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某大型减速器运行工况及其过渡过程的测试
  一、引言
在旋转机械的测试中,除了常见的温度、压力信号需要测试外,转速、扭矩及功率因是衡量不同工况工作的关键指标,也占据着重要地位,有时为了润滑、冷却的需要,流量参数的测试也会受到关注。这样一来,需测试的通道数不仅增多,而且信号的种类也趋多样化,从而使整个测试系统的构建亦变得复杂起来。本文介绍的某大型减速器的测试,正是这类测试中极具代表性的一个,它除了要实现不同工况下的监测外,还要完成从一个工况过渡到另一个工况(即:过渡过程)的测试,后者对大型旋转机械的出厂实验是非常重要的。
二、测试方案
当被测通道信号频率较高时,通常用测频法,其原理如图1所示,图2示出了测频工作波形。图1中时基电路产生的标准时基信号2,经过门控电路后转化为门控信号3,该门控信号在t1时间内开通闸门,使加在闸门输入端的被测信号fx 即1(通常整形为方波)通过闸门,得到被计数的方波4,进而送到计数器进行计数;门控信号3在t2时间内则会关闭闸门,禁止被测信号1通过闸门,从而禁止计数,同时计算机或微处理器则可利用该时间t2从计数器中取出所计的脉冲个数nf,并作相关操作,为下一次计数做好准备;当已知时间t1及所计的脉冲个数nf时,可由式fx = nf/t1算得被测信号的频率。当t1一定时,若被测信号fx逐渐变小,nf 的值也会随之减小,则采用测频法引起的±1误差就会越来越大,当fx低于一定值时,±1误差可能会大得不能容忍,这时则应选用测周法[1]。
测周原理方框图如图3所示,图4示出了测周工作波形示意图。wWW.11665.cOM因待测信号tx(即波形2)的占空比不一定相等,故在门控电路中用二分频电路尽可能地将其转换为等占空比的方波3,然后去控制闸门,当闸门开通时,经分频器得到的时标脉冲1(设其周期为ts)则会通过闸门,得到波形4,并送至计数器进行计数,如计数值为nt,则tx = nt * ts ,从而可计算出待测信号频率fx =1/tx;因为待测信号频率fx较小,故tx较大,而时标脉冲1的频率可以很高,所以nt 的值可以很大,即可使±1误差减小,这样就提高了待测信号的测量精度。
三、并行、多通道频率信号测试的设计思想
基于上述测频、测周原理,我们提出了一种并行、多通道频率信号的测试方法,其设计思想为:在时间t内,无论是测频通道,还是测周通道,均要进行一次完整而有效的计数,并且将各通道计数结果用中断的方式快速地取出。其工作波形如图5所示,为了讨论简单且不失一般性,图中只给出了两路并行输入的频率信号,其中一路被测信号fxh的频率较高,用测频法;另一路txl频率较低(图5 中txl为被测信号二分频后的波形,以使其占空比尽量相等),考虑用测周法。时间t为每次测点的间隔,它决定了采样率,t1为实际允许计数的时间限,t2为cpu中断读取各通道计数值及进行相关操作的时间。因测频、测周的门控信号互不相同,为实现上述设计思想,其关键在于各自门控信号的设计。
相比较而言,测频通道门控信号的设计较简单,可直接用时标波形tc来合成,使其在t1时间内开通计数,在t2时间内引发cpu中断,以读取所有通道计数值,并进行相关操作以准备下一次计数;很显然,若采样率一定,即测点的时间间隔t一定时,为了提高测频精度,应尽量增加t1时间,减少t2时间,但t2最小不能小于cpu执行中断程序所需的时间;因时标波形tc可由标准时间脉冲tclk经定时/计数器8254分频得到,所以t2正好为标准时间脉冲信号tcl k的一个时钟周期,故调整tcl k的频率,即可改变t2的值。
对于测周通道,要在每次间隔时间t内也完成一次采集,必需在时标波形tc的t1时间内,对测周通道进行一次完整而有效的计数,以便在t2时间内,计算机能读取其计数值,并为下一时间t内的采集做好准备。因为txl在t1时间内可能有一个或多个完整的tx(txl为被测信号二分频后的波形,即tx实际为被测信号的周期)到来,且tx到来具体个数是不可预知的,所以不能直接用txl来合成测周通道的门控信号。为了保证测周通道计数的有效性,其门控信号应满足如下条件:即在t1时间内,无论被测信号txl来了多少个tx(但至少有一个完整的tx),应仅仅只在一个完整的tx时间内进行计数。
四、应用举例
根据上述思想,并针对某大型减速器的性能测试要求,我们设计了一基于isa总线的八通道、并行频率信号采集卡,以组成并行、多通道频率信号测试系统,该测试系统要求能进行过渡过程测试和稳态监测,其测试精度要求为0.2%。其中采集卡上设计有两路测频通道,两路测周通道,另有四路同时测频、测周通道,用以分别测两路扭矩、两路流量及四路转速信号。经综合考虑,两路测周通道时标脉冲ts取为250 khz。四路转速测周时的时标脉冲ts取为2.5mkhz。因现场条件恶劣,干扰大,所用传感器均为频率输出型传感器,其分别为:
1)、测输入转速、扭矩选用的是:jn338系列转矩传感器,它能同时输出转速、扭矩信号,其中转速信号为50hz~7.2khz的脉冲方波,扭矩信号为5khz~15khz的脉冲方波。
2)、测流量选用的是:lwgy型涡轮流量传感器,其输出信号频率为40hz~450hz。
3)、测输出转速选用的是:szmb型转速传感器,其输出信号频率为50hz~5khz。
在进行过渡过程测试时,其采样率要求每秒8点,即要求采样间隔t为0.125s,因计算机读取各通道计数值及作相关操作还需一定时间t2 (参考图二),若分配给t2 1ms(实际测得只需约70μs)的时间,则t1只有0.124s,为此我们可以在保证其测量精度0.2%的前提下(即计数器的计数值n不小于500),得出各通道的测量范围:à、两路测频信号(即扭矩)的测试范围为:4.033khz ~ 528.6 khz;á、两路测周信号(即流量)的测试范围为:25hz ~ 500hz;â、四路测频、测周(即转速信号)的测试范围为:39hz ~ 528.6 khz。
对于稳态测试而言,要求每5分钟记录一次数据,为此我们实际采样率设为每4秒测一点,这样在5分钟内可采样75点,然后取其平均值作为一次记录数据。此时,t为4s,t2仍取1ms,则t1为3.999s,同理可计算出稳态测试时各通道的测量范围:à、两路测频通道(扭矩)的测试范围为:126hz ~ 16.38khz;á、两路测周通道(流量)的测试范围为:3.9hz ~ 500hz;â、四路测频、测周通道(转速信号)的测试范围为:39hz ~ 16.38khz。
现在该测试系统已投入正常运行,测试精度完全达到了预期的要求。
五、结语
本文所介绍的并行、多通道频率信号测试方法,明显具以下优点:
1、不仅能进行并行、多通道频率信号测试,且仅只占用一个系统中断资源。文献[2]为了实现双通道的测试,每通道就占用了一个中断,这在通道数少的情况下是可行的,如果通道数较多,由于系统可用中断资源有限,这显然是行不通的。此外,因本文设计的多通道采样是由硬件电路通过时标tc统一来

控制(见图5)的,在时间上为等间隔采样,所以可不用作任何数学处理,即可将多通道的测试数据同时显示在一个时域窗内,以便于分析、比较各通之间的相互关系。
2、测试范围显著增大。虽然变m法[3]能拓宽测频范围,但其拓宽的仅是高频端,因它实质上仍只是测频法,受测频精度所限,故不能从根本上解决测低频问题,而本文的设计思想是对频率信号同时测频、测周,频率较高取其测频值,频率低时取其测周值,因而只要简单增加测频、测周计数器长度,就能向高频、低频端拓宽其测量范围,所以不仅适合于实时大范围的稳态监测,而且还能广泛应用于频率变化范围较大的过渡过程测试。

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  •  作者:佚名 [标签: 减速器 工况 工况 减速器 工况 工况 ]
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