CN102141574B

CN102141574B - 一种便携式汽轮机动态转速测量装置及方法

Info

Publication number: CN102141574B
Application number: CN2010106170031A
Authority: CN
Inventors: 戴义平; 王江峰; 高林; 赵攀; 孙志新; 张良祖
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-12-31
Also published as: CN102141574A

Abstract

本发明提供了一种便携式汽轮机动态转速测量装置及方法，包括转速脉冲信号测量电路和频率信号测量电路，转速脉冲信号经第一放大隔离保护单元处理后，同时进入第一单片机和频压转换单元，经第一单片机处理后显示并传送给计算机，经频压转换单元处理后进入高通滤波器处理，最后输出为转速的电压；频率信号经第二放大隔离保护单元处理后，进入第二单片机，经第二的单片机处理后同时进入A/D转换器和频率LED显示数码管，经A/D转换器转换成频率的输出电压，经频率LED显示数码管而显示。本发明可以实现电网瞬态频率和水轮机的动态转速测量，且使用范围广泛，通用性较好。

Description

一种便携式汽轮机动态转速测量装置及方法

技术领域

本发明属于动力工程领域，涉及一种便携式汽轮机动态转速测量装置及方法。

背景技术

目前常用的转速测量方法均是通过定时计数的方式确定给定时间内转速脉冲信号的数量，转换为机组转速，实际上得到的是转速平均值。机组甩负荷试验和参数辨识时的过渡过程时间只有几秒钟，要求详细记录机组的动态转速，包括死区的大小和飞升速率，不能使用平均值测量，现有的测量方式难以满足动态转速测量的要求。另外，现有的测量技术对于要么针对高频信号，要么针对低频信号，适用范围小，通用性较差，对于电网瞬态频率和水轮机的动态转速测量难以实现，而这些正是智能电网建设中急需的测试设备。

汽轮机和水轮机调节系统是保护汽轮发电机组安全稳定运行的重要保障，评价机组调节系统性能好坏的重要指标之一是机组甩负荷后的动态超速。获得准确可靠的汽轮机和水轮机组甩负荷的动态超速指标，是通过甩负荷试验确定各台机组调节系统实际的动态响应特性，从而确定机组的甩负荷动态超速指标。目前机组验收规程规定，所有新投产的机组在验收时必须进行甩负荷试验。另外，智能电网建设中的电网瞬态频率测量也急需相关测试设备。因此，为了满足汽轮机和水轮机甩负荷后调节系统动态转速测量以及电网瞬态频率测量的要求，开发一套新的便携式动态转速和频率测量装置是非常必要的，为实现机组参数辨识和评价是汽轮和水轮发电机组参与电网一次调频的能力和调节系统的性能提供重要原始数据，同时为智能电网建设提供必要的测试手段，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明提供了一种便携式汽轮机动态转速测量装置及方法，其可以实现电网瞬态频率和水轮机的动态转速测量，且使用范围广泛，通用性较好。

本发明采取的技术方案是：一种便携式汽轮机动态转速测量装置，包括与汽轮机组相连的转速脉冲信号测量电路和频率信号测量电路，所述转速脉冲信号测量电路包括与信号输入端相连的第一放大隔离保护单元，该第一放大隔离保护单元的输出端的一支连接有第一单片机，另一支连接有频压转换单元，所述第一单片机通过并行接口与计算机相连，且该第一单片机的输入端连接有按键和测量范围开关，所述第一单片机的输出端连接有转速LED显示数码管；所述频压转换单元的输出端连接有高通滤波器，所述高通滤波器的输出端为转速的电压输出；所述频率信号测量电路包括有与频率输入端子相连的第二放大隔离保护单元，该第二放大隔离保护单元的输出端连接有第二单片机，该第二单片机的输出端分别连接有A/D转换器和频率LED显示数码管，所述A/D转换器的输出端为频率的输出电压。

作为本发明的优选实施例，所述高通滤波器的输入端连接有截止频率开关；

作为本发明的优选实施例，所述第一单片机为CPU 8031芯片；

作为本发明的优选实施例，所述第二单片机为C8051F020芯片。

根据上述便携式汽轮机动态转速测量装置，本发明还提供了一种便携式汽轮机动态转速测量方法，包括以下步骤：

步骤1)启动，通过按键或计算机并行接口进行参数设置，所述参数包括输入信号的分频系数、每转的脉冲数以及预定周期；

步骤2)当第一单片机接收到来自计算机的启动命令后，将定时器清零，之后在第一单片机检测到第一个转速脉冲上升沿时，向计算机发出传送数据信号的请求，计算机接收到该请求后，向第一单片机发出读数命令，第一单片机接收到该命令后，启动计数器开始计数，同时，开始传送数据，即转速脉冲信号从转速信号输入端子输入后，经第一放大隔离保护单元处理后，进入第一单片机，第一单片机对接收到的转速数据进行处理后，通过并行接口向计算机传送汽轮机的动态转速数据，同时在转速LED显示数码管上显示，与此同时，所述汽轮机的转速信号同时被传送至频压转换单元，将频率信号转换为电压信号，最后输出；

步骤3)在预定周期截止后，当第一单片机接收到第一个转速脉冲信号并传送给计算机，计算机接收到该脉冲信号后，向第一单片机发送停止向计算机发送数据传送信号的请求，第一单片机接收到该请求后，结束。

作为本发明的优选实施例，在所述预定周期截止后，根据下列公式计算转速：

其中，n₁为转速脉冲个数，n₂为时钟脉冲个数，K为每转的脉冲个数，F为分频系数；

作为本发明的优选实施例，在第一单片机向计算机传送数据的同时，频率信号从频率输入端子输入，经过第二放大隔离保护单元处理后，进入第二单片机，第二单片机对频率信号进行处理后，在频率LED显示数码管上显示，同时送入D/A转换器中转换为模拟信号，最终从频率的电压输出端子输出。

本发明便携式汽轮机动态转速测量装置及方法至少具有以下优点：本发明便携式汽轮机动态转速测量装置采用集成度较高的单片机作为核心部件，包括转速脉冲信号测量电路和频率信号测量电路两个电路，每个电路都包括标准信号产生电路和实际信号测量电路。该装置配有操作按键、显示、复位监控、输入放大及隔离、并行通信、频/压转换电路，通过并行接口与计算机实现通讯，将转速信号送入计算机中，实现动态转速采集、实时显示等功能，还可以提供模拟量信号采集系统所需要的转速模拟信号，提供检测仪器使用的标准频率信号。该装置可以准确测量、记录和显示汽轮机和水轮机甩负荷试验以及扰动试验的动态转速，也可以实现电网瞬态转速的测量，携带使用方便，实现机组动态转速和电网瞬态频率的测量与记录；同时在测量仪器中，实现转速的动态测量与显示，并且该装置可以脱离PC计算机单独使用。该测量装置可以同时测量转速信号和频率信号，另外可以测量高频信号和低频信号，适用范围广，通用性好。

附图说明

图1是本发明便携式汽轮机动态转速测量装置的前面板示意图；

图2是本发明便携式汽轮机动态转速测量装置的后面板示意图。

图3是本发明转速信号测量电路原理图；

图4是本发明频率信号测量电路原理图。

图中标号与元件名称的对应关系如下：

1	按键	2	转速LED显示数码管
				3	频率LED显示数码管	4	标准频率转换开关
5	测量范围开关	6	标准频率选择开关
				7	计算机并行接口	8	截止频率开关
9	输入选择开关	10	频率输出端子
				11	频率输入端子	12	频率的电压输出端子
13	标准频率端子	14	转速信号输入端子
				15	转速的电压输出端子	16	外触发端子

17

对外供电端子

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明测量装置的前面板设置有：按键1，包括启动/设置、分频系数和最大值；转速LED显示数码管2；频率LED显示数码管3；标准频率转换开关4；测量范围开关5；标准频率选择开关6。

请参阅图2所示，本发明测量装置的后面板设置有：计算机并行接口7；截止频率开关8；输入选择开关9；若干端子，包括频率输出端子10、频率输入端子11、频率的电压输出端子12、标准频率端子13、转速信号输入端子14、转速的电压输出端子15、外触发端子16以及对外供电端子17。

本发明便携式汽轮机动态转速测量装置包括转速脉冲信号测量电路和频率信号测量电路，用来记录汽轮机和水轮机调速系统的静态和动态试验的转速。

请参阅图3所示，所述转速脉冲信号测量电路包括与信号输入端相连的第一放大隔离保护单元、该第一放大隔离保护单元的输出端的一支连接有第一单片机，另一支连接有频压转换单元，所述第一单片机的输入端连接有按键1和测量范围开关5用以输入相关数据，输出端连接有转速LED显示数码管，进一步，所述第一单片机通过计算机并行接口7与计算机相连，用以保存数据；所述频压转换单元的输出端连接有高通滤波器，所述高通滤波器的输出为转速的电压输出，进一步，所述高通滤波器的输入端连接有截止频率开关8。

请结合图4所示，所述频率信号测量电路包括有与频率输入端相连的第二放大隔离保护单元，该第二放大隔离保护单元的输出端连接有第二单片机，该第二单片机的输出端分别连接有A/D转换器和频率LED显示数码管，所述A/D转换器的输出端为频率的输出电压。

本发明的测量方法包括以下步骤：

步骤1)启动，通过按键1或计算机并行接口7进行参数设置，所述参数包括输入信号的分频系数、每转的脉冲数以及预定周期；

步骤2)当第一单片机接收到来自计算机的启动命令后，将定时器清零，之后在第一单片机检测到第一个转速脉冲上升沿时，向计算机发出传送数据信号的请求，计算机接收到该请求后，向第一单片机发出读数命令，第一单片机接收到该命令后，启动计数器开始计数，同时，开始传送数据，即转速脉冲信号从转速信号输入端子输入后，经第一放大隔离保护单元处理后，进入第一单片机，第一单片机对接收到的转速数据进行处理后，通过并行接口7向计算机传送汽轮机的动态转速数据，同时在转速LED显示数码管上显示，与此同时，所述汽轮机的转速信号同时被传送至频压转换单元，将频率信号转换为电压信号，最后输出；

其中，在预定周期截止后，根据公式

计算转速，其中，n₁为转速脉冲个数，n₂为时钟脉冲个数，K为每转的脉冲个数，F为分频系数。

值得说明的是，在第一单片机向计算机传送数据的同时，频率信号从频率输入端子11输入，经过第二放大隔离保护单元处理后，进入第二单片机，第二单片机对频率信号进行处理后，在频率LED显示数码管3上显示，同时送入D/A转换器中转换为模拟信号，最终从频率的电压输出端子12输出。

本发明的动态转速测量过程具体为：通过按键1或者计算机通过并行接口7进行参数的设置，包括输入信号的分频系数、每转的脉冲数、显示周期；然后，转速脉冲信号从转速信号输入端子14输入，经第一放大隔离保护单元处理后，进入第一单片机CPU 8031芯片，第一单片机根据工作参数和测量范围开关5所选择的测量范围，对接收到的转速信号进行处理后，通过并行接口7向计算机传送汽轮机的动态转速数据，同时在转速LED显示数码管2上显示；与此同时，转速信号同时被传送至频压转换单元，将频率信号转换为电压信号，电压信号经过高通滤波器，其中截止频率开关8用来选择高通截止频率，去掉毛刺的转速压力信号最终从电压输出端子15输出，电压输出端子15输出的转速信号可以直接连接其他模拟量数据采集系统。

标准晶振源频率为7.68MHz，按照标准频率转换开关4所选的频率，依次经过初分频电路和CPU分频后，达到所要求的频率，然后经过隔离保护，从标准频率端子13输出标准频率。

对于转速测量装置中转速测量电路的校验，具体为：通过转动测量范围开关5选择频压转换的量程，将标准频率端子13输出的标准频率作为检测频率，从转速信号输入端子14输入，测量电压输出端子15上的电压输出，检测频压转换的精度，同时在转速LED显示数码管2上显示。

频率测量具体为：频率信号从频率输入端子11输入，经过第二放大隔离保护单元处理后，进入第二单片机C8051F020，第二单片机对频率信号进行处理后，在频率LED显示数码管3上显示，同时送入D/A转换器中转换为模拟信号，从电压输出端子(频率)12输出。

CPU信号发生器根据标准频率选择开关6选择的标准频率产生标准频率，从频率输出端子10输出标准频率。

对于转速测量装置中频率测量电路的校验，具体为：将频率输出端子10输出的标准频率作为检测频率，从频率输入端子11输入，测量电压输出端子12上的电压输出，同时在频率LED显示数码管3上显示。

该装置可以准确测量、记录和显示汽轮机和水轮机甩负荷试验以及扰动试验的动态转速，也可以实现电网瞬态转速的测量，携带使用方便，实现机组动态转速和电网瞬态频率的测量与记录；同时在测量仪器中，实现转速的动态测量与显示，并且该装置可以脱离计算机单独使用。该测量装置可以同时测量转速信号和频率信号，另外可以测量高频信号和低频信号，适用范围广，通用性好。

本发明采用M-T法实现转速测量，原理具体为：从检测到的第一个脉冲信号的上升沿起到预先设定的时间间隔到后的第一个脉冲上升沿止，记录这一段时间内的时钟脉冲个数，时钟频率为1MHz(周期1μS)，然后计算转速值。若转速脉冲个数为n₁，时钟脉冲个数为n₂，每转的脉冲个数为K，分频系数为F，则转速为：

n = 6 \times 10^{7} \cdot \frac{F \cdot n_{1}}{K \cdot n_{2}}

(转/分)

由于计时时钟脉冲的频率高达1MHz，因而具有极高的测量精度。在记数过程中，转速脉冲与时钟脉冲系统内部两个16位计数器串联计数，共32位，可计数脉冲数为232，计数器不复位的情况下，计数时间可以达到71分钟，因而其测速范围最小可以达1转/分，最大可达300000转/分以上；脉冲计数稳定，测量精度高。利用周期性电压信号进行试验，转速低于300000转/分时，其误差为±1转/分。

本发明测量装置的功能及特点如下：

(1)动态转速测量

转速测量装置周期性的对汽轮机和水轮机转速进行动态测量，每次测量周期在预先设置的基础上根据脉冲沿的到达时间而定，不是固定的，测量周期为两个脉冲到达的上升沿之间的时间，和传统采用的记录给定时间内转速脉冲数量然后除给定时间得到转速值的方法相比，避免了开始和终了脉冲上升沿与时间起止点不同步所产生的误差，提高了测量的准确性。

(2)参数调整

测量装置有三个参数可通过测量装置前面板的按键修改或通过计算机的并行接口由计算机以命令形式修改。这三个参数分别为分频参数，机组每转一圈产生的脉冲数和计算、预定周期。

(3)并行口命令和数据传送

测量装置可接收从计算机传送过来的起动命令、终止命令、读数命令、修改分频系数命令、修改每转脉冲数命令和修改显示计算时间周期命令。当测量装置接收到从计算机发来的起动命令之时，将定时器清零，之后测量装置在检测到每一个转速脉冲上升沿时，向计算机发请求传送数据信号(脉冲)，计算机接收到此信号后，再向测量装置发读数命令，然后测量装置随即将本次脉冲上升沿时间4字节数据发送给计算机，以供计算机做进一步分析。结束命令和启动命令功能相反，通知测量装置停止向计算机发请求数据传送信号。

(4)同步触发

在实现甩负荷动态转速测量时，为了与其它甩负荷信号保持同步，实际使用时，应该先启动转速测量系统，使得系统正常工作，然后当测量仪器接收到甩负荷同步触发信号后立即将定时器清零，重新开始新的计时，当给定的记录时间(采样点数)到后，停止向计算机传送数据。由于在甩负荷之前，测速系统已经开始工作，根据需要可以保存甩负荷之前一段时间内的转速变化规律，即实现负延时处理，保证甩负荷动态转速测量过程的完整性。

(5)频压转换

为了与其他模拟量采集系统提供转速变化的模拟信号，该转速测量装置将转速变化的频率信号转换为直流电压信号输出，频压转换的精度达到1‰，即全量程范围内，转速频率信号对应的输出电压信号的相对误差在1‰以内。满量程电压输出为10V，转换频率的量程范围分别为2、4、6、8、10KHz。

(6)标准频率

为了检验频压转换的精度，该测量装置设计了标准频率信号，标准频率信号的频率分别为2、4、6、8、10KHz，根据频压转换的量程，输入不同的标准频率信号，检测输出电压的值，实现对于测量装置本身的效验。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种便携式汽轮机动态转速测量装置，其特征在于：包括与汽轮机组相连的转速脉冲信号测量电路和频率信号测量电路，所述转速脉冲信号测量电路包括与信号输入端相连的第一放大隔离保护单元，该第一放大隔离保护单元的输出端的一支连接有第一单片机，另一支连接有频压转换单元，所述第一单片机通过并行接口(7)与计算机相连，且该第一单片机的输入端连接有按键(1)和测量范围开关(5)，所述第一单片机的输出端连接有转速LED显示数码管；所述频压转换单元的输出端连接有高通滤波器，所述高通滤波器的输出端为转速的电压输出；所述频率信号测量电路包括有与频率输入端子相连的第二放大隔离保护单元，该第二放大隔离保护单元的输出端连接有第二单片机，该第二单片机的输出端分别连接有A/D转换器和频率LED显示数码管，所述A/D转换器的输出端为频率的输出电压。

2.根据权利要求1所述的便携式汽轮机动态转速测量装置，其特征在于：所述高通滤波器的输入端连接有截止频率开关(8)。

3.根据权利要求1所述的便携式汽轮机动态转速测量装置，其特征在于：所述第一单片机为CPU 8031芯片。

4.根据权利要求1所述的便携式汽轮机动态转速测量装置，其特征在于：所述第二单片机为C8051F020芯片。

5.根据权利要求1所述的便携式汽轮机动态转速测量装置的转速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)启动，通过按键(1)或计算机并行接口(7)进行参数设置，所述参数包括输入信号的分频系数、每转的脉冲数以及预定周期；

步骤2)当第一单片机接收到来自计算机的启动命令后，将定时器清零，之后在第一单片机检测到第一个转速脉冲上升沿时，向计算机发出传送数据信号的请求，计算机接收到该请求后，向第一单片机发出读数命令，第一单片机接收到该命令后，启动计数器开始计数，同时，开始传送数据，即转速脉冲信号从转速信号输入端子输入后，经第一放大隔离保护单元处理后，进入第一单片机，第一单片机对接收到的转速数据进行处理后，通过并行接口(7)向计算机传送汽轮机的动态转速数据，同时在转速LED显示数码管上显示，与此同时，所述汽轮机的转速信号同时被传送至频压转换单元，将频率信号转换为电压信号，最后输出；

步骤3)在预定的周期截止后，当第一单片机接收到第一个转速脉冲信号并传送给计算机，计算机接收到该脉冲信号后，向第一单片机发送停止向计算机发送数据传送信号的请求，第一单片机接收到该请求后，结束。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于：在预定周期截止后，根据下列公式计算转速：

n = 6 \times 10^{7} \cdot \frac{F \cdot n_{1}}{K \cdot n_{2}}

上式中，n₁为转速脉冲个数，n₂为时钟脉冲个数，K为每转的脉冲个数，F为分频系数。

7.如权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于：在所述第一单片机向计算机传送数据的同时，频率信号从频率输入端子(11)输入，经过第二放大隔离保护单元处理后，进入第二单片机，第二单片机对频率信号进行处理后，在频率LED显示数码管(3)上显示，同时送入D/A转换器中转换为模拟信号，最终从频率的电压输出端子(12)输出。