(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院　武漢　430033)

(2.海軍工程大學(xué)管理工程系　武漢　430033)

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某型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)備改進(jìn)*

(1.海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院武漢430033)

(2.海軍工程大學(xué)管理工程系武漢430033)

摘要針對(duì)某型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置不能滿足柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性的要求問(wèn)題,對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),并分析了關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)增加信號(hào)接收器和輔助轉(zhuǎn)速顯示儀,并縮短測(cè)量輸出間隔,提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,滿足了該型柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求。

關(guān)鍵詞柴油機(jī); 轉(zhuǎn)速測(cè)量; 改進(jìn)設(shè)計(jì); 單片機(jī)

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(zhuǎn)速是指圓周運(yùn)動(dòng)的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù),轉(zhuǎn)速測(cè)量是工業(yè)控制和測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題,尤其對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)而言,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)控制的前提和基礎(chǔ)[1~2]。根據(jù)轉(zhuǎn)速測(cè)量的原理,轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置通?？煞譃闄C(jī)械式和電子式兩類(lèi),電子式轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置又分為模擬式和數(shù)字式兩種。其中,數(shù)字式電子轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置一般都是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的周期脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算,從而得到轉(zhuǎn)速值。常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有測(cè)頻法、測(cè)周法和頻率周期法[3~4]。

某型柴油機(jī)是船舶主動(dòng)力裝置的原動(dòng)機(jī),該型

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置主要由轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)速顯示儀組成,其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

圖1　轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置組成示意圖

其中,轉(zhuǎn)速傳感器是與柴油機(jī)曲軸相連的磁電式電子轉(zhuǎn)速傳感器,該磁電式傳感器有30個(gè)齒,即每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生30個(gè)輸出脈沖,其輸出脈沖的頻率與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速成正比；轉(zhuǎn)速顯示儀通過(guò)一個(gè)脈沖信號(hào)接收器接收轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行處理和顯示。

2某型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置分析

2.1轉(zhuǎn)速測(cè)量的意義

轉(zhuǎn)速是柴油機(jī)最重要的控制參數(shù),柴油機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)施控制。某型柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是由控制繼電器、傳感繼電器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成的邏輯控制系統(tǒng),主要用于對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程實(shí)施邏輯控制,并具有相關(guān)參數(shù)越界報(bào)警和應(yīng)急情況下自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能等。監(jiān)控系統(tǒng)中有一類(lèi)壓力傳感繼電器安裝于柴油機(jī)的燃油、滑油、冷卻水等系統(tǒng)管路中,當(dāng)相應(yīng)管路內(nèi)壓力達(dá)到一定值時(shí),傳感器觸點(diǎn)接通,當(dāng)壓力下降到某一值時(shí),傳感器觸點(diǎn)斷開(kāi)。而這些管路系統(tǒng)的壓力是由柴油機(jī)的機(jī)帶燃油泵、機(jī)帶滑油泵和機(jī)帶冷卻水泵產(chǎn)生的,因此是隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化的。所以,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速—管路壓力—傳感器狀態(tài)之間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在實(shí)際工作過(guò)程中,操作人員就是根據(jù)轉(zhuǎn)速顯示儀顯示的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值,判斷系統(tǒng)相關(guān)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)機(jī)。

例如,柴油機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中,啟動(dòng)空氣的斷開(kāi)時(shí)機(jī)與冷卻水管路上的一個(gè)傳感器密切相關(guān)：當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升到某一轉(zhuǎn)速值時(shí),冷卻水系統(tǒng)壓力達(dá)到該壓力傳感器的動(dòng)作設(shè)定值,則傳感器觸點(diǎn)閉合；柴油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)隨之將供氣管路上的電磁閥關(guān)閉,停止向柴油機(jī)氣缸供氣,柴油機(jī)自行發(fā)火工作。在這個(gè)過(guò)程中,啟動(dòng)空氣斷開(kāi)的時(shí)機(jī)由冷卻水系統(tǒng)上的壓力傳感器控制,該傳感器的動(dòng)作時(shí)機(jī)直接由系統(tǒng)的壓力決定,而系統(tǒng)壓力是隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化的,即傳感器的動(dòng)作時(shí)機(jī)實(shí)際上反映的是柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速值。如果傳感器接通時(shí)機(jī)提前,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到自行發(fā)火轉(zhuǎn)速就停止供啟動(dòng)空氣,柴油機(jī)就會(huì)啟動(dòng)失??；如果傳感器接通時(shí)機(jī)太晚,供氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng),柴油機(jī)也無(wú)法正常啟動(dòng),而且還會(huì)影響系統(tǒng)控制邏輯,甚至產(chǎn)生安全隱患。這個(gè)“時(shí)機(jī)”合適與否,是由操作人員根據(jù)啟動(dòng)空氣切斷時(shí),機(jī)旁轉(zhuǎn)速顯示儀顯示的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值判斷的。

該型柴油機(jī)及其燃油、滑油、冷卻水系統(tǒng)中還有大量類(lèi)似的壓力傳感器,用于對(duì)柴油機(jī)盤(pán)車(chē)、啟動(dòng)、調(diào)速、停機(jī)等工作過(guò)程實(shí)施邏輯控制。其中啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程是系統(tǒng)傳感器動(dòng)作較為集中的階段,尤其是啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間短,系統(tǒng)控制邏輯復(fù)雜,柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升迅速,而該型柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速顯示儀每隔2s才刷新顯示一次轉(zhuǎn)速值,對(duì)于不足10s的啟動(dòng)過(guò)程來(lái)說(shuō),操作人員無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確獲取這些傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值,很多時(shí)候只能根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。一旦傳感器動(dòng)作值不準(zhǔn),或相互間控制邏輯出現(xiàn)混亂,可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作,或者產(chǎn)生安全隱患,所以,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量和顯示柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況是確保系統(tǒng)安全可靠工作的重要保障。為此,本文從提高轉(zhuǎn)速測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性兩方面對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),以滿足柴油機(jī)啟動(dòng)和停機(jī)階段對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)精確測(cè)量的需求。

2.2轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

1) 測(cè)頻法

測(cè)頻法是在一定時(shí)間間隔T(單位：s)內(nèi)計(jì)數(shù)被測(cè)脈沖信號(hào)的變化次數(shù)N,則被測(cè)信號(hào)的頻率f=N/T。假設(shè)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生m個(gè)脈沖,則轉(zhuǎn)速值(單位：轉(zhuǎn)/分鐘)

其二，注重課程平臺(tái)建設(shè)。應(yīng)充分利用大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建“形勢(shì)與政策”慕課，將習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想融入慕課平臺(tái)，加強(qiáng)線上線下的聯(lián)動(dòng)互動(dòng)，深化對(duì)理論的認(rèn)知與理解。例如，最近中國(guó)社會(huì)科學(xué)院世界經(jīng)濟(jì)與政治研究所張宇燕講授的《從世界變局、大國(guó)博弈談中美經(jīng)貿(mào)摩擦》，就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)平臺(tái)來(lái)使廣大師生及時(shí)地了解最新國(guó)際形勢(shì)的。

(1)

不論計(jì)數(shù)間隔T取何值,其脈沖計(jì)數(shù)的最大誤差為±1,因此測(cè)頻法測(cè)得的轉(zhuǎn)速誤差[5~7]

(2)

要減小測(cè)量誤差,就要增大N,所以測(cè)頻法適合測(cè)量N比較大,即轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合。增大N的方法有兩個(gè)：一是增加測(cè)量的時(shí)間間隔T；二是增加每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)m。而增加測(cè)量時(shí)間間隔T,會(huì)降低系統(tǒng)輸出的刷新速度,所以增加每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)m是一種有效途徑。

2) 測(cè)周法

測(cè)周法是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔,即脈沖信號(hào)的周期,來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的一種方法[5~7]。假設(shè)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生m個(gè)脈沖信號(hào),測(cè)得兩個(gè)相鄰脈沖信號(hào)之間的時(shí)間間隔是t(單位：s),則轉(zhuǎn)速(單位：轉(zhuǎn)/分鐘)

(3)

測(cè)周法的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差由周期t的測(cè)量誤差決定,顯然,脈沖信號(hào)的周期越長(zhǎng),即t越大,同樣測(cè)量精度條件下,相對(duì)誤差越小。t越大,就意味著轉(zhuǎn)速越低,所以,測(cè)周法適于測(cè)量轉(zhuǎn)速較低的場(chǎng)合。

3) 頻率周期法

頻率周期法是在多個(gè)測(cè)量周期內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)量,并據(jù)此計(jì)算轉(zhuǎn)速值,是測(cè)頻法和測(cè)周法的綜合運(yùn)用。

3轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置改進(jìn)

某型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置采用的是測(cè)頻法,測(cè)量周期T=2s,每轉(zhuǎn)產(chǎn)生30個(gè)脈沖信號(hào),為提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性,需將測(cè)量周期T縮短,測(cè)量周期縮短,意味著每個(gè)測(cè)量周期測(cè)得的脈沖數(shù)量N相應(yīng)減少,根據(jù)式(2),同樣條件下,測(cè)量誤差會(huì)增大。為此,本文通過(guò)增加每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)m來(lái)提高測(cè)量精度,減小測(cè)量誤差。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置總體方案如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置改進(jìn)方案

如圖2所示,在原有信號(hào)接收器1的基礎(chǔ)上,增加信號(hào)接收器2,使二者的安裝位置相差90°相位差,即當(dāng)信號(hào)接收器1與轉(zhuǎn)速傳感器齒輪盤(pán)上的某一輪齒的齒頂對(duì)正時(shí),信號(hào)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(hào)接收器1接收到脈沖信號(hào)的高電平,而信號(hào)接收器2接收到的是低電平。當(dāng)傳感器的齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)1/2個(gè)輪齒后,信號(hào)接收器1與齒槽正對(duì),接收到低電平信號(hào),而信號(hào)接收器2與齒頂對(duì)正,接收到的是高電平信號(hào)。

經(jīng)此改進(jìn)后,雖然轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)仍為30,信號(hào)接收器2接收到的脈沖信號(hào)頻率與原有信號(hào)接收器1接收到的脈沖信號(hào)頻率也相同,但通過(guò)在機(jī)旁增設(shè)一輔助轉(zhuǎn)速顯示儀,將兩個(gè)信號(hào)接收器接收到的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)送入輔助轉(zhuǎn)速顯示儀進(jìn)行處理,就可提高脈沖頻率,進(jìn)而提高測(cè)量精度。信號(hào)接收器1、2及疊加后的信號(hào)示意圖如圖3所示。

圖3　轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)示意圖

由于信號(hào)接收器1和信號(hào)接收器2安裝于同一柴油機(jī)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(hào),通過(guò)異或門(mén)進(jìn)行疊加后,信號(hào)的頻率加倍,即同樣測(cè)量周期內(nèi),測(cè)得的脈沖數(shù)量N比單個(gè)信號(hào)接收器時(shí)測(cè)得的脈沖數(shù)量增加1倍,相應(yīng)的測(cè)量精度提高1倍。

輔助轉(zhuǎn)速顯示儀以單片機(jī)為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)[8~10],總體方案如圖4所示。

圖4　輔助轉(zhuǎn)速顯示儀總體方案

疊加后的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)輸入接口電路轉(zhuǎn)換成幅值5V,占空比50%的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào),送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)端口,單片機(jī)對(duì)采集的轉(zhuǎn)速脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,并將其換算成柴油機(jī)轉(zhuǎn)速值在LED顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[11~12]。

3.2關(guān)鍵技術(shù)

該型柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的供電是由轉(zhuǎn)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(hào)傳遞采用共線制,即顯示儀表用兩根導(dǎo)線給傳感器電路供電,同時(shí)傳感器利用該供電的兩根導(dǎo)線向顯示儀表傳遞變化的脈沖信號(hào)。因采用兩根導(dǎo)線同時(shí)完成供電和脈沖信號(hào)的傳遞,為了保證供電電壓的穩(wěn)定性,降低對(duì)傳感器濾波電路的要求,其波峰應(yīng)盡量穩(wěn)定,即用盡量短的時(shí)間傳遞脈沖信號(hào)。用示波器觀察其波形發(fā)現(xiàn),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(dǎo)線的數(shù)量,提高裝置的可靠性,但同時(shí)對(duì)傳感器測(cè)量電路的功耗提出非常高的要求,如果功耗太大,會(huì)影響系統(tǒng)供電,而如果功耗太小,信號(hào)就會(huì)很微弱,甚至無(wú)法與干擾信號(hào)區(qū)分,信號(hào)處理難度增大。因此,如何從兩線制的供電和信號(hào)傳遞電路中準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào),又不影響原系統(tǒng)正常工作,是轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置改進(jìn)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

為了在不影響原系統(tǒng)正常工作情況下獲取可供單片機(jī)直接讀入的脈沖信號(hào),設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)調(diào)理電路,其電路原理如圖5所示。

如圖5所示,由于轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)較弱,為避免轉(zhuǎn)速采集電路對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器本身的信號(hào)產(chǎn)生影響,電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入端采用高阻值的電阻。疊加后的脈沖信號(hào)從端口IN_1和IN_2進(jìn)入轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路,經(jīng)比較器MAX931比較和反相器74LS04的放大、整形后,變成單片機(jī)可直接讀取的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)從OUT端口輸出。經(jīng)處理后的脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)端,經(jīng)單片機(jī)采集、運(yùn)算處理后可得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速值并在顯示屏上進(jìn)行顯示。

圖5　轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)調(diào)理電路原理圖

3.3結(jié)果分析

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置,使轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)一圈測(cè)得的脈沖數(shù)由30增加到60,即脈沖輸出頻率增加1倍,同樣條件下轉(zhuǎn)速測(cè)量精度精度也相應(yīng)提高1倍；為提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)時(shí)性,在轉(zhuǎn)速輸出顯示時(shí),根據(jù)實(shí)際觀測(cè)實(shí)驗(yàn)得知,將輸出刷新頻率設(shè)置為每秒刷新2次,即可滿足操作人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和判斷需要。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某型船用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性不能滿足柴油機(jī)工作過(guò)程中,尤其是啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中,對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求問(wèn)題,提出了轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置改進(jìn)方案,并對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。通過(guò)加裝一信號(hào)接收器和輔助轉(zhuǎn)速顯示儀,增加每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù),縮短測(cè)量時(shí)間間隔,既保證了轉(zhuǎn)速測(cè)量精度,又提高了輸出顯示刷新速度,滿足了柴油機(jī)工作過(guò)程中轉(zhuǎn)速測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)TP274

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.034

作者簡(jiǎn)介:潘興隆,男,博士,講師，研究方向：機(jī)艙自動(dòng)化。賀國(guó)，男，博士，教授，研究方向：動(dòng)力裝置總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015年9月13日,修回日期:2015年10月24日