水泵测试中几种常用转速测量方法的探讨

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　　【摘  要】本文从测速原理、数据采集转换方式、安装使用注意、适用对象及精度四方面探讨了在水泵测试中光电测速法、霍尔测速法、感应线圈法、转矩转速法的应用，阐述了这四种方法的优缺点。
　　【关键词】水泵测试;转速测量
　　引言
　　在水泵的性能测试过程中，实测数据均需按实测转速与额定转速的比例关系转换后再计算泵的性能数据，所以转速是水泵性能测试中除流量、扬程、功率等性能参数以外另一重要的特性参量，水泵的工作状态和工作能力都与它存在紧密的联系，因此准确测量水泵的转速具有十分重要的意义[1]。
　　转速测量的方法分为两大类：直接测量法和间接测量法。直接测量法即直接观测机械或电机的机械运动，测量特定时间内机械运转规律从而测出机械运动的转速，包含接触式和非接触式2种。间接法是因为机械或电机机械运动而产生变化的其他物理量与转速之间的关系来间接确定转速。
　　本文仅对水泵测试系统中现在比较常用的测速方法进行探讨、分析和比较，常用测速方法有直接测量法中的非接触式（主要包括光电测速法和霍尔测速法这2种）和间接测量法中的感应线圈法和转矩转速法。
　　1光电测速法
　　1.1测速原理：光电传感器，其原理是靠光强度的变化引起电流的变化。在泵轴上，贴上一片反光效果非常好的纸片，随着电机转动，光电传感器朝向反光纸时，会接收到反光纸的反射光线所以其光敏三极管的光电流就增加，传感器朝向没有反光纸时其无法接收到反射光或反射光线特别弱，所以其光电流就减少，如此泵轴旋转一圈就会形成一个脉冲信号[2]。
　　1.2数据采集转换方式：脉冲信号输出到与光电传感器配套使用的转速显示表转换成4-20mA等模拟量信号输出到PLC中或脉冲信号直接输出到PLC高数计数模块，在PLC内换算即可得到实时转速，其基本转换计算公式为转速n=N/t，在时间t内测量得到的脉冲数为N。因信号经过显示仪表时精度会有所下降，请首先考虑PLC直接采集信号的方式。
　　1.3安装及使用注意：在旋转轴外露部分黏贴反光片，将光电传感器靠近并正对反光片，光电传感器与贴纸间距根据传感器自身要求而定（如：PT-M18-A3-010型间距为100mm以内可调）。测试前请务必调整好间距，防止出现传感器始终处于接收反射光状态或接收不到反射光状态，此时传感器将无法正常测量。安装简单，成本较低。
　　1.4适用对象及精度：泵或电机旋转轴有外露部分的地面水泵机组。转速3000r/m时，精度可达±0.034%，转速1500r/m时，精度可达±0.067%，转速1000r/m时，精度可達±0.1%[3]。
　　2霍尔测速法
　　2.1测速原理：霍尔传感器是一种磁传感器，其原理是靠磁场的变化引起电流的变化[4]。在泵轴上粘贴一个小磁钢片，霍尔传感器靠近并正对小磁钢片并固定，电机旋转时，随着磁钢片的靠近和远离霍尔传感器产生的磁场会随之变化从而转换成脉冲信号输出。
　　2.2数据采集转换方式：脉冲信号一般直接输出到与光电传感器配套使用的转速显示表再转换成4-20mA等模拟量信号输出到PLC中，在PLC内换算即可得到实时转速。其基本转换计算公式为转速n=60/P/T;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期[5]。
　　2.3安装及使用注意：在旋转轴外露部分黏贴小磁钢片（传感器一般配套有），将霍尔传感器靠近并正对磁钢片，间距一般为3-5mm，间距过大则无法感应磁场，较光电传感器间距要求较高，且传感器分单极型和双极性，单极性传感器使用前需对磁钢片的极性做好校对再固定，否则传感器无法感应磁场，双极性则不需要校对磁钢片极性。安装简单，成本较低。
　　2.4适用对象及精度：同光电测速法。
　　3感应线圈法
　　3.1测速原理：在电动机上放置一只匝数较多的带铁芯的线圈，根据电磁感应原理，利用异步电动机的转子在旋转磁场中由切割磁力线产生感应电流的频率即为电动机转子频率与电动机定子电压频率两者的转差频率f2和定子磁场的频率f1为供电电源频率。
　　3.2数据采集转换方式：频率信号输出到与线圈配套使用的频率测试子站，子站再通过RS232口与电脑相连，最后在电脑上的配套软件上显示实时转速或者子站直接通过RS232口通讯连接至PLC，然后在PLC内经过换算即可得到实时转速。其基本转换计算公式为转速n=（f1-f2）*60/p，p为电机极对数。
　　3.3安装及使用注意：将线圈紧贴固定在被试泵电机机壳的上部或下部（漏磁检测信号较强部位），其转差频率测量有范围要求（如银河电气DM4022-G型为0.1～5Hz），超出其范围转速测量将不准。安装简单，成本相比较光电（霍尔）测速法较高。
　　3.4适用对象及精度：一般泵或电机轴不外露水泵机组及所有液下泵的异步电动机，只要电机运行的定子频率和转差频率在传感器的测量范围之内即可。精度可达±0.1%。
　　4转矩转速法（磁电相位差式）
　　4.1测速原理是：转矩转速传感器是转矩与转速一体的传感器。其通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与被测转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比。
　　4.2数据采集转换方式：传感器自身输出频率信号，可直接输出到与传感器配套使用的转矩转速显示表或经过信号转换模块两种方式转换成4-20mA等模拟量信号输出到PLC中，最后在PLC内换算即可得到实时转速。
　　4.3安装及使用注意：转矩转速传感器安装固定于电机轴与泵轴之间，同轴度要求较高（如北京三晶JN338-50A型要求小于0.05mm）。因对不同的电机及泵传感器需要不同的固定底座，安装比较麻烦，成本较感应线圈法更高，由于转矩转速法主要是在测量泵轴功率方面精度优势比较好，所以一般只在需要准确测量泵轴功率时才采用该方法。
　　4.4适用对象及精度：电机轴和泵轴之间可安装转矩转速传感器的水泵机组。精度可达±0.1%。
　　5结束语
　　光电与霍尔测速法都具有成本低、体积小、性能好、安装使用方便等优点，所以在泵或电机旋转轴有外露部分的地面水泵机组的水泵测试中使用普遍;感应线圈法很好的解决了泵或电机旋转部件不外露、液下泵类转速无法进行测量的难题;转矩转速法因其安装使用较复杂且成本较高，其主要是在需要准确测量泵轴功率的情况下使用而同时可以测得转速。以上几种水泵测试中转速测量方法在其他转速测量领域也较常使用。
　　参考文献：
　　[1]张勇.矿山多级离心式水泵运行参数检测[1].辽宁工程技术大学，2007
　　[2][3]郑梦海.泵测试实用技术（第二版）.机械工业出版社，2011
　　[4][5]钟文才、范志华、苏成贵、杨光.水泵检测中两种转速测量方法的探讨[A].吉林省农业机械研究院，长春，2012
　　（作者单位：杭州博流科技有限公司）
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