水泵測試中幾種常用轉速測量方法的探討

劉成立

【摘 ?要】本文從測速原理、數據采集轉換方式、安裝使用注意、適用對象及精度四方面探討了在水泵測試中光電測速法、霍爾測速法、感應線圈法、轉矩轉速法的應用，闡述了這四種方法的優缺點。

【關鍵詞】水泵測試;轉速測量

引言

在水泵的性能測試過程中，實測數據均需按實測轉速與額定轉速的比例關系轉換后再計算泵的性能數據，所以轉速是水泵性能測試中除流量、揚程、功率等性能參數以外另一重要的特性參量，水泵的工作狀態和工作能力都與它存在緊密的聯系，因此準確測量水泵的轉速具有十分重要的意義[1]。

轉速測量的方法分為兩大類：直接測量法和間接測量法。直接測量法即直接觀測機械或電機的機械運動，測量特定時間內機械運轉規律從而測出機械運動的轉速，包含接觸式和非接觸式2種。間接法是因為機械或電機機械運動而產生變化的其他物理量與轉速之間的關系來間接確定轉速。

本文僅對水泵測試系統中現在比較常用的測速方法進行探討、分析和比較，常用測速方法有直接測量法中的非接觸式（主要包括光電測速法和霍爾測速法這2種）和間接測量法中的感應線圈法和轉矩轉速法。

1光電測速法

1.1測速原理：光電傳感器，其原理是靠光強度的變化引起電流的變化。在泵軸上，貼上一片反光效果非常好的紙片，隨著電機轉動，光電傳感器朝向反光紙時，會接收到反光紙的反射光線所以其光敏三極管的光電流就增加，傳感器朝向沒有反光紙時其無法接收到反射光或反射光線特別弱，所以其光電流就減少，如此泵軸旋轉一圈就會形成一個脈沖信號[2]。

1.2數據采集轉換方式：脈沖信號輸出到與光電傳感器配套使用的轉速顯示表轉換成4-20mA等模擬量信號輸出到PLC中或脈沖信號直接輸出到PLC高數計數模塊，在PLC內換算即可得到實時轉速，其基本轉換計算公式為轉速n=N/t，在時間t內測量得到的脈沖數為N。因信號經過顯示儀表時精度會有所下降，請首先考慮PLC直接采集信號的方式。

1.3安裝及使用注意：在旋轉軸外露部分黏貼反光片，將光電傳感器靠近并正對反光片，光電傳感器與貼紙間距根據傳感器自身要求而定（如：PT-M18-A3-010型間距為100mm以內可調）。測試前請務必調整好間距，防止出現傳感器始終處于接收反射光狀態或接收不到反射光狀態，此時傳感器將無法正常測量。安裝簡單，成本較低。

1.4適用對象及精度：泵或電機旋轉軸有外露部分的地面水泵機組。轉速3000r/m時，精度可達±0.034%，轉速1500r/m時，精度可達±0.067%，轉速1000r/m時，精度可達±0.1%[3]。

2霍爾測速法

2.1測速原理：霍爾傳感器是一種磁傳感器，其原理是靠磁場的變化引起電流的變化[4]。在泵軸上粘貼一個小磁鋼片，霍爾傳感器靠近并正對小磁鋼片并固定，電機旋轉時，隨著磁鋼片的靠近和遠離霍爾傳感器產生的磁場會隨之變化從而轉換成脈沖信號輸出。

2.2數據采集轉換方式：脈沖信號一般直接輸出到與光電傳感器配套使用的轉速顯示表再轉換成4-20mA等模擬量信號輸出到PLC中，在PLC內換算即可得到實時轉速。其基本轉換計算公式為轉速n=60/P/T;P為電機轉一圈的脈沖數;T為輸出方波信號周期[5]。

2.3安裝及使用注意：在旋轉軸外露部分黏貼小磁鋼片（傳感器一般配套有），將霍爾傳感器靠近并正對磁鋼片，間距一般為3-5mm，間距過大則無法感應磁場，較光電傳感器間距要求較高，且傳感器分單極型和雙極性，單極性傳感器使用前需對磁鋼片的極性做好校對再固定，否則傳感器無法感應磁場，雙極性則不需要校對磁鋼片極性。安裝簡單，成本較低。

2.4適用對象及精度：同光電測速法。

3感應線圈法

3.1測速原理：在電動機上放置一只匝數較多的帶鐵芯的線圈，根據電磁感應原理，利用異步電動機的轉子在旋轉磁場中由切割磁力線產生感應電流的頻率即為電動機轉子頻率與電動機定子電壓頻率兩者的轉差頻率f2和定子磁場的頻率f1為供電電源頻率。

3.2數據采集轉換方式：頻率信號輸出到與線圈配套使用的頻率測試子站，子站再通過RS232口與電腦相連，最后在電腦上的配套軟件上顯示實時轉速或者子站直接通過RS232口通訊連接至PLC，然后在PLC內經過換算即可得到實時轉速。其基本轉換計算公式為轉速n=（f1-f2）*60/p，p為電機極對數。

3.3安裝及使用注意：將線圈緊貼固定在被試泵電機機殼的上部或下部（漏磁檢測信號較強部位），其轉差頻率測量有范圍要求（如銀河電氣DM4022-G型為0.1～5Hz），超出其范圍轉速測量將不準。安裝簡單，成本相比較光電（霍爾）測速法較高。

3.4適用對象及精度：一般泵或電機軸不外露水泵機組及所有液下泵的異步電動機，只要電機運行的定子頻率和轉差頻率在傳感器的測量范圍之內即可。精度可達±0.1%。

4轉矩轉速法（磁電相位差式）

4.1測速原理是：轉矩轉速傳感器是轉矩與轉速一體的傳感器。其通過彈性軸、兩組磁電信號發生器，把被測轉矩、轉速轉換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與被測轉速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉矩成正比。

4.2數據采集轉換方式：傳感器自身輸出頻率信號，可直接輸出到與傳感器配套使用的轉矩轉速顯示表或經過信號轉換模塊兩種方式轉換成4-20mA等模擬量信號輸出到PLC中，最后在PLC內換算即可得到實時轉速。

4.3安裝及使用注意：轉矩轉速傳感器安裝固定于電機軸與泵軸之間，同軸度要求較高（如北京三晶JN338-50A型要求小于0.05mm）。因對不同的電機及泵傳感器需要不同的固定底座，安裝比較麻煩，成本較感應線圈法更高，由于轉矩轉速法主要是在測量泵軸功率方面精度優勢比較好，所以一般只在需要準確測量泵軸功率時才采用該方法。

4.4適用對象及精度：電機軸和泵軸之間可安裝轉矩轉速傳感器的水泵機組。精度可達±0.1%。

5結束語

光電與霍爾測速法都具有成本低、體積小、性能好、安裝使用方便等優點，所以在泵或電機旋轉軸有外露部分的地面水泵機組的水泵測試中使用普遍;感應線圈法很好的解決了泵或電機旋轉部件不外露、液下泵類轉速無法進行測量的難題;轉矩轉速法因其安裝使用較復雜且成本較高，其主要是在需要準確測量泵軸功率的情況下使用而同時可以測得轉速。以上幾種水泵測試中轉速測量方法在其他轉速測量領域也較常使用。

參考文獻：

[1]張勇.礦山多級離心式水泵運行參數檢測[1].遼寧工程技術大學，2007

[2][3]鄭夢海.泵測試實用技術（第二版）.機械工業出版社，2011

[4][5]鐘文才、范志華、蘇成貴、楊光.水泵檢測中兩種轉速測量方法的探討[A].吉林省農業機械研究院，長春，2012

（作者單位：杭州博流科技有限公司）