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转速测量方法与转速仪表
转速测量方法与转速仪表

作者:范家保

转速测量在国民经济的各个领域,都是必不可少的。本文就转速测量方法以及实施检测的仪表,做一简单的阐述。希望给工作中需要转速测量仪表,和在转速测量或相关领域进行研究开发的人员提供一些参考意见。

关键词:速度  线速度  角速度  转速  误差和精度  采样时间  虚拟仪表

主题:考察转速测量方法演变,从演变的轨迹对转速测量有一个比较全面的了解,着重介绍智能转速表的检测方法和实施检测的仪表。

内容提要:

  • 转速检测仪表的分类

  • 电子式转速表

  • 转速测量的方法

  • 结束语

  • 附录


    一、转速检测仪表的分类:

  1. 离心式转速表,利用离心力与拉力的平衡来指示转速。 离心式转速表是最传统的转速测量工具,是利用离心力原理的机械式转速表;测量精度一般在1~2级,一般就地安装。优良的离心式转速表不但有准确直观的特点,还具备可靠耐用的优点。但是结构比较复杂 。

  2. 磁性转速表,利用旋转磁场,在金属罩帽上产生旋转力,利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。 磁性转速表,是成功利用磁力的一个典范,是利用磁力原理的机械式转速表;一般就地安装,用软轴可以短距离异地安装。磁性转速表,因结构较简单,目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。

  3. 电动式转速表,由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电,交流电通过电缆输送,驱动小型交流电动机,小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起,磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速;电动式转速表,异地安装非常方便,抗振性能好,广泛运用于柴油机和船舶设备。

  4. 磁电式转速表,磁电传感器加电流表,异地安装非常方便。

  5. 闪光式转速表,利用视觉暂留的原理。闪光式转速表,除了检测转速(往复速度)外,还可以观测循环往复运动物体的静像,对了解机械设备的工作状态,是一必不可少的观测工具。

  6. 电子式转速表,电子技术的不断进步,使这一类转速表有了突飞猛进的发展。

    上述6种转速表,具有各自独特的结构和原理,既代表着不同时期的技术发展水平,也体现人类认识自然的阶段性发展过程。 时代在不断前进,有些东西将会成为历史;但我们留心回顾一下,不禁要惊叹前贤的匠心!


  1. 离心式转速表,是机械力学的成果;

  2. 磁性式转速表,是运用磁力和机械力的一个典范;

  3. 电动式转速表,巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝;

  4. 磁电式转速表,电流表头和传感器都是电磁学的普及运用;

  5. 闪光式转速表,人类认识自然的同时也认识了自我,体现了人类的灵性;

  6. 电子式转速表,电子技术的千变万化,给了我们今天五彩缤纷的世界,同样也造就了满足人们各种需要的转速测量仪表。


    二、电子式转速表

电子式转速表是一个比较笼统的概念:以现代电子技术为基础,设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器,有的还有信号输出和控制。因为传感器和显示器件方面的多种多样,还有测量方法的多样性,很难像前5种一样来归类。本文将电子类转速表,从传感器和二次仪表分开来分类。如果从安装使用方式上来分,还有就地安装式、台式、柜装式和便携式以及手持式 。本文对此不做详述。

转速传感器

转速传感器从原理(或器件)上来分,有磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式、磁阻效应式、介质电磁感应式等。另外还有间接测量转速的转速传感器:如加速度传感器(通过积分运算,间接导出转速),位移传感器通过微分运算,间接导出转速),等等。测速发电机和某些磁电传感器在线性区域,可以直接通过交流有效值转换,来测量转速 ;大多数都输出脉冲信号(近似正弦波或矩形波)。针对脉冲信号测转速的方法有:频率积分法(也就是F/V转换法,其直接结果是电压或电流),和频率运算法(其直接结果是数字)。

转速显示仪

显示仪从指示形式来分有指针式、数字式、图形及其混合式和虚拟仪表等;

1.指针式:

  • 动圈式:线圈、游丝指针联于一旋转轴上,给线圈输入电流,线圈感应出磁力,且互成正比;磁力与游丝的扭力平衡,扭力与指针转角成正比,指针的角度也就反映出输入电流的大小;

  • 动磁式:正交线圈中电流的变化,导致合成磁场方向的变化,而指针附着在单对极的永磁体上,指针反映电流的变化。

  • 电动式:双向旋转的马达带动电位器的旋转,电位器的取样值与输入信号电压比较,决定双向旋转马达正转、反转或停止,与电位器联动的指针正确反映输入信号的大小。

上述三式指针类表头中,电动式表头属于电子类,动磁式表头和动圈式表头本身不属于电子类,当与表头配套的传感器或表头驱动需要供电电源时,且依赖现代电子技术时,这里就把它归为电子类 。

2.数字式、图形及其混合式:   

主要是从器件来区分,有数码管、字段式液晶、液晶屏、荧光管、荧光屏、等离子屏和EL屏等。显示技术是一门专门的技术,本文会涉及一些显示技术,但不做展开阐述。

3.虚拟转速表:

随着计算机的普及,利用计算机做显示和操作平台的虚拟仪表,也越来越被广泛运用,目前主流的开发平台是NI公司的LabVIEW。有关开发运用技术,可以浏览NI公司的网站。

三、转速测量的方法

F/V转换

电子类转速测量仪表,由转速传感器和表头(显示器)组成。目前常用的转速传感器,大多输出脉冲信号,只要通过频率电流转换就能与电压电流输入型的指针表和数字表匹配,或直接送PLC;频率电流转换的方法有阻容积分法、电荷泵法和专用集成电路法,前两种方法在磁电转速表中也有运用。专用集成电路大都数是阻容积分法、电荷泵法的综合。目前常用的专用集成电路,有LM331、AD654和VF32等,转换精度在0.1%以上;但在低频时,这种转换就无能为力。采用单片机 或FPGA,做F/D和D/A转换,转换精度在0.5~0.05%之间, 量程从0~2Hz到0~20KHz,频率低于10Hz时反映时间也变长。关于F/V转换,请参考相应芯片介绍和应用资料,本文不做赘述。

频率运算

在显示精度、可靠性、成本和使用灵活性上有一定要求时,就可直接采用脉冲频率运算型转速表。

频率运算方法,有定时计数法(测频法)、定数计时法(测周法)和同步计数计时法。

定时计数法(测频法)在测量上有±1的误差,低速时误差较大;定数计时法(测周法)也有±1个时间单位的误差,在高速时,误差也很大。

同步计数计时法综合了上述两种方法的优点,在整个测量范围都达到了很高的精度,万分之五以上的测量转速仪表基本都是这种方法。下面以XJP-10B为例,介绍定时计数法(测频法)、定数计时法(测周法)和同步计数计时法。

早期的XJP-10B转速数字显示仪,采用CMOS数字集成电路 。其原理可用如下三个框图表示:

框图一 测频原理

框图一告诉我们,被测信号通过放大整形进入加法计数器;晶体振荡器的频率信号通过分频产生秒(或分钟)信号,在计数显示控制器中生成寄存脉冲和清零脉冲。寄存脉冲将加法计数器的BCD码送入寄存器,通过译码驱动,LED数码管显示一秒(或分钟)内的计数值,直到下一次寄存脉冲的到来;紧接着清零,进行下一轮计数、寄存(译码显示);如此,不间断测频。如果我们考察一下这些信号的时序,不难发觉这种定时计数测量方法的缺陷是:被计数脉冲有多一或少一的误差。如果被测频率为10000Hz,多一或少一的误差,相对来讲只不过万分之一;如果被测频率为2Hz,多一或少一的误差,相对来讲就达到了百分之五十,不难看出频率越低,误差越大,而且还有一点,把一秒变成一分钟,误差就变小了。低频时,如不延长采样时间,要提高精度就要采用测周的方法,框图二正是说明这种方法。

框图二  测周原理

将框图二与框图一进行比较,我们不难发觉:上述二者的差别在于晶体振荡器与被测信号的位置作了互换,象是代数上的分子分母的颠倒,也正是物理上的频率和周期互为倒数,细心的读者可以体会到 ,学科之间的内在联系无处不在。

测周的误差:与测频相似,是多一个或少一个晶体振荡器脉冲,也就是多一个或少一个时基脉冲,晶体振荡器脉冲频率准确度越高误差越小,晶体振荡器脉冲频率越高误差也越小,被测频率越高误差越大;因此测量高频时,对被测信号进行分频,确实是提高测周精度的好方法。在周期过长时,还可通过计数器,借助计时器来测量转速。下面的框图表示了计数器的工作原理。

 框图三 计数器原理

现在我们可以看出,XJP-10B转速数字显示仪,在CMOS数字集成电路的条件下,已是一款十分完备的转速测量工具,这台仪器的设计者是田同裕先生,与之同期的类似产品还有XJP-02A转速数字显示仪(设计者童敏杰先生,改进者姓名略)。

早期的XJP-10B转速数字显示仪,在今天看来有哪些不足呢?周期和频率都不能等同转速,频率与转速存在倍数关系,通过时基频率的分频(采样时间的倍乘),基本满足了大都数用户的需要,测周则需要用户自己换算成转速。在今天的电子技术条件下,解决这些问题用单片机或FPGA都比较方便。那么今天的设计者怎样设计新的XJP-10B转速数字显示仪呢?下面仍然以XJP-10B转速数字显示仪为例,介绍同步计数计时法。

同步计数计时法

同步计数计时法,是随着单片机的普及而得到普及运用。同步计数计时法是怎样综合前两种方法的优点的呢?我们还是用时序来分析。

定时计数时序

 

时序图一时序图二


时序图一计时和计数脉冲不同步;时序图二计时和计数脉冲同步但不管计时和计数脉冲同步与否,都有多一少一的误差。同理,定数计时也有多一少一的误差。

同步计数计时时序图   

当定时器与被测脉冲同步计数时,为避免被测脉冲计数多一少一的误差,将定时作延时调整,等待被测脉冲计数完整;与此同时,取时间基准脉冲计数值。这样脉冲计数N为零误差,时间基准脉冲计数T有多一少一的误差。当时间基准脉冲源(晶振)误差小于十万分之一时,误差源主要是时间基准脉冲计数多一少一引起。

频率f=N/T,假定定时为1秒,时间基准脉冲周期为100μS,T=10000+ΔT

f=N/(10000+ΔT),

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

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

            =±1/(10000+ΔT)

可见误差小于万分之一,随着晶振频率的提高误差减小。

当采用单片机进行计数和运算时,还有中断不及时引起的误差。采用单片机的捕捉功能,可以消除这种中断引起的误差,当然FPGA在设计阶段也可以消除这种误差。
   当时间基准脉冲源(晶振)误差可以忽略不计时,采样时间为1mS,时间基准脉冲周期为1μS,则T=10000+ΔT,同理可以得到误差小于万分之一的结果。如果采样时间,仍然是1S,上述的表达式就是这样的了:    

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

      =1-(1000000+ΔT±1)/(1000000+ΔT)

      =±1/(1000000+ΔT)
   可见误差在百万分之一。
   转速测量仪的测量误差,与晶振频率的稳定性有关,与测量方法,与采样时间都有关联。高精度转速测量,一般采用时间频率同步法(T/M法),但是实施的方案也有差别,这里就不细说了。
   事实上,转速测量要达到百万分之一的误差,还是要费一番功夫的。除了转速测量仪的因素外,传感器的因素也是不可忽视的,尤其在高精度转速测量时。一般来说,比较好的光电转速传感器和激光传感器,在200r/min~100000r/min,测量误差,一般小于十万分之一;1~200r/min,测量误差,一般小于万分之一。
   目前霍尔转速传感器,在0.1~200000r/min范围内,测量误差,一般小于百万分之五。这里述及的误差,前提是60r/min以上,采用时间为1S,60r/min以下,以一个旋转周期为采样时间。
   有的转速测量仪,用扩展不确定度来表示精度等级。这里要说明一点,采样时间,样本数和均值点数,与不确定度值有重要关联,而目前的国家标准没有对这三个关联要素加以限定;所以在比较两个校准器
优劣时,光看扩展不确定度来还是不够的,要注意厂家给出相关结论的采样时间和样本数,还要看均值点数。


频率与转速的关系:

f=P*v/60

f表示频率,P表示每旋转一周产生的脉冲个数,v表示转速亦即每分钟旋转的转数。

T=1/f

新的XJP-10B转速数字显示仪,由于采用了单片机技术,和同步计数计时法,使得测频、测速、测周、计数变得精确,而且非常简单;只要轻触仪表面板控制键,就能在4种功能间切换。由于系数可任意设置,使得仪表与传感器配套,不受输出脉冲数的限制。并且该仪表还有扩展的RS232接口,能与配套的虚拟仪表动态显示频率、转速(速度)、和计数值。
   SRM-03高精度转速测量仪,和SRM-05高精度转速测量仪,采用新型微处理器,集合彩色触摸屏,性能和品质又有了质的飞跃。

四、结束语:转速仪表结构简单化,品种多样化与系列化,进一步要向人性化发展

随着电子技术发展,单片机技术和大规模可编程数字逻辑电路的普及,为转速仪表结构简单化提供了技术基础。智能芯片的运用,使同一仪表硬件,具有多种不同功能的软件,为多样化系列化带来了便利。 智能仪表的软件,可为不同需求量身定做,使得智能仪表又具个性化的特点。

目前,智能化转速数字显示仪表,有通用的SQY01T系列转速数字显示仪,SZC系列电站用转速数字显示仪,SKY06系列全速智能数字显示仪,以及各种多功能转速仪表,如SQK-LCM5.0双路转速表,同时显示差速和速比,以及带方向显示可远传的智能远传转速表等。有了设计人员不断汲取新知识,不断运用新器件,不断开拓新思路,才有这些创新的仪表。

智能仪表,要向人性化发展。仪表在满足使用的同时,也要为使用仪表的人,带来使用上的方便和舒适。把这种理念不断融入设计和产品,造就成功的仪表。 本文以此为结束语,期与仪表人共勉。

本文登出后,收到很多专业人士的来电和来函,也得到了很多的宝贵意见,此次修改登出,深表感谢!应大专院校的师生和各行各业专业人士的要求,将具有代表性的转速表(转速数字显示仪)和传感器列表附于文后,以便设计研究时参考。

附录一、常用传统转速表

类别型号
离心式转速表LZ-30/45/60/807
磁性转速表CZ-20/800
电动转速表DZ-2
磁电转速表SZM-4/SZM-20
闪光测速仪SZS-101
手持电子转速表SZG-441C,SZG-20B


附录二、常用转速传感器

类别型号
磁电转速传感器SZMB-5非接触式测量,正弦波输出,中高速测量,感应距离1mm左右

SZMB-9

SM-16-60

SM-16-100

SZMB-1透平膨胀机专用
磁敏转速传感器SMS-12非接触式测量,矩形波输出,全速测量,感应距离1mm左右

SMS-16
霍尔转速传感器Hal-12非接触式测量,矩形波输出,感应距离3~5mm左右

Hal-12-30

Hal-12-110

Hal-16
光电传感器SZGB-4A弹性联接,接触式测量,方波输出

WO系列非接触式测量,矩形波输出,感应距离10~100mm左右

WL系列
光电编码器CHA-1弹性联接,接触式测量,方波输出
激光转速传感器SJGC-18-5非接触式测量,矩形波输出,感应距离10~1000mm左右


附录三、常用频率电流转换器

类别型号特点
频率电流转换器XPZ-02A量程订货时约定,导轨式安装

SQY01TPZ量程和参数面板设置,柜装

FA-USBUSB设置量程,导轨式安装

FA-485RS485设置量程,导轨式安装
频率电压转换器FV-485RS485设置量程,导轨式安装

FV-USBUSB设置量程,导轨式安装

SQY01TPZ量程和参数面板设置,柜装


附录四、常用转速数字显示仪

类别型号特点
转速数字显示仪XJP-10B/02A/12A在传统产品基础上的改进发展

XSV-01A/B/C在传统产品基础上的改进发展

SQY01T系列系列品种齐全,适用各个领域
双路转速数字显示仪SQK-LCM5.0测差速和速比
计数转速数字显示仪SQK01T+J1205位显示转速,8位计数
数字显示仪SQY02TD不但适用转速测量,还可用于流量和压力测量

附录五:转速校验设备
名称型号规格主要性能
标准转速发生装置SRSG-6A1~35000r/min , Urel 1×10-4, (k=3)
SRSG-6B1~40000r/min , Urel 1×10-4, (k=3)
SRSG-6H0.1~60000r/min , Urel 3×10-5, (k=3)
SRSG-6W0.1~50000r/min , Urel 3×10-5, (k=3)
高精度转速频率测量仪SRM-030.1~100000r/min , Urel 5×10-6, (k=3)
SRM-050.1~100000r/min , Urel 5×10-6, (k=3)

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