某型柴油机转速测量设备改进*

(1.海军工程大学动力工程学院　武汉　430033)

(2.海军工程大学管理工程系　武汉　430033)



某型柴油机转速测量设备改进*

(1.海军工程大学动力工程学院武汉430033)

(2.海军工程大学管理工程系武汉430033)

摘要针对某型柴油机转速测量装置不能满足柴油机启动和停机过程中对瞬时转速测量精度和实时性的要求问题,对转速测量装置进行了改进设计,并分析了关键技术。通过增加信号接收器和辅助转速显示仪,并缩短测量输出间隔,提高了转速测量的准确性和实时性,满足了该型柴油机启动和停机过程对转速测量的要求。

关键词柴油机; 转速测量; 改进设计; 单片机

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

转速是指圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,转速测量是工业控制和测量领域的一个重要问题,尤其对于一个转速闭环控制系统而言,实时准确的测量是实现转速精准控制的前提和基础[1~2]。根据转速测量的原理,转速测量装置通常可分为机械式和电子式两类,电子式转速测量装置又分为模拟式和数字式两种。其中,数字式电子转速测量装置一般都是通过对转子产生的周期脉冲信号进行测量、计算,从而得到转速值。常用的转速测量方法有测频法、测周法和频率周期法[3~4]。

某型柴油机是船舶主动力装置的原动机,该型

柴油机的转速测量装置主要由转速传感器和转速显示仪组成,其结构组成示意图如图1所示。

图1　转速测量装置组成示意图

其中,转速传感器是与柴油机曲轴相连的磁电式电子转速传感器,该磁电式传感器有30个齿,即每转动一圈产生30个输出脉冲,其输出脉冲的频率与柴油机转速成正比；转速显示仪通过一个脉冲信号接收器接收转速传感器产生的转速脉冲信号,并对其进行处理和显示。

2某型柴油机转速测量装置分析

2.1转速测量的意义

转速是柴油机最重要的控制参数,柴油机控制系统的主要功能就是对柴油机的转速实施控制。某型柴油机监控系统是由控制继电器、传感继电器、执行机构等组成的逻辑控制系统,主要用于对柴油机的工作过程实施逻辑控制,并具有相关参数越界报警和应急情况下自动停机保护功能等。监控系统中有一类压力传感继电器安装于柴油机的燃油、滑油、冷却水等系统管路中,当相应管路内压力达到一定值时,传感器触点接通,当压力下降到某一值时,传感器触点断开。而这些管路系统的压力是由柴油机的机带燃油泵、机带滑油泵和机带冷却水泵产生的,因此是随柴油机转速的变化而变化的。所以,柴油机转速—管路压力—传感器状态之间具有一定的对应关系,在实际工作过程中,操作人员就是根据转速显示仪显示的柴油机转速值,判断系统相关传感器和执行机构的动作时机。

例如,柴油机启动过程中,启动空气的断开时机与冷却水管路上的一个传感器密切相关：当柴油机转速上升到某一转速值时,冷却水系统压力达到该压力传感器的动作设定值,则传感器触点闭合；柴油机监控系统随之将供气管路上的电磁阀关闭,停止向柴油机气缸供气,柴油机自行发火工作。在这个过程中,启动空气断开的时机由冷却水系统上的压力传感器控制,该传感器的动作时机直接由系统的压力决定,而系统压力是随柴油机转速变化而变化的,即传感器的动作时机实际上反映的是柴油机的转速值。如果传感器接通时机提前,柴油机转速未达到自行发火转速就停止供启动空气,柴油机就会启动失败；如果传感器接通时机太晚,供气时间过长,柴油机也无法正常启动,而且还会影响系统控制逻辑,甚至产生安全隐患。这个“时机”合适与否,是由操作人员根据启动空气切断时,机旁转速显示仪显示的柴油机转速值判断的。

该型柴油机及其燃油、滑油、冷却水系统中还有大量类似的压力传感器,用于对柴油机盘车、启动、调速、停机等工作过程实施逻辑控制。其中启动和停机过程是系统传感器动作较为集中的阶段,尤其是启动过程时间短,系统控制逻辑复杂,柴油机转速上升迅速,而该型柴油机的转速显示仪每隔2s才刷新显示一次转速值,对于不足10s的启动过程来说,操作人员无法及时准确获取这些传感器和执行机构动作时对应的转速值,很多时候只能根据自己的经验进行判断。一旦传感器动作值不准,或相互间控制逻辑出现混乱,可能会导致系统无法正常工作,或者产生安全隐患,所以,实时准确的测量和显示柴油机的转速变化情况是确保系统安全可靠工作的重要保障。为此,本文从提高转速测量精度和实时性两方面对现有转速测量装置进行改进设计,以满足柴油机启动和停机阶段对瞬时转速实时精确测量的需求。

2.2转速测量方法

1) 测频法

测频法是在一定时间间隔T(单位：s)内计数被测脉冲信号的变化次数N,则被测信号的频率f=N/T。假设每转产生m个脉冲,则转速值(单位：转/分钟)

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(1)

不论计数间隔T取何值,其脉冲计数的最大误差为±1,因此测频法测得的转速误差[5~7]

(2)

要减小测量误差,就要增大N,所以测频法适合测量N比较大,即转速较高的场合。增大N的方法有两个：一是增加测量的时间间隔T；二是增加每转一圈产生的脉冲数m。而增加测量时间间隔T,会降低系统输出的刷新速度,所以增加每转产生的脉冲数m是一种有效途径。

2) 测周法

测周法是通过测量两个相邻脉冲之间的时间间隔,即脉冲信号的周期,来计算转速的一种方法[5~7]。假设每转产生m个脉冲信号,测得两个相邻脉冲信号之间的时间间隔是t(单位：s),则转速(单位：转/分钟)

(3)

测周法的转速测量误差由周期t的测量误差决定,显然,脉冲信号的周期越长,即t越大,同样测量精度条件下,相对误差越小。t越大,就意味着转速越低,所以,测周法适于测量转速较低的场合。

3) 频率周期法

频率周期法是在多个测量周期内计数脉冲数量,并据此计算转速值,是测频法和测周法的综合运用。

3转速测量装置改进

某型柴油机转速测量装置采用的是测频法,测量周期T=2s,每转产生30个脉冲信号,为提高转速测量的实时性,需将测量周期T缩短,测量周期缩短,意味着每个测量周期测得的脉冲数量N相应减少,根据式(2),同样条件下,测量误差会增大。为此,本文通过增加每转产生的脉冲数m来提高测量精度,减小测量误差。改进后的转速测量装置总体方案如图2所示。

图2　转速测量装置改进方案

如图2所示,在原有信号接收器1的基础上,增加信号接收器2,使二者的安装位置相差90°相位差,即当信号接收器1与转速传感器齿轮盘上的某一轮齿的齿顶对正时,信号接收器2刚好在该轮齿与相邻轮齿中间的齿槽位置。这样,信号接收器1接收到脉冲信号的高电平,而信号接收器2接收到的是低电平。当传感器的齿轮盘转过1/2个轮齿后,信号接收器1与齿槽正对,接收到低电平信号,而信号接收器2与齿顶对正,接收到的是高电平信号。

经此改进后,虽然转速传感器每转一圈产生的脉冲数仍为30,信号接收器2接收到的脉冲信号频率与原有信号接收器1接收到的脉冲信号频率也相同,但通过在机旁增设一辅助转速显示仪,将两个信号接收器接收到的转速脉冲信号送入辅助转速显示仪进行处理,就可提高脉冲频率,进而提高测量精度。信号接收器1、2及叠加后的信号示意图如图3所示。

图3　转速脉冲信号示意图

由于信号接收器1和信号接收器2安装于同一柴油机曲轴上,而且安装位置相差90°相位差,因此,二者接收到的是频率相同、相位不同的脉冲信号,通过异或门进行叠加后,信号的频率加倍,即同样测量周期内,测得的脉冲数量N比单个信号接收器时测得的脉冲数量增加1倍,相应的测量精度提高1倍。

辅助转速显示仪以单片机为核心来实现[8~10],总体方案如图4所示。

图4　辅助转速显示仪总体方案

叠加后的脉冲信号经过信号输入接口电路转换成幅值5V,占空比50%的转速脉冲信号,送入单片机的计数端口,单片机对采集的转速脉冲进行计数处理,并将其换算成柴油机转速值在LED显示屏上进行实时显示[11~12]。

3.2关键技术

该型柴油机转速传感器的供电是由转速显示仪表提供的直流电,而且传感器与显示仪表之间供电和脉冲信号传递采用共线制,即显示仪表用两根导线给传感器电路供电,同时传感器利用该供电的两根导线向显示仪表传递变化的脉冲信号。因采用两根导线同时完成供电和脉冲信号的传递,为了保证供电电压的稳定性,降低对传感器滤波电路的要求,其波峰应尽量稳定,即用尽量短的时间传递脉冲信号。用示波器观察其波形发现,波峰绝大部分都停留在供电电压位置,其波谷非常窄,几乎为线状。这种两线制传输方式可减少导线的数量,提高装置的可靠性,但同时对传感器测量电路的功耗提出非常高的要求,如果功耗太大,会影响系统供电,而如果功耗太小,信号就会很微弱,甚至无法与干扰信号区分,信号处理难度增大。因此,如何从两线制的供电和信号传递电路中准确获取转速脉冲信号,又不影响原系统正常工作,是转速测量装置改进中的关键技术问题。

为了在不影响原系统正常工作情况下获取可供单片机直接读入的脉冲信号,设计了专门的转速脉冲信号调理电路,其电路原理如图5所示。

如图5所示,由于转速脉冲信号较弱,为避免转速采集电路对转速传感器本身的信号产生影响,电阻网络的输入端采用高阻值的电阻。叠加后的脉冲信号从端口IN_1和IN_2进入转速信号调理电路,经比较器MAX931比较和反相器74LS04的放大、整形后,变成单片机可直接读取的标准脉冲信号从OUT端口输出。经处理后的脉冲信号进入单片机的脉冲计数端,经单片机采集、运算处理后可得到柴油机的转速值并在显示屏上进行显示。

图5　转速脉冲信号调理电路原理图

3.3结果分析

改进后的转速测量装置,使转速传感器每转一圈测得的脉冲数由30增加到60,即脉冲输出频率增加1倍,同样条件下转速测量精度精度也相应提高1倍；为提高转速测量的实时性,在转速输出显示时,根据实际观测实验得知,将输出刷新频率设置为每秒刷新2次,即可满足操作人员现场观测和判断需要。

4结语

针对某型船用柴油机转速测量装置测量精度、实时性不能满足柴油机工作过程中,尤其是启动和停机过程中,对瞬时转速测量的要求问题,提出了转速测量装置改进方案,并对关键电路进行了设计分析。通过加装一信号接收器和辅助转速显示仪,增加每转产生的脉冲数,缩短测量时间间隔,既保证了转速测量精度,又提高了输出显示刷新速度,满足了柴油机工作过程中转速测量精度和实时性要求。

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中图分类号TP274

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.034

作者简介:潘兴隆,男,博士,讲师，研究方向：机舱自动化。贺国，男，博士，教授，研究方向：动力装置总体优化设计。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月24日