基于自制设备的能源与动力工程测试技术实验课程设计

幸文婷，朱 赤，叶晓明，吴杰俊

（华中科技大学 能源与动力工程实验教学中心，武汉 430074）

能源与动力工程测试技术是一门融合了能源工程、控制工程、传感技术、信息技术和应用数学等多学科交叉的综合应用型课程[1-2]。该课程内容零碎繁多、理论抽象、实践性强、应用范围广，只有通过试验测量的方法才能解决工程实际问题[3-5]。实验教学对该课程至关重要，而实验教学环节却较薄弱。为使学生更好地掌握测试原理和方法，提高工程应用和实践创新能力，有必要结合教材内容和课堂教学精心设计配套的实验环节。

目前市场上所购置的教学仪器相对固化单一、功能有限，针对性差，与理论课程脱轨严重，且价格昂贵[6]，而自制仪器具有专业性、适用性、直观性、先进性、经济性等特点，弥补了市售产品在品种和性能方面的不足，满足了特色化教学需求[7-8]。因此我们根据教学内容自制了几台实践教学仪器，以期达到本科实验教学要求。

能源与动力工程测试技术实验课程教学计划为8 学时，包含温度测量及标定、压力及流速测量、流量测量及标定、转速及功率测量4 个实验项目。该课程以自制教学设备为依托，实验设置紧密结合工程实际，内容丰富、仪表配置齐全、操作灵活，让学生对测试技术有了更为全面的理解和掌握。

1 温度测量及标定实验

1.1 实验台架设计

温度测量及标定实验装置包含恒温水槽（SYG-15）、冰点槽（冰水混合物）、直流电位差计（UJ33a）、数字多用表（VICTOR 86E）、温度巡检仪及各种型式的温度计等。各温度计的型号规格如下。

1）标定用水银温度计：量程分别为38～42 ℃、48～52 ℃及58～62 ℃，精度0.01 ℃。3 种不同测温范围的温度计分别用来标定3 个对应的实验工况。

2）压力式温度计：型号WTQ-280，量程0～100 ℃，精度2.5 级。

3）双金属温度计：型号WSS-311，量程0～100 ℃，精度1.5 级。

4）K 型铠装热电偶：型号WRNK-191,Φ3×150 mm，量程0～1 100 ℃，精度0.5 级。

5）E 型铠装热电偶：型号WREK-191，Φ3×150 mm，量程0～600 ℃，精度0.5 级。

6）T 型铠装热电偶：型号WRCK-191，Φ3×150 mm，量程-200～350 ℃，精度0.5 级。

7）Pt100铠装热电阻：型号WZPK-191，Φ3×150 mm，量程-50～450 ℃，精度0.5 级。

8）Cu50铠装热电 阻：型号WZC-191，Φ4×150 mm，量程-50～150 ℃，精度0.5 级。

实验系统连接及实验装置如图1 所示。

1.2 实验教学设计

实验教学内容主要包括以下6 个部分。

1）实验系统搭建：包括仪表安装、线路连接、电位差计组装等。

2）温度计的认知实验：熟悉各种类型测温仪表的测试原理，了解其内部结构、应用场合及使用方法。

3）热电偶冷端温度补偿实验：采用冰浴法，将清洁水制成的冰块和蒸馏水混合均匀后放入冰点槽，然后将冷端直接置于温度为0 ℃的冰点槽中。实验所需冰块由Hicon 流水式制冰机制成。系统配置的纯水机和制冰机如图2 所示。

图2 实验用纯水机及制冰机装置图

4）热电偶温度测量实验：将热电偶与直流电位差计连用，采用直流电位差计测量回路热电势E，通过查取相应的热电偶分度表获得测量温度[9]。

5）热电阻温度测量实验：将热电阻与数字多用表连用，测量热电阻的阻值R，通过查取相应的热电阻温度计分度表获得测量温度。

6）通过变工况的温度测量及标定实验，分析各温度计的测量误差[10]。实验时将标准温度计和被标定温度计都置于恒温水槽中，比较二者的温度测量指示值，确定被标定温度计的基本误差。通过设置恒温水槽上的温度控制仪表，可将温度设定到实验工况。本实验根据标准水银温度计的测量范围，温度设定值分别为40 ℃、50 ℃和60 ℃。

2 压力及流速测量实验

2.1 实验台架设计

压力测量实验基于将所有压力计串联在同一管道上，让流体分别连续通过各个压力计，记录压力值进行比对的设计理念；流速测量则是通过测出确定流体速度的总压与静压之差进行换算。流速计算为：

式中：c 为流体流速，单位m/s；∆p为实验所测总压与静压差，单位Pa；ρ为流体密度，单位kg/m3。

该装置由储水箱、水泵、不锈钢管路、各种型式的压力计及速度探针等组成，其主要构成部件参数如下。

1）水泵：不锈钢离心泵AMSm70/0.55，额定流量4 m3/h，额定扬程20 m，额定功率550 W。

2）2 种液柱式压力计：U 形管压力计和单管式压力计。工作液体为水，不锈钢面板，玻璃刻度管。

3）3 种弹性式压力计：弹簧管压力计、膜片式压力计和膜盒式压力计。这3 种压力计为指针式压力表，测量范围为0～0.4 Mpa，精度1.6 级。

4）7 种压力传感器：应变式、压电式、电感式、电容式、压阻式、压磁式及霍尔效应压力传感器。量程为0～0.4 MPa，精度0.5 级。

5）2 种速度探针：L 形速度探针（毕托管Φ3×60 mm）和笛形管探针（管径Φ3 mm，正对水流方向上中下位置各开设一个Φ1.5 mm 小孔）。

6）系统管路：不锈钢管道，管道内径为40 mm。

7）差压变送器：0～2.5 MPa。

8）储水箱：容积100 L。

装置详图如图3 所示。

图3 压力及流速测量实验装置图

2.2 实验教学设计

实验教学内容主要包括以下部分。

1）压力计、压力传感器及速度探针的认知实验：熟悉各种类型压力计及速度探针的测试原理，了解其内部结构、应用场合及使用方法。

2）压力测量实验：进行多工况的压力测量实验，通过测试系统管路上同一测量点的压力值，对比分析各压力计及压力传感器的测量误差[11]。

3）水头损失实验：通过测试系统管路上不同测量点的压力值，计算并分析沿程损失水头和局部损失水头。

其中沿程损失水头是流体与管壁间的粘性摩擦运动形成的阻力而造成的水头损失，可表示为：

式中：hf为沿程损失水头，单位m；p1、p2分别为直管上不同点的压力测量值，单位Pa；ρ为流体密度；单位kg/m3；g为重力加速度，单位m/s2。

由于沿程损失与管道的长度成正比，与管道的直径成反比，根据沿程损失的计算公式可算出沿程损失系数为：

式中：λ为沿程损失系数；c为流体流速，单位m/s；l为管道长度，单位m；d为管道直径，单位m。

局部损失水头是流体遇到局部障碍（如阀门、管道弯头、粗细管接口等）时流线发生局部变形，并由于流动分离、二次流等原因产生旋涡运动而造成的水头损失，可表示为：

式中：hj为局部损失水头，单位m；ζ为局部损失系数，学生根据机械工程手册或水力学手册查询相应形式的局部损失系数值。

4）流速测量实验：用L 形速度探针和笛形管探针测量流体的总压和静压差，计算流体的流速，分析并比较两种速度探针的测量差异。

5）水泵特性实验：调节电机转速，绘制水泵压力-转速曲线图，掌握常用机电设备的控制方法。

6）液位测量和控制实验：储水箱的液位由进出水流量的差值确定。通过控制水泵电机转速实现进水调节，通过控制水箱出口调节阀开度实现出水调节。

3 流量测量及标定实验

3.1 实验台架设计

流量测量及标定实验基于将所有流量计串联在同一管道上，让流体分别连续通过各个流量计，记录流量值进行比对的设计理念。该装置由储水箱、计量水箱、水泵、不锈钢管路及各种型式的流量计等组成，其主要构成部件参数如下。

1）水泵：不锈钢离心泵AMSm120/0.55，额定流量7 m3/h，额定扬程13 m，额定功率550 W。

2）浮子流量计（转子流量计）：LZT-2530G，流量范围3～30 GPM/12～120 LPM，精度等级0.5 级。

3）罗茨流量计（齿轮流量计）：NKGF25，DN20，4～20 mA 信号输出，24 V 供电，量程0.6～8 m3/h，精度等级0.5 级。

4）涡轮流量计：LWGB-20，DN20，4～20 mA信号输出，24 V 供电，量程0.7～8 m3/h，精度等级0.5 级。

5）涡街流量计：2022F193-37，DN20，4～20 mA 信号输出，24 V 供电，量程0.5～10 m3/h，精度等级0.5 级。

6）电磁流量计[12]：DN20，4～20 mA 信号输出，24 V 供电，量程0.5～10 m3/h，精度等级0.5 级。

7）节流压差式流量计（节流孔板）：孔径13 mm。

8）系统管路：不锈钢管道内径21 mm。

9）压差变送器：0～180 kPa。

10）计量水箱：长300 mm，宽350 mm，容积30 L。

11）储水箱：容积100 L。

装置详图如图4 所示。

图4 流量测量及标定实验装置图

3.2 实验教学设计

实验教学内容主要包括以下部分。

1）流量计的认知实验：熟悉各种类型流量计的测试原理，了解其内部结构、应用场合、安装要求及使用方法。

2）流量测量实验：进行多工况的流量测量实验，测量流体经过各流量计的流量值，通过对比计算，分析各种型式流量计的测量误差。

3）流量标定实验：采用容积法进行标定[13]。用秒表计量10～20 s 时间内流过计量水箱的容积，计算出平均流量。将各流量计所测流量值与标准流量进行比较，计算并分析标准误差。

4）水泵特性实验：调节电机转速，绘制水泵流量-转速关系曲线，掌握常用机电设备的控制方法。

5）液位测量和控制实验：储水箱的液位由进出水流量的差值确定。通过控制水泵电机转速实现进水调节，通过控制水箱出口调节阀开度实现出水调节。

4 转速、转矩及功率测量实验

4.1 实验台架设计

转速、转矩及功率测量实验装置由电动机、离心风机、转速传感器、转矩传感器、功率变送器、PLC 控制器及触摸屏等组成，其主要部件规格参数如下。

1）电动机：卧式交流异步电动机，YS8012 型。电压AC220 V，功率750 W，转速0～2 800 r/min，轴径Φ19 mm。

2）离心风机：型号DF-6.

3）功率变送器：导轨单相功率变送器，AC220 V，功率测量范围0～1 500 W.

4）转速/转矩传感器1：JN-DN2 型，由电阻应变式转矩传感器和直射式光电测速传感器集成，采用RS485 通信接口，MODBUS 协议，可同时测量转速和转矩。转速测量范围为0～5 000 r/min，转矩测量范围为0～100 N·m，轴径Φ28 mm。

5）转速/转矩传感器2：WTQ-2052 型，由相位差转矩传感器和直射式光电测速传感器集成，采用RS485 通信接口，MODBUS 协议，可同时测量转速和转矩。转速测量范围为0～10 000 r/min，转矩测量范围为0～200 N·m，轴径Φ28 mm。

6）磁电式测速传感器：NJK-5002C 型，带霍尔开关。

7）激光转速仪（手持式）：型号DT-6234C，测试范围0～99 999 r/min，测量准确度±（0.05%+1 个），6 MHz 石英晶体振荡器。

8）触摸屏：12 寸工业级触摸电容屏，嵌入面板式一体机触控平板电脑，分辨率1 024×600，主板JI1800，CPU 赛扬双核2.41 G，硬盘32 G，前置USB 接口。

9）电机变频器：1.5 kW 单相220 V 变频器，带RS485 通讯功能。

10）PLC 控制器：信捷PLC，继电器型，AC220V 供电，支持RS232、RS485 通讯功能。

11）软件：MCGS 组态软件，包括组态环境和运行环境两部分。组态环境在基于Microsoft 的各种32 位Windows 平台上运行，运行环境则在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE 中运行，可实时采集转速、转矩和功率数据。

装置详图如图5 所示，数据采集界面如图6所示。

图5 转速、转矩及功率测量实验装置图

图6 转速、转矩及功率数据采集界面

4.2 实验教学设计

实验教学内容主要包括以下部分。

1）转速及转矩传感器的认知实验：熟悉各种类型传感器的测试原理，了解其内部结构及使用方法。

2）实验系统搭建：包括测试硬件系统和软件系统的搭建、应变片及反射带的粘贴、采集参数和通道设置、信号测试等。

3）转速测量实验：通过信号采集计算出不同传感器的转速值，分析不同传感器的转速测量差异以及测量精度随转速变化的趋势。

4）转矩测量实验：通过信号采集计算出不同传感器的转矩值，分析不同传感器转矩值的测量差异以及转矩随转速变化的趋势[14]。

5）功率测量实验：测出转矩和转速，轴的功率为：

式中：Ne为轴功率，单位kW；M为转矩，单位N·m；n为转速，单位r/min。

5 实验误差分析

学生在进行完系统测试后，需要对各测量仪表进行误差分析。本课程中误差按式（6）计算。

式中：σ为标准误差；Xi为每种测量仪表的单次测量值，如单次温度计、流量计、压力计等的读数；X为真值，取各系统的最终标定值；N为测量次数。

经测量、计算、分析和总结，各仪表的测量误差主要表现在以下几个方面。

1）系统误差：仪表制造、安装、使用不正确或实验方法不完善等原因造成。

2）仪表精度：实验台架中选用的各温度计、流量计、压力计等的仪表精度不同，仪表精度越高，测量误差越小。

3）仪表量程：测量值在仪表量程之内，相同精度的仪表，量程越小，测量误差越小。

4）设计工况：本实验设置了几组不同的实验工况，当采用一定量程的仪表时，测量小示值的相对误差比测量大示值的相对误差大，因此在工况设计时要尽量让测量值落在2/3 量程附近。

5）随机误差：为提高测量精度，需进行多次测量，多次测量后的算术平均值更接近真值。但受上课时间限制，每组工况测量次数为5 次，随机误差较大。

6）过失误差：通常由于学生粗心大意、读错、记错、算错或错误操作造成的，如在用镍铬-镍硅热电偶时，错误地使用铜-康铜热电偶分度表；或者在同一管道截面上测量出来的静压值大于总压值。过失误差应剔除。

6 结束语

基于自制设备的工程测试技术实验课程，通过温度、压力、流量、流速、转速、转矩及功率测试实验，可以让学生全面掌握工程测试技术技能、锻炼学生分析和解决复杂测试问题的能力，培养学生的工程实践能力，实现了课程理论、实验环节和工程实践的有机结合[15]。