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转速差测量系统的设计

编辑:金沙官网        发布日期:2018-05-25        点击量:826

在电力或传送系统中,为了避免异步电机的损坏或传送皮带承载负荷过重而损坏皮带,通常要获得异步电动机或主、从传送轴的转差率,也就是要测量两个转轴的转速之差。转速差的测量方案有两种:一种是直接测量出两个转轴的转速,然后求它们的差值;另一种是利用脉冲计数进行测量。直接测量转速的原理是将两转轴的转速转换成电压信号,求两电压信号之差,这种设计运行可靠,但体积较大,测量精度较低,而且测量的是模拟量,要经A/D转换才能变成数字量输入计算机。脉冲检测的原理是将转轴的转速转换成脉冲信号,根据脉冲信号的多少可以求出转速差,这种设计能实现高性能检测,但电路较复杂。脉冲检测又有两种设计,一种是将两转轴的转速都转换成脉冲信号,另一种为只将其一转速转换成脉冲信号,另一转速根据计算设定。本文设计了一种根据测量一个转轴的转速脉冲信号而快速得到高精度的转速差的转差测量系统。

转速差测量系统的设计

测量原理

要测量两转轴的转速之差n2-n1,首先要用转速传感器将转速转换成脉冲信号,在预定的时间内根据脉冲数可以得出脉冲速率。由于只测一个转轴(转速较低的转轴)的转速,另一个转轴(转速比较高的转轴)的转速用标准的脉冲信号来模拟。用两个计数器分别对两路信号脉冲进行计数,一个计数器计转轴的脉冲数,另一计数器计标准脉冲数,当转轴脉冲数达到预先设定的值后,这个计数器发出一个复位信号,关闭两个计数器,可以得到另一计数器的计数值。

设计两个计数器的计数范围均为0~999,转轴脉冲用计数器1计数,标准脉冲(模拟另一转轴转速)通过计数器2计数,当计数器1计数值达到999后给出一个溢出脉冲,该脉冲使控制电路产生复位信号并关闭两计数器,使它们都停止计数。由于计数器2计数脉冲的频率更高,所以在计数器1计数值达到999时计数器2已经达到999且溢出又重新从0开始计数,关闭计数器时的计数值就是转速差。根据选定的计数值为1000(计数范围0~999),则可以直接用千分数得出相对转速差(n2-n1)/n1,即n2为转速差的千分数,通过小数点的设定就可以得到转速差的百分率。

 

测量电路

1、转速传感器

转速传感器的作用是将转轴的转速转换成测量信号,有感应式、电感式、霍尔元件及光电式等多种。计量器具配备率是指已有器具和所需要器具的比例。根据转差测量仪的使用环境(室外、多尘、电源不稳等),选用电感式转速传感器,这种传感器的固定部件是一个带铁芯的线圈,随着转轴的转动,线圈的磁阻将发生变化,电感变化时通过电桥电路产生电压脉冲,而且脉冲的幅值与转速无关,脉冲的频率与转速一致。

2、校验和预置电路

由于设计中采用测量一个转轴的脉冲信号,另一转轴的信号用标准脉冲来模拟,为了完成设计功能,应加校验和预置电路。一般计量管理说的计量器具包含检测设备,但是严格说起来,检测设备不一定是计量器具,真正意义的计量器具是可以溯源的,纳入计量管理的才叫计量器具。校验是通过将标准脉冲同时加到计数器1与计数器2来实现,在设计的预定时间内如果转速差为0则校验通过,电路正常。由于设计预定时间(即开门和关门脉冲周期)为1000个标准脉冲周期,所以计数器1在校验状态下应显示1000,采用三位显示时为000,为了区分是计数1000的后三位000与无计数状态的000,采用不同的触发沿去掉一个脉冲,所以预定时间内计数器1显示999。预置电路的作用有两个,一是使模拟脉冲的频率与被模拟的转轴产生脉冲频率相同,二是在预定的时间使模拟的脉冲计数为1000。由于正常情况下转轴或电机的转速是确定的,在转轴或电机上加装的转速传感器数一旦确定(可能在转轴上均匀地安装几个转速传感器),从传感器上输出脉冲的频率就可以确定,标准信号经过分(倍)频后频率可以和其完全相等。一般的电机或转轴的转速每分钟不超过一万转,在转轴上只安装一个传感器时传感器输出脉冲的频率只为几百赫兹,属于低频信号。采用1MHz的信号经过10n及12级2进制计数器CD4040分频后信号的频率就可以准确地和模拟信号频率相同。由于采用的标准信号频率比较高,分频系数又可以在很大范围改变,所以模拟信号频率变化范围很大,能适应多种电机或转轴的情况。

3、控制电路

控制电路包括两个,一个是对计数器的控制电路,另一个是对后级电路的控制。计数器的控制电路作用是使计数显示器在预定的时间变化一次,这里采用RS触发器电路,启动脉冲使RS触发器置位,Q输出高电平打开位于两计数器前的主门,当计数器1达到预定值溢出时溢出脉冲使RS触发器复位,可以得到转速差。为了使测量可以重复进行,启动脉冲要周期变化。另一个后级控制电路是用来控制后级的切闸和报警电路,当两个转轴的转速差达到一定值时,电路发出报警信号,提示工作人员转速差已经较大,要采取相应措施。如果转速差快到极限,这时发出切闸信号进行强制切闸。报警和切闸功能是由转差率与预先设定的值(实际经验得出)进行比较而产生。

 

单片机实现的测量系统

整个测量系统是由单片机、测量电路、显示电路及控制电路组成,单片机的作用主要是用来产生标准信号及完成定时、计数和运算功能。开始测量时单片机首先完成测量系统的校验功能,显示为999;然后进行测量,在设定的时间内两个计数器分别进行计数,经过运算后得到转速差,同时将转速差值与设定的报警和切闸值进行比较,如果转速差值大于设定的值,发出报警信号或切闸信号。测量系统原理图如图3所示。

在测量过程中,要用到一个定时器和两个计数器,定时器控制启动信号,用来决定多长时间产生一个转速差。由单片机输出的信号经过整形、分(倍)频后来准确模拟正常转轴或电机输出信号。由于转速差测量仪工作环境较差,对转轴产生的脉冲进入单片机前要光隔离,对电源与电网的干扰要采取一系列措施如使用隔离变压器和电抗器件。在App上采用;看门狗;(WATCHDOG)进行App抗干扰。

 

结束语

用该设计方案设计的转速差测量仪工作稳定,操作控制控制简单,造价低,已经在武汉、长沙等地区多个矿可靠运行三年以上,国内还很少同类产品。其设计思想也可进一步推广到其他工程应用领域。

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