成都八一机电设备厂 宋喜奎
摘 要：介绍一种测量动态转速的方法,分析产生测量误差的几个因素。
关键词; 测量 动态转速 测量误差 方法
动态转速测量在内燃机试验研究中有着广泛的应用,如转速波动、调速率、启动过程、增压器转速的过渡过程、调速器速敏元件的动态特性等都要测量动态转速。本文介绍一种模量测量的实用仪器,并讨论影响测量精度的主要因素。
1 设计概况
1.1 测量装置应满足的条件
为满足柴油机及其零部件试验对动态转速测量的要求以及保证一定的测量精度,测量装置应满足以下要求:
a.转速范围:柴油机性能试验500～4000r/min,柴油机启动试验100～500r/min,喷油泵试验台性能试验150～3000r/min;
b.量程:试验转速的±10%;
c.分辨率:1r/min/mm;
d.误差:2%;
e.频率响应:50Hz。
1.2 测量装置的构成(见图1)
图中 Ⅰ——传感器及变换器;
Ⅱ——放大器,ε是讯号电压u与补偿电压u（7）的差值;
Ⅲ——毫伏—毫安变换器;
Ⅳ——高阻记录仪;
Ⅴ——低阻记录仪。
1.3 转速的检测及变换采用的方式和结构现就常用的几种作简要介绍。
1.3.1 测速发电机
测速发电机用作传感器,其输出特性是合适的。它的响应特性,是一阶非周期环节。以直流测速发电机为例,时间常数是电枢回路总电感L与总电阻R之比,即T=L/R。
使用中存在两个问题:一是输出电压带有较大的交流分量。其值往往大于被测讯号且基波频率较低。为消除交流分量而设计的滤波器的时间常数约在0.1～0.01s范围内。二是灵敏度较低,仍需配置合适的放大器。因此,测速发电机在动态转速测量中广泛应用的可能性受到限制。
1.3.2 感应式转速—频率变换器
此变换器按电磁感应原理工作。变换器最低工作转速受输出讯号最小幅度的限制,最高工作转速取决于运转部分的机械性能。结构尺寸的设计应考虑工作转速范围和相应的输出频率以及适当的输出电压值。
1.3.3 光电式转速—频率变换器
应用光刻工艺,增加每转的输出脉冲数,这就有效地提高了变换器的分辨率和测量精度。目前实用的光电变换器,每转脉冲数为1024,最高转速1600r/min;另一种每转脉冲数为1920,最高转速1000r/min。还有采用10800条刻线的圆光栅,工作转速达1500r/min。
为提高分辨率,文献〔1〕介绍了一种结构,使原来静止的检测器,沿着测速圆盘相反的方向匀速转动。检测出的讯号所对应的转速:
n=nm+no
式中 nm——被测轴转速;
no——检测器转速。
检测器由一只辅助马达驱动。马达连同驱动的系统应有较大的转动惯量,并严格保持转速恒定。这种结构还可以测量零转速附近的转速波动值。
1.3.4 频率—电压变换器
文献〔2〕提供了一种晶体管频率—电压变换器的线路,讨论了线路的改进形式以及克服温度漂移的方法。对于图2有下列基本方程式:
变换比 V=EC1RF F为输出频率
纹波电压Vr=EC1/(C1+C2)
时间常数TP=R(C1+C2)
这种频率—电压变换器的工作原理详见文献〔3〕。
2 应用实例
由三极管积分器构成的频率—电压变换器,可以用于柴油机动态转速测量。现择其性能较完善的一种作简要介绍,主要性能指标如下:
输入信号辐值——0.3～8V;
输入信号波形——正弦波或其它正脉冲;
输入信号频率范围——300～6000Hz;
量程——±10%;
线性误差——2.2%;
灵敏度——不小于40mV/Hz;
时间常数——10ms;
适用的记录仪——笔式记录仪或光线示波器。
线路设计中必须解决的两个问题是:
2.1 交流分量
三极管积分器的输出带有交流分量,它的基波频率与输入信号频率一致,幅值与被测信号数量级相当。为消除这一交流分量而设置的滤波器将增加变换器的响应时间。
将输入信号+倍频之后再作频率—电压变换。这样变换器输出可直接与光线示波器联接使用。试验表明,输入频率在700Hz以上可以配用FC6—400型振子。如果配用高频振子或阴极射线示波器,则应增设相应的滤波器,而时间常数仍不超过允许值。倍频线路的工作频率范围应与输入信号的频率范围符合。同时必须具有良好的快速响应特性。实用线路能满足这一要求。
2.2 输入信号幅度对变换器工作的影响
试验表明,如果线路设计不当,当信号频率为750Hz时,由于信号幅度不同而引起稳定值的误差可达7Hz。此外,还存在对动态值的影响。根据计算,正弦信号电压变化10%,对应的输出动态值在1500r/min时可能产生4r/min的增量。当被测的动态调速率δ1为5%时,该误差相当于δ1值的5.3%。线路允许输入幅度在0.3～8V范围内变化,输出静态值不变。输入信号幅度达到10%的突变,在输出端观察不到相应的变化。同时不受输入信号波形变化的影响。
为了检验频率—电压变换器与记录仪连接的工况是否正常,在缺少其他标准测量装置供对照检查时,可借助模拟试验来判断,将频率发生器的输出端接入频率—电压变换器,发生器的输出频率稳定,记录到的图形应是直线。当记录灵敏度为1r/min/mm时,曲线不应出现其它干扰波形。当信号频率按已知的频率波动时,记录结果应能得到相应频率的变化,如图3所示。
为检验与传感器连接工作的状况,用一只连接于频率—电压变换器的光电传感器接收闪光灯稳定的闪光频率信号。试验结果,同样得到一稳定的直线,如图4所示。
其中图4(a)的输入频率信号取自XD—1型低频号发生器,频率400～420Hz;图4(b)的输入频率信号取自PR9117/01型闪光灯,闪光频率400～420Hz。两个记录曲线对照,证明与光电传感器配用工作正常。图5、图6是16V 240Z型柴油发电机组转速动态特性的实测结果。
图7是6135ZD型柴油发电机组转速动态特性的实测结果。
图8是油泵试验台转速动态特性的实测结果。
3 影响测量精度的因素
3.1 均分误差
转速—频率变换的线性关系,仅在平均值的意义上是符合的。在动态转速测量中,由于测速圆盘的分度不均匀、偏心或振动等其它原因,都可能产生发信点的均分误差。若每转脉冲数为60,分度误差为0.1°,当转速为1500r/min时,由于这一误差引起的转速波动为1.7%。这一误差对测量结果的影响,还取决于频率—电压变换器及记录仪的时间常数。所以,转速—频率变换器的加工和装配精度必须严格控制。
3.2 时间常数
由计算得到2100DZ型柴油发电机组的动态调速特性,按富里叶级数展开的运算,获得该调速特性的频谱分布。由计算可知,若测量装置的频率响应为20Hz,超过这一界限的谐波成分被衰减而产生的误差约2%;若频率响应为10Hz,则误差约为3%。因此,测量结果所包含的谐波分量,随着测量装置时间常数的增加而衰减。当时间常数超过某一界限,将导致误差急剧增加。所以限制测量装置的时间常数是保证测量精度的必要条件。试验表明,当时间常数从30ms增加到60ms时,幅度衰减超过30%。
3.3 测量点的选择
在机械传动系统中,当传动方式不同,其各点的角速度动态情况也各不相同。对比试验表明,经弹性联轴器传动后,转速波动值相差1倍,经齿轮传动后,由于齿侧间隙较大,转速波动值相差5.5倍。
因此,为了正确测量动态转速,传感器必须安装在被测轴本体上。在经过不同方式传动的其它位置测量,有可能产生相当大的误差。
4 结论
a.测量装置的时间常数过大,是产生动态值测量误差的主要原因之一。对一定的时间常数,由于谐波成份被衰减而引起的测量误差,取决于信号的频谱分布。就小功率柴油发电机组调速特性的测量而言,当测量装置的频率响应为50Hz时,单由这一原因引起的误差约为1%。提高测量精度必须加快测量装置的响应速度。
b.本文介绍的动态转速测量装置,时间常数为10ms,可以满足一般柴油机试验的要求。产生时间延迟的主要环节是频率—电压变换器及低频记录仪。
c.传感器安装的位置和质量是保证测量精度的重要条件,应尽可能减小传感器的分度误差、传动间隙、偏心以及振动对测量结果的不良影响。
参考文献
1. C.D.diCenzo,N.K.Sinha,B.Szabados.DigitalTechNIques Simplify Angular-Velocity Mea-surements.“Electronic Engineering”May,1972
2. W.P.O’Grady.A Linear Frequency to VoltageConvetor.“Electronic Engineering”November,1964
3. J.B.Earnshaw.The Diode Pump Integrator.“Electronic Engineeriny”,January,1956
