轉(zhuǎn)速測(cè)量方法與轉(zhuǎn)速儀表

轉(zhuǎn)速測(cè)量方法與轉(zhuǎn)速儀表轉(zhuǎn)速測(cè)量在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都是必不可少的。本文就轉(zhuǎn)速測(cè)量方法以及實(shí)施檢測(cè)的儀表做一簡(jiǎn)單的闡述。希望給工作中需要轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表和在轉(zhuǎn)速測(cè)量或相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的人員提供一些參考意見(jiàn)。關(guān)鍵詞速度線速度角速度轉(zhuǎn)速誤差和精度采樣時(shí)間虛擬儀表主題考察轉(zhuǎn)速測(cè)量方法演變從演變的軌跡對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量有一個(gè)比較全面的了解著重介紹智能轉(zhuǎn)速表的檢測(cè)方法和實(shí)施檢測(cè)的儀表。一、轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表的分類是利1、 離心式轉(zhuǎn)速表利用離心力與拉力的平衡來(lái)指示轉(zhuǎn)速。離心式轉(zhuǎn)速表是最傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具是利用離心力原理的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表測(cè)量精度一般在 1~2級(jí)一般就地安裝。一只優(yōu)良的離心式轉(zhuǎn)速表不但有準(zhǔn)確直觀的特點(diǎn)還具備可靠耐用的優(yōu)點(diǎn)。但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 。2、 轉(zhuǎn)速表利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在金屬罩帽上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力利用旋轉(zhuǎn)力與游絲力的平衡來(lái)指示轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)速表是成功利用磁力的一個(gè)典范是利用磁力原理的機(jī)械式轉(zhuǎn)速表一般就地安裝用軟軸可以短距離異地安裝。磁性轉(zhuǎn)速表因結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單目前較普遍用于摩托車和汽車以及其它機(jī)械設(shè)備。異地安裝時(shí)軟軸易損壞。交流3、 動(dòng)式轉(zhuǎn)速表由小型交流發(fā)電機(jī)、電纜、電動(dòng)機(jī)和磁性表頭組成。小型交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電電通過(guò)電纜輸送驅(qū)動(dòng)小型交流電動(dòng)機(jī)小型交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速一致。磁性轉(zhuǎn)速表頭與小型交流電動(dòng)機(jī)同軸連接在一起磁性表頭指示的轉(zhuǎn)速自然就是被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表異地安裝非常方便抗振性能好廣泛運(yùn)用于柴油機(jī)和船舶設(shè)備。交流4、 電式轉(zhuǎn)速表磁電傳感器加電流表異地安裝非常方便。5、 閃光式轉(zhuǎn)速表利用視覺(jué)暫留的原理。閃光式轉(zhuǎn)速表除了檢測(cè)轉(zhuǎn)速往復(fù)速度外還可以觀測(cè)循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)物體的靜像對(duì)了解機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)是一必不可少的觀測(cè)工具。6、電子式轉(zhuǎn)速表電子技術(shù)的不斷進(jìn)步使這一類轉(zhuǎn)速表有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。上述6種轉(zhuǎn)速表具有各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和原理既代表著不同時(shí)期的技術(shù)發(fā)展水平也體現(xiàn)人類認(rèn)識(shí)自然的階段性發(fā)展過(guò)程。時(shí)代在不斷前進(jìn)有些東西將會(huì)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(zhuǎn)速表是機(jī)械力學(xué)的成果2、 磁性式轉(zhuǎn)速表是運(yùn)用磁力和機(jī)械力的一個(gè)典范3、 電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表巧妙運(yùn)用微型發(fā)電機(jī)和微型電動(dòng)機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)異地拷貝4、 磁電式轉(zhuǎn)速表電流表頭和傳感器都是電磁學(xué)的普及運(yùn)用5、 閃光式轉(zhuǎn)速表人類認(rèn)識(shí)自然的同時(shí)也認(rèn)識(shí)了自我體現(xiàn)了人類的靈性6、 電子式轉(zhuǎn)速表電子技術(shù)的千變?nèi)f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(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表。二、電子式轉(zhuǎn)速表電子式轉(zhuǎn)速表是一個(gè)比較籠統(tǒng)的概念以現(xiàn)代電子技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具。它一般有傳感器和顯示器有的還有信號(hào)輸出和控制。因?yàn)閭鞲衅骱惋@示器件方面的多種多樣還有測(cè)量方法的多樣性很難像前5種一樣來(lái)歸類。本文將電子類轉(zhuǎn)速表從傳感器和二次儀表分開(kāi)來(lái)分類。如果從安裝使用方式上來(lái)分還有就地安裝式、臺(tái)式、柜裝式和便攜式以及手持式 。本文對(duì)此不做詳述。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器從原理或器件上來(lái)分有磁電感應(yīng)式、光電效應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、磁阻效應(yīng)式、介質(zhì)位移傳感電磁感應(yīng)式等。另外還有間接測(cè)量轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器如加速度傳感器通過(guò)積分運(yùn)算間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速位移傳感器通過(guò)微分運(yùn)算間接導(dǎo)出轉(zhuǎn)速等等。測(cè)速發(fā)電機(jī)和某些磁電傳感器在線性區(qū)域可以直接通過(guò)交流有效值轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速大多數(shù)都輸出脈沖信號(hào)近似正弦波或矩形波。針對(duì)脈沖信號(hào)測(cè)轉(zhuǎn)速的方法有頻率積分法也就是F/V轉(zhuǎn)換法其直接結(jié)果是電壓或電流和頻率運(yùn)算法其直接結(jié)果是數(shù)字。轉(zhuǎn)速顯示儀顯示儀從指示形式來(lái)分有指針式、數(shù)字式、圖形及其混合式和虛擬儀表等1、指針式?動(dòng)圈式線圈、游絲指針聯(lián)于一旋轉(zhuǎn)軸上給線圈輸入電流線圈感應(yīng)出磁力且互成正比磁力與游絲的扭力平衡扭力與指針轉(zhuǎn)角成正比指針的角度也就反映出輸入電流的大小?動(dòng)磁式正交線圈中電流的變化導(dǎo)致合成磁場(chǎng)方向的變化而指針附著在單對(duì)極的永磁體上指針?lè)从畴娏鞯淖兓?電動(dòng)式雙向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)帶動(dòng)電位器的旋轉(zhuǎn)電位器的取樣值與輸入信號(hào)電壓比較決定雙向旋轉(zhuǎn)馬達(dá)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止與電位器聯(lián)動(dòng)的指針正確反映輸入信號(hào)的大小。上述三式指針類表頭中電動(dòng)式表頭屬于電子類動(dòng)磁式表頭和動(dòng)圈式表頭本身不屬于電子類當(dāng)與表頭配套的傳感器或表頭驅(qū)動(dòng)需要供電電源時(shí)且依賴現(xiàn)代電子技術(shù)時(shí)這里就把它歸為電子類 。2、 數(shù)字式、圖形及其混合式主要是從器件來(lái)區(qū)分有數(shù)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(shù)是一門專門的技術(shù)本文會(huì)涉及一些顯示技術(shù)但不做展開(kāi)闡述。3、 虛擬轉(zhuǎn)速表隨著計(jì)算機(jī)的普及利用計(jì)算機(jī)做顯示和操作平臺(tái)的虛擬儀表也越來(lái)越被廣泛運(yùn)用目前主流的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是NI公司的LabVIEW。有關(guān)開(kāi)發(fā)運(yùn)用技術(shù)可以瀏覽 NI公司的網(wǎng)站。三、轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法?F/V轉(zhuǎn)換電子類轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x表由轉(zhuǎn)速傳感器和表頭顯示器組成。目前常用的轉(zhuǎn)速傳感器大多輸出脈沖信號(hào)只要通過(guò)頻率電流轉(zhuǎn)換就能與電壓電流輸入型的指針表和數(shù)字表匹配或直接送 PLC頻率電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速表中也有運(yùn)用。專用集成電路大都數(shù)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(zhuǎn)換精度在0.1%以上但在低頻時(shí)這種轉(zhuǎn)換就無(wú)能為力。采用單片機(jī)或 FPGA做F/D和D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換精度在0.5~0.05%之間量程從0~2Hz到0~20KHz頻率低于10Hz時(shí)反映時(shí)間也變長(zhǎng)。關(guān)于F/V轉(zhuǎn)換請(qǐng)參考相應(yīng)芯片介紹和應(yīng)用資料本文不做贅述。?頻率運(yùn)算在顯示精度、可靠性、成本和使用靈活性上有一定要求時(shí)就可直接采用脈沖頻率運(yùn)算型轉(zhuǎn)速表。頻率運(yùn)算方法有定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)頻法、定數(shù)計(jì)時(shí)法測(cè)周法和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)頻法在測(cè)量上有土 1的誤差低速時(shí)誤差較大定數(shù)計(jì)時(shí)法測(cè)周法也有土 1個(gè)時(shí)間單位的誤差在高速時(shí)誤差也很大。同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)在整個(gè)測(cè)量范圍都達(dá)到了很高的精度萬(wàn)分之五以上的測(cè)量轉(zhuǎn)速儀表基本都是這種方法。下面以 XJP-10B為例介紹定時(shí)計(jì)數(shù)法測(cè)頻法、定數(shù)計(jì)時(shí)法測(cè)周法和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。早期的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀采用CMOS數(shù)字集成電路。其原理可用如下三個(gè)框圖表示框圖一測(cè)頻原理框圖一告訴我們被測(cè)信號(hào)通過(guò)放大整形進(jìn)入加法計(jì)數(shù)器晶體振蕩器的頻率信號(hào)通過(guò)分頻產(chǎn)生秒 或分鐘信號(hào)在計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器的 BCD碼送入寄存器通過(guò)譯碼驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示一秒或分鐘內(nèi)的計(jì)數(shù)值直到下一次寄存脈沖的到來(lái)緊接著清零進(jìn)行下一輪計(jì)數(shù)、寄存譯碼顯示如此不間斷測(cè)頻。如果我們考察一下這些信號(hào)的時(shí)序 不難發(fā)覺(jué)這種定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)量方法的缺陷是被計(jì)數(shù)脈沖有多一或少一的誤差。如果被測(cè)頻率為 10000Hz,多一或少一的誤差相對(duì)來(lái)講只不過(guò)萬(wàn)分之一如果被測(cè)頻率為2Hz,多一或少一的誤差相對(duì)來(lái)講就達(dá)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(diǎn)把一秒變成一分鐘誤差就變小了。低頻時(shí)如不延長(zhǎng)采樣時(shí)間要提高精度就要采用測(cè)周的方法框圖二正是說(shuō)明這種方法?？驁D二測(cè)周原理將框圖二與框圖一進(jìn)行比較我們不難發(fā)覺(jué)上述二者的差別在于晶體振蕩器與被測(cè)信號(hào)的位置作了互換象是代數(shù)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(shù)細(xì)心的讀者可以體會(huì)到 學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系無(wú)處不在。測(cè)周的誤差與測(cè)頻相似是多一個(gè)或少一個(gè)晶體振蕩器脈沖也就是多一個(gè)或少一個(gè)時(shí)基脈沖晶體振蕩器脈沖頻率準(zhǔn)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(cè)頻率越高誤差越大 因此測(cè)量高頻時(shí)對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻確實(shí)是提高測(cè)周精度的好方法。在周期過(guò)長(zhǎng)時(shí)還可通過(guò)計(jì)數(shù)器借助計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。下面的框圖表示了計(jì)數(shù)器的工作原理?？驁D三計(jì)數(shù)器原理現(xiàn)在我們可以看出 XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀在CMOS數(shù)字集成電路的條件下已是一款十分完備的轉(zhuǎn)速測(cè)量工具這臺(tái)儀器的設(shè)計(jì)者是田同裕先生與之同期的類似產(chǎn)品還有 XJP-02A轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀設(shè)計(jì)者童敏杰先生改進(jìn)者姓名略。早期的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀在今天看來(lái)有哪些不足呢周期和頻率都不能等同轉(zhuǎn)速頻率與轉(zhuǎn)速存在倍數(shù)關(guān)系通過(guò)時(shí)基頻率的分頻采樣時(shí)間的倍乘基本滿足了大都數(shù)用戶的需要測(cè)周則需要用戶自己換算成轉(zhuǎn)速。在今天的電子技術(shù)條件下解決這些問(wèn)題用單片機(jī)或 FPGA都比較方便。那么今天的設(shè)計(jì)者怎樣設(shè)計(jì)新的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀呢下面仍然以 XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀為例介紹同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法。?同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法是隨著單片機(jī)的普及而得到普及運(yùn)用。同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法是怎樣綜合前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)的呢我們還是用時(shí)序來(lái)分析。定時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)序時(shí)序圖一 時(shí)序圖二時(shí)序圖一計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖不同步時(shí)序圖二計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖同步。但不管計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)脈沖同步與否都有多一少一的誤差。同理定數(shù)計(jì)時(shí)也有多一少一的誤差。同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)時(shí)序圖當(dāng)定時(shí)器與被測(cè)脈沖同步計(jì)數(shù)時(shí)為避免被測(cè)脈沖計(jì)數(shù)多一少一的誤差將定時(shí)作延時(shí)調(diào)整等待被測(cè)脈沖計(jì)數(shù)完整與此同時(shí)取時(shí)間基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)值。這樣脈沖計(jì)數(shù) N為零誤差時(shí)間基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù) T有多一少一的誤差。當(dāng)時(shí)間基準(zhǔn)脈沖源晶振誤差小于十萬(wàn)分之一時(shí)誤差源主要是時(shí)間基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)多一少一引起。頻率f=N/T假定定時(shí)為1秒時(shí)間基準(zhǔn)脈沖周期為 100^S,T=10000+ATf=N/(10000+ AT),誤差A(yù)f/f=[N/(10000+ AT)-2(10000+ AT±1)]/[N/(10000+AT)]=1-(10000+ AT±1)/(10000+AT)=±1/(10000+AT)可見(jiàn)誤差小于萬(wàn)分之一隨著晶振頻率的提高誤差減小。當(dāng)采用單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)和運(yùn)算時(shí)還有中斷不及時(shí)引起的誤差。關(guān)于誤差的分析本文不再做深入探討。頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系f=P*v/60f表示頻率P表示每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù) v表示轉(zhuǎn)速亦即每分鐘旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。T=1/f新的XJP-10B轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀由于采用了單片機(jī) 技術(shù)和同步計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)法使得測(cè)頻、測(cè)速、測(cè)周、計(jì)數(shù)變得精確而且非常簡(jiǎn)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(shù)可任意設(shè)置使得儀表與傳感器配套不受輸出脈沖數(shù)的限制。并且該儀表還有擴(kuò)展的 RS232接口能與配套的虛擬儀表動(dòng)態(tài)顯示頻率、轉(zhuǎn)速速度、和計(jì)數(shù)值。四、結(jié)束語(yǔ)轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化品種多樣化與系列化進(jìn)一步要向人性化發(fā)展。隨著電子技術(shù)發(fā)展單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)?？删幊虜?shù)字邏輯電路的普及為轉(zhuǎn)速儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。智能芯片的運(yùn)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(lái)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(gè)性化的特點(diǎn)。目前智能化轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀表有通用的 SQY01T系列轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀SZC系列電站用轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示ZS-1雙路轉(zhuǎn)速表、以及顯示差速、儀SKY系列透平膨脹機(jī)智能數(shù)字顯示儀以及各種多功能轉(zhuǎn)速儀表如

速比的ZS-2轉(zhuǎn)速表帶方向顯示的SQYC轉(zhuǎn)速表可遠(yuǎn)傳的CS-1ZS-1雙路轉(zhuǎn)速表、以及顯示差速、智能儀表要向人性化發(fā)展。儀表在滿足使用的同時(shí)也要為使用儀表的人帶來(lái)使用上的方便和舒適。把這種理念不斷融入設(shè)計(jì)和產(chǎn)品造就成功的儀表。 本文以此為結(jié)束語(yǔ)期與儀表人共勉。附錄一、常用傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速表類別型號(hào)離心式轉(zhuǎn)速表LZ-30/45/60/807磁性轉(zhuǎn)速表CZ-20/800電動(dòng)轉(zhuǎn)速表DZ-2磁電轉(zhuǎn)速表SZM-4閃光測(cè)速儀SZS-101手持電子轉(zhuǎn)速表SZG-441,DT-2263,HT-3100/4100附錄二、常用轉(zhuǎn)速傳感器類別型號(hào)特點(diǎn)磁電傳感器SM-10/12/14/16,T-03,SZMB-5/9非接觸式測(cè)量正弦波輸岀中高速測(cè)量感應(yīng)距離 1mm左右SZMB-01膨脹機(jī)專用磁敏傳感器SMS-12/16非接觸式測(cè)量矩形波輸岀全速速測(cè)量感應(yīng)距離 1mm左右霍爾傳感器HK-10/12/14/16非接觸式測(cè)量矩形波輸岀感應(yīng)距離 3~5mm左右光電傳感器SZGB-4彈性聯(lián)接接觸式測(cè)量方波輸岀SGD-18非接觸式測(cè)量矩形波輸出感應(yīng)距離 10?100mm左右WO系列非接觸式測(cè)量矩形波輸岀規(guī)格齊全SZGB-20彈性聯(lián)接接觸式測(cè)量方波輸岀光電編碼器SGDBM彈性聯(lián)接接觸式測(cè)量方波輸岀附錄三、常用頻率電流轉(zhuǎn)換器類別型號(hào)特點(diǎn)頻率電流轉(zhuǎn)換器PZ-1量程訂貨時(shí)約定導(dǎo)軌式安裝智能頻率電流轉(zhuǎn)換器SQY01TPZ量程面板設(shè)置并有數(shù)字顯示 160X80標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱SQY01PZ量程可由計(jì)算機(jī)設(shè)置導(dǎo)軌式安裝附錄四、常用轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀類別型號(hào)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀XJP-