CN107436361B - 评估发动机的转速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及评估机器的转速、更具体地涉及评估由调节器控制的旋转仪器原动机的转速的方法。这种机器包括涡轮机械。本发明还涉及测量速度的测量装置。本发明提供了在测量间隔期间测量许多脉冲、确定脉冲图形的一部分、确定整合周期和基于脉冲图形的该部分计算转速的方法。

Description

评估发动机的转速的方法

技术领域

本发明涉及评估机器的转速、更具体地涉及评估由调节器(governor)控制的旋转仪器原动机的转速的测量装置和方法。

背景技术

旋转仪器原动机是可以将一种形式的可用能量转换为连续旋转功率或运动的特定源的装置。那么，由原动机产生的旋转功率通过驱动另一能量转换装置来使用。旋转仪器原动机的示例包括比如用于风力、燃气、蒸气或水的涡轮、比如用于汽油、柴油或天然气的往复式发动机以及直流和交流电机，直流和交流电机用于转动传动系统、发生器、泵或压缩器。

这种旋转仪器原动机通常装备有调节器(旋转速度，即速度限定和控制装置)，以操纵转速，并优选地保持原动机的输出在恒定水平。调节器具有来自原动机的反馈，其可包括能量输出、转速、角转矩或其它参数。

一种测量原动机的转速的具体方式包括具有特定数量的齿的基准齿轮以及检测经过的齿并输送脉冲信号用于每个检测的传感器。那么，转速可以通过用脉冲数量除以测量间隔而在频率方面测得，测量间隔是在其间检测许多脉冲的时间间隔：

该方法的精度主要取决于确定测量间隔的持续时间的精度。测量间隔的长度影响测量精度，但是还影响反馈到调节器的延迟时间。更长的间隔增加了精度，但是也增加了反馈的延迟时间。对于以低速运行的发动机，需要长测量间隔来得到有效测量，而对于以高速运行的发动机，需要反馈的短延迟时间来以恒定速度控制发动机。

另一问题是，对于某些发动机，比如往复式发动机，角速度不是恒定的，例如随着发动机的冲程，角速度会首先加速，之后减速。

一些现有技术方案通过使计算方式适配于发动机速度来解决该问题。例如，通过引入阈值而在基于一个脉冲-脉冲延迟计算速度或者通过平均化多个脉冲-脉冲延迟计算速度之间进行选择。尽管这允许在高速时增加精度，但是由于角速度的变化，其会显示出在连续计算之间的变化。因此，其它现有技术方案以增加的测量间隔测量速度，但是这会延迟到调节器的反馈。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点。这通过提供一种在测量间隔期间测量许多脉冲、确定脉冲图形(pulse pattern)的一比例(portion)、确定整合周期(integrationperiod)和基于脉冲图形的该比例计算转速的方法来实现。

根据另一方面，提供了一种实施该方法的测量装置。

确定基准齿轮的旋转的旋转移动图形的哪一比例由测量来表示会允许补偿发动机的角速度的变化。因为现有技术方案仅基于表示基准齿轮的旋转移动的一小比例的测量结果来测量转速，所以当发动机实际上以每分恒定的旋转速度(RPM)运行时，连续的测量样本会显示出反映角速度的变化的变化，而不是发动机的速度。

附图说明

仅举例来说，参考附图描述本公开的实施例，附图中：

图1示意性地示出具有速度调节器的发动机的示例；

图2是示出根据本发明的方法的示例的流程图；

图3是示出根据本发明的方法的另一示例的流程图；以及

图4是示意性示出根据本发明的测量装置的示例的框图。

具体实施方式

图1中所示为具有原动机2的发动机1的示例，原动机经由驱动轴4驱动旋转仪器3的部件。发动机1还具有基准齿轮5、传感器6和调节器7。基准齿轮5装备有齿，并安装在驱动轴4上。传感器6布置成检测经过的旋转基准齿轮5的齿，并给调节器7传输脉冲以用于每个检测情况。调节器7又连接到阀8。阀8布置成控制能量源9到原动机2的供给。在该示例中，原动机2可以是被供给柴油(作为能量源)的柴油机。柴油9的供给会使原动机2运行，这又经由驱动轴4驱动旋转仪器3。基准齿轮5会在与原动机2相同的方向(如箭头12所示)上以相同的速度旋转，并允许将转速反馈到调节器7。

由旋转仪器3输送的输出10可以通过仪表11测量，以供应回调节器7，并被考虑以经由阀8控制能量源9。

调节器7具有测量装置13，其构造成执行评估发动机的转速的方法。转向图2，示出这种评估图1的发动2的转速的方法的示例。该方法要求在测量间隔期间测量许多脉冲X101、确定脉冲图形的一比例102、确定整合周期103和基于脉冲图形的该比例计算转速104。

传感器6检测经过的齿轮的齿，并针对每次检测提供由脉冲构成的输入信号14。由传感器6输送的脉冲可以由脉冲计数器测量，脉冲计数器计数脉冲的数量。时间计数器可以测量在连续脉冲之间延迟的时间。每个脉冲的脉冲指数(index)也被监测。

当发动机开始运行时，测量可以立即开始。当基准齿轮5具有固定数量的齿时(这对于调节器7是已知的)，每个进来的脉冲可以分配一脉冲指数，从1至齿的数量M。在完成基准齿轮5的一个全程旋转时，下一脉冲再次对应于第一脉冲指数。这允许通过存储每个脉冲指数的时间比例延迟来获取基准齿轮5的脉冲图形。因此，对于脉冲指数2，存储第一脉冲和第二脉冲之间的时间比例延迟。在该实施例中，获取的脉冲图形存储在图形类型的表中，初始测量可以一般称为学习阶段。在其它实施例中，图形类型的表可以通过发动机的制造者提前提供。基准齿轮5的全程旋转可以采取若干测量间隔，即脉冲计数器的采样周期。取决于发动机的结构，例如气缸的数量，脉冲图形可对应于基准齿轮5的一个旋转或若干旋转。图形表由此包含用于N个脉冲的脉冲指数的时间延迟，N等于基准齿轮上的齿的数量M或者其倍数，比如2*M、3*M或4*M。为了确定脉冲图形的该比例102，进来的测量脉冲与图形类型的表的存储脉冲进行比较。在一个实施例中，这可以通过比较脉冲指数和选择匹配测量的脉冲的指数的那比例来完成。在另一实施例中，这可以通过比较连续时间延迟与图形类型的表的比例时间延迟然后选择匹配测量的脉冲的那比例来完成。

基于脉冲指数选择该比例要求脉冲计数器与脉冲图形表同步。当学习阶段已先于调节器使用测量结果的阶段时，这易于获得。如果脉冲图形表由制造者提供，则可以要求脉冲计数器与脉冲图形表的开始指数的同步。

基于比较连续脉冲来选择该比例不要求脉冲计数器和脉冲图形表的同步，而是导致通过识别连续脉冲指数来选择该比例，连续脉冲指数的比例时间延迟匹配测量的脉冲。

总之，基于对应脉冲指数的脉冲X和时间延迟，校正值Portion被计算为全图形的N脉冲除以全图形的总时间延迟之和与接收的脉冲X除以对应脉冲指数的时间延迟之和之间的比率。方程如下所示：

换言之，校正值Portion是全图形的脉冲N的平均速度与脉冲X的相对速度之间的比率。

可以从采样周期确定整合周期103，即采样周期是在其间测量脉冲的周期，时间延迟从上一测量脉冲直到采样周期结束。该方法从欧洲专利EP2172785B1中已知，该欧洲专利已于2016年3月16日授权给Schneider Electric。本文公开的方法允许更精确地确定测量间隔的周期，在该周期期间，接收脉冲。特别地，其扣除了从上一检测脉冲到采样周期结束的时间，并添加了先前采样周期的对应时间间隔。

利用在测量间隔中测量的脉冲的数量、脉冲图形的该比例和可用的整合周期，发动机的转速可以基于脉冲图形的该比例计算为频率。通过采取如下方程：

本文中，X_pulses是测量有脉冲X的数量。T_integration是测量间隔的时间。Portion是如上所述的校正值。

转向图3，流程图更详细地示出该方法的示例。该方法包括在测量间隔期间测量许多脉冲X 201、确定脉冲图形的一比例202、确定整合周期203和基于脉冲图形的该比例计算转速204。该方法还包括提供图形类型的表205、经由来自基于时间的发生器的时钟信号触发测量间隔206和验证整合周期的大小207。

如上所述，图形类型的表可以由发动机的制造者提前提供205。或者，其可以通过存储在发动机启动时(即在学习阶段期间)获得的测量结果而提供。学习阶段优选地在发动机以正常操作速度运行时执行。优选地，发动机的负载在学习阶段期间保持稳定，所以发动机可以基本上以恒定速度运行，以允许捕获表示发动机的脉冲图形。学习阶段仅采取几个旋转来捕获和存储脉冲图形。

基于时间的发生器可以用于提供时钟信号来触发测量间隔206。该基于时间确定了测量间隔的长度，由于其周期属性，还可称为采样周期。

当发动机以低频率运行时，例如小于每分60转，可能的是，当基准齿轮同样缓慢地旋转时，在测量间隔中传感器没有输送任何脉冲。整合周期不会满足期望的精度，这可以例如当整合周期变得小于采样周期的一半时发生。或者，例如，当发动机的频率位于采样率的两倍和三倍之间时，整合周期可在采样率的一半或小于一倍之间波动。频率和采样率之间的比率越高，整合周期的大小越接近采样周期。这优化了潜在的可获得精度。

因此，为了保证计算精度，需要验证整合周期的大小207。如果没有测量脉冲或者如果整合周期小于预定阈值，则整合周期需要延长208。例如，为了获得0.005％的误差或更好的精度，整合周期必须大于系统时钟周期的20000倍。

参见图4，示出用于测量发动机的转速的测量装置20。测量装置包括用于输入信号的输入端口21。测量装置还包括：系统时钟22，提供系统时钟信号；基于时间的发生器23，确定从系统时钟信号中得到的采样周期；计数器时钟24，提供从系统时钟信号中得到的计数器时钟信号；输入脉冲计数器25，计数在采样周期期间的输入信号的脉冲并追踪输入脉冲的指数；时间计数器26，计数在输入信号的两个连续脉冲之间的计数器时钟24的脉冲；以及闭锁存储器(latching memory)27，在当前采样周期和先前采样周期两者的采样周期结束时，捕获和存储输入脉冲计数器的值的指数以及时间计数器的值。

闭锁存储器27可包括两对闭锁记录器(registry)28和29。每对28、29由两个闭锁记录器28a、28b和29a、29b构成，以存储脉冲指数和脉冲延迟的值。一个对29存储先前测量间隔的值，其可以称为“采样开始”。另一个对28会存储当前测量间隔的值，其可以称为“样本结束”。

在图4的实施例中，基于时间的发生器23和计数器时钟24从系统时钟22中得到它们的信号频率。基于时间的发生器23的信号频率确定何时升级测量。计数器时钟24的信号频率相对于基于时间的发生器23的信号频率确定测量精度。例如，对于0.005％的精度，计数器时钟24的频率必须是基于时间的发生器23的频率的20000倍高。

测量装置20还可包括图形类型的表30。该图形类型的表30保持一系列脉冲指数的至少一个脉冲图形以及每个脉冲指数的比例延迟。测量装置还可包括比例计算器(portioncalculator)31，用于比较闭锁存储器27存储的脉冲指数与脉冲图形表，并从与闭锁存储器27存储的脉冲指数相关的比例延迟计算脉冲图形的该比例。

测量装置20还可包括处理单元32。处理单元32布置成通过从当前采样周期的存储的脉冲指数中减去先前采样周期的存储的脉冲指数来计算脉冲的数量。另外布置成从采样周期、针对先前采样周期存储的脉冲指数的比例延迟和针对当前采样周期存储的脉冲指数的比例延迟来计算整合周期。并且布置成从脉冲的数量、脉冲图形的该比例和整合周期计算转速的频率。

在另一实施例中，测量装置20的处理单元32还可布置成执行比例计算器31的功能。因此，不存在用于比例计算器31的分离的硬件。

尽管上面参考特定实施例描述了本发明，但是并不意在限于本文阐述的特定形式。而是，本发明仅由权利要求限定，与上面特指实施例不同的实施例等同地位于权利要求的范围内。

而且，尽管上面以部件和/或功能的示例性组合描述了示例性实施例，但是应明白，在不脱离本公开的范围的情况下，替代实施例可以构件和/或功能的不同组合来提供。此外，特别设想的是，单独地或作为实施例的一比例描述的特定特征可以与其它单独描述的或作为其它实施例的一比例描述的特征组合。

Claims (12)

1.用于评估发动机的转速的方法，包括：

提供脉冲图形表，所述脉冲图形表包括至少一个脉冲图形，所述脉冲图形表示一系列脉冲指数及用于每个脉冲指数的时间比例延迟；

在测量间隔期间测量许多脉冲；

通过比较测量的脉冲与至少一个脉冲图形并选择匹配测量的脉冲的比例来确定脉冲图形的一比例，以及基于脉冲图形的选择的比例计算校正值，校正值是全图形的脉冲的平均速度与测量的脉冲的相对速度的比率；

从测量间隔确定整合周期；

基于在测量间隔中测量的脉冲数量、脉冲图形的校正值比例和整合周期计算转速。

2.如权利要求1所述的方法，其中，比较测量的脉冲与至少一个脉冲图形包括：当脉冲计数器与脉冲图形表同步时，比较脉冲指数并选择匹配测量的脉冲的指数的那比例；或者

比较连续时间延迟与脉冲图形表的比例时间延迟。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，基于脉冲图形的选择的比例计算校正值包括：计算全图形的脉冲除以全图形的总时间延迟之和与接收的脉冲除以对应脉冲指数的时间延迟之和之间的比率。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：

经由来自基于时间的发生器的时钟信号来触发测量间隔。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述整合周期从测量间隔和从上一测量脉冲直到采样周期结束的时间延迟来确定。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：

评价整合周期的大小。

7.如权利要求6所述的方法，其中，评价整合周期的大小在两个测量间隔之间执行。

8.如权利要求6或7所述的方法，其中，评价整合周期的大小包括：

当在测量间隔中测量的脉冲的数量等于零时延长整合周期；和/或

当整合周期的大小小于预定阈值时延长整合周期。

9.如权利要求8所述的方法，其中，预定阈值是采样周期的一半。

10.用于测量发动机的转速的测量装置，包括：

系统时钟，提供系统时钟信号；

基于时间的发生器，确定从系统时钟信号中得到的采样周期；

计数器时钟，提供从系统时钟信号中得到的计数器时钟信号；

输入脉冲计数器，在采样周期期间计数输入信号的脉冲，并跟踪输入脉冲的指数；

时间计数器，计数输入信号的两个连续脉冲之间的计数器时钟的脉冲；以及

闭锁存储器，捕获和存储输入脉冲计数器的值的指数以及当前采样周期和先前采样周期两者的采样周期结束时的时间计数器的值；

脉冲图形表，包括一系列脉冲指数的至少一个脉冲图形以及用于每个脉冲指数的比例延迟；以及

比例计算器，比较闭锁存储存储的脉冲指数与脉冲图形表，并从与闭锁存储器存储在脉冲指数相关的比例延迟中计算脉冲图形的该比例；

处理单元，布置成：

通过从当前采样周期的存储的脉冲指数中减去先前采样周期的存储的脉冲指数来计算脉冲数量；

从采样周期、用于先前采样周期的存储的脉冲指数的比例延迟和用于当前采样周期的存储的脉冲指数的比例延迟中来计算整合周期；以及

从脉冲数量、脉冲图形的该比例和整合周期来计算转速的频率。

11.速度调节器，包括如权利要求10所述的测量装置。

12.旋转仪器原动机，包括如权利要求10所述的测量装置或如权利要求11所述的速度调节器。

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