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某大型減速器運(yùn)行工況及其過渡過程的測(cè)試
摘 要 本文針對(duì)某大型減速器測(cè)試的要求，描述了多路溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、流量等物理量在同一個(gè)系統(tǒng)中的測(cè)試方案，它既能滿足在不同工況下的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以完成從一個(gè)工況變換到另一個(gè)工況時(shí)的過渡過程測(cè)試。目前該系統(tǒng)已投入實(shí)際的運(yùn)行中，此方案的成功實(shí)施，為同類測(cè)試需求提供了良好的借鑒作用。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集 多通道測(cè)試 頻率信號(hào) 過渡過程
一、引言
在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的測(cè)試中，除了常見的溫度、壓力信號(hào)需要測(cè)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(rùn)滑、冷卻的需要，流量參數(shù)的測(cè)試也會(huì)受到關(guān)注。這樣一來，需測(cè)試的通道數(shù)不僅增多，而且信號(hào)的種類也趨多樣化，從而使整個(gè)測(cè)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(cè)試，正是這類測(cè)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(cè)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(cè)試，后者對(duì)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的出廠實(shí)驗(yàn)是非常重要的。
二、測(cè)試方案
當(dāng)被測(cè)通道信號(hào)頻率較高時(shí)，通常用測(cè)頻法，其原理如圖1所示，圖2示出了測(cè)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(hào)2，經(jīng)過門控電路后轉(zhuǎn)化為門控信號(hào)3，該門控信號(hào)在T1時(shí)間內(nèi)開通閘門，使加在閘門輸入端的被測(cè)信號(hào)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(hào)3在T2時(shí)間內(nèi)則會(huì)關(guān)閉閘門，禁止被測(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的頻率。當(dāng)T1一定時(shí)，若被測(cè)信號(hào)fx逐漸變小，Nf 的值也會(huì)隨之減小，則采用測(cè)頻法引起的±1誤差就會(huì)越來越大，當(dāng)fx低于一定值時(shí)，±1誤差可能會(huì)大得不能容忍，這時(shí)則應(yīng)選用測(cè)周法[1]。
測(cè)周原理方框圖如圖3所示，圖4示出了測(cè)周工作波形示意圖。因待測(cè)信號(hào)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(huì)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(cè)信號(hào)頻率fx =1/Tx；因?yàn)榇郎y(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)的測(cè)量精度。
三、并行、多通道頻率信號(hào)測(cè)試的設(shè)計(jì)思想
基于上述測(cè)頻、測(cè)周原理，我們提出了一種并行、多通道頻率信號(hào)的測(cè)試方法，其設(shè)計(jì)思想為：在時(shí)間T內(nèi)，無論是測(cè)頻通道，還是測(cè)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(jiǎn)單且不失一般性，圖中只給出了兩路并行輸入的頻率信號(hào)，其中一路被測(cè)信號(hào)fXH的頻率較高，用測(cè)頻法；另一路TXL頻率較低（圖5 中TXL為被測(cè)信號(hào)二分頻后的波形，以使其占空比盡量相等），考慮用測(cè)周法。時(shí)間T為每次測(cè)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(cè)頻、測(cè)周的門控信號(hào)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(hào)的設(shè)計(jì)。
相比較而言，測(cè)頻通道門控信號(hào)的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)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(cè)點(diǎn)的時(shí)間間隔T一定時(shí)，為了提高測(cè)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(hào)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(duì)于測(cè)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(duì)測(cè)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(cè)信號(hào)二分頻后的波形，即Tx實(shí)際為被測(cè)信號(hào)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(cè)周通道的門控信號(hào)。為了保證測(cè)周通道計(jì)數(shù)的有效性，其門控信號(hào)應(yīng)滿足如下條件：即在T1時(shí)間內(nèi)，無論被測(cè)信號(hào)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(duì)某大型減速器的性能測(cè)試要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一基于ISA總線的八通道、并行頻率信號(hào)采集卡，以組成并行、多通道頻率信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)要求能進(jìn)行過渡過程測(cè)試和穩(wěn)態(tài)監(jiān)測(cè)，其測(cè)試精度要求為0.2%。其中采集卡上設(shè)計(jì)有兩路測(cè)頻通道，兩路測(cè)周通道，另有四路同時(shí)測(cè)頻、測(cè)周通道，用以分別測(cè)兩路扭矩、兩路流量及四路轉(zhuǎn)速信號(hào)。經(jīng)綜合考慮，兩路測(cè)周通道時(shí)標(biāo)脈沖TS取為250 KHz。四路轉(zhuǎn)速測(cè)周時(shí)的時(shí)標(biāo)脈沖TS取為2.5MKHz。因現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(hào)，其中轉(zhuǎn)速信號(hào)為50Hz~7.2KHz的脈沖方波，扭矩信號(hào)為5KHz~15KHz的脈沖方波。
2）、測(cè)流量選用的是：LWGY型渦輪流量傳感器，其輸出信號(hào)頻率為40Hz~450Hz。
3）、測(cè)輸出轉(zhuǎn)速選用的是：SZMB型轉(zhuǎn)速傳感器，其輸出信號(hào)頻率為50Hz~5KHz。
在進(jìn)行過渡過程測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量范圍：À、兩路測(cè)頻信號(hào)（即扭矩）的測(cè)試范圍為：4.033KHz ~ 528.6 KHz；Á、兩路測(cè)周信號(hào)（即流量）的測(cè)試范圍為：25Hz ~ 500Hz；Â、四路測(cè)頻、測(cè)周（即轉(zhuǎn)速信號(hào)）的測(cè)試范圍為：39Hz ~ 528.6 KHz。
對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)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(cè)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(cè)試時(shí)各通道的測(cè)量范圍：À、兩路測(cè)頻通道(扭矩)的測(cè)試范圍為：126Hz&nbs
p;~ 16.38KHz；Á、兩路測(cè)周通道（流量）的測(cè)試范圍為：3.9Hz ~ 500Hz；Â、四路測(cè)頻、測(cè)周通道（轉(zhuǎn)速信號(hào)）的測(cè)試范圍為：39Hz ~ 16.38KHz。
現(xiàn)在該測(cè)試系統(tǒng)已投入正常運(yùn)行，測(cè)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(hào)測(cè)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(hào)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試范圍顯著增大。雖然變M法[3]能拓寬測(cè)頻范圍，但其拓寬的僅是高頻端，因它實(shí)質(zhì)上仍只是測(cè)頻法，受測(cè)頻精度所限，故不能從根本上解決測(cè)低頻問題，而本文的設(shè)計(jì)思想是對(duì)頻率信號(hào)同時(shí)測(cè)頻、測(cè)周，頻率較高取其測(cè)頻值，頻率低時(shí)取其測(cè)周值，因而只要簡(jiǎn)單增加測(cè)頻、測(cè)周計(jì)數(shù)器長(zhǎng)度，就能向高頻、低頻端拓寬其測(cè)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(cè)，而且還能廣泛應(yīng)用于頻率變化范圍較大的過渡過程測(cè)試。
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