转速测量方法与转速仪表

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. 转速测量方法与转速仪表

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。

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。一只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、 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、 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、 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

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. 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。关于误差的分析本文不再做深入探讨。

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