某大型减速器运行工况及其过渡过程的测试

一、引言
在旋转机械的测试中，除了常见的温度、压力信号需要测试外，转速、扭矩及功率因是衡量不同工况工作的关键指标，也占据着重要地位，有时为了润滑、冷却的需要，流量参数的测试也会受到关注。这样一来，需测试的通道数不仅增多，而且信号的种类也趋多样化，从而使整个测试系统的构建亦变得复杂起来。本文介绍的某大型减速器的测试，正是这类测试中极具代表性的一个，它除了要实现不同工况下的监测外，还要完成从一个工况过渡到另一个工况（即：过渡过程）的测试，后者对大型旋转机械的出厂实验是非常重要的。

二、测试方案
当被测通道信号频率较高时，通常用测频法，其原理如图1所示，图2示出了测频工作波形。图1中时基电路产生的标准时基信号2，经过门控电路后转化为门控信号3，该门控信号在T1时间内开通闸门，使加在闸门输入端的被测信号fx 即1（通常整形为方波）通过闸门，得到被计数的方波4，进而送到计数器进行计数；门控信号3在T2时间内则会关闭闸门，禁止被测信号1通过闸门，从而禁止计数，同时计算机或微处理器则可利用该时间T2从计数器中取出所计的脉冲个数Nf，并作相关操作，为下一次计数做好准备；当已知时间T1及所计的脉冲个数Nf时，可由式fx = Nf/T1算得被测信号的频率。当T1一定时，若被测信号fx逐渐变小，Nf 的值也会随之减小，则采用测频法引起的±1误差就会越来越大，当fx低于一定值时，±1误差可能会大得不能容忍，这时则应选用测周法[1]。
测周原理方框图如图3所示，图4示出了测周工作波形示意图。因待测信号Tx（即波形2）的占空比不一定相等，故在门控电路中用二分频电路尽可能地将其转换为等占空比的方波3，然后去控制闸门，当闸门开通时，经分频器得到的时标脉冲1（设其周期为Ts）则会通过闸门，得到波形4，并送至计数器进行计数，如计数值为NT，则Tx = NT * Ts ，从而可计算出待测信号频率fx =1/Tx；因为待测信号频率fx较小，故Tx较大，而时标脉冲1的频率可以很高，所以NT 的值可以很大，即可使±1误差减小，这样就提高了待测信号的测量精度。
三、并行、多通道频率信号测试的设计思想
基于上述测频、测周原理，我们提出了一种并行、多通道频率信号的测试方法，其设计思想为：在时间T内，无论是测频通道，还是测周通道，均要进行一次完整而有效的计数，并且将各通道计数结果用中断的方式快速地取出。其工作波形如图5所示，为了讨论简单且不失一般性，图中只给出了两路并行输入的频率信号，其中一路被测信号fXH的频率较高，用测频法；另一路TXL频率较低（图5 中TXL为被测信号二分频后的波形，以使其占空比尽量相等），考虑用测周法。时间T为每次测点的间隔，它决定了采样率，T1为实际允许计数的时间限，T2为CPU中断读取各通道计数值及进行相关操作的时间。因测频、测周的门控信号互不相同，为实现上述设计思想，其关键在于各自门控信号的设计。
相比较而言，测频通道门控信号的设计较简单，可直接用时标波形TC来合成，使其在T1时间内开通计数，在T2时间内引发CPU中断，以读取所有通道计数值，并进行相关操作以准备下一次计数；很显然，若采样率一定，即测点的时间间隔T一定时，为了提高测频精度，应尽量增加T1时间，减少T2时间，但T2最小不能小于CPU执行中断程序所需的时间；因时标波形TC可由标准时间脉冲Tclk经定时/计数器8254分频得到，所以T2正好为标准时间脉冲信号Tcl k的一个时钟周期，故调整Tcl k的频率，即可改变T2的值。
对于测周通道，要在每次间隔时间T内也完成一次采集，必需在时标波形TC的T1时间内，对测周通道进行一次完整而有效的计数，以便在T2时间内，计算机能读取其计数值，并为下一时间T内的采集做好准备。因为TXL在T1时间内可能有一个或多个完整的Tx（TXL为被测信号二分频后的波形，即Tx实际为被测信号的周期）到来，且Tx到来具体个数是不可预知的，所以不能直接用TXL来合成测周通道的门控信号。为了保证测周通道计数的有效性，其门控信号应满足如下条件：即在T1时间内，无论被测信号TXL来了多少个Tx（但至少有一个完整的Tx），应仅仅只在一个完整的Tx时间内进行计数。

四、应用举例
根据上述思想，并针对某大型减速器的性能测试要求，我们设计了一基于ISA总线的八通道、并行频率信号采集卡，以组成并行、多通道频率信号测试系统，该测试系统要求能进行过渡过程测试和稳态监测，其测试精度要求为0.2%。其中采集卡上设计有两路测频通道，两路测周通道，另有四路同时测频、测周通道，用以分别测两路扭矩、两路流量及四路转速信号。经综合考虑，两路测周通道时标脉冲TS取为250 KHz。四路转速测周时的时标脉冲TS取为2.5MKHz。因现场条件恶劣，干扰大，所用传感器均为频率输出型传感器，其分别为：
1）、测输入转速、扭矩选用的是：JN338系列转矩传感器，它能同时输出转速、扭矩信号，其中转速信号为50Hz~7.2KHz的脉冲方波，扭矩信号为5KHz~15KHz的脉冲方波。
2）、测流量选用的是：LWGY型涡轮流量传感器，其输出信号频率为40Hz~450Hz。
3）、测输出转速选用的是：SZMB型转速传感器，其输出信号频率为50Hz~5KHz。
在进行过渡过程测试时，其采样率要求每秒8点，即要求采样间隔T为0.125S，因计算机读取各通道计数值及作相关操作还需一定时间T2 （参考图二），若分配给T2 1mS(实际测得只需约70μS)的时间，则T1只有0.124S，为此我们可以在保证其测量精度0.2%的前提下（即计数器的计数值N不小于500），得出各通道的测量范围：À、两路测频信号（即扭矩）的测试范围为：4.033KHz ~ 528.6 KHz；Á、两路测周信号（即流量）的测试范围为：25Hz ~ 500Hz；Â、四路测频、测周（即转速信号）的测试范围为：39Hz ~ 528.6 KHz。
对于稳态测试而言，要求每5分钟记录一次数据，为此我们实际采样率设为每4秒测一点，这样在5分钟内可采样75点，然后取其平均值作为一次记录数据。此时，T为4S，T2仍取1mS，则T1为3.999S，同理可计算出稳态测试时各通道的测量范围：À、两路测频通道(扭矩)的测试范围为：126Hz ~ 16.38KHz；Á、两路测周通道（流量）的测试范围为：3.9Hz ~ 500Hz；Â、四路测频、测周通道（转速信号）的测试范围为：39Hz ~ 16.38KHz。
现在该测试系统已投入正常运行，测试精度完全达到了预期的要求。
五、结语
本文所介绍的并行、多通道频率信号测试方法，明显具以下优点：
1、不仅能进行并行、多通道频率信号测试，且仅只占用一个系统中断资源。文献[2]为了实现双通道的测试，每通道就占用了一个中断，这在通道数少的情况下是可行的，如果通道数较多，由于系统可用中断资源有限，这显然是行不通的。此外，因本文设计的多通道采样是由硬件电路通过时标Tc统一来控制（见图5）的，在时间上为等间隔采样，所以可不用作任何数学处理，即可将多通道的测试数据同时显示在一个时域窗内，以便于分析、比较各通之间的相互关系。
2、测试范围显著增大。虽然变M法[3]能拓宽测频范围，但其拓宽的仅是高频端，因它实质上仍只是测频法，受测频精度所限，故不能从根本上解决测低频问题，而本文的设计思想是对频率信号同时测频、测周，频率较高取其测频值，频率低时取其测周值，因而只要简单增加测频、测周计数器长度，就能向高频、低频端拓宽其测量范围，所以不仅适合于实时大范围的稳态监测，而且还能广泛应用于频率变化范围较大的过渡过程测试。