某型柴油機轉速測量設備改進*

(1.海軍工程大學動力工程學院　武漢　430033)

(2.海軍工程大學管理工程系　武漢　430033)

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某型柴油機轉速測量設備改進*

(1.海軍工程大學動力工程學院武漢430033)

(2.海軍工程大學管理工程系武漢430033)

摘要針對某型柴油機轉速測量裝置不能滿足柴油機啟動和停機過程中對瞬時轉速測量精度和實時性的要求問題,對轉速測量裝置進行了改進設計,并分析了關鍵技術。通過增加信號接收器和輔助轉速顯示儀,并縮短測量輸出間隔,提高了轉速測量的準確性和實時性,滿足了該型柴油機啟動和停機過程對轉速測量的要求。

關鍵詞柴油機; 轉速測量; 改進設計; 單片機

Improvement of Rotational Speed Measurement Device for A Certain Diesel Engine

PAN Xinglong1HE Guo2

(1. College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

(2. Department of Management Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn order to clear the problem that the accuracy and real-time properties of a rotational speed measurement device can’t satisfy the control requirement during start-up and closing down a certain diesel engine, the rotational speed measurement device is improved design, and the key technology is analyzed. Thanks to the aided signal receptor and auxiliary rotating speed display instrument, and cutting the measurement time period, the accuracy and real-time properties are improved. It concludes that the demand of start-up and closing down the diesel engine is satisfied by using the proposed device.

Key Wordsdiesel engine, rotational speed measurement, improved design, single chip microcomputer

Class NumberTP274

1引言

轉速是指圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數,轉速測量是工業控制和測量領域的一個重要問題,尤其對于一個轉速閉環控制系統而言,實時準確的測量是實現轉速精準控制的前提和基礎[1~2]。根據轉速測量的原理,轉速測量裝置通常可分為機械式和電子式兩類,電子式轉速測量裝置又分為模擬式和數字式兩種。其中,數字式電子轉速測量裝置一般都是通過對轉子產生的周期脈沖信號進行測量、計算,從而得到轉速值。常用的轉速測量方法有測頻法、測周法和頻率周期法[3~4]。

某型柴油機是船舶主動力裝置的原動機,該型

柴油機的轉速測量裝置主要由轉速傳感器和轉速顯示儀組成,其結構組成示意圖如圖1所示。

圖1　轉速測量裝置組成示意圖

其中,轉速傳感器是與柴油機曲軸相連的磁電式電子轉速傳感器,該磁電式傳感器有30個齒,即每轉動一圈產生30個輸出脈沖,其輸出脈沖的頻率與柴油機轉速成正比；轉速顯示儀通過一個脈沖信號接收器接收轉速傳感器產生的轉速脈沖信號,并對其進行處理和顯示。

2某型柴油機轉速測量裝置分析

2.1轉速測量的意義

轉速是柴油機最重要的控制參數,柴油機控制系統的主要功能就是對柴油機的轉速實施控制。某型柴油機監控系統是由控制繼電器、傳感繼電器、執行機構等組成的邏輯控制系統,主要用于對柴油機的工作過程實施邏輯控制,并具有相關參數越界報警和應急情況下自動停機保護功能等。監控系統中有一類壓力傳感繼電器安裝于柴油機的燃油、滑油、冷卻水等系統管路中,當相應管路內壓力達到一定值時,傳感器觸點接通,當壓力下降到某一值時,傳感器觸點斷開。而這些管路系統的壓力是由柴油機的機帶燃油泵、機帶滑油泵和機帶冷卻水泵產生的,因此是隨柴油機轉速的變化而變化的。所以,柴油機轉速—管路壓力—傳感器狀態之間具有一定的對應關系,在實際工作過程中,操作人員就是根據轉速顯示儀顯示的柴油機轉速值,判斷系統相關傳感器和執行機構的動作時機。

例如,柴油機啟動過程中,啟動空氣的斷開時機與冷卻水管路上的一個傳感器密切相關：當柴油機轉速上升到某一轉速值時,冷卻水系統壓力達到該壓力傳感器的動作設定值,則傳感器觸點閉合；柴油機監控系統隨之將供氣管路上的電磁閥關閉,停止向柴油機氣缸供氣,柴油機自行發火工作。在這個過程中,啟動空氣斷開的時機由冷卻水系統上的壓力傳感器控制,該傳感器的動作時機直接由系統的壓力決定,而系統壓力是隨柴油機轉速變化而變化的,即傳感器的動作時機實際上反映的是柴油機的轉速值。如果傳感器接通時機提前,柴油機轉速未達到自行發火轉速就停止供啟動空氣,柴油機就會啟動失敗；如果傳感器接通時機太晚,供氣時間過長,柴油機也無法正常啟動,而且還會影響系統控制邏輯,甚至產生安全隱患。這個“時機”合適與否,是由操作人員根據啟動空氣切斷時,機旁轉速顯示儀顯示的柴油機轉速值判斷的。

該型柴油機及其燃油、滑油、冷卻水系統中還有大量類似的壓力傳感器,用于對柴油機盤車、啟動、調速、停機等工作過程實施邏輯控制。其中啟動和停機過程是系統傳感器動作較為集中的階段,尤其是啟動過程時間短,系統控制邏輯復雜,柴油機轉速上升迅速,而該型柴油機的轉速顯示儀每隔2s才刷新顯示一次轉速值,對于不足10s的啟動過程來說,操作人員無法及時準確獲取這些傳感器和執行機構動作時對應的轉速值,很多時候只能根據自己的經驗進行判斷。一旦傳感器動作值不準,或相互間控制邏輯出現混亂,可能會導致系統無法正常工作,或者產生安全隱患,所以,實時準確的測量和顯示柴油機的轉速變化情況是確保系統安全可靠工作的重要保障。為此,本文從提高轉速測量精度和實時性兩方面對現有轉速測量裝置進行改進設計,以滿足柴油機啟動和停機階段對瞬時轉速實時精確測量的需求。

2.2轉速測量方法

1) 測頻法

測頻法是在一定時間間隔T(單位：s)內計數被測脈沖信號的變化次數N,則被測信號的頻率f=N/T。假設每轉產生m個脈沖,則轉速值(單位：轉/分鐘)

其二，注重課程平臺建設。應充分利用大數據與互聯網平臺，構建“形勢與政策”慕課，將習近平新時代中國特色社會主義思想融入慕課平臺，加強線上線下的聯動互動，深化對理論的認知與理解。例如，最近中國社會科學院世界經濟與政治研究所張宇燕講授的《從世界變局、大國博弈談中美經貿摩擦》，就是通過網絡這個平臺來使廣大師生及時地了解最新國際形勢的。

(1)

不論計數間隔T取何值,其脈沖計數的最大誤差為±1,因此測頻法測得的轉速誤差[5~7]

(2)

要減小測量誤差,就要增大N,所以測頻法適合測量N比較大,即轉速較高的場合。增大N的方法有兩個：一是增加測量的時間間隔T；二是增加每轉一圈產生的脈沖數m。而增加測量時間間隔T,會降低系統輸出的刷新速度,所以增加每轉產生的脈沖數m是一種有效途徑。

2) 測周法

測周法是通過測量兩個相鄰脈沖之間的時間間隔,即脈沖信號的周期,來計算轉速的一種方法[5~7]。假設每轉產生m個脈沖信號,測得兩個相鄰脈沖信號之間的時間間隔是t(單位：s),則轉速(單位：轉/分鐘)

(3)

測周法的轉速測量誤差由周期t的測量誤差決定,顯然,脈沖信號的周期越長,即t越大,同樣測量精度條件下,相對誤差越小。t越大,就意味著轉速越低,所以,測周法適于測量轉速較低的場合。

3) 頻率周期法

頻率周期法是在多個測量周期內計數脈沖數量,并據此計算轉速值,是測頻法和測周法的綜合運用。

3轉速測量裝置改進

某型柴油機轉速測量裝置采用的是測頻法,測量周期T=2s,每轉產生30個脈沖信號,為提高轉速測量的實時性,需將測量周期T縮短,測量周期縮短,意味著每個測量周期測得的脈沖數量N相應減少,根據式(2),同樣條件下,測量誤差會增大。為此,本文通過增加每轉產生的脈沖數m來提高測量精度,減小測量誤差。改進后的轉速測量裝置總體方案如圖2所示。

圖2　轉速測量裝置改進方案

如圖2所示,在原有信號接收器1的基礎上,增加信號接收器2,使二者的安裝位置相差90°相位差,即當信號接收器1與轉速傳感器齒輪盤上的某一輪齒的齒頂對正時,信號接收器2剛好在該輪齒與相鄰輪齒中間的齒槽位置。這樣,信號接收器1接收到脈沖信號的高電平,而信號接收器2接收到的是低電平。當傳感器的齒輪盤轉過1/2個輪齒后,信號接收器1與齒槽正對,接收到低電平信號,而信號接收器2與齒頂對正,接收到的是高電平信號。

經此改進后,雖然轉速傳感器每轉一圈產生的脈沖數仍為30,信號接收器2接收到的脈沖信號頻率與原有信號接收器1接收到的脈沖信號頻率也相同,但通過在機旁增設一輔助轉速顯示儀,將兩個信號接收器接收到的轉速脈沖信號送入輔助轉速顯示儀進行處理,就可提高脈沖頻率,進而提高測量精度。信號接收器1、2及疊加后的信號示意圖如圖3所示。

圖3　轉速脈沖信號示意圖

由于信號接收器1和信號接收器2安裝于同一柴油機曲軸上,而且安裝位置相差90°相位差,因此,二者接收到的是頻率相同、相位不同的脈沖信號,通過異或門進行疊加后,信號的頻率加倍,即同樣測量周期內,測得的脈沖數量N比單個信號接收器時測得的脈沖數量增加1倍,相應的測量精度提高1倍。

輔助轉速顯示儀以單片機為核心來實現[8~10],總體方案如圖4所示。

圖4　輔助轉速顯示儀總體方案

疊加后的脈沖信號經過信號輸入接口電路轉換成幅值5V,占空比50%的轉速脈沖信號,送入單片機的計數端口,單片機對采集的轉速脈沖進行計數處理,并將其換算成柴油機轉速值在LED顯示屏上進行實時顯示[11~12]。

3.2關鍵技術

該型柴油機轉速傳感器的供電是由轉速顯示儀表提供的直流電,而且傳感器與顯示儀表之間供電和脈沖信號傳遞采用共線制,即顯示儀表用兩根導線給傳感器電路供電,同時傳感器利用該供電的兩根導線向顯示儀表傳遞變化的脈沖信號。因采用兩根導線同時完成供電和脈沖信號的傳遞,為了保證供電電壓的穩定性,降低對傳感器濾波電路的要求,其波峰應盡量穩定,即用盡量短的時間傳遞脈沖信號。用示波器觀察其波形發現,波峰絕大部分都停留在供電電壓位置,其波谷非常窄,幾乎為線狀。這種兩線制傳輸方式可減少導線的數量,提高裝置的可靠性,但同時對傳感器測量電路的功耗提出非常高的要求,如果功耗太大,會影響系統供電,而如果功耗太小,信號就會很微弱,甚至無法與干擾信號區分,信號處理難度增大。因此,如何從兩線制的供電和信號傳遞電路中準確獲取轉速脈沖信號,又不影響原系統正常工作,是轉速測量裝置改進中的關鍵技術問題。

為了在不影響原系統正常工作情況下獲取可供單片機直接讀入的脈沖信號,設計了專門的轉速脈沖信號調理電路,其電路原理如圖5所示。

如圖5所示,由于轉速脈沖信號較弱,為避免轉速采集電路對轉速傳感器本身的信號產生影響,電阻網絡的輸入端采用高阻值的電阻。疊加后的脈沖信號從端口IN_1和IN_2進入轉速信號調理電路,經比較器MAX931比較和反相器74LS04的放大、整形后,變成單片機可直接讀取的標準脈沖信號從OUT端口輸出。經處理后的脈沖信號進入單片機的脈沖計數端,經單片機采集、運算處理后可得到柴油機的轉速值并在顯示屏上進行顯示。

圖5　轉速脈沖信號調理電路原理圖

3.3結果分析

改進后的轉速測量裝置,使轉速傳感器每轉一圈測得的脈沖數由30增加到60,即脈沖輸出頻率增加1倍,同樣條件下轉速測量精度精度也相應提高1倍；為提高轉速測量的實時性,在轉速輸出顯示時,根據實際觀測實驗得知,將輸出刷新頻率設置為每秒刷新2次,即可滿足操作人員現場觀測和判斷需要。

4結語

針對某型船用柴油機轉速測量裝置測量精度、實時性不能滿足柴油機工作過程中,尤其是啟動和停機過程中,對瞬時轉速測量的要求問題,提出了轉速測量裝置改進方案,并對關鍵電路進行了設計分析。通過加裝一信號接收器和輔助轉速顯示儀,增加每轉產生的脈沖數,縮短測量時間間隔,既保證了轉速測量精度,又提高了輸出顯示刷新速度,滿足了柴油機工作過程中轉速測量精度和實時性要求。

參 考 文 獻

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中圖分類號TP274

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.034

作者簡介:潘興隆,男,博士,講師，研究方向：機艙自動化。賀國，男，博士，教授，研究方向：動力裝置總體優化設計。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月24日