- 相關(guān)推薦
大型減速器運(yùn)行工況及其過渡過程的測試
一、引言
在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的測試中，除了常見的溫度、壓力信號需要測試外，轉(zhuǎn)速、扭矩及功率因是衡量不同工況工作的關(guān)鍵指標(biāo)，也占據(jù)著重要地位，有時(shí)為了潤滑、冷卻的需要，流量參數(shù)的測試也會受到關(guān)注。這樣一來，需測試的通道數(shù)不僅增多，而且信號的種類也趨多樣化，從而使整個(gè)測試系統(tǒng)的構(gòu)建亦變得復(fù)雜起來。本文介紹的某大型減速器的測試，正是這類測試中極具代表性的一個(gè)，它除了要實(shí)現(xiàn)不同工況下的監(jiān)測外，還要完成從一個(gè)工況過渡到另一個(gè)工況(即：過渡過程)的測試，后者對大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的出廠實(shí)驗(yàn)是非常重要的。
二、測試方案
當(dāng)被測通道信號頻率較高時(shí)，通常用測頻法，其原理如圖1所示，圖2示出了測頻工作波形。圖1中時(shí)基電路產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號2，經(jīng)過門控電路后轉(zhuǎn)化為門控信號3，該門控信號在T1時(shí)間內(nèi)開通閘門，使加在閘門輸入端的被測信號fx 即1(通常整形為方波)通過閘門，得到被計(jì)數(shù)的方波4，進(jìn)而送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù);門控信號3在T2時(shí)間內(nèi)則會關(guān)閉閘門，禁止被測信號1通過閘門，從而禁止計(jì)數(shù)，同時(shí)計(jì)算機(jī)或微處理器則可利用該時(shí)間T2從計(jì)數(shù)器中取出所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)Nf，并作相關(guān)操作，為下一次計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備;當(dāng)已知時(shí)間T1及所計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)Nf時(shí)，可由式fx = Nf/T1算得被測信號的頻率。當(dāng)T1一定時(shí)，若被測信號fx逐漸變小，Nf 的值也會隨之減小，則采用測頻法引起的±1誤差就會越來越大，當(dāng)fx低于一定值時(shí)，±1誤差可能會大得不能容忍，這時(shí)則應(yīng)選用測周法[1]。
測周原理方框圖如圖3所示，圖4示出了測周工作波形示意圖。因待測信號Tx(即波形2)的占空比不一定相等，故在門控電路中用二分頻電路盡可能地將其轉(zhuǎn)換為等占空比的方波3，然后去控制閘門，當(dāng)閘門開通時(shí)，經(jīng)分頻器得到的時(shí)標(biāo)脈沖1(設(shè)其周期為Ts)則會通過閘門，得到波形4，并送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，如計(jì)數(shù)值為NT，則Tx = NT * Ts ，從而可計(jì)算出待測信號頻率fx =1/Tx;因?yàn)榇郎y信號頻率fx較小，故Tx較大，而時(shí)標(biāo)脈沖1的頻率可以很高，所以NT 的值可以很大，即可使±1誤差減小，這樣就提高了待測信號的測量精度。
三、并行、多通道頻率信號測試的設(shè)計(jì)思想
基于上述測頻、測周原理，我們提出了一種并行、多通道頻率信號的測試方法，其設(shè)計(jì)思想為：在時(shí)間T內(nèi)，無論是測頻通道，還是測周通道，均要進(jìn)行一次完整而有效的計(jì)數(shù)，并且將各通道計(jì)數(shù)結(jié)果用中斷的方式快速地取出。其工作波形如圖5所示，為了討論簡單且不失一般性，圖中只給出了兩路并行輸入的頻率信號，其中一路被測信號fXH的頻率較高，用測頻法;另一路TXL頻率較低(圖5 中TXL為被測信號二分頻后的波形，以使其占空比盡量相等)，考慮用測周法。時(shí)間T為每次測點(diǎn)的間隔，它決定了采樣率，T1為實(shí)際允許計(jì)數(shù)的時(shí)間限，T2為CPU中斷讀取各通道計(jì)數(shù)值及進(jìn)行相關(guān)操作的時(shí)間。因測頻、測周的門控信號互不相同，為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想，其關(guān)鍵在于各自門控信號的設(shè)計(jì)。
相比較而言，測頻通道門控信號的設(shè)計(jì)較簡單，可直接用時(shí)標(biāo)波形TC來合成，使其在T1時(shí)間內(nèi)開通計(jì)數(shù)，在T2時(shí)間內(nèi)引發(fā)CPU中斷，以讀取所有通道計(jì)數(shù)值，并進(jìn)行相關(guān)操作以準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù);很顯然，若采樣率一定，即測點(diǎn)的時(shí)間間隔T一定時(shí)，為了提高測頻精度，應(yīng)盡量增加T1時(shí)間，減少T2時(shí)間，但T2最小不能小于CPU執(zhí)行中斷程序所需的時(shí)間;因時(shí)標(biāo)波形TC可由標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖Tclk經(jīng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254分頻得到，所以T2正好為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間脈沖信號Tcl k的一個(gè)時(shí)鐘周期，故調(diào)整Tcl k的頻率，即可改變T2的值。
對于測周通道，要在每次間隔時(shí)間T內(nèi)也完成一次采集，必需在時(shí)標(biāo)波形TC的T1時(shí)間內(nèi)，對測周通道進(jìn)行一次完整而有效的計(jì)數(shù)，以便在T2時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)能讀取其計(jì)數(shù)值，并為下一時(shí)間T內(nèi)的采集做好準(zhǔn)備。因?yàn)門XL在T1時(shí)間內(nèi)可能有一個(gè)或多個(gè)完整的Tx(TXL為被測信號二分頻后的波形，即Tx實(shí)際為被測信號的周期)到來，且Tx到來具體個(gè)數(shù)是不可預(yù)知的，所以不能直接用TXL來合成測周通道的門控信號。為了保證測周通道計(jì)數(shù)的有效性，其門控信號應(yīng)滿足如下條件：即在T1時(shí)間內(nèi)，無論被測信號TXL來了多少個(gè)Tx(但至少有一個(gè)完整的Tx)，應(yīng)僅僅只在一個(gè)完整的Tx時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
四、應(yīng)用舉例
根據(jù)上述思想，并針對某大型減速器的性能測試要求，我們設(shè)計(jì)了一基于ISA總線的八通道、并行頻率信號采集卡，以組成并行、多通道頻率信號測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)要求能進(jìn)行過渡過程測試和穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，其測試精度要求為0.2%。其中采集卡上設(shè)計(jì)有兩路測頻通道，兩路測周通道，另有四路同時(shí)測頻、測周通道，用以分別測兩路扭矩、兩路流量及四路轉(zhuǎn)速信號。經(jīng)綜合考慮，兩路測周通道時(shí)標(biāo)脈沖TS取為250 KHz。四路轉(zhuǎn)速測周時(shí)的時(shí)標(biāo)脈沖TS取為2.5MKHz。因現(xiàn)場條件惡劣，干擾大，所用傳感器均為頻率輸出型傳感器，其分別為：
1)、測輸入轉(zhuǎn)速、扭矩選用的是：JN338系列轉(zhuǎn)矩傳感器，它能同時(shí)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩信號，其中轉(zhuǎn)速信號為50Hz~7.2KHz的脈沖方波，扭矩信號為5KHz~15KHz的脈沖方波。
2)、測流量選用的是：LWGY型渦輪流量傳感器，其輸出信號頻率為40Hz~450Hz。
3)、測輸出轉(zhuǎn)速選用的是：SZMB型轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號頻率為50Hz~5KHz。
在進(jìn)行過渡過程測試時(shí)，其采樣率要求每秒8點(diǎn)，即要求采樣間隔T為0.125S，因計(jì)算機(jī)讀取各通道計(jì)數(shù)值及作相關(guān)操作還需一定時(shí)間T2 (參考圖二)，若分配給T2 1mS(實(shí)際測得只需約70μS)的時(shí)間，則T1只有0.124S，為此我們可以在保證其測量精度0.2%的前提下(即計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值N不小于500)，得出各通道的測量范圍：À、兩路測頻信號(即扭矩)的測試范圍為：4.033KHz ~ 528.6 KHz;Á、兩路測周信號(即流量)的測試范圍為：25Hz ~ 500Hz;Â、四路測頻、測周(即轉(zhuǎn)速信號)的測試范圍為：39Hz ~ 528.6 KHz。
對于穩(wěn)態(tài)測試而言，要求每5分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，為此我們實(shí)際采樣率設(shè)為每4秒測一點(diǎn)，這樣在5分鐘內(nèi)可采樣75點(diǎn)，然后取其平均值作為一次記錄數(shù)據(jù)。此時(shí)，T為4S，T2仍取1mS，則T1為3.999S，同理可計(jì)算出穩(wěn)態(tài)測試時(shí)各通道的測量范圍：À、兩路測頻通道(扭矩)的測試范圍為：126Hz ~ 16.38KHz;Á、兩路測周通道(流量)的測試范圍為：3.9Hz ~ 500Hz;Â、四路測頻、測周通道(轉(zhuǎn)速信號)的測試范圍為：39Hz ~ 16.38KHz。
現(xiàn)在該測試系統(tǒng)已投入正常運(yùn)行，測試精度完全達(dá)到了預(yù)期的要求。
五、結(jié)語
本文所介紹的并行、多通道頻率信號測試方法，明顯具以下優(yōu)點(diǎn)：
1、不僅能進(jìn)行并行、多通道頻率信號測試，且僅只占用一個(gè)系統(tǒng)中斷資源。文獻(xiàn)[2]為了實(shí)現(xiàn)雙通道的測試，每通道就占用了一個(gè)中斷，這在通道數(shù)少的情況下是可行的，如果通道數(shù)較多，由于系統(tǒng)可用中斷資源有限，這顯然是行不通的。此外，因本文設(shè)計(jì)的多通道采樣是由硬件電路通過時(shí)標(biāo)Tc統(tǒng)一來控制(見圖5)的，在時(shí)間上為等間隔采樣，所以可不用作任何數(shù)學(xué)處理，即可將多通道的測試數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在一個(gè)時(shí)域窗內(nèi)，以便于分析、比較各通之間的相互關(guān)系。
2、測試范圍顯著增大。雖然變M法[3]能拓寬測頻范圍，但其拓寬的僅是高頻端，因它實(shí)質(zhì)上仍只是測頻法，受測頻精度所限，故不能從根本上解決測低頻問題，而本文的設(shè)計(jì)思想是對頻率信號同時(shí)測頻、測周，頻率較高取其測頻值，頻率低時(shí)取其測周值，因而只要簡單增加測頻、測周計(jì)數(shù)器長度，就能向高頻、低頻端拓寬其測量范圍，所以不僅適合于實(shí)時(shí)大范圍的穩(wěn)態(tài)監(jiān)測，而且還能廣泛應(yīng)用于頻率變化范圍較大的過渡過程測試。
【大型減速器運(yùn)行工況及其過渡過程的測試】相關(guān)文章：
探析社會運(yùn)行機(jī)制的優(yōu)化及其途徑12-05
論社會運(yùn)行機(jī)制的優(yōu)化及其途徑03-21
虛擬企業(yè)的特點(diǎn)及其運(yùn)行模式研究03-24