齿盘测速其原理是在水电机组的转轴端部上安装环形齿状设备(齿盘)，它是由传感器和信息处理器组成的。首先,当机组旋转时,由接近式或光电式传感器感应产生反映机组转速的脉冲信号，然后由单片机构成的智能仪表测量脉冲宽度并计算获取机组转速。齿盘测速是一种水电机组转速的直接测量方式，其可靠性和可信度明显优于残压测速,所以在水电机组的运行中多采用齿盘测速。
1.齿盘测速的系统结构
1.1传感器
传感器是齿轮测速系统的重要构成部分,当机组旋转时,负责感应脉冲信号,然后传递给单片机,由智能仪器即转速信息处理器来测量脉冲宽度从而转化成输出数据。所以传感器的感应精准度直接会影响到最后的测速结果。
比较常用的传感器有接近式和光电式,它的原理就是在发电机大轴上固定一个加工的齿盘,通过齿盘与发电机的同步转动让光电信号通过与遮挡来获得电脉冲信号。
1.2单片机
单片机是接受脉冲信号也就是方形波并进行计算分析最后得出速度数据的重要程序。它相当于一个微型的电脑,它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，单片机是靠程序工作的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性!
单片机由三个部分组成。(1)运算器:执行各种算术运算和各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。(2)控制器:由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令指挥整个微机系统的操作。(3)主要寄存的决策机构，即协调和器:包括累加器A、数据寄存器DR、指令寄存器IR和指令译码器ID、程序计数器PC、地址寄存器AR,这五个部分所存储的对象各有不同,划分明确。这三大块构成了单片机,承载着对脉冲信号的接受以及处理得到数据的重要任务,十分关键。
2.提高齿盘测速精度的原理
齿盘测速的原理不算复杂,但在控制精度上还存在着诸多问题,在齿盘测速中，齿盘的加工精度很难保证水电机组转速测量的精度要求，为了解决这一问题,随着科技的进步与发展,研究人员提出了基于卡尔曼滤波的单传感器齿盘测速方法，在保证水电机组测速实时性要求的前提下，消除加工精度对测量精度的影响，并有效地提高了测速机构的可靠性。
简单来说，卡尔曼滤波器是一个最优化自回归数据处理算法。对于解决很大部分的问题，他是最优，效率最高甚至是最有用的。他应用广泛包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量。它以预测实测修正的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目。将其引入齿盘测速,大大的提升了数据的精确度。
3.卡尔曼滤波器算法
卡尔曼滤波器与齿盘测速有着密切的联系,以卡尔曼滤波器为源的卡尔曼滤波器算法应用在齿盘测速里,很大的提高了数据的精度。对于卡尔曼滤波器,最核心的内容是五大公式,比较繁多,在此不做过多的赘述。在此,借助一个具体的情景来为大家介绍一下卡尔曼滤波器工作的原理,也就是它如何让齿盘测速的数据更为精确的计算方式。
首先,我们可以进行假设,比如,我们现在的研究对象是测量一个房间的温度。根据日常经验,可先设定一个下一分钟的温度值,再用温度计进行测量,同样的也存在差值,这中间与实际存在的差值我们称之为高斯白噪声。这时,在拥有温度计与估测值两个数据的情况下对某时刻的实际温度进行计算,假定这个时刻是a,那么要先根据a-1的时刻,因为你觉得温度是恒定的,所以这一刻和上一刻的估算值是一样的,假设都是23℃,这时高斯噪声偏差值可以这样计算:在a-1时刻的估算最优温度值偏差是3,自行估算的值偏差为4度,两项平方再开方,就可以得到此时的高斯噪声偏差值为5,则此时a时刻有两个温度值:23℃和25℃,这是该相信那个数值,就可以借助用它们的协方差来判断。因为ag^2=5^2/(5^2+4^计算2)，所以ag=0.78，我们可以估算出a时刻的实际温度值是：23+0.78*(25-23)=24.56度。通过计算,温度计的协方差比较小所以估算出的最优温度值是偏向温度计的值。在已经得到a时刻的最优温度值后，还需继续计算a+1时刻的温度值，进行新的最优估算。在进入k+1时刻之前，我们还要算出a时刻那个最优值(24.56度)的偏差。算法如下：((1-ag)*5^2)^0.5=2.35。这里的5就是上面的a时刻你预测的那个23度温度值的偏差，得出的2.35就是进入a+1时刻以后a时刻估算出的最优温度值的偏差(对应于上面的3),就是这样，卡尔曼滤波器就不断的把协方差递归，从而估算出最优的温度值。借助计算机,这些程序步骤运行的非常快。可以迅速的得到一个比较精确的数值。
4.齿盘测速存在的缺点
齿盘测速有诸多的优点,它的较高精度的计算对于水电机组的后续工作具有重大意义。但与此同时,不可避免的也会存在一些问题,首先,齿盘测速增加了设备的成本和软件运行的复杂性。其次,由于齿和齿之间的距离不可能完全的相等,大小也不可能丝毫不差,所以这种不完全均匀性就给高度灵敏的速度传感器造成了数据上的偏差,传递了不准确和有干扰的信号。还有一点问题与它的位置有关,由于比较靠近开关的位子,所以比较容易被碰击到而遭受损害。这些方面的改善与齿盘测速的原理也是分不开的,希望相关研究人员根据齿盘测速的原理可以进行更好的改进。
5.结论
由于单传感器齿盘测速的卡尔曼滤波算法简便，适合于编程，故具有较强的抗干扰能力，应用该原理制造的水电机组测速装置结构简单，安装调试方便，可靠性及可信度高。在实践中应用单传感器齿盘测速的卡尔曼滤波算法并安装双传感器，可以实现真正意义上的双备份齿盘测速。