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            轉速測量方法與轉速儀表
            轉速測量方法與轉速儀表

            作者:范家保

            轉速測量在國民經濟的各個領域,都是必不可少的。本文就轉速測量方法以及實施檢測的儀表,做一簡單的闡述。希望給工作中需要轉速測量儀表,和在轉速測量或相關領域進行研究開發的人員提供一些參考意見。

            關鍵詞:速度  線速度  角速度  轉速  誤差和精度  采樣時間  虛擬儀表

            主題:考察轉速測量方法演變,從演變的軌跡對轉速測量有一個比較全面的了解,著重介紹智能轉速表的檢測方法和實施檢測的儀表。

            內容提要:

            • 轉速檢測儀表的分類

            • 電子式轉速表

            • 轉速測量的方法

            • 結束語

            • 附錄


              一、轉速檢測儀表的分類:

            1. 離心式轉速表,利用離心力與拉力的平衡來指示轉速。 離心式轉速表是最傳統的轉速測量工具,是利用離心力原理的機械式轉速表;測量精度一般在1~2級,一般就地安裝。優良的離心式轉速表不但有準確直觀的特點,還具備可靠耐用的優點。但是結構比較復雜 。

            2. 磁性轉速表,利用旋轉磁場,在金屬罩帽上產生旋轉力,利用旋轉力與游絲力的平衡來指示轉速。 磁性轉速表,是成功利用磁力的一個典范,是利用磁力原理的機械式轉速表;一般就地安裝,用軟軸可以短距離異地安裝。磁性轉速表,因結構較簡單,目前較普遍用于摩托車和汽車以及其它機械設備。異地安裝時軟軸易損壞。

            3. 電動式轉速表,由小型交流發電機、電纜、電動機和磁性表頭組成。小型交流發電機產生交流電,交流電通過電纜輸送,驅動小型交流電動機,小型交流電動機的轉速與被測軸的轉速一致。磁性轉速表頭與小型交流電動機同軸連接在一起,磁性表頭指示的轉速自然就是被測軸的轉速;電動式轉速表,異地安裝非常方便,抗振性能好,廣泛運用于柴油機和船舶設備。

            4. 磁電式轉速表,磁電傳感器加電流表,異地安裝非常方便。

            5. 閃光式轉速表,利用視覺暫留的原理。閃光式轉速表,除了檢測轉速(往復速度)外,還可以觀測循環往復運動物體的靜像,對了解機械設備的工作狀態,是一必不可少的觀測工具。

            6. 電子式轉速表,電子技術的不斷進步,使這一類轉速表有了突飛猛進的發展。

              上述6種轉速表,具有各自獨特的結構和原理,既代表著不同時期的技術發展水平,也體現人類認識自然的階段性發展過程。 時代在不斷前進,有些東西將會成為歷史;但我們留心回顧一下,不禁要驚嘆前賢的匠心!


            1. 離心式轉速表,是機械力學的成果;

            2. 磁性式轉速表,是運用磁力和機械力的一個典范;

            3. 電動式轉速表,巧妙運用微型發電機和微型電動機將旋轉運動異地拷貝;

            4. 磁電式轉速表,電流表頭和傳感器都是電磁學的普及運用;

            5. 閃光式轉速表,人類認識自然的同時也認識了自我,體現了人類的靈性;

            6. 電子式轉速表,電子技術的千變萬化,給了我們今天五彩繽紛的世界,同樣也造就了滿足人們各種需要的轉速測量儀表。


              二、電子式轉速表

            電子式轉速表是一個比較籠統的概念:以現代電子技術為基礎,設計制造的轉速測量工具。它一般有傳感器和顯示器,有的還有信號輸出和控制。因為傳感器和顯示器件方面的多種多樣,還有測量方法的多樣性,很難像前5種一樣來歸類。本文將電子類轉速表,從傳感器和二次儀表分開來分類。如果從安裝使用方式上來分,還有就地安裝式、臺式、柜裝式和便攜式以及手持式 。本文對此不做詳述。

            轉速傳感器

            轉速傳感器從原理(或器件)上來分,有磁電感應式、光電效應式、霍爾效應式、磁阻效應式、介質電磁感應式等。另外還有間接測量轉速的轉速傳感器:如加速度傳感器(通過積分運算,間接導出轉速),位移傳感器通過微分運算,間接導出轉速),等等。測速發電機和某些磁電傳感器在線性區域,可以直接通過交流有效值轉換,來測量轉速 ;大多數都輸出脈沖信號(近似正弦波或矩形波)。針對脈沖信號測轉速的方法有:頻率積分法(也就是F/V轉換法,其直接結果是電壓或電流),和頻率運算法(其直接結果是數字)。

            轉速顯示儀

            顯示儀從指示形式來分有指針式、數字式、圖形及其混合式和虛擬儀表等;

            1.指針式:

            • 動圈式:線圈、游絲指針聯于一旋轉軸上,給線圈輸入電流,線圈感應出磁力,且互成正比;磁力與游絲的扭力平衡,扭力與指針轉角成正比,指針的角度也就反映出輸入電流的大??;

            • 動磁式:正交線圈中電流的變化,導致合成磁場方向的變化,而指針附著在單對極的永磁體上,指針反映電流的變化。

            • 電動式:雙向旋轉的馬達帶動電位器的旋轉,電位器的取樣值與輸入信號電壓比較,決定雙向旋轉馬達正轉、反轉或停止,與電位器聯動的指針正確反映輸入信號的大小。

            上述三式指針類表頭中,電動式表頭屬于電子類,動磁式表頭和動圈式表頭本身不屬于電子類,當與表頭配套的傳感器或表頭驅動需要供電電源時,且依賴現代電子技術時,這里就把它歸為電子類 。

            2.數字式、圖形及其混合式:   

            主要是從器件來區分,有數碼管、字段式液晶、液晶屏、熒光管、熒光屏、等離子屏和EL屏等。顯示技術是一門專門的技術,本文會涉及一些顯示技術,但不做展開闡述。

            3.虛擬轉速表:

            隨著計算機的普及,利用計算機做顯示和操作平臺的虛擬儀表,也越來越被廣泛運用,目前主流的開發平臺是NI公司的LabVIEW。有關開發運用技術,可以瀏覽NI公司的網站。

            三、轉速測量的方法

            F/V轉換

            電子類轉速測量儀表,由轉速傳感器和表頭(顯示器)組成。目前常用的轉速傳感器,大多輸出脈沖信號,只要通過頻率電流轉換就能與電壓電流輸入型的指針表和數字表匹配,或直接送PLC;頻率電流轉換的方法有阻容積分法、電荷泵法和專用集成電路法,前兩種方法在磁電轉速表中也有運用。專用集成電路大都數是阻容積分法、電荷泵法的綜合。目前常用的專用集成電路,有LM331、AD654和VF32等,轉換精度在0.1%以上;但在低頻時,這種轉換就無能為力。采用單片機 或FPGA,做F/D和D/A轉換,轉換精度在0.5~0.05%之間, 量程從0~2Hz到0~20KHz,頻率低于10Hz時反映時間也變長。關于F/V轉換,請參考相應芯片介紹和應用資料,本文不做贅述。

            頻率運算

            在顯示精度、可靠性、成本和使用靈活性上有一定要求時,就可直接采用脈沖頻率運算型轉速表。

            頻率運算方法,有定時計數法(測頻法)、定數計時法(測周法)和同步計數計時法。

            定時計數法(測頻法)在測量上有±1的誤差,低速時誤差較大;定數計時法(測周法)也有±1個時間單位的誤差,在高速時,誤差也很大。

            同步計數計時法綜合了上述兩種方法的優點,在整個測量范圍都達到了很高的精度,萬分之五以上的測量轉速儀表基本都是這種方法。下面以XJP-10B為例,介紹定時計數法(測頻法)、定數計時法(測周法)和同步計數計時法。

            早期的XJP-10B轉速數字顯示儀,采用CMOS數字集成電路 。其原理可用如下三個框圖表示:

            框圖一 測頻原理

            框圖一告訴我們,被測信號通過放大整形進入加法計數器;晶體振蕩器的頻率信號通過分頻產生秒(或分鐘)信號,在計數顯示控制器中生成寄存脈沖和清零脈沖。寄存脈沖將加法計數器的BCD碼送入寄存器,通過譯碼驅動,LED數碼管顯示一秒(或分鐘)內的計數值,直到下一次寄存脈沖的到來;緊接著清零,進行下一輪計數、寄存(譯碼顯示);如此,不間斷測頻。如果我們考察一下這些信號的時序,不難發覺這種定時計數測量方法的缺陷是:被計數脈沖有多一或少一的誤差。如果被測頻率為10000Hz,多一或少一的誤差,相對來講只不過萬分之一;如果被測頻率為2Hz,多一或少一的誤差,相對來講就達到了百分之五十,不難看出頻率越低,誤差越大,而且還有一點,把一秒變成一分鐘,誤差就變小了。低頻時,如不延長采樣時間,要提高精度就要采用測周的方法,框圖二正是說明這種方法。

            框圖二  測周原理

            將框圖二與框圖一進行比較,我們不難發覺:上述二者的差別在于晶體振蕩器與被測信號的位置作了互換,象是代數上的分子分母的顛倒,也正是物理上的頻率和周期互為倒數,細心的讀者可以體會到 ,學科之間的內在聯系無處不在。

            測周的誤差:與測頻相似,是多一個或少一個晶體振蕩器脈沖,也就是多一個或少一個時基脈沖,晶體振蕩器脈沖頻率準確度越高誤差越小,晶體振蕩器脈沖頻率越高誤差也越小,被測頻率越高誤差越大;因此測量高頻時,對被測信號進行分頻,確實是提高測周精度的好方法。在周期過長時,還可通過計數器,借助計時器來測量轉速。下面的框圖表示了計數器的工作原理。

             框圖三 計數器原理

            現在我們可以看出,XJP-10B轉速數字顯示儀,在CMOS數字集成電路的條件下,已是一款十分完備的轉速測量工具,這臺儀器的設計者是田同裕先生(原上海轉速表廠),與之同期的類似產品還有XJP-02A轉速數字顯示儀(設計者原上海轉速表廠童敏杰先生,改進者姓名略)。

            早期的XJP-10B轉速數字顯示儀,在今天看來有哪些不足呢?周期和頻率都不能等同轉速,頻率與轉速存在倍數關系,通過時基頻率的分頻(采樣時間的倍乘),基本滿足了大都數用戶的需要,測周則需要用戶自己換算成轉速。在今天的電子技術條件下,解決這些問題用單片機或FPGA都比較方便。那么今天的設計者怎樣設計新的XJP-10B轉速數字顯示儀呢?下面仍然以XJP-10B轉速數字顯示儀為例,介紹同步計數計時法。

            同步計數計時法

            同步計數計時法,是隨著單片機的普及而得到普及運用。同步計數計時法是怎樣綜合前兩種方法的優點的呢?我們還是用時序來分析。

            定時計數時序

             

            時序圖一時序圖二


            時序圖一計時和計數脈沖不同步;時序圖二計時和計數脈沖同步。但不管計時和計數脈沖同步與否,都有多一少一的誤差。同理,定數計時也有多一少一的誤差。

            同步計數計時時序圖   

            當定時器與被測脈沖同步計數時,為避免被測脈沖計數多一少一的誤差,將定時作延時調整,等待被測脈沖計數完整;與此同時,取時間基準脈沖計數值。這樣脈沖計數N為零誤差,時間基準脈沖計數T有多一少一的誤差。當時間基準脈沖源(晶振)誤差小于十萬分之一時,誤差源主要是時間基準脈沖計數多一少一引起。

            頻率f=N/T,假定定時為1秒,時間基準脈沖周期為100μS,T=10000+ΔT

            f=N/(10000+ΔT),

            誤差Δf/f=[N/(10000+ΔT)-N/(10000+ΔT±1)]/[N/(10000+ΔT)]

                        =1-(10000+ΔT±1)/(10000+ΔT)

                        =±1/(10000+ΔT)

            可見誤差小于萬分之一,隨著晶振頻率的提高誤差減小。

            當采用單片機進行計數和運算時,還有中斷不及時引起的誤差。采用單片機的捕捉功能,可以消除這種中斷引起的誤差,當然FPGA在設計階段也可以消除這種誤差。
               當時間基準脈沖源(晶振)誤差可以忽略不計時,采樣時間為1mS,時間基準脈沖周期為1μS,則T=10000+ΔT,同理可以得到誤差小于萬分之一的結果。如果采樣時間,仍然是1S,上述的表達式就是這樣的了:    

            誤差Δf/f=[N/(1000000+ΔT)-N/(1000000+ΔT±1)]/[N/(1000000+ΔT)]

                  =1-(1000000+ΔT±1)/(1000000+ΔT)

                  =±1/(1000000+ΔT)
               可見誤差在百萬分之一。
               轉速測量儀的測量誤差,與晶振頻率的穩定性有關,與測量方法,與采樣時間都有關聯。高精度轉速測量,一般采用時間頻率同步法(T/M法),但是實施的方案也有差別,這里就不細說了。
               事實上,轉速測量要達到百萬分之一的誤差,還是要費一番功夫的。除了轉速測量儀的因素外,傳感器的因素也是不可忽視的,尤其在高精度轉速測量時。一般來說,比較好的光電轉速傳感器和激光傳感器,在200r/min~100000r/min,測量誤差,一般小于十萬分之一;1~200r/min,測量誤差,一般小于萬分之一。
               目前霍爾轉速傳感器,在0.1~200000r/min范圍內,測量誤差,一般小于百萬分之五。這里述及的誤差,前提是60r/min以上,采用時間為1S,60r/min以下,以一個旋轉周期為采樣時間。
               有的轉速測量儀,用擴展不確定度來表示精度等級。這里要說明一點,采樣時間,樣本數和均值點數,與不確定度值有重要關聯,而目前的國家標準沒有對這三個關聯要素加以限定;所以在比較兩個校準器
            優劣時,光看擴展不確定度來還是不夠的,要注意廠家給出相關結論的采樣時間和樣本數,還要看均值點數。


            頻率與轉速的關系:

            f=P*v/60

            f表示頻率,P表示每旋轉一周產生的脈沖個數,v表示轉速亦即每分鐘旋轉的轉數。

            T=1/f

            新的XJP-10B轉速數字顯示儀,由于采用了單片機技術,和同步計數計時法,使得測頻、測速、測周、計數變得精確,而且非常簡單;只要輕觸儀表面板控制鍵,就能在4種功能間切換。由于系數可任意設置,使得儀表與傳感器配套,不受輸出脈沖數的限制。并且該儀表還有擴展的RS232接口,能與配套的虛擬儀表動態顯示頻率、轉速(速度)、和計數值。
               SRM-03高精度轉速測量儀,和SRM-05高精度轉速測量儀,采用新型微處理器,集合彩色觸摸屏,性能和品質又有了質的飛躍。

            四、結束語:轉速儀表結構簡單化,品種多樣化與系列化,進一步要向人性化發展

            隨著電子技術發展,單片機技術和大規??删幊虜底诌壿嬰娐返钠占?,為轉速儀表結構簡單化提供了技術基礎。智能芯片的運用,使同一儀表硬件,具有多種不同功能的軟件,為多樣化系列化帶來了便利。 智能儀表的軟件,可為不同需求量身定做,使得智能儀表又具個性化的特點。

            目前,智能化轉速數字顯示儀表,有通用的SQY01T系列轉速數字顯示儀,SZC系列電站用轉速數字顯示儀,SKY06系列全速智能數字顯示儀,以及各種多功能轉速儀表,如SQK-LCM5.0雙路轉速表,同時顯示差速和速比,以及帶方向顯示可遠傳的智能遠傳轉速表等。有了設計人員不斷汲取新知識,不斷運用新器件,不斷開拓新思路,才有這些創新的儀表。

            智能儀表,要向人性化發展。儀表在滿足使用的同時,也要為使用儀表的人,帶來使用上的方便和舒適。把這種理念不斷融入設計和產品,造就成功的儀表。 本文以此為結束語,期與儀表人共勉。

            本文登出后,收到很多專業人士的來電和來函,也得到了很多的寶貴意見,此次修改登出,深表感謝!應大專院校的師生和各行各業專業人士的要求,將具有代表性的轉速表(轉速數字顯示儀)和傳感器列表附于文后,以便設計研究時參考。

            附錄一、常用傳統轉速表

            類別型號
            離心式轉速表LZ-30/45/60/807
            磁性轉速表CZ-20/800
            電動轉速表DZ-2
            磁電轉速表SZM-4/SZM-20
            閃光測速儀SZS-101
            手持電子轉速表SZG-441C,SZG-20B


            附錄二、常用轉速傳感器

            類別型號
            磁電轉速傳感器SZMB-5非接觸式測量,正弦波輸出,中高速測量,感應距離1mm左右

            SZMB-9

            SM-16-60

            SM-16-100

            SZMB-1透平膨脹機專用
            磁敏轉速傳感器SMS-12非接觸式測量,矩形波輸出,全速測量,感應距離1mm左右

            SMS-16
            霍爾轉速傳感器Hal-12非接觸式測量,矩形波輸出,感應距離3~5mm左右

            Hal-12-30

            Hal-12-110

            Hal-16
            光電傳感器SZGB-4A彈性聯接,接觸式測量,方波輸出

            WO系列非接觸式測量,矩形波輸出,感應距離10~100mm左右

            WL系列
            光電編碼器CHA-1彈性聯接,接觸式測量,方波輸出
            激光轉速傳感器SJGC-18-12非接觸式測量,矩形波輸出,感應距離10~1000mm左右


            附錄三、常用頻率電流轉換器

            類別型號特點
            頻率電流轉換器XPZ-02A量程訂貨時約定,導軌式安裝

            SQY01TPZ量程和參數面板設置,柜裝

            FA-USBUSB設置量程,導軌式安裝

            FA-485RS485設置量程,導軌式安裝
            頻率電壓轉換器FV-485RS485設置量程,導軌式安裝

            FV-USBUSB設置量程,導軌式安裝

            SQY01TPZ量程和參數面板設置,柜裝


            附錄四、常用轉速數字顯示儀

            類別型號特點
            轉速數字顯示儀XJP-10B/02A/12A在傳統產品基礎上的改進發展

            XSV-01A/B/C在傳統產品基礎上的改進發展

            SQY01T系列系列品種齊全,適用各個領域
            雙路轉速數字顯示儀SQK-LCM5.0測差速和速比
            計數轉速數字顯示儀SQK01T+J1205位顯示轉速,8位計數
            數字顯示儀SQY02TD不但適用轉速測量,還可用于流量和壓力測量

            附錄五:轉速校驗設備
            名稱型號規格主要性能
            標準轉速發生裝置SRSG-6A1~35000r/min , Urel 1×10-4, (k=3)
            SRSG-6B1~40000r/min , Urel 1×10-4, (k=3)
            SRSG-6C0.1~6000r/min , Urel 5×10-5, (k=3)
            SRSG-6E0.1~10000r/min , Urel 5×10-5, (k=3)
            SRSG-6C0.1~6000r/min , Urel 3×10-5, (k=3)
            SRSG-6W0.1~60000r/min , Urel 3×10-5, (k=3)
            SRSG-8W0.5~100000r/min , Urel 3×10-5, (k=3)
            高精度轉速頻率測量儀SRM-030.1~100000r/min , Urel 5×10-6, (k=3)
            MSRM-040.1~200000r/min , Urel 5×10-6, (k=3)(四路)
            SRM-050.1~100000r/min , Urel 5×10-5, (k=3)
            SRM-060.1~100000r/min , Urel 5×10-5, (k=3)(雙路)
            MSRM-121~200000r/min , Urel 5×10-6, (k=3)(十二路)

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