某大型減速器運行工況及其過渡過程的測試
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摘 要 本文針對某大型減速器測試的要求，描述了多路溫度、壓力、轉速、扭矩、liuliangdengwuliliangzaitongyigexitongzhongdeceshifangan，tajinengmanzuzaibutonggongkuangxiadejiance，tongshiyekeyiwanchengcongyigegongkuangbianhuandaolingyigegongkuangshideguoduguochengceshi。muqiangaixitongyitourushijideyunxingzhong，cifangandechenggongshishi，weitongleiceshixuqiutigonglelianghaodejiejianzuoyong。

關鍵詞 數據采集 多通道測試 頻率信號 過渡過程
一、引言
在旋轉機械的測試中
，除了常見的溫度、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鍵指標
，也占據著重要地位，有時為了潤滑、冷(leng)卻(que)的(de)需(xu)要(yao)，流(liu)量(liang)參(can)數(shu)的(de)測(ce)試(shi)也(ye)會(hui)受(shou)到(dao)關(guan)注(zhu)。這(zhe)樣(yang)一(yi)來(lai)
，需(xu)測(ce)試(shi)的(de)通(tong)道(dao)數(shu)不(bu)僅(jin)增(zeng)多(duo)，而(er)且(qie)信(xin)號(hao)的(de)種(zhong)類(lei)也(ye)趨(qu)多(duo)樣(yang)化(hua)

，從(cong)而(er)使(shi)整(zheng)個(ge)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)構(gou)建(jian)亦(yi)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)起(qi)來(lai)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)的(de)某(mou)大(da)型(xing)減(jian)速(su)器(qi)的(de)測(ce)試(shi)
，正(zheng)是(shi)這(zhe)類(lei)測(ce)試(shi)中(zhong)極(ji)具(ju)代(dai)表(biao)性(xing)的(de)一(yi)個(ge)
，它(ta)除(chu)了(le)要(yao)實(shi)現(xian)不(bu)同(tong)工(gong)況(kuang)下(xia)的(de)監(jian)測(ce)外(wai)，還(hai)要(yao)完(wan)成(cheng)從(cong)一(yi)個(ge)工(gong)況(kuang)過(guo)渡(du)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)工(gong)況(kuang)（即：過渡過程）的測試
，後者對大型旋轉機械的出廠實驗是非常重要的。

二、測試方案
當被測通道信號頻率較高時，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中時基電路產生的標準時基信號2
，經過門控電路後轉化為門控信號3

，該門控信號在T1時間內開通閘門
，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
，得到被計數的方波4，進而送到計數器進行計數；門控信號3在T2時間內則會關閉閘門，禁止被測信號1通過閘門，從而禁止計數，同時計算機或微處理器則可利用該時間T2從計數器中取出所計的脈衝個數Nf
，並作相關操作，為下一次計數做好準備；當已知時間T1及所計的脈衝個數Nf時，可由式fx = Nf/T1算得被測信號的頻率。當T1一定時
，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fx低於一定值時，±1誤差可能會大得不能容忍，這時則應選用測周法[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，然後去控製閘門，當閘門開通時
，經分頻器得到的時標脈衝1（設其周期為Ts）則會通過閘門，得到波形4，並送至計數器進行計數
，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，而時標脈衝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、並行、多通道頻率信號測試的設計思想
基於上述測頻、測周原理，我們提出了一種並行、多通道頻率信號的測試方法，其設計思想為：在時間Tnei
，wulunshicepintongdao，haishicezhoutongdao，junyaojinxingyiciwanzhengeryouxiaodejishu
，bingqiejianggetongdaojishujieguoyongzhongduandefangshikuaisudiquchu。qigongzuoboxingrutu5所示，為了討論簡單且不失一般性
，圖中隻給出了兩路並行輸入的頻率信號，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為被測信號二分頻後的波形，以使其占空比盡量相等），考慮用測周法。時間T為每次測點的間隔，它決定了采樣率，T1為實際允許計數的時間限
，T2為CPU中斷讀取各通道計數值及進行相關操作的時間。因測頻、測周的門控信號互不相同


，為實現上述設計思想，其關鍵在於各自門控信號的設計。
相比較而言，測頻通道門控信號的設計較簡單，可直接用時標波形TC來合成
，使其在T1時間內開通計數，在T2時間內引發CPU中斷

，以讀取所有通道計數值，並進行相關操作以準備下一次計數

；很顯然

，若采樣率一定
，即測點的時間間隔T一定時
，為了提高測頻精度，應盡量增加T1時間
，減少T2時間，但T2最小不能小於CPU執行中斷程序所需的時間；因時標波形TC可由標準時間脈衝Tclk經定時/計數器8254分頻得到，所以T2正好為標準時間脈衝信號Tcl k的一個時鍾周期，故調整Tcl k的頻率
，即可改變T2的值。
對於測周通道，要在每次間隔時間T內也完成一次采集，必需在時標波形TC的T1時間內，對測周通道進行一次完整而有效的計數，以便在T2時間內，計算機能讀取其計數值，並為下一時間T內的采集做好準備。因為TXL在T1時間內可能有一個或多個完整的Tx（TXL為被測信號二分頻後的波形
，即Tx實際為被測信號的周期）到來，且Tx到來具體個數是不可預知的，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數的有效性
，其門控信號應滿足如下條件：即在T1時間內
，無論被測信號TXL來了多少個Tx（但至少有一個完整的Tx），應僅僅隻在一個完整的Tx時間內進行計數。

四、應用舉例
根據上述思想，並針對某大型減速器的性能測試要求，我們設計了一基於ISA總線的八通道
、並行頻率信號采集卡，以組成並行
、多通道頻率信號測試係統
，該測試係統要求能進行過渡過程測試和穩態監測，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。經綜合考慮
，兩路測周通道時標脈衝TS取為250 KHz。四路轉速測周時的時標脈衝TS取為2.5MKHz。因現場條件惡劣，幹擾大
，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係列轉矩傳感器
，它能同時輸出轉速
、扭矩信號，其中轉速信號為50Hz~7.2KHz的脈衝方波，扭矩信號為5KHz~15KHz的脈衝方波。
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。
在進行過渡過程測試時，其采樣率要求每秒8點
，即要求采樣間隔T為0.125S，因計算機讀取各通道計數值及作相關操作還需一定時間T2 （參考圖二）
，若分配給T2 1mS(實際測得隻需約70μS)的時間，則T1隻有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不小於500），得出各通道的測量範圍：À、兩路測頻信號（即扭矩）的測試範圍為：4.033KHz ~ 528.6 KHz；Á、兩路測周信號（即流量）的測試範圍為：25Hz ~ 500Hz；Â

、四路測頻

、測周（即轉速信號）的測試範圍為：39Hz ~ 528.6 KHz。
對於穩態測試而言
，要求每5分鍾記錄一次數據
，為此我們實際采樣率設為每4秒測一點
，這樣在5分鍾內可采樣75點
，然後取其平均值作為一次記錄數據。此時
，T為4S
，T2仍取1mS，則T1為3.999S，同理可計算出穩態測試時各通道的測量範圍：À、兩路測頻通道(扭矩)的測試範圍為：126Hz ~ 16.38KHz
；Á
、兩路測周通道（流量）的測試範圍為：3.9Hz ~ 500Hz；Â、四路測頻、測周通道（轉速信號）的測試範圍為：39Hz ~ 16.38KHz。
現在該測試係統已投入正常運行，測試精度完全達到了預期的要求。
五、結語
本文所介紹的並行、多通道頻率信號測試方法，明顯具以下優點：
1

、不僅能進行並行、多通道頻率信號測試
，且僅隻占用一個係統中斷資源。文獻[2]為wei了le實shi現xian雙shuang通tong道dao的de測ce試shi，每mei通tong道dao就jiu占zhan用yong了le一yi個ge中zhong斷duan
，這zhe在zai通tong道dao數shu少shao的de情qing況kuang下xia是shi可ke行xing的de，如ru果guo通tong道dao數shu較jiao多duo，由you於yu係xi統tong可ke用yong中zhong斷duan資zi源yuan有you限xian
，這zhe顯xian然ran是shi行xing不bu通tong的de。此ci外wai，因yin本ben文wen設she計ji的de多duo通tong道dao采cai樣yang是shi由you硬ying件jian電dian路lu通tong過guo時shi標biaoTc統一來控製（見圖5）的
，在時間上為等間隔采樣，所以可不用作任何數學處理
，即可將多通道的測試數據同時顯示在一個時域窗內
，以便於分析、比較各通之間的相互關係。
2、測試範圍顯著增大。雖然變M法[3]能neng拓tuo寬kuan測ce頻pin範fan圍wei
，但dan其qi拓tuo寬kuan的de僅jin是shi高gao頻pin端duan，因yin它ta實shi質zhi上shang仍reng隻zhi是shi測ce頻pin法fa



，受shou測ce頻pin精jing度du所suo限xian

，故gu不bu能neng從cong根gen本ben上shang解jie決jue測ce低di頻pin問wen題ti，而er本ben文wen的de設she計ji思si想xiang是shi對dui頻pin率lv信xin號hao同tong時shi測ce頻pin、測周，頻率較高取其測頻值，頻率低時取其測周值，因而隻要簡單增加測頻
、測周計數器長度，就能向高頻、低頻端拓寬其測量範圍，所以不僅適合於實時大範圍的穩態監測，而且還能廣泛應用於頻率變化範圍較大的過渡過程測試。
參 考 文 獻
1
、蔣煥文，孫續 .《電子測量》. 中國計量出版社
，1988版 .
2、張濤
，徐苓安，唐懷璞
，一種新型雙通道智能流量儀，電子測量與儀器學報,1995,Vol.9,No.3,PP. 52-56.
3
、程良鴻
，一種數字測頻方法及其實現，電子測量與儀器學報,1990,Vol.4,No.2,PP.23-31.