭矩。在国际单位制(SI)中，转矩的计量单位为牛顿·米(N.m)。

转矩可分为静态转矩和动态转矩。静态转矩是不随时间变化或变化很小。很缓慢的转矩。静态转矩包括静止转矩、恒定转矩、缓变转矩和微脉动转矩。静止转矩的值为常数，传动轴不旋转;恒定转矩的值为常数，但传动轴以匀速旋转，如电动机稳定工作时的转矩;缓变转矩的值随时间缓慢变化，但在短时间内可认为转矩值是不变的;微脉动转矩的瞬时值有幅度不大的脉动变化。

动态转矩是随时间变化很大的转矩。动态转矩包括振动转矩、过渡转矩和随机转矩。振动转矩的值是周期性波动的;避渡转矩是机械从一种工况转换到另一种工况时的转矩变化过程;随机转矩是一种不确定的、变化无规律的转矩。

转矩的测量方法可以分为平衡力法、能量转换法和传递法。其中传递法涉及的转矩测量仪器种类最多，应用也最广泛。

通过测量机体上的平衡力矩(实际上是测量力和力臂)来确定动力机械主轴上工作转矩的方法称为平衡力法。平衡力法直接从机体上测转矩，不存在从旋转件到静止件的转矩传递问题。但它仅适合测量匀速工作情况下的转矩，不能测动态转矩。

依据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法。能量转换法测转矩一般只在电动机和流体机械方面有较多的应用。

传递法是利用弹性元件来传递转矩，在传递转矩时弹性元件物理参数会发生响应，然后根据这些物理参数变化与转矩关系来测量转矩。转矩测量仪器及装置很多，应根据使用环境、测量精度等要求来选择。

应变式转矩测量仪是应用较广的一种测量转矩的仪器。它是通过测量转矩作用在转轴上产生的应变来测量转矩，图2-69所示为应变片式转矩传感器，在沿轴向±45。方向上分别粘贴有4个应变片，感受轴的最大正、负应变，将其组成全桥电路，则可输出与转矩M成正比的电压信号。这种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。

转矩测量与一般应力测量的不同之处是，贴在转轴上的电阻应变片与电阻应变仪之间可以用导线直接传递信号和供给电源，而测量转矩时，因为转动轴是旋转体，在转矩传感器与电阻应变仪之间不能单靠导线传递信号，而要通过集流环。集流环有电刷一滑环式、水银式和感应式等。集流环存在触点磨损和信号不稳定等问题，不适于测量高速转轴的转矩。近年来，无接触集流环及无线电应变测量技术得到了很快的发展。应变片式转矩传感器结构简单，精度较高，应用较广泛。

除了应变片式转矩传感器外，还有光电式转矩传感器，如图2-70所示。在转轴上安装两个光栅圆盘，两个光栅盘外侧设有光源和光敏元件。无转矩作用时，两光栅的明暗条纹相互错开，完全遮挡住光路，因此放置于光栅一侧的光敏元件接收不到来自光栅盘另一侧光源的光信号，无电信号输出。当有转矩作用于转轴上时，由于轴的扭转变形，安装光栅处的两截面产生相对转角，两片光栅的暗条纹逐渐重合，部分光线透过两光栅而照射到光敏元件上，从而输出电信号。转矩越大，扭转角越大，照射到光敏元件上的光越多，因而输出电信号也越大。