CN110286246B - 涡轮转速检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮转速检测方法及装置，涉及涡轮转速测量技术领域。其检测方法技术要点包括沿涡轮的周向设置一个励磁线圈，在励磁线圈内分布三个用于接收励磁信号的接收线圈，接收线圈基于磁场变化输出交变的检测电压；将三个接收线圈输出的检测电压分别转化为直流的比较电压输出；将对应三个接收线圈的比较电压一一比较，记录存在比较差值的比较电压；当三个接收线圈的比较电压均出现比较差值后，进行计数，本发明具有受外界影响小，测量精度准确的优点。

Description

涡轮转速检测方法及装置

技术领域

本发明涉及涡轮转速测量技术领域，更具体地说，它涉及一种涡轮转速检测装置。

背景技术

目前，公告号为CN105929191A的中国专利公开一种涡轮增压器转速测量方法，其步骤如下：在涡轮轴圆柱型侧面切削出与涡轮轴轴线平行的平面；在涡轮轴外部壳体上加工正对平面旋转轨迹的安装孔，安装孔内装入电涡流传感器检测探头，电涡流传感器检测探头朝向涡轮轴圆柱型侧面且与涡轮轴圆柱型侧面保有间距，在平面转至电涡流传感器检测探头产生区别信号；电涡流传感器连接转速计算器，利用区别信号计算形成转速数据。

现有技术中类似于上述的转速测试方法，其采用电涡流传感器，电涡流传感器将高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变。因此电涡流传感器所输出的电流一般为交流电，需要通过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。

因此上述的电涡流传感器输出的电压受外界环境参数影响较大，即当外界温度变化时，可能会对电涡流传感器输出的脉冲电压值产生变化，影响测量的精度。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的第一目的在于提供一种涡轮转速检测方法，其具有受外界影响小，测量精度准确的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种涡轮转速检测方法，包括：

沿涡轮的周向设置一个励磁线圈，在励磁线圈内分布三个用于产生磁场的接收线圈，接收线圈基于磁场变化输出交变的检测电压；

将三个接收线圈输出的检测电压分别转化为直流的比较电压输出；

将对应三个接收线圈的比较电压和预设的阈值电压比较，分别记录三个接收线圈的比较电压至越过阈值电压的次数；

将三个接收线圈的比较电压中越过阈值电压的次数最多的作为圈数。

通过采用上述技术方案，通过在接收线圈感应到交变的电流，使得接收线圈发出稳定的交变磁场；当出现金属切割磁场时，产生的涡流会使得磁场大小出现变化，此时接收线圈感应到的交变电压的幅值发生改变。

通过获取交变的检测电压并转化为直流的比较电压，三个接收线圈的比较电压分别和阈值电压，通过调节三个接收线圈参数，能够使得三个接收线圈均为依次感应到外接有金属接近。因此比较电压在和阈值电压比较时，受到环境影响因素小，比较结果能够较为准确的反应出涡轮的位置，测量精度准确。

本发明进一步设置为：所述励磁线圈上连接有励磁信号发生器，三个接收线圈用于接收通过励磁线圈发出的励磁信号。

通过采用上述技术方案，通过一个励磁线圈分别耦合三个接收线圈，保证三个接收线圈输出衰减波的周期是基于励磁信号的周期，实现了多个接收线圈衰减波输出频率是同步的。

本发明进一步设置为：检测电压分别转化为直流的比较电压包括：

通过场效应管将检测电压转化为检测电流；

将切换开关在预设时长内为电压为预设值的储能电容接通检测电流；

在预设时长后，将切换开关断开检测电流并获取储能电容的电压值，构成比较电压。

通过采用上述技术方案，当储能电容在接入检测电流时，会使得储存电容上的电荷量发生改变；储存电容的电压改变值等于储能电容上电流变化的积分值。而当通过场效应管将检测电压转化为检测电流，则检测电压在特定周期内的幅值变化会反应到储能电容两端的电压上。

本发明进一步设置为：励磁信号发生器和切换开关均由一个处理器控制。

通过采用上述技术方案，一个处理器可以简单可靠的实现励磁信号发生器和切换开关的周期同步，无需为同步周期产生更多的成本。

本发明进一步设置为：在预设时长内为储能电容接通检测电流时，检测储能电容两端的电压变化。

通过采用上述技术方案，将变化的交变信号转化为可以通过比较器进行比较的直流信号，降低系统复杂度，方便检测。

本发明进一步设置为：三个接收线圈印刷于同一PCB板上。

通过采用上述技术方案，通过印刷的方式，能够缩小转速检测装置的体积，便于安装。

本发明进一步设置为：三个接收线圈的比较电压一一对应连接至三个比较器进行比较，使用处理器接收三个比较器的输出结果；处理器当比较器输出上升沿或下降沿信号时，记录此时的基准比较电压和三路接受线圈的状态。

通过采用上述技术方案，通过获取上升沿或下降沿信息，可以采用较少的比较器，就能获得对应三个感应线圈比较的信息，结构简单且输出准确。

本发明进一步设置为：处理器基于三个比较器输出比较信号的次序，输出涡轮的正转或反转的信息。

通过采用上述技术方案，便于统计，且结果准确。

本发明的第二目的在于提供一种涡轮转速检测装置，其具有受外界影响小，测量精度准确的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种涡轮转速检测的装置，用于执行第一目的所述的涡轮转速检测方法。

通过采用上述技术方案，同时由于三个接收线圈都安装在涡轮中，所处的环境相同，只有是否有金属阻碍磁力线这一个变量，三个接收线圈输出检测电压和比较电压不受其它环境因素影响，比较结果能够较为准确的反应出涡轮的位置，测量精度准确。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过场效应管将检测电压转化为电流，从而通过检测储能电容的电压变化值获得检测电压的变化；

2、通过励磁线圈和三个接收线圈磁感耦合的方式，保证三个接收线圈输出同步的衰减波电压；

3、采用三个接收线圈对涡轮转速进行检测的同时，也能够根据三个接收线圈出现的顺序，获得涡轮的转向。

附图说明

图1为涡轮转速检测装置的安装结构示意图；

图2为涡轮转速检测装置的电路连接示意图；

图3为衰减波的波形示意图。

附图标记：1、涡轮转速检测装置；2、励磁线圈；3、接收线圈；4、处理模块；5、励磁信号发生器；6、储能电容；7、切换开关；8、载体；9、处理器；10、比较模块；11、检测输出端；12、场效应管；13、涡轮叶片；14、涡轮外壳；15、金属片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例，一种涡轮转速检测装置1，如图1所示，其安装于涡轮外壳14上通过检测涡轮上的金属化或部分金属化的涡轮叶片13位置，获取涡轮叶片13转动圈数，来计算获取涡轮的转速；其中涡轮叶片13可以为全金属叶片，也可以为塑料叶片上添加金属片15。本实施以其中的涡轮中的其一叶片上添加金属片15为例。

具体的，如图2所示，涡轮转速检测装置1包括设置于涡轮壳体上的外壁上的载体8、沿涡轮壳体周向的载体8上设置一个励磁线圈2，在励磁线圈2内均匀布置三个接收线圈3、连接于励磁线圈2上为励磁线圈2提供励磁信号的励磁信号发生器5、连接于三个接收线圈3且将三个接收线圈3接收信号分别转化为直流的比较电压输出的处理模块4和将处理模块4输出的三个比较电压分别比较的比较模块10以及基于比较模块10输出信号对涡轮转动状态进行判断的处理器9。具体的，载体8为PCB板，激励线圈2和三个接收线圈3均印刷于PCB板上。

检测过程中三个接收线圈3基于磁场变化输出交变的检测电压；处理模块4将三个接收线圈3输出的检测电压分别转化为直流的比较电压；比较模块10将对应三个接收线圈3的比较电压和预设的阈值电压比较，处理器9记录出现小于预设电压值的比较电压，当三个接收线圈3的比较电压均越过电压时，递加圈数。

如图1所示，处理模块4的数量与接收线圈3数量相同，接收线圈3输出的检测电压分别对应输出于不同的处理模块4。处理模块4获取从接收线圈3中输出的变化的检测电压，输出易于检测的直流电压。将三个接收线圈3分别连接在三个处理模块4上，因此只要其一的处理模块4的检测输出端11出现的电压的变化，则说明金属物体移动至该接收线圈3所在位置，而通过获取各个处理模块4检测输出端11电压的连续变化，能够获取金属物体在载体8下的移动路径。

具体的，三个接收线圈3输出的衰减波周期等于励磁线圈2连接的励磁信号发生器5的脉冲产生的周期频率，三个接收线圈3电压变化频率受励磁信号发生器5的同步控制。选用的励磁信号发生器5输出的脉冲的持续时间可相对较短。例如，脉冲的持续时间为几纳秒，这可以减小在励磁线圈2上的电流消耗。当励磁信号发生器5在激励线圈2发出一个脉冲；检测接收线圈3的电压波型变化，无金属片15经过时，接收线圈3输出的电压波形为正常衰减波，当有金属片15经过时，接收线圈3输出的电压波形为阻尼衰减波，具体见图3，正常衰减波的衰减幅度小于阻尼衰减波的衰减幅度。

因此利用这一特点，通过处理模块4在获取指定时长内的衰减波电压积分值，把交流的衰减波型转变为直流的电压积分波形，方便后续对波形的处理和比较。

具体的，如图1、2所示，处理模块4包括储能电容6、切换开关7；储能电容6存储电荷在其高压端产生电压；切换开关7一端连接于储能电容6的高压端，另一端包括供切换的复位节点、通流节点和检测节点；处理器9输出控制信号，使切换开关7依次在复位节点、通流节点和检测节点之间切换。

如图1、2所示，复位节点上连接有复位电压，当切换开关7切换至复位节点时，复位电压将储能电容6的高压端电压恢复至复位电压。

如图1、2所示，通流节点上连接有执行电路，当切换开关7切换至通流节点时，在储能电容6在执行电路上形成回路；执行电路接收检测电压，且基于检测电压的大小转化成执行电路的电流通量的大小。

如图1、2所示，检测节点上连接有检测输出端11，检测输出端11用于输出储能电容6高压端的电压。

进一步的，如图1、2所示，复位电压高于执行电路的电位，本实施例中，复位电压采用电源电压VCC，电压值在0V至VCC之间。而执行电路直接接地。因此当切换开关7切换至复位节点时，复位电压为储能电容6充电；当切换开关7切换至通流节点时，储能电容6作为电源放电；当切换开关7切换至保持节点时，储能电容6保持电压。由于电容的放电的线性好于电容充电的线性，因此放电后的电容检测的电压更加准确，且电容充电比每次充电然后把电荷放完，所消耗的电能会更少，测试方式更加的节能。

具体的，如图1、2所示，执行电路包括场效应管12，场效应管12具有通过输入电压控制为输出电流的作用；利用场效应管12这一性质，选用N沟道耗尽型绝缘栅场效应管12；场效应管12的栅极接收检测电压，漏极连接通流节点，源极接地。即当场效应管12栅极接收的检测电压值越大时，则场效应管12通过漏极和源极的电流值就越大；当场效应管12栅极接收的检测电压值越小时，则场效应管12通过漏极和源极的电流值就越小。进一步的，执行电路还可以包括串联在场效应管12和地线之间的调流电阻。调节调流电阻的大小能够将执行电路的电流进行调节。

如图1、2所示，切换开关7可以采用模拟开关或者开关芯片，本实施例采用两个MOS管构成切换开关7。具体的，两个MOS管分别为增强型PMOS管和增强型NMOS管。其中增强型PMOS管的源极连接复位电压，漏极连接储能电容6的高压端；增强型NMOS管的源极连接场效应管12的漏极，增强型NMOS管的漏极连接储能电容6的高压端。处理器9分别连接在增强型PMOS管和增强型NMOS管的栅极，通过输出脉冲，控制增强型PMOS管和增强型NMOS管的通断。

因此当处理器9向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出低电平信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管将被截止，等同于构成的切换开关7的复位节点导通。当处理器9向增强型PMOS管输出高电平的脉冲信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将被导通，等同于构成的切换开关7的通流节点被导通。而当处理器9向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被截止且增强型NMOS管将截止，等同于构成的切换开关7的检测节点被导通。而当处理器9向增强型PMOS管输出低电平信号，向增强型NMOS管输出高电平的脉冲信号时，此时由于增强型PMOS管和增强型NMOS管的特性，增强型PMOS管将被导通且增强型NMOS管将被导通，无法构成的切换开关7的任何状态，因此在实际中，处理器9不会产生此种类型的信号至增强型PMOS管和增强型NMOS管中。

如图1、2所示，处理器9通过向增强型PMOS管和增强型NMOS管输出脉冲信号。使得在增强型PMOS管和增强型NMOS管构成的切换开关7在指定周期内，按照复位节点、通流节点和检测节点的顺序切换。而为了获取较好的检测效果，励磁信号发生器5可以由处理器9控制脉冲输出的周期；具体的，脉冲产生器5由增强型PMOS管和电源电压VCC构成，增强型PMOS管的源极连接电源电压，漏极连接激励线圈2的一端，栅极接收处理器9的输出信号。

因此处理器9可以直接确定励磁信号发生器5输出脉冲的周期；根据要求输出采取所要求时段衰减波积分值的脉冲信号。例如，一整个衰减波周期的积分值，衰减波的第一个正向波形的积分值、或一个衰减波的前四个正向波形的积分值等等。

比较模块10包括三个比较器，三个比较电压分别连接于三个比较器的同相输入端，三个比较电压的反相输入端分别连接预设的阈值电压。具体的，将三个比较电压分别命名为第一比较电压Vout1、第二比较电压Vout2和第三比较电压Vout3，三个比较器分别命名为第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3。第一比较器COMP1的同相输入端获取第一比较电压Vout1反相输入端获取第一阈值电压Vref1，第二比较器COMP2的同相输入端获取第二比较电压Vout2反相输入端获取第二阈值电压Vref2，第一比较器COMP3的同相输入端获取第三比较电压Vout3反相输入端获取第三阈值电压Vref3。第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3的输出端均连接处理器9。

处理器9为数字信号处理器。当安装金属片15的叶片移动至临近第一接收线圈3时，第一接收线圈3受到金属片15切割磁场，使得磁场变小，会使得接收线圈3输出的检测电压的幅值变小，因而导致检测电流减小，导致在预设时长后，充电电容内保留的电子较多，输出的第一比较电压Vout1将大于第一阈值电压Vref1。此时第一比较器COMP1从低电平变为高电平，第二比较器COMP2和第三比较器COMP3其均输出低电平；处理器9接收到并记录第一比较器COMP1输出的上升信号；同理，当安装金属片15的叶片移动至临近第二接收线圈3时，第二比较电压Vout2将大于第二阈值电压Vref2。此时第二比较器COMP2从低电平变为高电平，处理器9接收到并记录第二比较器COMP2输出的上升沿信号；当安装金属片15的叶片移动至临近第三接收线圈3时，第三比较电压Vout3将大于第三阈值电压Vref3。此时第三比较器COMP3从低电平变为高电平，处理器9接收到并记录第三比较器COMP3输出的上升沿信号。

因此通过上述方案中，第一比较电压Vout1、第二比较电压Vout2和第三比较电压Vout3的大小可以通过第一调流电阻R1、第二调流电阻R2和第三调流电阻R3进行调节；第一阈值电压Vref1、第二阈值电压Vref2和第三阈值电压Vref3也可以调节，因此可以通过修改第一调流电阻R1、第二调流电阻R2和第三调流电阻R3的参数，获得不同的第一比较电压Vout1、第二比较电压Vout2和第三比较电压Vout3；再修改第一阈值电压Vref1、第二阈值电压Vref2和第三阈值电压Vref3获得合适的阈值。使得第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3三者对应的电路皆不同，能够适应更多情况。

当处理器9接收到第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3的上升沿信号后，分别累加，并在累加计数最多的比较器输出上升沿信号后，处理器9将会在记录的叶轮转圈数量加一。而后处理器9通过将叶轮转圈的圈数除以处理器9启动的时长后，就可以输出涡轮的转速。

另外本方案中，采用了三个接收线圈3，通过第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3输出上升沿的次序能够判断涡轮是在正转还是在反转。例如正转状态下，叶轮依次经过的第一接收线圈3、第二接收线圈3和第三接收线圈3，在反转状态下叶轮依次经过的第一接收线圈3、第三接收线圈3和第二接收线圈3；因此当处理器9接收的比较模块10输出的上升沿次序为第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和第三比较器COMP3时，涡轮在正转；当处理器9接收的比较模块10输出的上升沿次序为第三比较器COMP3、第二比较器COMP2和第一比较器COMP1时，涡轮在反转。

涡轮转速检测方法：

涡轮扇叶转动引起三个接收线圈3磁场变化，使得三个接收线圈3输出幅值变化的检测电压；

场效应管12将三个接收线圈3输出的检测电压分别转化为检测电流；

处理器9将预设时长内切换开关7切换至通流节点，为电压等于电源电压的储能电容6接通检测电流，使得储能电容6放电；

在预设时长后，处理器9使得切换开关7切换到检测节点，在检测节点输出储能电容6的电压值，构成直流的比较电压；

将对应三个接收线圈3的比较电压和预设的阈值电压比较，分别记录三个比较器发出上升沿的次数；

将三个比较器中发出上升沿的次数最多的作为圈数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种涡轮转速检测方法，其特征在于：包括：

沿涡轮的周向设置一个励磁线圈(2),励磁线圈（2）内分布三个用于接收励磁信号的接收线圈（3），接收线圈（3）基于磁场变化输出交变的检测电压；

将三个接收线圈（3）输出的检测电压分别转化为直流的比较电压输出；

将对应三个接收线圈（3）的比较电压和预设的阈值电压比较，分别记录三个接收线圈（3）的比较电压值越过阈值电压的次数；

将三个接收线圈（3）的比较电压中越过阈值电压的次数最多的作为圈数；

检测电压分别转化为直流的比较电压包括：

通过场效应管（12）将检测电压转化为检测电流；

将切换开关（7）在预设时长内为电压为预设值的储能电容（6）接通检测电流；

在预设时长后，将切换开关（7）断开检测电流并获取储能电容（6）的电压值，构成比较电压。

2.根据权利要求1所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：

所述励磁线圈（2）上连接有励磁信号发生器（5），三个接收线圈（3）用于接收通过励磁线圈（2）发出的励磁信号。

3.根据权利要求1所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：励磁信号发生器（5）和切换开关（7）均由一个处理器（9）控制频率。

4.根据权利要求1所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：在预设时长内为储能电容（6）接通检测电流时，检测储能电容（6）两端的电压变化。

5.根据权利要求1所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：三个接收线圈（3）印刷于同一PCB板上。

6.根据权利要求1所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：三个接收线圈（3）的比较电压一一对应连接至三个比较器进行比较，使用处理器（9）接收三个比较器的输出结果；处理器（9）当比较器输出下降沿信号时，记录对应的比较电压。

7.根据权利要求6所述的涡轮转速检测方法，其特征在于：处理器（9）基于三个比较器输出下降沿的次序，输出涡轮的正转或反转的信息。

8.一种涡轮转速检测的装置，其特征在于：用于执行权利要求1至7任一所述的涡轮转速检测方法。

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