某大型減速器運行工況及其過(guò)渡過(guò)程的測試

一、引言
在旋轉機械的測試中，除了常見(jiàn)的溫度、壓力信號需要測試外，轉速、扭矩及功率因是衡量不同工況工作的關(guān)鍵指標，也占據著(zhù)重要地位，有時(shí)為了潤滑、冷卻的需要，流量參數的測試也會(huì )受到關(guān)注。這樣一來(lái)，需測試的通道數不僅增多，而且信號的種類(lèi)也趨多樣化，從而使整個(gè)測試系統的構建亦變得復雜起來(lái)。本文介紹的某大型減速器的測試，正是這類(lèi)測試中極具代表性的一個(gè)，它除了要實(shí)現不同工況下的監測外，還要完成從一個(gè)工況過(guò)渡到另一個(gè)工況（即：過(guò)渡過(guò)程）的測試，后者對大型旋轉機械的出廠(chǎng)實(shí)驗是非常重要的。
二、測試方案
當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)生的標準時(shí)基信號2，經(jīng)過(guò)門(mén)控電路后轉化為門(mén)控信號3，該門(mén)控信號在T1時(shí)間內開(kāi)通閘門(mén)，使加在閘門(mén)輸入端的被測信號fx即1（通常整形為方波）通過(guò)閘門(mén)，得到被計數的方波4，進(jìn)而送到計數器進(jìn)行計數；門(mén)控信號3在T2時(shí)間內則會(huì )關(guān)閉閘門(mén)，禁止被測信號1通過(guò)閘門(mén)，從而禁止計數，同時(shí)機或微處理器則可利用該時(shí)間T2從計數器中取出所計的脈沖個(gè)數Nf，并作相關(guān)操作，為下一次計數做好準備；當已知時(shí)間T1及所計的脈沖個(gè)數Nf時(shí)，可由式fx=Nf/T1算得被測信號的頻率。當T1一定時(shí)，若被測信號fx逐漸變小，Nf的值也會(huì )隨之減小，則采用測頻法引起的±1誤差就會(huì )越來(lái)越大，當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(mén)控電路中用二分頻電路盡可能地將其轉換為等占空比的方波3，然后去控制閘門(mén)，當閘門(mén)開(kāi)通時(shí)，經(jīng)分頻器得到的時(shí)標脈沖1（設其周期為T(mén)s）則會(huì )通過(guò)閘門(mén)，得到波形4，并送至計數器進(jìn)行計數，如計數值為NT，則Tx=NT*Ts，從而可計算出待測信號頻率fx=1/Tx；因為待測信號頻率fx較小，故Tx較大，而時(shí)標脈沖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計思想
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，其設計思想為：在時(shí)間T內，無(wú)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數，并且將各通道計數結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，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)際允許計數的時(shí)間限，T2為CPU中斷讀取各通道計數值及進(jìn)行相關(guān)操作的時(shí)間。因測頻、測周的門(mén)控信號互不相同，為實(shí)現上述設計思想，其關(guān)鍵在于各自門(mén)控信號的設計。
相比較而言，測頻通道門(mén)控信號的設計較簡(jiǎn)單，可直接用時(shí)標波形TC來(lái)合成，使其在T1時(shí)間內開(kāi)通計數，在T2時(shí)間內引發(fā)CPU中斷，以讀取所有通道計數值，并進(jìn)行相關(guān)操作以準備下一次計數；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，應盡量增加T1時(shí)間，減少T2時(shí)間，但T2最小不能小于CPU執行中斷程序所需的時(shí)間；因時(shí)標波形TC可由標準時(shí)間脈沖Tclk經(jīng)定時(shí)/計數器8254分頻得到，所以T2正好為標準時(shí)間脈沖信號Tclk的一個(gè)時(shí)鐘周期，故調整Tclk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內也完成一次采集，必需在時(shí)標波形TC的T1時(shí)間內，對測周通道進(jìn)行一次完整而有效的計數，以便在T2時(shí)間內，計算機能讀取其計數值，并為下一時(shí)間T內的采集做好準備。因為T(mén)XL在T1時(shí)間內可能有一個(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(lái)，且Tx到來(lái)具體個(gè)數是不可預知的，所以不能直接用TXL來(lái)合成測周通道的門(mén)控信號。為了保證測周通道計數的有效性，其門(mén)控信號應滿(mǎn)足如下條件：即在T1時(shí)間內，無(wú)論被測信號TXL來(lái)了多少個(gè)Tx（但至少有一個(gè)完整的Tx），應僅僅只在一個(gè)完整的Tx時(shí)間內進(jìn)行計數。

四、舉例
根據上述思想，并針對某大型減速器的性能測試要求，我們設計了一基于ISA總線(xiàn)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，該測試系統要求能進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程測試和穩態(tài)監測，其測試精度要求為0.2%。其中采集卡上設計有兩路測頻通道，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、兩路流量及四路轉速信號。經(jīng)綜合考慮，兩路測周通道時(shí)標脈沖TS取為250KHz。四路轉速測周時(shí)的時(shí)標脈沖TS取為2.5MKHz。因現場(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）、測輸入轉速、扭矩選用的是：JN338系列轉矩傳感器，它能同時(shí)輸出轉速、扭矩信號，其中轉速信號為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）、測輸出轉速選用的是：SZMB型轉速傳感器，其輸出信號頻率為50Hz~5KHz。
在進(jìn)行過(guò)渡過(guò)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，因機讀取各通道計數值及作相關(guān)操作還需一定時(shí)間T2（圖二），若分配給T21mS(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（即計數器的計數值N不小于500），得出各通道的測量范圍：

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