实验一附加质量分布对系统频率的影响

一、 实验目的

1、 学习系统质量分布变化对系统频率影响的原理； 2、 测试质量分布对结构频率的影响。

二、 实验仪器与设备 1、 实验装置简图

图 ① 1、简支梁 2、质量块 3、加速度传感器 4、接触式激振器

2、实验仪器简介 （1）、ZJY－601型振动教学实验仪

图 ② ZJY－601型振动教学实验仪前面板

1、4、功能选择开关 2、5、9、显示器

3、6、输出增益选择开关 7、扫频自动/手动选择开关 8、扫频时间调节电位器 10、功率输出恒压/恒流选择开关 11、输出信号幅值调节电位器 12、17、测量/灵敏度调节选择开关 13、18、灵敏度调节电位器 14、19、加速度传感器输入插座 15、20、速度传感器输入插座 16、21、电涡流传感器输入插座 22、输出频率微调电位器 23、输出频率调节电位器 24、输出波形监视调节电位器 25、功率输出A输出插座

图 ③ ZJY－601型振动教学实验仪后面板

1、信号波形监视插座 2、功率输出B输出插座 3、外部信号输入插座 4、内部 / 外部信号源选择开关 5、功率波形监视插座 6、功率输出A/功率输出B选择开关 7、交流电源开关 8、220V交流电源输入插座 9、通道2前置器－24V电源 10、通道2电压输出插座 11、通道1电压输出插座 12、通道1前置器－24V电源 13、通道2电涡流传感器输入插座 14、通道1电涡流传感器输入插座

（2）、INV306DF－5120信号采集处理分析仪

图 ④ 信号采集处理分析仪面板

1、电源指示灯 2、信号输入插座 3、电源开关 4、打印机接口 5、计算机接口（信号输出） 6、接地 7、直流12V电源接口 8、交直流电源选择开关 9、交流220V电源接口

注意：分析仪采用交流220V电源供电，所以在打开电源开关3之前，务必先确认交直流电源选择开关8已拨至“交流”，否则打开电源后将烧毁分析仪。确认开关8拨至“交流”后打开电源3，此后切勿拨动开关8，否则也会烧毁分析仪。

三、 实验原理

简支梁上的集中载荷在任意位置（见图⑤）时，梁的刚度计算式为：

K3EIL 22l1l2对于由简支梁和集中质量组成的单自由度系统，由于质量分布不同，刚度发生变化，系统的频率也随之变化，根据固有频率定义式f的频率最低。

12k，集中质量在中间位置时，将使得系统m

图 ⑤ 质量分布不同对系统频率的影响

图 ⑥ 简支梁频率随集中质量变化曲线

随着位置的不同，其频率变化曲线如图⑥所示，载荷的增加，系统的频率也相应下降。越靠近梁的中间位置，固有频率越低。

在进行测量时，传感器通过换能器把加速度、速度、位移信号转换成电信号，经过放大器放大，然后通过数据采集处理分析仪进行模数转换成数字信号，采集到的数字信号为电压变化量，通过软件在计算机上显示出来，这时读取的数值为电压值，通过标定值进行换算，就可以算

出振动量的大小。

四、 实验步骤

1、 参照实验装置简图连接好仪器；

2、 打开振教仪、信号采集仪电源，然后打开电脑电源；

3、 双击DASP2005工程版软件图标进入软件主界面，单击“标准型”按钮进入示波分析模

块，再单击示波采样按钮进入示波采样界面； 4、 设置采样频率，通道数目等参数；

5、 选中窗口左侧“双显”钮，同时显示波形和频谱，点击示波按钮开始示波； 6、 调节振教仪上频率调节电位器，开始激振； 7、 在频谱图框上方读取主频；

8、 按照从1至17的顺序改变质量块的位置，测量不同位置时的主频； 9、 改变质量块质量重复步骤6～8；

10、 实验完毕，关闭仪器电源及电脑，清理现场。 五、 实验报告要求 1、 实验目的； 2、 实验装置简图； 3、 实验原理； 4、 实验步骤；

5、 实验数据记录表； 小 质 量 块 大 质 量 块 配重位置 1 9 1 9 2 10 2 10 11 11 3 12 3 12 4 13 4 13 5 14 5 14 6 15 6 15 7 16 7 16 8 17 8 17 频率 配重位置 频率 配重位置 频率 配重位置 频率 6、 画出简支梁频率随集中质量块变化曲线；

7、 根据曲线得出结论：集中质量位置对固有频率有怎样的影响？不同的集中质量对固有频

率有怎样的影响？ 8、 问题讨论

① 集中质量块位置的不同会对简支梁固有频率产生怎样的影响？附加质量对系统的频率

的影响是怎样产生的？

答：在简支梁上增加附加质量会使系统频率降低，集中质量块位置不同，系统频率改变的幅值不同，越靠近梁的中间位置，系统频率越低。附加质量改变了梁的刚度从而使梁的固有频率发生变化。

② 既然如此，在选择测量元件时应注意什么？

答：由于附加质量会改变系统的固有频率，所以在测量时尽量选择非接触式的测量元件，以免改变系统的固有频率；如果一定要用接触式的测量元件，那么在不影响测量精度的情况下应该选择质量远小于被测物体的测量元件，将附加质量的影响减到最小。

实验二：单自由度系统强迫振动的幅频 特性固有频率阻尼比的测定

一、 实验目的

1、 学会测量单自由度系统强迫振动的幅频特性曲线； 2、 学会根据幅频特性曲线确定系统的固有频率和阻尼比。

二、 实验仪器与设备 1、 实验装置简图

图 ① 1、简支梁 2、质量块 3、加速度传感器 4、接触式激振器

2、 实验仪器简介

详情可参见综合实验一《附加质量分布对系统频率的影响》。

三、 实验原理

振动分为自由振动、强迫振动、自激振动、参激振动。强迫振动指弹性系统在受外界控制的激励作用下发生的振动。而且激励不会因振动被抑制而消失。

强迫振动的动态位移与频率比及阻尼比有关，其关系表现为幅频特性。那么我们通过测定振动的幅频特性曲线（如图②）再利用半功率法可求得阻尼比。

图 ②

本实验利用幅值判别法测定系统的一阶固有频率。 四、 实验步骤

1、 仪器安装。按照实验装置简图连接仪器。质量块为2.5千克，固定在梁底部，加速度传

感器放在上部；

2、 打开仪器电源，开启电脑进入DASP2005工程版软件主界面，选择标准版按钮进入示波

窗口，波形和频谱同时显示；

3、 设置参数；

4、 调节振教仪上的频率调节旋钮找到一阶共振频率值，然后频率回零；

5、 逐渐增加频率值，幅度在2～5Hz，记录频率值及幅值（接近共振频率时应增加测试点

数）；

6、 测试直至过共振点后振动趋于稳定。

五、 实验报告要求 1、 实验目的； 2、 实验装置简图； 3、 实验原理； 4、 实验步骤；

5、 实验数据记录表； 频率 振幅 频率 振幅 6、 根据表中数据绘制幅频特性曲线； 7、 在曲线图中找出系统的共振频率fD；

8、 计算出

2Amax，根据幅频特性曲线确定f1和f2，f0fD，根据公式： 2Df2f1 2f0计算阻尼比。写出计算过程。 9、 问题与讨论

在固有频率附近振幅变化情况如何？那么在测量怎样保证测量精度？

答：提示：第一问从变化的剧烈程度来回答；第二问从测点的疏密程度来回答

实验三：被动隔振实验

一、 实验目的

1、 学习隔振的基本知识； 2、 学习隔振的基本原理；

3、 了解被动隔振效果的测量。 二、 实验仪器与设备 1、 实验装置简图

图① 1、简支梁 2、加速度传感器 3、接触式激振器 4、速度传感器 5、空气阻尼器

2、实验仪器简介

详情可参见综合实验一《附加质量分布对系统频率的影响》。 三、 实验原理

振动的干扰对人、建筑物以及仪表设备都会带来直接的危害，因此振动的隔离涉及到很多方面。隔振的作用有两方面：一、减小振源振动传至周围环境；二、减少环境振动对物体或设备的影响。其原理就是在设备和底座之间安装适当的隔振器，组成隔振系统，以减小或隔离振动的传递。有两类隔振，一是主动隔振，二是被动隔振。防止地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪器仪表，以减小运动的传递，称为被动隔振。被动隔振传动比等于底座传递到物体的振动与底座的振动之比，由底座传递到物体时则用位移、振动速度或振动加速度表示。

隔振效率：1T100% 传动比T：T1u1D2u222Du22

式中D为阻尼比，uf为激振频率和共振频率的比。 f0四、 实验步骤

1、 仪器安装。将空气阻尼器和质量块组成的弹簧质量系统固定在梁中部，速度传感器放在

质量块上后，接入振教仪速度传感器输入端，其输出接入采集仪的第一通道。压电加速度传感器放梁下面后，接入振教仪压电加速度传感器输入端，其输出接入采集仪的第二通道，然后调节灵敏度；

2、 打开仪器电源，开启电脑，进入DASP2005工程版软件主界面，选择标准版按钮进入示

波窗口进行波形和频谱同时示波。 3、 设置采样参数；

4、 调节振教仪上的频率调节旋钮和功率输出旋钮，使梁产生共振； 5、 记录频率值和振动幅值;

6、 改变激振频率，分别测量f0f2f0、

2f0f3f0、3f0f6f0、

6f0f10f0、f10f0时，上下传感器的振动幅值。

7、 根据所测幅值计算传动比和隔振效率。

隔振传动比：TA1 A2隔振效率：1T100%

五、 实验报告要求 1、 实验目的； 2、 实验装置简图； 3、 实验原理； 4、 实验步骤；

5、 实验数据记录表； 频率范围 频率f 振幅A1 振幅A2 传动比T 隔振效率 ff0 f0f2f0 2f0f3f0 3f0f6f0 6f0f10f0 f10f0 6、 问题与讨论

① 当ff0时所得隔振率为多少？什么原因造成的？

答：隔振效率为负值，这是由于弹性梁、阻尼器以及质量块组成的系统在ff0时产生共振，使得质量块的振幅大于梁的振幅，阻尼器未起到减振作用。 ② 由实验结果推断，工件工作在什么频率范围内减振效果好？

答：实验结果显示，当工作频率大于2f0时，频率越高减振效果越好。由此可以推断工件工作与远大于共振频率的频率范围内，阻尼器的减振效果越好。

实验四：索力测试

一、 实验目的

1、 学习索力测试的原理； 2、 学习索力测试的方法。

二、 实验仪器与设备 1、 实验装置简图

图 ① 1、电涡流传感器 2、小质量块 3、悬索 4、大质量块

2、实验仪器简介

详情可参见综合实验一《附加质量分布对系统频率的影响》。

三、 实验原理

拉索式斜拉桥和悬索桥的重要承重构件，设计和施工时通过调整拉索的索力使塔梁处于最佳受力状态。在运营过程中，亦应不断监测索力的变化，及时调整索力，使之处于设计要求的状态。因此，无论施工还是运营过程中均需准确的测知索力。

频率法是目前斜拉桥测索力的普遍应用的方法，索的边界条件为两端固定，索的质量均匀分布时，索力的计算公式为：

4ML22Tf ① n2n其中：T为索力（N）； M为索单位长度的质量（kg/m）； L为缆索的长度（m）；fn为第n阶自振频率。

在本实验中采用钢丝模拟索力的测试过程，钢丝的质量可以忽略不计，在钢丝上加一质量块，形成集中质量的单自由度系统，激励质量块，产生自由衰减振动，测得其频率，就可以通过公式②来计算。

T2f2Lm ②

四、 实验步骤

1、 按照实验装置简图连接仪器。电涡流位移传感器安装在质量块上方约4mm处，传感器

的输出接入振教仪电涡流传感器输入端，输出接入采集仪第一通道；

2、 打开仪器电源，开启电脑，进入DASP2005工程版软件主界面，选择标准版按钮，进入

示波窗口，进行示波和频谱同时显示； 3、 设置采样参数；

4、 用手在垂直方向敲击质量块使其离开平衡位置，放手后其做自由衰减振动，在频谱窗口

读取频率值；

5、 改变质量块质量重复步骤4并记录相应频率值。 6、 实验结束，关闭电源，清理现场。

五、 实验报告要求 1、 实验目的； 2、 实验装置简图； 3、 实验原理； 4、 实验步骤； 5、 数据记录表； 配重质量（kg） 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 试验次数 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 频率（Hz） 小质量块质量（g） 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 支撑钢丝长度（m） 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 0.68 索力（N） 6、 计算过程举例；（注意：对于同一配重计算时，频率采用两次的平均值） 7、 问题讨论。

根据实验结果判断，若配重质量块在测量过程中不断摆动会对实验结果造成什么影响？摆动幅度的大小对实验结果又有什么影响？ 答：提示：摆动产生离心力

实验五：变时基锤击法简支梁模态测试

一、 实验目的

1、 学习模态分析原理； 2、 学习模态测试方法；

3、 学习变时基的原理和应用。

二、 实验仪器与设备 1、 实验装置简图

图 ① 1、加速度传感器 2、弹性力锤 3、简支梁

2、 实验仪器简介

详情可参见综合实验一《附加质量分布对系统频率的影响》。

三、 实验原理

工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限多个点在每个瞬时的运动情况，才能全面描述系统的振动。因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。但实际上不可能这样做，通常简化为有限个自由度的模型来进行分析。模态分析就是在这种简化模型中，测量动态响应数据，通过处理合和分析求得模态参数的方法，而这些参数恰能描述实际振动形态。这种大大简化了系统数算，精确的测得固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。

本实验测试对象是弹性简支梁。由力锤锤击被测物体，锤体内的力传感器与被测物体上的压电加速度传感器同时记录下脉冲激励与被测物体的响应，经ZJY－601A振动教学实验仪放大并转化为电压，经信号采集仪传入计算机的DASP2005信号采集处理分析软件进行数据记录。数据采集完毕后，运用分析系统，首先对数据进行传递函数分析，然后，进入模态分析，根据振动理论，分析系统在确定阶数后，进行质量或振型归一，自动生成分析结果并可以生成振动的动画显示，各阶频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼比同时列出。

在采样时采用变时基的采样方法。实际测试时，激励信号（力锤敲击时的力信号）作用时间很短，它往往是ms级的，但其频率较高，而响应信号（弹性梁的振动信号）作用时间较长，常是几百ms到秒级的，如果采用等时基（相同的采样频率，即单位时间内的采样点数）采样，那么激励信号采样点数太少而不能反映其真实波型，造成运算精度过低，为了避免产生这种情况，我们采用变时基采样，即同时采样但激励信号采用较高的采样频率，以提高运算精度。

四、 实验注意事项

1、 在用力锤进行敲击时应该迅速，避免连击。

2、 敲击时不要用力过猛，以免所测响应波型过荷丢失数据。 3、 敲击时用力要尽量均匀，增加数据的精确度。

4、 参数设置时，一定要更改试验名称及数据路径，以免覆盖其它组的试验数据。

五、 实验步骤

1、 确定测点。将简支梁位于两支点间的部分等分为16等份，等分点为测点（包括两个支

点）则有17个测点；

2、 按照实验装置简图连接仪器，将加速度移传感器输出信号接入采集仪的第二通道，力锤

输出信号接入采集仪的第一通道，打开振教仪及数据采集仪电源； 3、 在振教仪中设置参数；

4、 开启电脑，进入Coinv Dasp 2005 工程版软件教学型模态实验模块，在“结构”窗口中

设置结构参数及采样参数；

5、 点击“采样”圆钮进入采样窗口，设定“测量设置”、“多次触发采样设置”、“多次触发

采样过程”框中的参数，然后点击“开始触发采样”按钮进行采样。采样过程中如发现问题可点击“中止采样”按钮停止当前测点的采样重新开始该点采样。

6、 采样完成后进入分析窗口，进行传函计算，模态定阶，模态拟合，振型编辑； 7、 完成后进入动画窗口，观察圆盘在各阶频率下的振型； 8、 记录数据，保存各阶下的振型投影图；

9、 实验完成后退出软件，关闭电脑，采集仪，振教仪，清理现场； 10、 填写实验仪器使用记录本。

六、 实验报告要求 1、 写出实验目的；

2、 画出实验装置简图，列出主要仪器设备名称及型号； 3、 实验原理； 4、 写出实验步骤；

5、 画出实验数据记录表； 模态参数 频率 质量 刚度 阻尼 第一阶 第二阶 第三阶 第四阶 第五阶 6、 打印出圆盘各阶频率下振型投影图，粘贴在实验报告上； 7、 问题与讨论

在选择测点时应注意什么？否则会产生什么影响？

答：本实验只测到五阶模态，那么在选择测点时应避开各阶的振动节点，选择测试过程中始终振动的测点。在节点处振幅为零，则该点的响应信号将非常弱小甚至为零，那么该阶的响应信号会丢失，最终导致无法得到该阶模态振型。

过程设备与控制多功能综合实验台示意图

； 。 阀阀口口出入程程管壳体体流流冷热————50；阀；1口阀入口程出管程体壳流体冷流—热——4—；；9阀阀流口回出体程流壳热体—流—冷3 —；—阀口；8出阀程口管入 体程。流壳仪热体变—流应—冷态2—静3；—3-阀；7IY口阀—入节—2程调1管量；体流台流程制热管控——————1161

图中： 11-1——管程出口温度显示t2； 11-2——冷水泵流量显示Q1； 11-3——流量自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动； 11-4——离心泵出口压力显示P2；

11-5——压力自动/手动调节按钮，弹起时为手动，按下后为自动；

11-6——水泵运行选择开关，向左为变频调速运转方式，向右为直接运转方式，中间

为空档；

11-7——压力调节旋钮（调节电动调节阀的开度）； 11-8——流量调节旋钮（调节冷水泵的转速）； 11-9——冷水泵开按钮； 11-10——冷水泵关按钮；

11-11——循环泵开关按钮，顺时针转为开，逆时针转为关； 11-12——热水泵开关按钮，顺时针转为开，逆时针转为关 11-13——总控制开关，顺时针转为开，逆时针转为关。

实验六 换热器换热性能实验

一、实验目的

1．测试换热器的换热能力；

2．了解传热驱动力的概念以及它对传热速率的影响。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、基本原理

换热器工作时，冷、热流体分别处在换热管的两侧，热流体把热量通过管壁传给冷流体，形成热交换。当若换热器没有保温，存在热损失，则热流体放出的热量大于冷流体获得的热量。

热流体放出的热量为：

Qtmtcpt(T1T2)

（3-1）

式中 ：

Qt——单位时间内热流体放出的热量， kW； mt——热流体的质量流率，kg/s；

cpt——热流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常数；

T1、T2——热流体的进出口温度，K或oC。

冷流体获得的热量为：

Qsmscps(t2t1)

（3-2）

式中 ：Qs——单位时间内冷流体获得的热量，kJ/s=kW；

ms——冷流体的质量流率，kg/s；

cps——冷流体的定压比热，kJ/kg·K，在实验温度范围内可视为常数；

t1、t2——冷流体的进出口温度，K或oC。

损失的热量为：

QQtQs

(3-3)

冷热流体间的温差是传热的驱动力，对于逆流传热，平均温差为

tmt1t2

ln(t1/t2) （3-4）

式中： t1T1t2、t2T2t1。

本实验着重考察传热速率Q和传热驱动力tm之间的关系。 四、实验要求

本实验由学生自己设计实验步骤，实验中的要求如下：

1．学生根据装置自己设定冷、热流体的流程，然后打开相应阀门； 2．离心泵使用前必须先灌泵，保证放净泵内空气；

3．实验中建议热流体流量保持0.3L/s不变，冷流体流量保持1.0L/s不变； 4．开始测试前必须先清空数据库；

5．热水加热到设定温度值后，打开循环泵，使炉内水温均匀后，再使用； 6．待冷流体的进出口温度t1、t2及热流体的出口温度T2稳定后记录数据； 7．改变炉内的设定温度，重复操作。 8．写出实验报告。

9．以平均温差tm为横坐标，热流体放出的热量Qt和热损失Q分别为纵坐标

作图，对所得曲线进行分析。 10．回答思考题。

五、数据记录和整理

保持热流体流量Vt及冷流体流量Vs不变，改变热流体的进口温度T1，测量冷流体的进出口温度t1、t2及热流体的出口温度T2，根据公式（3-1）和（3-2）分别计算热流体放出的热量Qt和冷流体获得的热量Qs，并由式（3-3）计算损失的热量，根据公式（3-4）计算平均温差tm，将测量和计算出的结果填入数据表3-1中。

表3-1 实验测量和计算结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 思考题

1．热量是如何损失的？怎样才能减少热量损失？ 2．在工程上，很多换热器都采用逆流工艺流程，为什么？ 3．通过本实验，说明提高换热器中流体平均温差的优、缺点。

T1 T2 t1 t2 Qt Q tm （oC） （oC） （oC） （oC） （kW） （kW） （oC）

实验七 流体传热系数测定实验

一、实验目的

1．测定换热器的总传热系数； 2．了解影响换热器换热性能的参数。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、基本原理

换热器的传热速率Q可以表示为：

QKAtm

（4-1）

式中 ：Q——单位时间传热量， W； K——总传热系数，W/m2·K；

A——传热面积，Adonl，m2； tm——平均温差，K或oC。

在本实验以及以后的实验中：d0=10mm、n=139、l=1092mm分别为换热管的外径、根数和换热长度。

对于逆流传热，平均温差为：

tmt1t2

ln(t1/t2) （4-2）

式中： t1T1t2、t2T2t1

T1、T2——热流体的进出口温度，K或oC；

t1、t2——冷流体的进出口温度，K或oC。 由式4-1可得：

KQ （4-3） AtmQ可由热流体放出的热量或冷流体获得的热量进行计算，即：

Qtmtcpt(T1T2)

（4-4）

或 Qsmscps(t2t1) 式（4-4）和式（4-5）中有关符号说明见实验六。

（4-5）

根据式（4-3）和式（4-4）或（4-5）就可以测定在实验条件下的总传热系数K。K的理论计算参考本实验附录。

由于温度传感器测得的数据可能并不是换热器流体入口和出口的温度，因此，要进行管路热量损失计算，求出换热器流体入口和出口的温度，计算过程见实验六，这里不再重复。 四、实验要求

本实验由学生自己设计实验步骤，实验中的要求如下：

1．学生根据装置自己设定冷、热流体的流程，然后打开相应阀门； 2．离心泵使用前必须先灌泵，保证放净泵内空气；

3．实验中建议热流体流量保持0.24L/s不变，冷流体流量0.4L/s到1.3L/s； 4．开始测试前必须先清空数据库；

5．热水加热到设定温度值后，打开循环泵，使炉内水温均匀后，再使用； 6．改变热流体的进口温度T1，待冷流体的进出口温度t1、t2及热流体的出口温度T2稳定后记录数据； 7．写出实验报告。

8．根据所测参数，参照实验四附录计算总传热系数K并与实验结果进行比较。

以流量为横坐标，总传热系数K为纵坐标，作VsK的理论与实验曲线，对所得曲线进行分析。 9．回答思考题。 五、数据记录和整理

保持热流体流量Vt不变，改变冷流体流量Vs，测量冷、热流体的进出口温度t1、t2、T1、T2，根据式（4-2）计算平均温差

tm，根据式（4-4）计算热流

体放出的热量Qt，根据式（4-5）计算冷流体获得的热量Qs，根据式（4-3）计算总传热系数K。将测量和计算出的结果填入数据表4-1中。

表4-1 实验测量和计算结果

序Vs T1 T2 t1 t2 Vt tm K 号 （L/s） （oC） （oC） （oC） （oC） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 思考题

(W/m2·K) (L/s) （oC） 1．总传热系数K和流体对流传热系数及污垢热阻R有怎样的关系，为什么流体流量大小会影响总传热系数K？

2．有些换热器被设计成多管程或多壳程，试根据本实验结果说出其中的道理？

实验八 换热器管程和壳程压力降测定实验

一、实验目的

1. 测量换热器管程和壳程的流体压力损失； 2．分析压力损失和流速之间的关系。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、实验原理

流体流经换热器时会出现压力损失，它包括流体在流道中的损失和流体进出口处的局部损失。通过测量管程流体的进口压力pt1、出口压力pt2，便可以得到管程流体流经换热器的总压力损失ptpt1pt2；通过测量壳程流体的进口力

ps1、出口压力ps2，便可以得到壳程流体流经换热器的总压力损失psps2ps1。

换热器管程和壳程压力降的理论计算见实验附录。 四、实验步骤

1．打开冷流体管程入口阀、冷流体管程出口阀，其他阀门关闭，使冷流体走管程；

2．打开自来水阀门灌泵，保证离心泵中充满水，开排气阀放净空气； 3．关水，启动泵；

4．调节出口流量调节阀，依次改变冷流体流量从1.3L/s到2.2L/s； 5．清空数据库，记录数据；

6．关泵，切换管路，打开冷流体壳程入口阀、冷流体壳程出口阀，其他阀门关闭，使冷流体走壳程；

7．调节出口流量调节阀，改变冷流体流量从0.4 L/s到2.2L/s； 8．清空数据库，记录数据。 五、数据记录和整理

让冷水走管程，并改变流量Vt，测量管程流体的进出口压力pt1、pt2，计算压力损失ptpt1pt2；切换管路，让冷水改走壳程，并改变流量Vs，测量壳

程流体的进出口压力ps1、ps2，计算压力损失psps1ps2。将测量和计算出的结果填入数据表8-1中。

表8-1 实验测量和计算结果

管 程 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vt （L/s） 壳 程 pt （MPa） pt1 （MPa） pt2 （MPa） Vs ps1 ps2 ps （L/s） （Mpa） （Mpa） （MPa） 10 六、要求

1．写出实验报告。

2．根据所测流量Vt和Vs，参照实验五附录计算管程流体流经换热器的压力损失并与实验结果进行比较。以流量为横坐标，压力损失为纵坐标，作PtVt的理论与实验曲线及PsVs实验曲线，对所得曲线进行分析。 3．回答思考题。 思考题

1．如何降低换热器中的阻力损失？

2．管程压力损失有多项组成，分析比较它们的相对大小。

3．通过实验七和实验八，说明提高换热器中流体流速的优、缺点。

实验九（一）离心泵恒压力控制实验

一、实验目的

1．测定离心泵恒压力控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口压力的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒压力控制系统的控制质量。

2．掌握比例度P、积分时间I参数在压力控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、实验原理

离心泵恒压力控制系统图如图9—1所示，信号流程如图9—2所示。

图9-1离心泵恒压力控制系统图 离心泵出口压力 压力传感器 放大器 工业调节器

泵电机 变频调速器 图9-2 信号流程图

离心泵恒压力控制系统为单回路简单控制系统。安装在离心泵出口管路上压力传感器PT将离心泵出口压力转换成电压信号，经放大器放大后输出至工业调节器PC，PC将压力信号与压力给定值比较后，按PI调节规律输出4—20mA信号，驱动变频调速器控制电机的转速，达到恒定离心泵出口压力的目的。离心泵恒压力控制系统方框图如图9-3所示。

控制参数如下：

1．被控变量y：离心泵出口压力P。

2．给定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中

取0.4 MPa。

3．测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口

压力值P。

4．操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵转速n。

使用交流变频调速器作为执行器对离心泵转速进行控制。交流变频调速器的输入信号范围：4—20mA；输出：380V，0—50Hz。

5．干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。在

本实验中采用突然改变流量的方法，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。 6．偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。

ym---离心泵出口压力值P； ys---离心泵出口压力设定值。

7．控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。

离心泵恒压力控制系统采用比例积分控制规律(PI)对离心泵出口压力进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，数学表达式为：

u(t)KP[e(t)

1TIt0e(t)dt]

PI规律将比例控制反应快和积分控制能消除余差的优点结合在一起，因而在生产中得到了广泛应用。

操纵变 控制信号量：离压力 μ：心泵转设定 偏差e 4—20mA 速 值 压力调节器 变频调速器 干扰变量：流量变化 水泵循环过程 被控变量： 离心泵出 口压力 压力信号 压力传感器和放大器

图9-3 离心泵恒压力控制系统方框图

流量 Q

0 t0 时间t

图9-4 阶跃干扰信号

假定在时间t=0之前，系统稳定，且被调参数---离心泵的出口压力P等于设定值。若在t=0时刻，外加流量阶跃干扰（图9-4），离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡的规律经过一段时间后，离心泵出口压力逐渐趋于稳定。完成了一次过渡过程。 四、实验步骤

1. 将压力表设定值设为0.4Mpa，P设为60，I设为15； 2. 用变频调速的方式开动冷水泵； 3. 打开出口截止阀到全开位置；

4. 调节出口球阀使流量为1.5 L/s，按下压力表下自动按钮；

5. 待系统压力稳定后，启动组态王程序进入本实验画面。鼠标点击清空数据库，鼠标点击记录数据，开始记录数据；

6. 调节出口球阀使压力偏离给定值0.05Mpa，观察压力恢复过程； 7. 将P设为60，I设为15；重复第6条再做一次； 退出组态王，运行数据处理程序，观察压力变化曲线。

五、计算过渡过程质量指标：

1．最大偏差A：被调参数偏离给定值的最大值。

2．余差 e()：当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之

差。

3．衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，一般n取4～10之

间为宜。

4．振荡周期：过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作

周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。

5．过度时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，

过渡过程所经历的时间 六、要求

1．写出实验报告。 2．回答思考题。 思考题

1． 离心泵恒压力控制系统在流量阶跃干扰作用下，比例度P的大小对过渡过程

会产生什么影响？

2． 离心泵恒压力控制系统在流量阶跃干扰作用下，积分常数I的大小对过渡过

程会产生什么影响？

实验九（二） 离心泵恒流量控制实验

一．实验目的

1．测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，

利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。

2．掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质

指标的影响。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、实验原理

离心泵恒流量控制系统图如图9-1所示，控制系统方框图如图9-2所示。

图9-1离心泵恒流量控制系统图

离心泵出口流量 涡轮流量传感器 电动调节阀 频率/电压转换器 工业调节器

图9-2离心泵恒流量控制系统方框图

离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。离心泵恒流量控制系统方框图如图9-3所示。

控制参数如下：

1． 控变量y：离心泵出口流量Q。

2． 定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中取

1.5 L/s。

3． 测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口

流量值Q。

4． 操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流

量。使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度0-16mm。

5． 干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。在

本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。

6．偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。

ym---离心泵出口流量值Q。

ys---离心泵出口流量设定值。

7．控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。

离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流量进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合， 理想的PID调节规律的数学表达式为：

1u(t)KPe(t)TIde(t) 0e(t)dtTDdttPID规律在生产中得到了广泛应用。

操纵变干扰变 控制信号流量量：泵量：离心 μ：设定出口流偏差e 泵压力 4—20mA 值 量 离心泵循环过程 流量调节器 电动调节阀 流量信号 涡轮流量传感器和变换器

图9-3 离心泵恒流量控制系统方框图

被控变量： 离心泵 流量 假定在时间t=0之前，系统稳定，且被调参数---离心泵的出口流量Q等于设定值。若在t=0时刻，外加压力阶跃干扰，离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡的规律经过一段时间后，离心泵出口流量逐渐趋于稳定。完成了一次过渡过程。

压力 P

0 t0 时间t

图9-4 阶跃干扰信号

四、实验步骤

8. 将流量表设定值设为：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； 9. 开动冷水泵，关闭出口截止阀或出口球阀 10. 调节压力调节旋钮，使压力表显示值为0.45Mpa； 11. 调节流量调节旋钮，使流量表显示值为2.0 L/s； 12. 按下流量表下的自动按钮；

13. 当流量稳定后，鼠标点击清空数据库，鼠标点击记录数据，开始记录数据； 14. 调节压力调节旋钮使压力改变0.05Mpa左右，造成人为干扰，观察流量恢复过程；

15. 退出组态王，运行数据处理程序，观察流量变化曲线。

五、计算过渡过程质量指标

1．最大偏差A：被调参数的最大值。

2．余差 e()：当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差。

3．衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，一般n取4～10之间为宜。

4．振荡周期：过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。

5．过度时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。 六、要求

1．写出实验报告。 2．回答思考题。 思考题

1．离心泵恒流量控制系统在压力阶跃干扰作用下，比例度P的大小对过渡过程会产生什么影响？

2．离心泵恒流量控制系统在阶跃压力干扰作用下，积分常数I的大小对过渡过程会产生什么影响？

实验十 换热器出口温度串级控制实验

一、实验目的

1．测定换热器出口温度在阶跃干扰作用下，换热器出口温度的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价换热器出口温度控制系统的控制质量。

2．掌握主回路和副回路的比例度P、积分时间I参数在温度控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。 二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台 三、实验原理

换热器出口温度串级控制系统图如图10-1所示，控制原理图如图10-2所示。

图10-1换热器出口温度串级控制系统图

换热器出口温度控制系统为双回路串级控制系统，控制系统方框图如8-3所示。安装在换热器管程出口管路上热电阻温度传感器TT将换热器管程出口温度转换成电阻信号后输出至温度调节器TC，TC将温度信号与温度给定值比

较后，根据其差值e的大小按比例积分PI调节规律向流量调节器LC输出流量给定值；同时安装在换热器壳程进口管路上的涡轮流量传感器LT将进入换热器

壳程的冷水流量信号输出至流量调节器LC，LC将来自温度调节器TC的流量给

定值和来自LT的冷水流量值比较后，根据其差值e的大小按比例PI调节规律驱动电动调节阀改变电动调节阀的开度，控制进入换热器壳程的冷水流量，达到恒定换热器管程出口温度的目的。

控制参数如下：

1．控变量y：换热器管程出口温度。

2．给定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中将换热器管程出口温度设置成40℃。

3．测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为换热器管程出口温度。

4．操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为冷水流量。使用电动调节阀作为执行器对冷水流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度0-16mm。

5．干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。

6．偏差信号e 被控变量的实际值与给定值之差， e=ys-ym。

ym---换热器出口温度。 ys---换热器出口温度设定值。

7．控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。

干扰变干扰变换热器 量2：冷量1：进出口温 水压力 口温度 度设置 温度调 流量调电动 冷水出口节器 y 节器 调节阀 流量 温度 涡轮流量传感器和信号变换换热器出 口温度 温度传感器和信号变换器 图10-3 换热器出口温度串级控制系统方框图

y

压力 P

0 t0 时间t

图10—4 阶跃干扰信号

四、实验步骤

1．设定温度调节器的比例度P，P=60，积分常数I，I=0，微分常数D，D=0； 2．设定流量调节器的比例度P，P=280，I=1，D=0； 3．设定燃油炉温度为80℃，

4．开动冷水泵，将冷水压力调节到0.4Mpa ；

5．设置流量表的给定值为1.5 L/s，再按下流量表下的自动按钮； 6．关闭出口截止阀;

8．开动热水泵，调节“阀5”，使热水流量Q2=0.3 L/s；

9．待温度表显示值稳定后，将温度设定值设为：设定值=显示值；（在组态王的

实验画面中调节）

10．鼠标点击清空数据库，鼠标点击记录数据，开始记录数据；

11．调节压力调节旋钮（11-7）改变压力，使冷水流量改变0.15L/s左右，以造

成人为干扰，观察温度恢复过程；

12．退出组态王，运行数据处理程序，观察温度变化曲线。

五、计算过渡过程质量指标：

1．最大偏差A：被调参数偏离给定值的最大值。

2．余差 e()：当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差。

3．衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，一般n取4～10之

间为宜。

4．振荡周期：过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。

5．过度时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。 六、要求

1．写出实验报告。 2．回答思考题。 思考题

1．主回路是由哪些元件构成的？副回路是由哪些元件构成的？ 2．主回路和副回路的时间常数应如何选择？

附录一

热量Qt和热损失Q的计算示例

在的换热性能实验中，热流体的进口温度T1＝82.60 oC，出口温度T2＝62.10

o

C；冷流体的进口温度t1＝18.19 oC，t2＝62.32 oC；热流体流量Vt＝1.31L/s；冷

流体流量Vs＝0.34L/s。试计算换热器的热量Qt和热损失Q。

解：

热流体进出口平均温度为

TT282.6062.10 tmt172.35C

22由tmt查《化工原理》中的附表可得：

t976.39kg/m3；cpt4.1kJ/kgK 因此，

mtVtt1.31103976.391.279kg/s

Qtmtcpt(T1T2)1.2794.1(82.6062.10)109.83kW 冷流体进出口平均温度为： tmst1t218.1962.3240.26C 22由tms查《化工原理》附表可得：

t992.09kg/m3；cps4.174kJ/kgK

因此，

msVss0.34103992.090.337kg/s

Qsmscps(t2t1)0.3374.174(62.3218.19)62.07kW 损失的热量为：

QQtQs109.8362.0747.76kW

平均温差：

tm(T1t2)(T2t1)(82.6062.32)(62.1018.19)30.59C

T1t282.6062.32lnlnTt62.1018.1921附录二

总传热系数K的计算示例

实验测得换热器热水进口温度T1＝75.15 oC，出口温度T2＝37.60oC；冷水进口温度t1＝18.43oC，出口温度t2＝42.06oC；热水走管程，其流量

Vt0.28103m3/s，冷水走壳程，其流量为0.40103m3/s。试计算总传热系

数K。

解：以下计算参照（潭天恩、麦本熙、丁惠华编著，化工原理，化工出版社，1996）。 1．实测传热膜系数K的计算 （1）计算流体进出口温度

同实验二附录步骤相同，计算得到热水进口温度T1'=＝70.27C；热水出口

'温度T2'38.99C；冷水出口温度t243.70C。

（2）计算实测传热系数（按冷水计算）

Ad0nl0.011391.0624.6376m2

'(T1't2)(T2't1)(70.2843.70)(38.9918.43)tm23.44C ''70.2843.70T1t2lnlnT't38.9918.4321冷流体进出口平均温度：

tms't1t218.4343.7031.07C

22由 查《化工原理》附录可得:

s985.8kg/m3,cps4.174kJ/kgK

因此，

'QsVsscps(t2t1)0.40103995.34.174(43.7018.43)42.0kW

Qs42.0103K386.4W/m2K

Atm4.637623.442．理论传热系数计算 （1）热水传热系数t计算

热水进出口平均温度为：

tmtT1'T2'70.2738.99.63℃

22由于管内外均为水，取管壁温度为内外介质的平均温度，即

twtmstmt31.07.6342.85C 22由tmt,tw查《化工原理》中的附表可

t0.653W/mK,t0.512103Pas,cpt4.174103J/KgK,t985.8Kg/m3,

由tw查得w0.623103Pas 热水流速：

VtVt0.28103ut0.0523m/s

Atd2n0.7850.0072139i4由于

Rediuttt71030.0523985.8705<2000，因此，热水在管内为层30.512101/3流。由公式 ：Nu=1.86RePr1/3dil1/3tw0.140.14得

dt1.86Re1/3Pr1/3idilttw

Pr=

cpttt4.1740.0.5123.273

0.653因此，

dt =1.86Re1/3Pr1/3idilt1/3tw0.14

0.0.6530.0071/31/3 =1.867053.27337101.092 =414 W/m2K

上式满足Re<2300,6700>Pr>0.6,RePr1/30.5120.6230.14

di10 的条件。 l由于 Grgdt3i2t2t9.810.0073985.821(.31.07).273

320.51210=7353>25000

其中：

——容积膨胀系数，1/K；

t——热流体平均温度与冷流体平均温度之差，C。

应考虑自然对流的影响，影响因子

1/3f0.8(10.015Gr)0.8(10.01573531/3)1.96

因而，

t4141.96811W/m2K

（2）冷水传热系数s计算

冷水进出口平均温度为：

tms31.07℃

由tms查《化工原理》中的附表可得：

s0.620W/mK;s0.785103Pas;cps4.174103J/Kg.K;s995.3Kg/m3

冷水流速：

VsVs0.40103us0.0796m/s

AsDih(1d0/t)0.2070.085(110/14)式中 ：

Di——换热器内径，Di=0.207m；

h——折流板间距，h=0.085m； t——管中心距，t=0.014m；

壳程当量直径：

32242t4d0ded03224141042=11.6 mm

10

deusd由公式se0.36ss0.55cpsss1/3sw0.14可得：

0.5511.61030.0796995.30.620s0.36311.61030.785104.1740.7850.7850.6200.6231/30.14 =1704W/m2K

考虑流体短路等原因，取影响系数为0.7（一般取0.6－0.8），因此，

s0.717041193W/m2K

（3）总传热系数K计算

对于新换热器，可不考虑污垢热阻。因此，总传热系数K为： 式中：

ts——换热管壁厚，ts=1.5mm；

11tsd01d0 Ksdmtdi——不锈钢导热系数,根据管壁温度查取；

dm——换热管中径, dmdodi。 2总传热系数K为：

0.0015101101K1/178.58117 1193369.9 W/m2K

附录三

换热器管程、壳程压力降计算

在换热器管程、壳程压力降实验中，测得管程流体流量Vt＝1.82L/s，管程入口压力Pt1＝0.539Mpa，出口压力Pt2＝0.524Mpa；壳程流体流量Vs＝2.39 L/s，壳程入口压力Ps1＝0.693 MPa，出口压力Ps2＝0.433 MPa。试计算管程的实际和理论压力降、壳程的实际压力降。 1．算管程、壳程的实际压力降 （1）计算管程的实际压力降

ptpt1pt20.5390.5240.015MPa

（2）计算壳程的实际压力降

PPs1Ps20.6930.4330.260MPa

2．计算管程的理论压力降

对于单程管壳式换热器，管程总压力损失pt为换热管内直管段压力损失

pi1、流体进、出换热管处局部压力损失pr1、压力传感器至换热器进、出口间

直管段压力损失pi2与流体进、出换热器处局部压力损失pr2之和，即：

ptpi1pi2pr1pr2 （1） 换热器内直管压力损失

lu2 pi1di2其中：

l——换热管总长，l =1.092m；

Vt1.821030.3402m/s u2din0.007213944设实验水温为20C，则：

998.2kg/m3,1.005103Pas

Rediu0.0070.3402998.223652000，为过渡流，现按湍流31.00510计算：

0.00560.500/Re0.320.047 所以，

lu210920.34022998.2pi10.047424Pa

di272（2）换热管进出口的局部压力损失

1.50.34022998.2pr1u/21.5u/287Pa

222（3）压力传感器至换热器进、出口间直管段压力损失

'''lu pi22'di22其中： di'3222.525mm

l'300mm

Vt1.82103'u3.7077m/s

'2di0.025244di'u'0.0253.7077998.2'920654000 为湍流 Re1.005103 0.00560.500/Re0.320.018 所以，

''10923.70772998.2'lupi22'20.01829Pa 72di22（4） 换热器进出口局部压力损失

pr21.5998.23.70772u/21.5u/210292Pa

222（5）总的管程压力损失

ptpi1pi2pr1pr242487291029213767Pa0.0138MPa

3．关于壳程的理论压力降计算

对于壳程压力损失ps的计算，由于流动状态比较复杂，提出的近似计算公式较多，这里不作计算要求。