CN112816732B - 一种检测低速柴油机旋转的检测装置 - Google Patents

一种检测低速柴油机旋转的检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供的检测柴油机旋转的检测装置，包括至少三个接近式传感器，其沿柴油机的飞轮轮齿的转动方向的正切线方向依次排列，相邻的两个接近式传感器的间距为以接近式传感器的数量对飞轮轮齿的一个轮齿周期宽度进行均分后的尺寸，且间距小于飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，以基于至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定柴油机旋转的相关数据。其可以提高旋转检测中转速测量的精度，在无故障前提下提高测量精度，且在出现单一或有条件的双点故障前提下依然可保持较高的测量精度，在满足最低测量条件下，测量精度依然可以保证原有方法的测量精度提高系统转向测量的可靠性。

Description

一种检测低速柴油机旋转的检测装置
技术领域
本发明涉及低速柴油机旋转检测技术领域，特别涉及一种用以检测低速柴油机旋转的检测装置。
背景技术
目前，船用低速柴油机的旋转检测主要是针对输出轴转速和转向的测量。当前主流的柴油机旋转检测是通过两对(4个)霍尔式或磁电式接近传感器测量经过的飞轮轮齿的方法来判断转速和转向。两对传感器的测量结果相互独立，在出现故障情况下具有相互备份功能。图1为其中一对传感器的安装，图2为排列示意图，左侧为A传感器，右侧为B传感器，两对传感器对正安装。
转速的测量通过采样每对中一路接近开关脉冲信号，由旋转检测控制器通过测频法或测周法根据不同柴油机飞轮总齿数的配置，最终计算出柴油机的转速。
测频法是在一定时间间隔T(单位：s)内计数被测脉冲信号的变化次数N，则被测信号的频率f＝N/T。假设每转产生m个脉冲，则转速值为n＝60N/mT。
测周法是通过测量单位个脉冲的时间间隔，即，脉冲信号周期来计算转速的方法。假设每转产生m个脉冲信号，测得两个相邻信号之间的时间间隔是t(单位：s)，则测得转速(单位：转/分钟)为n＝601/mt。
转向的测量需要根据采集的两个脉冲相位进行判断。一对传感器的安装间距需要小于一个齿面的宽度，来保证一个齿面经过的时候两个传感器能够有脉冲重合，重合位的两个传感器脉冲信号，优先置位的，代表轮齿优先经过，即可判断旋转方向。例如图3所示为一对传感器的波形图。
如图3所示的波形可判断同一齿面经过两传感器时先经过A传感器后经过B传感器，那么根据图1的安装形式，可判断转向为逆时针旋转在此界定为正转，同样的方式若如图4所示的波形则为顺时针旋转即反转。
同时，转速是柴油机最重要的控制和监测参数，柴油机控制系统的主要功能就是对柴油机的转速实施控制，转速测量的精度直接关系到转速控制的优异性。上述所采用的转速测量方法当采用测频法时不论计数间隔T取何值，其脉冲计数的最大误差为±1个脉冲，因此，测频法的理论转速误差为：
Figure BDA0002874140200000021
通俗理解既测量系统仅靠测试经过的齿面个数，但无法分辨出相邻两齿面宽度的转动，因此要减小误差，就要增大N。增加N的方法有两个：一是增加测量时间间隔T；二是增加每转一圈产生的脉冲数m。而增加测量时间间隔T，会降低系统输出的刷新速度，另外因为柴油机飞轮齿数在设计完成后就无法变更，因此通过增加飞轮齿数来增加脉冲数m也无法实现。
如果直接将一对(2个)传感器脉冲信号融合来增加脉冲数N，这种方法理论上也无法将测量精度提高超过2倍，因为，飞轮轮齿形状并非方齿而是楔形齿，齿面宽度小于两个齿面的跨度，两个传感器间距又要小于齿面宽度即B<D/2，所以在齿面经过，检测到两个脉冲的时候，还未跨过相邻两个轮齿的中线即D/2的位置，只是以近似中线的方式来形成2N个脉冲数，将测量精度提高接近2倍，具体偏差要依据齿型和传感器位置。
测周法的转速测量误差由周期t的测量误差决定，显然脉冲信号周期越长，即t越大，在同样测量精度条件下，相对误差越小。但t越大，就意味着转速越低，所以，测周法适合测量转速较低的场合。但同样若t越大，系统地刷新速度会越低，测量转速的波动率会增大。
转向的测量依赖于两个脉冲信号相位的比较，即使两组传感器的测量结果相互备份，若每组传感器中皆随机一个出现故障，则系统将无法获得转向信号。以单路传感器及其回路的故障率为1/1000，那么系统级转向信号故障率为为：
Figure BDA0002874140200000022
失去转向信号，意味着无法控制柴油机的一系列操作，柴油机失控或停机，这对柴油机本身和船舶航行都带来无法估计的风险隐患及经济损失。能够提高转向测量地可靠性也凸显的尤为重要。
发明内容
本发明实施例提供了一种通过改变接近式传感器安装形式和测量算法来提高柴油机旋转检测的精度和可靠性的的检测低速柴油机旋转的检测装置。
本发明实施例提供的检测柴油机旋转的检测装置，包括：
至少三个接近式传感器，其沿柴油机的飞轮轮齿的转动方向的正切线方向依次排列，相邻的两个接近式传感器的间距为以所述接近式传感器的数量对所述飞轮轮齿的一个轮齿周期宽度进行均分后的尺寸，且所述间距小于所述飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，以基于所述至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定所述柴油机旋转的相关数据。
在本发明的一些实施例中，所述基于所述至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定所述柴油机旋转的相关数据，包括：
将所述至少三个接近式传感器以两个接近式传感器为一组进行排列组合形成至少三个传感器组合；
基于所述至少三个传感器组合中任意三个传感器组合中每个传感器组合检测的两组脉冲信号的组合波形，确定所述柴油机的旋转方向。
在本发明的一些实施例中，若所述至少三个接近式传感器的数量大于3个，则对所述至少三个传感器组合进行优先级设置。
在本发明的一些实施例中，所述对所述至少三个传感器组合进行优先级设置，包括：
将所述至少三个传感器组合中的三个传感器组合设为第一优先级，所述第一优先级的三个传感器组合中的两个接近式传感器为相邻的两个传感器；
将所述至少三个传感器组合中的其它传感器组合设为第二优先级。
在本发明的一些实施例中，所述接近式传感器的数量为4个，若所述脉冲技术的误差为±1个，则通过4个所述接近式传感器进行检测的测量误差为：
Figure BDA0002874140200000031
其中，e为测量误差；
N为单位时间内的脉冲数量；
m为所述飞轮轮齿每转一圈所产生的脉冲数量；
T为以测频法进行测量时的测量时间间隔。
在本发明的一些实施例中，所述轮齿周期宽度为所述飞轮轮齿的相邻的两个轮齿的同侧齿顶在水平面内投影的最大间距。
本发明实施例提供的检测低速柴油机旋转的检测装置，具有以下优点：其可以显著提高旋转检测中转速测量的精度，在无故障前提下提高测量精度，若采用4个接近式传感器，则可提高精度为原有测量方式的4倍，在出现单一或有条件的双点故障前提下依然可保持高于原有方法2倍的测量精度，在满足最低测量条件下，测量精度依然可以保证原有方法的测量精度；此外，还可以在有限数量的接近式传感器的前提下有效地增加转向测量组合的数量，从而提高系统转向测量的可靠性。以采用4个接近式传感器为例，本发明可以将原方法的转向信号故障率降低25％。
附图说明
图1为现有技术中的检测低速柴油机旋转的检测装置的接近式传感器的安装示意图；
图2为现有技术中的检测低速柴油机旋转的检测装置的接近式传感器的排列示意图；
图3为现有技术中的检测低速柴油机旋转的检测装置在柴油机转轴正转时一组接近式传感器测得的波形示意图；
图4为现有技术中的检测低速柴油机旋转的检测装置在柴油机转轴反转时一组接近式传感器测得的波形示意图；
图5为本发明实施例的检测低速柴油机旋转的检测装置的接近式传感器的安装示意图；
图6为本发明实施例的检测低速柴油机旋转的检测装置的接近式传感器的排列示意图；
图7为本发明实施例的检测低速柴油机旋转的检测装置在柴油机转轴正转时接近式传感器测得的波形示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
在本说明书中可使用词组“在一种实施例中”、“在另一实施例中”、“在又一实施例中”、“在一实施例中”、“在一些实施例中”或“在其它实施例中”，均可指代根据本发明的相同或不同实施例中的一个或多个。
此后参照附图描述本发明的具体实施例；然而，应当理解，所发明的实施例仅仅是本发明的实施例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详尽描述以根据用户的历史的操作，判明真实的意图，避免不必要或多余的细节使得本发明模糊不清。因此，本发明的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样性地使用本发明。
本发明实施例提供了一种检测柴油机旋转的检测装置，如图5至图7所示，包括至少三个接近式传感器，其沿柴油机的飞轮轮齿的转动方向的正切线方向依次排列，相邻的两个接近式传感器的间距为以所述接近式传感器的数量对所述飞轮轮齿的一个轮齿周期宽度进行均分后的尺寸，且所述间距小于所述飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，以基于所述至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定所述柴油机旋转的相关数据。在本实施例中，所述至少三个接近式传感器可通过支架进行固定安装，同时，若发生相邻的两个接近式传感器的间距不小于所述飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，则可增加接近式传感器的数量，以使得在增加接近式传感器数量后的检测装置中，相邻的两个接近式传感器的间距小于所述飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，进而在通过检测装置检测低速柴油机旋转时，能够在低速柴油机的飞轮轮齿的相邻的两个轮齿之间检测得到所需的脉冲波形图。
进一步地，在本发明的一些实施例中，所述基于所述至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定所述柴油机旋转的相关数据，包括：将所述至少三个接近式传感器以两个接近式传感器为一组进行排列组合形成至少三个传感器组合；基于所述至少三个传感器组合中任意三个传感器组合中每个传感器组合检测的两组脉冲信号的组合波形，确定所述柴油机的旋转方向。
进一步地，在本发明的一些实施例中，若所述至少三个接近式传感器的数量大于3个，则对所述至少三个传感器组合进行优先级设置。
同时，在本实施例中，所述对所述至少三个传感器组合进行优先级设置，包括：将所述至少三个传感器组合中的三个传感器组合设为第一优先级，所述第一优先级的三个传感器组合中的两个接近式传感器为相邻的两个传感器；将所述至少三个传感器组合中的其它传感器组合设为第二优先级。
在本实施例中，若所述至少三个接近式传感器的数量为4个，可根据(A、B)，(B、C)，(C、D)的波形形成三重的转向判断，可对三组进行优先级设置，当有接近式传感器失效时，由其它传感器组合(备用组)进行判断，当前的布局方式，检测装置只有在(A、C)或(B、D)或(B、C)中的接近式传感器均发生故障条件下，才会导致系统级转向信号故障。按照同样的单路传感器及其回路的故障率1/1000计算，本发明实施例提供的检测装置的转向信号故障率为：
Figure BDA0002874140200000061
可见，比优化前的转向信号故障率降低了25％，具有更优越的可靠性。本发明实施例提供的检测装置进行测量时，需要满足齿面宽度B不小于1/4的齿轮周期宽度D，几乎所有的低速柴油机飞轮轮齿外形设计皆满足此要求。
通过上述技术方案可以看出，其以至少三个接近式传感器为一个测量组成测量经过的柴油机飞轮轮齿时，呈一字型依次排列的传感器间距为D/n，并采用多路脉冲叠加融合的方式来进行高精度的柴油机的转速测量，在本实施例中，如图5所示，D为一个轮齿周期的宽度，n为传感器数量，呈一字型排列的方式可参见图5和图6所示，其中，所述一个轮齿周期宽度为所述飞轮轮齿的相邻的两个轮齿的同侧齿顶在水平面内投影的最大间距。
在本发明的一些实施例中，上述接近式传感器的数量可以为4个，具体地，将4个接近式传感器按照A、B、C、D并列安装，接近式传感器的间距按照1/4的轮齿周期的宽度D设置，即，将相邻轮齿进行4等分，通过这种接近式传感器的布局形式可以得出以下波形图，具体如图7所示。
通过信号叠加融合后，每一个齿面经过会产生4个脉冲信号，每产生一个脉冲信号的上升沿就准确的代表飞轮转过D/4的距离。按照测频法单位时间的脉冲数量N增长了4倍，在本实施例中，若所述脉冲技术的误差为±1个，则通过4个所述接近式传感器进行检测的测量误差为：
Figure BDA0002874140200000071
其中，e为测量误差；
N为单位时间内的脉冲数量；
m为所述飞轮轮齿每转一圈所产生的脉冲数量；
T为以测频法进行测量时的测量时间间隔。
同时，考虑到传感器故障因素，现有技术中的检测装置(如背景技术中提到的检测装置，具体参见图1和图2所示)，若单一接近式传感器故障或某两个间隔的接近式传感器故障，检测装置可自动切换为2路信号融合检测，测量误差为1/2N，例如，当接近式传感器A和接近式传感器C单独或同时故障，检测系统切换位B、D两路信号融合。在满足最低测量条件即有一对相邻的传感器正常工作的话，测量误差也保证在1/N，故此可见，本发明实施例提供的系统的测量精度，要优越于目前主流的旋转测量方式。
为了便于对上述技术方案的理解，下面以对某台船用柴油机进行旋转测量为例进行说明，具体地，飞轮设计为80齿，齿面宽度8cm轮齿周期宽度为24cm，设计测量系统。
采用4路霍尔式接近开关，探头距离飞轮齿面3～5mm距离，传感器中心间距6cm一字排列安装在传感器支架上，4路传感器信号统一接入旋转检测控制器。转速测量采用测频法，根据柴油机控制系统对测量转速扫描周期的要求和超速保护的响应时间要求，转速测量每周期的时间间隔设计为50ms，若在50ms内获得的脉冲上升沿数量为26个，则计算的柴油机转速为：
Figure BDA0002874140200000072
同时，转向测量设计A、B为第一优先级，B、C为第二优先级，C、D为第三优先级。若A、B工作正常，则以A、B的测量结果作为控制器输出的转向信号，若A故障则采用B、C的测量结果，若B故障则采用C、D的测量结果作为输出，形成三级冗余的转向判断方式。
综上所述，本发明实施例提供的检测装置可以显著提高旋转检测中转速测量的精度，在无故障前提下精度提高为原有方法的4倍，在出现单一或有条件的双点故障前提下依然可保持高于原有方法2倍的测量精度，在满足最低测量条件下，测量精度依然可以保证原有方法的测量精度；此外，还可以在有限数量的接近式传感器的前提下有效地增加转向测量组合的数量，从而提高系统转向测量的可靠性。以4路传感器为例，本发明可以将原方法的转向信号故障率降低25％。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种检测柴油机旋转的检测装置，其特征在于，包括：
至少三个接近式传感器，其沿柴油机的飞轮轮齿的转动方向的正切线方向依次排列，相邻的两个接近式传感器的间距为以所述接近式传感器的数量对所述飞轮轮齿的一个轮齿周期宽度进行均分后的尺寸，且所述间距小于所述飞轮轮齿的单个轮齿的齿面宽度，以基于所述至少三个接近式传感器所分别检测到的脉冲信号确定所述柴油机旋转的相关数据，包括：
将所述至少三个接近式传感器以两个接近式传感器为一组进行排列组合形成至少三个传感器组合；
基于所述至少三个传感器组合中任意三个传感器组合中每个传感器组合检测的两组脉冲信号的组合波形，确定所述柴油机的旋转方向；
若所述至少三个接近式传感器的数量大于3个，则对所述至少三个传感器组合进行优先级设置，包括：将所述至少三个传感器组合中的三个传感器组合设为第一优先级，所述第一优先级的三个传感器组合中的两个接近式传感器为相邻的两个传感器；将所述至少三个传感器组合中的其它传感器组合设为第二优先级；
其中，所述接近式传感器的数量为4个，且在4个接近式传感器中的1个接近式传感器发生故障或2个接近式传感器发生故障时，检测系统进行信号融合，以满足有一对相邻的接近式传感器正常工作的最低测试条件。
2.根据权利要求1所述的检测柴油机旋转的检测装置，其特征在于，若所述脉冲技术的误差为±1个，则通过4个所述接近式传感器进行检测的测量误差为：
Figure FDA0004044126500000021
其中，e为测量误差；
N为单位时间内的脉冲数量；
m为所述飞轮轮齿每转一圈所产生的脉冲数量；
T为以测频法进行测量时的测量时间间隔。
3.根据权利要求1所述的检测柴油机旋转的检测装置，其特征在于，所述轮齿周期宽度为所述飞轮轮齿的相邻的两个轮齿的同侧齿顶在水平面内投影的最大间距。
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