實驗一附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響

1、實驗一：附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響一、 實驗目的1、 學習系統(tǒng)質(zhì)量分布變化對系統(tǒng)頻率影響的原理；2、 測試質(zhì)量分布對結(jié)構(gòu)頻率的影響。二、 實驗儀器與設(shè)備1、 實驗裝置簡圖圖 1、簡支梁 2、質(zhì)量塊 3、加速度傳感器 4、接觸式激振器2、實驗儀器簡介（1）、ZJY601型振動教學實驗儀圖 ZJY601型振動教學實驗儀前面板1、4、功能選擇開關(guān) 2、5、9、顯示器3、6、輸出增益選擇開關(guān) 7、掃頻自動/手動選擇開關(guān)8、掃頻時間調(diào)節(jié)電位器 10、功率輸出恒壓/恒流選擇開關(guān)11、輸出信號幅值調(diào)節(jié)電位器 12、17、測量/靈敏度調(diào)節(jié)選擇開關(guān)13、18、靈敏度調(diào)節(jié)電位器 14、19、加速度傳感器輸入插座

2、15、20、速度傳感器輸入插座 16、21、電渦流傳感器輸入插座22、輸出頻率微調(diào)電位器 23、輸出頻率調(diào)節(jié)電位器24、輸出波形監(jiān)視調(diào)節(jié)電位器 25、功率輸出A輸出插座圖 ZJY601型振動教學實驗儀后面板1、信號波形監(jiān)視插座 2、功率輸出B輸出插座 3、外部信號輸入插座4、內(nèi)部 / 外部信號源選擇開關(guān) 5、功率波形監(jiān)視插座 6、功率輸出A/功率輸出B選擇開關(guān)7、交流電源開關(guān) 8、220V交流電源輸入插座 9、通道2前置器24V電源10、通道2電壓輸出插座 11、通道1電壓輸出插座 12、通道1前置器24V電源13、通道2電渦流傳感器輸入插座 14、通道1電渦流傳感器輸入插座（2）、INV30

3、6DF5120信號采集處理分析儀圖 信號采集處理分析儀面板1、電源指示燈 2、信號輸入插座 3、電源開關(guān)4、打印機接口 5、計算機接口（信號輸出） 6、接地7、直流12V電源接口 8、交直流電源選擇開關(guān) 9、交流220V電源接口注意：分析儀采用交流220V電源供電，所以在打開電源開關(guān)3之前，務(wù)必先確認交直流電源選擇開關(guān)8已撥至“交流”，否則打開電源后將燒毀分析儀。確認開關(guān)8撥至“交流”后打開電源3，此后切勿撥動開關(guān)8，否則也會燒毀分析儀。三、 實驗原理簡支梁上的集中載荷在任意位置（見圖）時，梁的剛度計算式為：對于由簡支梁和集中質(zhì)量組成的單自由度系統(tǒng)，由于質(zhì)量分布不同，剛度發(fā)生變化，系統(tǒng)的頻率也

4、隨之變化，根據(jù)固有頻率定義式，集中質(zhì)量在中間位置時，將使得系統(tǒng)的頻率最低。圖 質(zhì)量分布不同對系統(tǒng)頻率的影響隨著位置的不同，其頻率變化曲線如圖所示，載荷的增加，系統(tǒng)的頻率也相應(yīng)下降。越靠近梁的中間位置，固有頻率越低。圖 簡支梁頻率隨集中質(zhì)量變化曲線在進行測量時，傳感器通過換能器把加速度、速度、位移信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器放大，然后通過數(shù)據(jù)采集處理分析儀進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，采集到的數(shù)字信號為電壓變化量，通過軟件在計算機上顯示出來，這時讀取的數(shù)值為電壓值，通過標定值進行換算，就可以算出振動量的大小。四、 實驗步驟1、 參照實驗裝置簡圖連接好儀器；2、 打開振教儀、信號采集儀電源，然后打開電腦

5、電源；3、 雙擊DASP2005工程版軟件圖標進入軟件主界面，單擊“標準型”按鈕進入示波分析模塊，再單擊示波采樣按鈕進入示波采樣界面；4、 設(shè)置采樣頻率，通道數(shù)目等參數(shù)；5、 選中窗口左側(cè)“雙顯”鈕，同時顯示波形和頻譜，點擊示波按鈕開始示波；6、 調(diào)節(jié)振教儀上頻率調(diào)節(jié)電位器，開始激振；7、 在頻譜圖框上方讀取主頻；8、 按照從1至17的順序改變質(zhì)量塊的位置，測量不同位置時的主頻；9、 改變質(zhì)量塊質(zhì)量重復步驟68；10、 實驗完畢，關(guān)閉儀器電源及電腦，清理現(xiàn)場。五、 實驗報告要求1、 實驗目的；2、 實驗裝置簡圖；3、 實驗原理；4、 實驗步驟；5、 實驗數(shù)據(jù)記錄表；小質(zhì)量塊配重位置123456

6、78頻率配重位置91011121314151617頻率大質(zhì)量塊配重位置12345678頻率配重位置91011121314151617頻率6、 畫出簡支梁頻率隨集中質(zhì)量塊變化曲線；7、 根據(jù)曲線得出結(jié)論：集中質(zhì)量位置對固有頻率有怎樣的影響？不同的集中質(zhì)量對固有頻率有怎樣的影響？8、 問題討論 集中質(zhì)量塊位置的不同會對簡支梁固有頻率產(chǎn)生怎樣的影響？附加質(zhì)量對系統(tǒng)的頻率的影響是怎樣產(chǎn)生的？答：在簡支梁上增加附加質(zhì)量會使系統(tǒng)頻率降低，集中質(zhì)量塊位置不同，系統(tǒng)頻率改變的幅值不同，越靠近梁的中間位置，系統(tǒng)頻率越低。附加質(zhì)量改變了梁的剛度從而使梁的固有頻率發(fā)生變化。 既然如此，在選擇測量元件時應(yīng)注意什么？答

7、：由于附加質(zhì)量會改變系統(tǒng)的固有頻率，所以在測量時盡量選擇非接觸式的測量元件，以免改變系統(tǒng)的固有頻率；如果一定要用接觸式的測量元件，那么在不影響測量精度的情況下應(yīng)該選擇質(zhì)量遠小于被測物體的測量元件，將附加質(zhì)量的影響減到最小。實驗二：單自由度系統(tǒng)強迫振動的幅頻 特性固有頻率阻尼比的測定一、 實驗目的1、 學會測量單自由度系統(tǒng)強迫振動的幅頻特性曲線；2、 學會根據(jù)幅頻特性曲線確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比。二、 實驗儀器與設(shè)備1、 實驗裝置簡圖圖 1、簡支梁 2、質(zhì)量塊 3、加速度傳感器 4、接觸式激振器2、 實驗儀器簡介詳情可參見綜合實驗一附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響。三、 實驗原理振動分為自由振動、

8、強迫振動、自激振動、參激振動。強迫振動指彈性系統(tǒng)在受外界控制的激勵作用下發(fā)生的振動。而且激勵不會因振動被抑制而消失。強迫振動的動態(tài)位移與頻率比及阻尼比有關(guān)，其關(guān)系表現(xiàn)為幅頻特性。那么我們通過測定振動的幅頻特性曲線（如圖）再利用半功率法可求得阻尼比。圖 本實驗利用幅值判別法測定系統(tǒng)的一階固有頻率。四、 實驗步驟1、 儀器安裝。按照實驗裝置簡圖連接儀器。質(zhì)量塊為2.5千克，固定在梁底部，加速度傳感器放在上部；2、 打開儀器電源，開啟電腦進入DASP2005工程版軟件主界面，選擇標準版按鈕進入示波窗口，波形和頻譜同時顯示；3、 設(shè)置參數(shù)；4、 調(diào)節(jié)振教儀上的頻率調(diào)節(jié)旋鈕找到一階共振頻率值，然后頻率回

9、零；5、 逐漸增加頻率值，幅度在25Hz，記錄頻率值及幅值（接近共振頻率時應(yīng)增加測試點數(shù)）；6、 測試直至過共振點后振動趨于穩(wěn)定。五、 實驗報告要求1、 實驗目的；2、 實驗裝置簡圖；3、 實驗原理；4、 實驗步驟；5、 實驗數(shù)據(jù)記錄表；頻率振幅頻率振幅6、 根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制幅頻特性曲線；7、 在曲線圖中找出系統(tǒng)的共振頻率；8、 計算出，根據(jù)幅頻特性曲線確定和，根據(jù)公式：計算阻尼比。寫出計算過程。9、 問題與討論在固有頻率附近振幅變化情況如何？那么在測量怎樣保證測量精度？答：提示：第一問從變化的劇烈程度來回答；第二問從測點的疏密程度來回答實驗三：被動隔振實驗一、 實驗目的1、 學習隔振的基本知

10、識；2、 學習隔振的基本原理；3、 了解被動隔振效果的測量。二、 實驗儀器與設(shè)備1、 實驗裝置簡圖圖 1、簡支梁 2、加速度傳感器 3、接觸式激振器 4、速度傳感器 5、空氣阻尼器2、實驗儀器簡介詳情可參見綜合實驗一附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響。三、 實驗原理振動的干擾對人、建筑物以及儀表設(shè)備都會帶來直接的危害，因此振動的隔離涉及到很多方面。隔振的作用有兩方面：一、減小振源振動傳至周圍環(huán)境；二、減少環(huán)境振動對物體或設(shè)備的影響。其原理就是在設(shè)備和底座之間安裝適當?shù)母粽衿?，組成隔振系統(tǒng)，以減小或隔離振動的傳遞。有兩類隔振，一是主動隔振，二是被動隔振。防止地基的振動通過支座傳至需保護的精密設(shè)備或儀器

11、儀表，以減小運動的傳遞，稱為被動隔振。被動隔振傳動比等于底座傳遞到物體的振動與底座的振動之比，由底座傳遞到物體時則用位移、振動速度或振動加速度表示。隔振效率：傳動比：式中為阻尼比，為激振頻率和共振頻率的比。四、 實驗步驟1、 儀器安裝。將空氣阻尼器和質(zhì)量塊組成的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)固定在梁中部，速度傳感器放在質(zhì)量塊上后，接入振教儀速度傳感器輸入端，其輸出接入采集儀的第一通道。壓電加速度傳感器放梁下面后，接入振教儀壓電加速度傳感器輸入端，其輸出接入采集儀的第二通道，然后調(diào)節(jié)靈敏度；2、 打開儀器電源，開啟電腦，進入DASP2005工程版軟件主界面，選擇標準版按鈕進入示波窗口進行波形和頻譜同時示波。3、

12、設(shè)置采樣參數(shù)；4、 調(diào)節(jié)振教儀上的頻率調(diào)節(jié)旋鈕和功率輸出旋鈕，使梁產(chǎn)生共振；5、 記錄頻率值和振動幅值;6、 改變激振頻率，分別測量、時，上下傳感器的振動幅值。7、 根據(jù)所測幅值計算傳動比和隔振效率。隔振傳動比：隔振效率：五、 實驗報告要求1、 實驗目的；2、 實驗裝置簡圖；3、 實驗原理；4、 實驗步驟；5、 實驗數(shù)據(jù)記錄表；頻率范圍頻率f振幅A1振幅A2傳動比T隔振效率6、 問題與討論 當時所得隔振率為多少？什么原因造成的？答：隔振效率為負值，這是由于彈性梁、阻尼器以及質(zhì)量塊組成的系統(tǒng)在時產(chǎn)生共振，使得質(zhì)量塊的振幅大于梁的振幅，阻尼器未起到減振作用。 由實驗結(jié)果推斷，工件工作在什么頻率范圍

13、內(nèi)減振效果好？答：實驗結(jié)果顯示，當工作頻率大于時，頻率越高減振效果越好。由此可以推斷工件工作與遠大于共振頻率的頻率范圍內(nèi)，阻尼器的減振效果越好。實驗四：索力測試一、 實驗目的1、 學習索力測試的原理；2、 學習索力測試的方法。二、 實驗儀器與設(shè)備1、 實驗裝置簡圖圖 1、電渦流傳感器 2、小質(zhì)量塊 3、懸索 4、大質(zhì)量塊2、實驗儀器簡介詳情可參見綜合實驗一附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響。三、 實驗原理拉索式斜拉橋和懸索橋的重要承重構(gòu)件，設(shè)計和施工時通過調(diào)整拉索的索力使塔梁處于最佳受力狀態(tài)。在運營過程中，亦應(yīng)不斷監(jiān)測索力的變化，及時調(diào)整索力，使之處于設(shè)計要求的狀態(tài)。因此，無論施工還是運營過程中均需

14、準確的測知索力。頻率法是目前斜拉橋測索力的普遍應(yīng)用的方法，索的邊界條件為兩端固定，索的質(zhì)量均勻分布時，索力的計算公式為： 其中：T為索力（N）； M為索單位長度的質(zhì)量（kg/m）； L為纜索的長度（m）；為第n階自振頻率。在本實驗中采用鋼絲模擬索力的測試過程，鋼絲的質(zhì)量可以忽略不計，在鋼絲上加一質(zhì)量塊，形成集中質(zhì)量的單自由度系統(tǒng)，激勵質(zhì)量塊，產(chǎn)生自由衰減振動，測得其頻率，就可以通過公式來計算。 四、 實驗步驟1、 按照實驗裝置簡圖連接儀器。電渦流位移傳感器安裝在質(zhì)量塊上方約4mm處，傳感器的輸出接入振教儀電渦流傳感器輸入端，輸出接入采集儀第一通道；2、 打開儀器電源，開啟電腦，進入DASP20

15、05工程版軟件主界面，選擇標準版按鈕，進入示波窗口，進行示波和頻譜同時顯示；3、 設(shè)置采樣參數(shù)；4、 用手在垂直方向敲擊質(zhì)量塊使其離開平衡位置，放手后其做自由衰減振動，在頻譜窗口讀取頻率值；5、 改變質(zhì)量塊質(zhì)量重復步驟4并記錄相應(yīng)頻率值。6、 實驗結(jié)束，關(guān)閉電源，清理現(xiàn)場。五、 實驗報告要求1、 實驗目的；2、 實驗裝置簡圖；3、 實驗原理；4、 實驗步驟；5、 數(shù)據(jù)記錄表；配重質(zhì)量（kg）試驗次數(shù)頻率（Hz）小質(zhì)量塊質(zhì)量（g）支撐鋼絲長度（m）索力（N）0.5160.68260.681.0160.68260.681.5160.68260.682.0160.68260.682.5160.682

16、60.686、 計算過程舉例；（注意：對于同一配重計算時，頻率采用兩次的平均值）7、 問題討論。根據(jù)實驗結(jié)果判斷，若配重質(zhì)量塊在測量過程中不斷擺動會對實驗結(jié)果造成什么影響？擺動幅度的大小對實驗結(jié)果又有什么影響？答：提示：擺動產(chǎn)生離心力實驗五：變時基錘擊法簡支梁模態(tài)測試一、 實驗目的1、 學習模態(tài)分析原理；2、 學習模態(tài)測試方法；3、 學習變時基的原理和應(yīng)用。二、 實驗儀器與設(shè)備1、 實驗裝置簡圖圖 1、加速度傳感器 2、彈性力錘 3、簡支梁2、 實驗儀器簡介詳情可參見綜合實驗一附加質(zhì)量分布對系統(tǒng)頻率的影響。三、 實驗原理工程實際中的振動系統(tǒng)都是連續(xù)彈性體，其質(zhì)量與剛度具有分布的性質(zhì)，只有掌握無

17、限多個點在每個瞬時的運動情況，才能全面描述系統(tǒng)的振動。因此，理論上它們都屬于無限多自由度的系統(tǒng)，需要用連續(xù)模型才能加以描述。但實際上不可能這樣做，通常簡化為有限個自由度的模型來進行分析。模態(tài)分析就是在這種簡化模型中，測量動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過處理合和分析求得模態(tài)參數(shù)的方法，而這些參數(shù)恰能描述實際振動形態(tài)。這種大大簡化了系統(tǒng)數(shù)學運算，精確的測得固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度。本實驗測試對象是彈性簡支梁。由力錘錘擊被測物體，錘體內(nèi)的力傳感器與被測物體上的壓電加速度傳感器同時記錄下脈沖激勵與被測物體的響應(yīng)，經(jīng)ZJY601A振動教學實驗儀放大并轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)信號采集儀傳入計算機的DASP

18、2005信號采集處理分析軟件進行數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)采集完畢后，運用分析系統(tǒng)，首先對數(shù)據(jù)進行傳遞函數(shù)分析，然后，進入模態(tài)分析，根據(jù)振動理論，分析系統(tǒng)在確定階數(shù)后，進行質(zhì)量或振型歸一，自動生成分析結(jié)果并可以生成振動的動畫顯示，各階頻率、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼比同時列出。在采樣時采用變時基的采樣方法。實際測試時，激勵信號（力錘敲擊時的力信號）作用時間很短，它往往是ms級的，但其頻率較高，而響應(yīng)信號（彈性梁的振動信號）作用時間較長，常是幾百ms到秒級的，如果采用等時基（相同的采樣頻率，即單位時間內(nèi)的采樣點數(shù)）采樣，那么激勵信號采樣點數(shù)太少而不能反映其真實波型，造成運算精度過低，為了避免產(chǎn)生這種情況，

19、我們采用變時基采樣，即同時采樣但激勵信號采用較高的采樣頻率，以提高運算精度。四、 實驗注意事項1、 在用力錘進行敲擊時應(yīng)該迅速，避免連擊。2、 敲擊時不要用力過猛，以免所測響應(yīng)波型過荷丟失數(shù)據(jù)。3、 敲擊時用力要盡量均勻，增加數(shù)據(jù)的精確度。4、 參數(shù)設(shè)置時，一定要更改試驗名稱及數(shù)據(jù)路徑，以免覆蓋其它組的試驗數(shù)據(jù)。五、 實驗步驟1、 確定測點。將簡支梁位于兩支點間的部分等分為16等份，等分點為測點（包括兩個支點）則有17個測點；2、 按照實驗裝置簡圖連接儀器，將加速度移傳感器輸出信號接入采集儀的第二通道，力錘輸出信號接入采集儀的第一通道，打開振教儀及數(shù)據(jù)采集儀電源；3、 在振教儀中設(shè)置參數(shù)；4、

20、 開啟電腦，進入Coinv Dasp 2005 工程版軟件教學型模態(tài)實驗模塊，在“結(jié)構(gòu)”窗口中設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)及采樣參數(shù)；5、 點擊“采樣”圓鈕進入采樣窗口，設(shè)定“測量設(shè)置”、“多次觸發(fā)采樣設(shè)置”、“多次觸發(fā)采樣過程”框中的參數(shù)，然后點擊“開始觸發(fā)采樣”按鈕進行采樣。采樣過程中如發(fā)現(xiàn)問題可點擊“中止采樣”按鈕停止當前測點的采樣重新開始該點采樣。6、 采樣完成后進入分析窗口，進行傳函計算，模態(tài)定階，模態(tài)擬合，振型編輯；7、 完成后進入動畫窗口，觀察圓盤在各階頻率下的振型；8、 記錄數(shù)據(jù)，保存各階下的振型投影圖；9、 實驗完成后退出軟件，關(guān)閉電腦，采集儀，振教儀，清理現(xiàn)場；10、 填寫實驗儀器使用記錄

21、本。六、 實驗報告要求1、 寫出實驗目的；2、 畫出實驗裝置簡圖，列出主要儀器設(shè)備名稱及型號；3、 實驗原理；4、 寫出實驗步驟；5、 畫出實驗數(shù)據(jù)記錄表；模態(tài)參數(shù)第一階第二階第三階第四階第五階頻率質(zhì)量剛度阻尼6、 打印出圓盤各階頻率下振型投影圖，粘貼在實驗報告上；7、 問題與討論在選擇測點時應(yīng)注意什么？否則會產(chǎn)生什么影響？答：本實驗只測到五階模態(tài)，那么在選擇測點時應(yīng)避開各階的振動節(jié)點，選擇測試過程中始終振動的測點。在節(jié)點處振幅為零，則該點的響應(yīng)信號將非常弱小甚至為零，那么該階的響應(yīng)信號會丟失，最終導致無法得到該階模態(tài)振型。過程設(shè)備與控制多功能綜合實驗臺示意圖 1熱流體管程入口閥；2熱流體管程

22、出口閥； 3熱流體回流閥；4冷流體管程入口閥；5冷流體管程出口閥； 6管程流量調(diào)節(jié)閥；7冷流體殼程入口閥；8冷流體殼程出口閥；9熱流體殼程出口閥；10熱流體殼程入口閥。 11控制臺；12YI-33靜態(tài)應(yīng)變儀。圖中：11-1管程出口溫度顯示t2；11-2冷水泵流量顯示Q1；11-3流量自動/手動調(diào)節(jié)按鈕，彈起時為手動，按下后為自動；11-4離心泵出口壓力顯示P2；11-5壓力自動/手動調(diào)節(jié)按鈕，彈起時為手動，按下后為自動；11-6水泵運行選擇開關(guān)，向左為變頻調(diào)速運轉(zhuǎn)方式，向右為直接運轉(zhuǎn)方式，中間為空檔；11-7壓力調(diào)節(jié)旋鈕（調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的開度）；11-8流量調(diào)節(jié)旋鈕（調(diào)節(jié)冷水泵的轉(zhuǎn)速）；11-

23、9冷水泵開按鈕；11-10冷水泵關(guān)按鈕；11-11循環(huán)泵開關(guān)按鈕，順時針轉(zhuǎn)為開，逆時針轉(zhuǎn)為關(guān)；11-12熱水泵開關(guān)按鈕，順時針轉(zhuǎn)為開，逆時針轉(zhuǎn)為關(guān)11-13總控制開關(guān)，順時針轉(zhuǎn)為開，逆時針轉(zhuǎn)為關(guān)。實驗六 換熱器換熱性能實驗一、實驗目的1測試換熱器的換熱能力；2了解傳熱驅(qū)動力的概念以及它對傳熱速率的影響。二、實驗裝置過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、基本原理換熱器工作時，冷、熱流體分別處在換熱管的兩側(cè)，熱流體把熱量通過管壁傳給冷流體，形成熱交換。當若換熱器沒有保溫，存在熱損失，則熱流體放出的熱量大于冷流體獲得的熱量。熱流體放出的熱量為： （3-1）式中 ：單位時間內(nèi)熱流體放出的熱量， kW；熱流體的

24、質(zhì)量流率，kg/s；熱流體的定壓比熱，kJ/kg·K，在實驗溫度范圍內(nèi)可視為常數(shù)； 、熱流體的進出口溫度，K或oC。冷流體獲得的熱量為： （3-2）式中 ：單位時間內(nèi)冷流體獲得的熱量，kJ/s=kW；冷流體的質(zhì)量流率，kg/s；冷流體的定壓比熱，kJ/kg·K，在實驗溫度范圍內(nèi)可視為常數(shù)； 、冷流體的進出口溫度，K或oC。損失的熱量為： (3-3)冷熱流體間的溫差是傳熱的驅(qū)動力，對于逆流傳熱，平均溫差為 （3-4）式中： 、。本實驗著重考察傳熱速率Q和傳熱驅(qū)動力之間的關(guān)系。四、實驗要求 本實驗由學生自己設(shè)計實驗步驟，實驗中的要求如下：1學生根據(jù)裝置自己設(shè)定冷、熱流體的流程，

25、然后打開相應(yīng)閥門；2離心泵使用前必須先灌泵，保證放凈泵內(nèi)空氣；3實驗中建議熱流體流量保持0.3L/s不變，冷流體流量保持1.0L/s不變；4開始測試前必須先清空數(shù)據(jù)庫；5熱水加熱到設(shè)定溫度值后，打開循環(huán)泵，使爐內(nèi)水溫均勻后，再使用；6待冷流體的進出口溫度、及熱流體的出口溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；7改變爐內(nèi)的設(shè)定溫度，重復操作。8寫出實驗報告。9以平均溫差為橫坐標，熱流體放出的熱量和熱損失分別為縱坐標作圖，對所得曲線進行分析。10回答思考題。五、數(shù)據(jù)記錄和整理保持熱流體流量及冷流體流量不變，改變熱流體的進口溫度，測量冷流體的進出口溫度、及熱流體的出口溫度，根據(jù)公式（3-1）和（3-2）分別計算熱流體放

26、出的熱量和冷流體獲得的熱量，并由式（3-3）計算損失的熱量，根據(jù)公式（3-4）計算平均溫差，將測量和計算出的結(jié)果填入數(shù)據(jù)表3-1中。表3-1 實驗測量和計算結(jié)果序號（oC）（oC）（oC）（oC） （kW）（kW）（oC）12345678910思考題1 熱量是如何損失的？怎樣才能減少熱量損失？2 在工程上，很多換熱器都采用逆流工藝流程，為什么？3通過本實驗，說明提高換熱器中流體平均溫差的優(yōu)、缺點。實驗七 流體傳熱系數(shù)測定實驗一、實驗目的1測定換熱器的總傳熱系數(shù)；2了解影響換熱器換熱性能的參數(shù)。二、實驗裝置 過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、基本原理 換熱器的傳熱速率Q可以表示為： （4-1）式中

27、：單位時間傳熱量， W； K總傳熱系數(shù)，W/m2·K；A傳熱面積，m2；Dtm平均溫差，K或oC。在本實驗以及以后的實驗中：d=10mm、n=139、l=1092mm分別為換熱管的外徑、根數(shù)和換熱長度。對于逆流傳熱，平均溫差為： （4-2）式中： 、熱流體的進出口溫度，K或oC； 、冷流體的進出口溫度，K或oC。 由式4-1可得： （4-3）可由熱流體放出的熱量或冷流體獲得的熱量進行計算，即： （4-4） 或 （4-5）式（4-4）和式（4-5）中有關(guān)符號說明見實驗六。根據(jù)式（4-3）和式（4-4）或（4-5）就可以測定在實驗條件下的總傳熱系數(shù)K。K的理論計算參考本實驗附錄。由于溫度

28、傳感器測得的數(shù)據(jù)可能并不是換熱器流體入口和出口的溫度，因此，要進行管路熱量損失計算，求出換熱器流體入口和出口的溫度，計算過程見實驗六，這里不再重復。四、實驗要求 本實驗由學生自己設(shè)計實驗步驟，實驗中的要求如下：1學生根據(jù)裝置自己設(shè)定冷、熱流體的流程，然后打開相應(yīng)閥門；2離心泵使用前必須先灌泵，保證放凈泵內(nèi)空氣；3實驗中建議熱流體流量保持0.24L/s不變，冷流體流量0.4L/s到1.3L/s；4開始測試前必須先清空數(shù)據(jù)庫；5熱水加熱到設(shè)定溫度值后，打開循環(huán)泵，使爐內(nèi)水溫均勻后，再使用； 6改變熱流體的進口溫度，待冷流體的進出口溫度、及熱流體的出口溫度穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；7寫出實驗報告。8根據(jù)所測參

29、數(shù)，參照實驗四附錄計算總傳熱系數(shù)K并與實驗結(jié)果進行比較。以流量為橫坐標，總傳熱系數(shù)K為縱坐標，作的理論與實驗曲線，對所得曲線進行分析。9回答思考題。五、數(shù)據(jù)記錄和整理保持熱流體流量不變，改變冷流體流量，測量冷、熱流體的進出口溫度、，根據(jù)式（4-2）計算平均溫差Dtm，根據(jù)式（4-4）計算熱流體放出的熱量，根據(jù)式（4-5）計算冷流體獲得的熱量，根據(jù)式（4-3）計算總傳熱系數(shù)K。將測量和計算出的結(jié)果填入數(shù)據(jù)表4-1中。表4-1 實驗測量和計算結(jié)果序號（L/s）（oC）（oC）（oC）（oC）(L/s)（oC）K(W/m2·K)12345678910思考題1總傳熱系數(shù)K和流體對流傳熱系數(shù)及

30、污垢熱阻R有怎樣的關(guān)系，為什么流體流量大小會影響總傳熱系數(shù)K？2有些換熱器被設(shè)計成多管程或多殼程，試根據(jù)本實驗結(jié)果說出其中的道理？實驗八 換熱器管程和殼程壓力降測定實驗一、實驗目的1. 測量換熱器管程和殼程的流體壓力損失；2分析壓力損失和流速之間的關(guān)系。二、實驗裝置 過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、實驗原理流體流經(jīng)換熱器時會出現(xiàn)壓力損失，它包括流體在流道中的損失和流體進出口處的局部損失。通過測量管程流體的進口壓力、出口壓力，便可以得到管程流體流經(jīng)換熱器的總壓力損失；通過測量殼程流體的進口力、出口壓力，便可以得到殼程流體流經(jīng)換熱器的總壓力損失。換熱器管程和殼程壓力降的理論計算見實驗附錄。四、實驗步

31、驟1打開冷流體管程入口閥、冷流體管程出口閥，其他閥門關(guān)閉，使冷流體走管程；2打開自來水閥門灌泵，保證離心泵中充滿水，開排氣閥放凈空氣；3關(guān)水，啟動泵；4調(diào)節(jié)出口流量調(diào)節(jié)閥，依次改變冷流體流量從1.3L/s到2.2L/s；5清空數(shù)據(jù)庫，記錄數(shù)據(jù)；6關(guān)泵，切換管路，打開冷流體殼程入口閥、冷流體殼程出口閥，其他閥門關(guān)閉，使冷流體走殼程；7調(diào)節(jié)出口流量調(diào)節(jié)閥，改變冷流體流量從0.4 L/s到2.2L/s；8清空數(shù)據(jù)庫，記錄數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)記錄和整理讓冷水走管程，并改變流量，測量管程流體的進出口壓力、，計算壓力損失；切換管路，讓冷水改走殼程，并改變流量，測量殼程流體的進出口壓力、，計算壓力損失。將測量和計

32、算出的結(jié)果填入數(shù)據(jù)表8-1中。表8-1 實驗測量和計算結(jié)果序號管 程殼 程（L/s）（MPa）（MPa）（MPa）（L/s）（Mpa）（Mpa）（MPa）12345678910六、要求1寫出實驗報告。2根據(jù)所測流量和，參照實驗五附錄計算管程流體流經(jīng)換熱器的壓力損失并與實驗結(jié)果進行比較。以流量為橫坐標，壓力損失為縱坐標，作的理論與實驗曲線及實驗曲線，對所得曲線進行分析。3回答思考題。思考題1 如何降低換熱器中的阻力損失？2 管程壓力損失有多項組成，分析比較它們的相對大小。3 通過實驗七和實驗八，說明提高換熱器中流體流速的優(yōu)、缺點。實驗九（一）離心泵恒壓力控制實驗一、實驗目的1測定離心泵恒壓力控制

33、系統(tǒng)在階躍干擾作用下，離心泵出口壓力的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數(shù)評價離心泵恒壓力控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2掌握比例度P、積分時間I參數(shù)在壓力控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質(zhì)指標的影響。二、實驗裝置 過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、實驗原理離心泵恒壓力控制系統(tǒng)圖如圖91所示，信號流程如圖92所示。圖9-1離心泵恒壓力控制系統(tǒng)圖離心泵出口壓力壓力傳感器工業(yè)調(diào)節(jié)器變頻調(diào)速器泵電機放大器 圖9-2 信號流程圖離心泵恒壓力控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng)。安裝在離心泵出口管路上壓力傳感器PT將離心泵出口壓力轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大器放大后輸出至工業(yè)調(diào)節(jié)器PC，PC將壓力信號與壓力

34、給定值比較后，按PI調(diào)節(jié)規(guī)律輸出420mA信號，驅(qū)動變頻調(diào)速器控制電機的轉(zhuǎn)速，達到恒定離心泵出口壓力的目的。離心泵恒壓力控制系統(tǒng)方框圖如圖9-3所示?？刂茀?shù)如下：1 被控變量y：離心泵出口壓力P。2 給定值(或設(shè)定值)ys：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中取0.4 MPa。 3 測量值ym：由傳感器檢測到的被控變量的實際值，在本實驗中為離心泵出口壓力值P。4 操縱變量(或控制變量)：實現(xiàn)控制作用的變量，在本實驗中為離心泵轉(zhuǎn)速n。使用交流變頻調(diào)速器作為執(zhí)行器對離心泵轉(zhuǎn)速進行控制。交流變頻調(diào)速器的輸入信號范圍：420mA；輸出：380V，050Hz。5 干擾(或外界擾動)f：干擾來

35、自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實驗中采用突然改變流量的方法，人為模擬外界擾動給控制變量造成干擾。6 偏差信號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口壓力值P； ys-離心泵出口壓力設(shè)定值。 7控制信號u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。離心泵恒壓力控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律(PI)對離心泵出口壓力進行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，數(shù)學表達式為： PI規(guī)律將比例控制反應(yīng)快和積分控制能消除余差的優(yōu)點結(jié)合在一起，因而在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。壓力調(diào)節(jié)器變頻調(diào)速器水泵循環(huán)過程壓力傳感器和放大器壓力設(shè)定值偏差e控制信號：420mA

36、操縱變量：離心泵轉(zhuǎn)速壓力信號被控變量：離心泵出口壓力干擾變量：流量變化 圖9-3 離心泵恒壓力控制系統(tǒng)方框圖 流量 Q 0 t0 時間t圖9-4 階躍干擾信號假定在時間t=0之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵的出口壓力P等于設(shè)定值。若在t=0時刻，外加流量階躍干擾（圖9-4），離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時間后，離心泵出口壓力逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡過程。四、實驗步驟1. 將壓力表設(shè)定值設(shè)為0.4Mpa，P設(shè)為60，I設(shè)為15；2. 用變頻調(diào)速的方式開動冷水泵；3. 打開出口截止閥到全開位置；4. 調(diào)節(jié)出口球閥使流量為1.5 L/s，按下壓力表下自動按鈕；5. 待系統(tǒng)壓

37、力穩(wěn)定后，啟動組態(tài)王程序進入本實驗畫面。鼠標點擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標點擊記錄數(shù)據(jù)，開始記錄數(shù)據(jù)；6. 調(diào)節(jié)出口球閥使壓力偏離給定值0.05Mpa，觀察壓力恢復過程；7. 將P設(shè)為60，I設(shè)為15；重復第6條再做一次；退出組態(tài)王，運行數(shù)據(jù)處理程序，觀察壓力變化曲線。五、計算過渡過程質(zhì)量指標：1最大偏差A：被調(diào)參數(shù)偏離給定值的最大值。 2余差 ：當過渡過程終了時，被調(diào)參數(shù)所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。3衰減比n：過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比，一般n取410之間為宜。4振蕩周期：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希

38、望振蕩周期短一些為好。5過度時間ts：從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間六、要求1寫出實驗報告。2回答思考題。思考題1 離心泵恒壓力控制系統(tǒng)在流量階躍干擾作用下，比例度P的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？2 離心泵恒壓力控制系統(tǒng)在流量階躍干擾作用下，積分常數(shù)I的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？實驗九（二） 離心泵恒流量控制實驗一實驗目的1測定離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數(shù)評價離心泵恒流量控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2掌握比例度P、積分時間I參數(shù)在流量控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質(zhì)

39、指標的影響。二、實驗裝置 過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、實驗原理離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖如圖9-1所示，控制系統(tǒng)方框圖如圖9-2所示。圖9-1離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖離心泵出口流量渦輪流量傳感器頻率/電壓轉(zhuǎn)換器工業(yè)調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)閥圖9-2離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖離心泵恒流量控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng)，安裝在離心泵出口管路上渦輪流量傳感器TT將離心泵出口流量轉(zhuǎn)換成脈沖信號，其脈沖頻率經(jīng)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出至流量調(diào)節(jié)器TC，TC將流量信號與流量給定值比較后，按PID調(diào)節(jié)規(guī)律輸出420mA信號，驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥改變調(diào)節(jié)閥的開度，達到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖如

40、圖9-3所示?？刂茀?shù)如下：1 控變量y：離心泵出口流量Q。2 定值(或設(shè)定值)ys：對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中取1.5 L/s。3 測量值ym：由傳感器檢測到的被控變量的實際值，在本實驗中為離心泵出口流量值Q。4 操縱變量(或控制變量)：實現(xiàn)控制作用的變量，在本實驗中為離心泵出口流量。使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對離心泵出口流量進行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度0-16mm。5 干擾(或外界擾動)f：干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實驗中采用突然改變離心泵轉(zhuǎn)速的方法，改變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動給控制變量造成干擾。6偏差信

41、號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口流量值Q。ys-離心泵出口流量設(shè)定值。7控制信號u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。離心泵恒流量控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律(P1D)對離心泵流量進行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合， 理想的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學表達式為：PID規(guī)律在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。流量調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)閥離心泵循環(huán)過程渦輪流量傳感器和變換器流量設(shè)定值偏差e控制信號：420mA操縱變量：泵出口流量流量信號被控變量：離心泵流量干擾變量：離心泵壓力圖9-3 離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖假定在時間t=0之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵

42、的出口流量Q等于設(shè)定值。若在t=0時刻，外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時間后，離心泵出口流量逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡過程。 壓力 P 0 t0 時間t圖9-4 階躍干擾信號四、實驗步驟8. 將流量表設(shè)定值設(shè)為：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； 9. 開動冷水泵，關(guān)閉出口截止閥或出口球閥10. 調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa；11. 調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s； 12. 按下流量表下的自動按鈕；13. 當流量穩(wěn)定后，鼠標點擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標點擊記錄數(shù)據(jù)，開始記錄數(shù)據(jù)；14. 調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕使壓力改變0.0

43、5Mpa左右，造成人為干擾，觀察流量恢復過程；15. 退出組態(tài)王，運行數(shù)據(jù)處理程序，觀察流量變化曲線。五、計算過渡過程質(zhì)量指標1最大偏差A：被調(diào)參數(shù)的最大值。 2余差 ：當過渡過程終了時，被調(diào)參數(shù)所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。3衰減比n：過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比，一般n取410之間為宜。4振蕩周期：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。5過度時間ts：從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間。六、要求1寫出實驗報告。2回答思考題。思考題1 離心泵恒

44、流量控制系統(tǒng)在壓力階躍干擾作用下，比例度P的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？2 離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍壓力干擾作用下，積分常數(shù)I的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？ 實驗十 換熱器出口溫度串級控制實驗一、實驗目的1測定換熱器出口溫度在階躍干擾作用下，換熱器出口溫度的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數(shù)評價換熱器出口溫度控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2掌握主回路和副回路的比例度P、積分時間I參數(shù)在溫度控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質(zhì)指標的影響。二、實驗裝置 過程設(shè)備與控制多功能實驗臺三、實驗原理換熱器出口溫度串級控制系統(tǒng)圖如圖10-1所示，控制原理圖如圖10-2所示。圖10-1換熱器出口溫度串級控制系統(tǒng)圖 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)為雙回路串級控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)方框圖如8-3所示。安裝在換熱器管程出口管路上熱電阻溫度傳感器TT將換熱器管程出口溫度轉(zhuǎn)換成電阻信號后輸出至溫度調(diào)節(jié)器TC，TC將溫度信號與溫度給定值比較后，根據(jù)其差值e的大小按比例積分PI調(diào)節(jié)規(guī)律向流量調(diào)節(jié)器LC輸出流量給定值；同時安裝在換熱器殼程進口管路上的渦輪流量傳感器LT將進入換熱器殼程的冷水流量信號輸出至流量調(diào)節(jié)器LC，LC將來自溫度調(diào)節(jié)器TC的流