電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表原理及測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理

鐘金德，馬興

（福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州 350003）

0 引言

電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表是利用轉(zhuǎn)速傳感器，將機械旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，通過電子計數(shù)器計數(shù)并顯示出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速值的轉(zhuǎn)速表。電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表是由轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字顯示儀兩部分組成的。傳感器的作用是將物體的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，輸出給顯示儀。數(shù)字顯示儀的作用是接收傳感器輸出的電脈沖信號，直接顯示轉(zhuǎn)速值或根據(jù)被測數(shù)據(jù)計算出被測轉(zhuǎn)速值。

從測量方法講對高中轉(zhuǎn)速通常是采用測量電信號頻率的方法，即測頻法。而對低轉(zhuǎn)速一般是采用測量轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)某一角度的時間間隔測量轉(zhuǎn)速，即測周法[1-2]。測頻法的原理為：石英晶體振蕩器提供穩(wěn)定的頻率信號經(jīng)整形后成為規(guī)則的矩形時鐘脈沖，再經(jīng)分頻器分頻后獲得各種時基標(biāo)準(zhǔn)或稱為時標(biāo)信號，并用它來控制計數(shù)閘門，而被測轉(zhuǎn)速經(jīng)傳感器變成脈沖信號并經(jīng)放大整形，通過計數(shù)閘門控制的計數(shù)器計數(shù)，并在面板上顯示出來。實際使用中，為了提高測量的準(zhǔn)確度，可以增加轉(zhuǎn)速傳感器每轉(zhuǎn)輸出的電脈沖訊號數(shù)字或延長采樣時間。測周法的原理是：將轉(zhuǎn)速傳感器的信號作為閘門，以晶振信號作為時鐘，二次儀表顯示的是轉(zhuǎn)速傳感器兩信號間的時間。顯然，轉(zhuǎn)速越低，閘門開啟的時間越長，所記錄的脈沖個數(shù)就越多。而在轉(zhuǎn)速較高時，由于閘門開啟時間隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低，它所記錄的時鐘脈沖數(shù)就不如低速的多。因此，在高轉(zhuǎn)速時，采樣多記周期的方法，可以增加時鐘脈沖的數(shù)量而提高測量的準(zhǔn)確度。

轉(zhuǎn)速表是機械行業(yè)必備的儀器之一，用來測定電機的轉(zhuǎn)速、線速度或頻率，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，發(fā)揮重要的作用，常用于電機、電扇、造紙、塑料、化纖、洗衣機、汽車、飛機、輪船等制造業(yè)[3]。本文對電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表測量結(jié)果進行不確定度評定，為轉(zhuǎn)速表校準(zhǔn)提供一種可供參照的評估方法。

1 測量方法

依據(jù)JJG105-2000《轉(zhuǎn)速表檢定規(guī)程》，在環(huán)境溫度為（20±5）℃，相對濕度≤80%條件下，采用測量范圍為（20-40000）r/min，準(zhǔn)確度等級為0.01級的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源對轉(zhuǎn)速表進行測量[4-5]。

用目測、手動及通電等方法進行檢查，看轉(zhuǎn)速表工作時數(shù)字顯示是否清晰、準(zhǔn)確、功能正常。檢查轉(zhuǎn)速表上的儀器名稱、型號、生產(chǎn)廠、出廠編號等信息，并記錄在原始記錄上。將轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置和被檢轉(zhuǎn)速表預(yù)熱半小時，調(diào)整好被檢表與轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置轉(zhuǎn)軸的間距，并確認(rèn)被檢表能正常接收旋轉(zhuǎn)信號。選定最低和最高兩個檢定點進行試運轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)速表正常顯示轉(zhuǎn)速值時，再進行示值檢定。設(shè)定好標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源轉(zhuǎn)速值并啟動轉(zhuǎn)速源，然后可在轉(zhuǎn)速表上得到與之相對應(yīng)的示值，連續(xù)讀取10次示值；以10次示值的算術(shù)平均值減去標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源轉(zhuǎn)速值，即得該測量點轉(zhuǎn)速表的示值誤差。

2 測量模型

3 不確定度分析評估[6-11]

3.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評定

對被檢的轉(zhuǎn)速表，選擇200r/min、2000r/min、20000r/min作為測量點，連續(xù)測量10次，得到測量列如表1所示。

表1 重復(fù)性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Table.1 Repeated calibration data

根據(jù)公式：

計算，各校準(zhǔn)點示值重復(fù)性引入的不確定度分量如表2所示：

表2 示值重復(fù)性引入不確定度分量Table.2 lntroducing uncertainty component byrepetition of indicative value

表3 儀表分辨力引入不確定度分量Table.3 lntroduction of uncertainty component

（3）輸入量n0的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定，其主要來源為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源的準(zhǔn)確度，可根據(jù)其證書以B類方法進行評定。

標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速源為0.01級，估計為均勻分布，其引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：，對應(yīng)的200r/min、2000r/min、20000r/min三個測點的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分別是0.012r/min、0.12r/min、1.2r/min。

計算，各校準(zhǔn)點標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量如表4所示。

（5）擴展不確定度的評定：取包含因子k=2，則擴展不確定度為：U=k·.u，具體數(shù)據(jù)如表5。

表4 各校準(zhǔn)點標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總表Table.4 Summary of standard uncertainty components of calibration points

表5 各校準(zhǔn)點擴展不確定度Table.5 Extended uncertainty of calibration points

4 結(jié)論

按照以上分析評定結(jié)果，電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表測量結(jié)果的不確定度為Urel=0.015%(k=2)。符合上述條件的轉(zhuǎn)速表，一般可直接使用本不確定度的評定結(jié)果，其它計量檢定及量值比對過程中，根據(jù)人、機、料、法、環(huán)等因素影響，可以參照使用本評定方法[12]。