電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀的研制

摘要：為在復(fù)雜工況條件下準(zhǔn)確測(cè)量電梯運(yùn)行的功率參數(shù)，文中研制了基于虛擬儀器技術(shù)的電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀。根據(jù)電梯平衡系數(shù)檢驗(yàn)時(shí)實(shí)際信號(hào)的時(shí)變特征，在設(shè)計(jì)通用硬件的基礎(chǔ)上開發(fā)了具有采樣功能和數(shù)據(jù)分析、處理的軟件系統(tǒng)組態(tài)，重點(diǎn)闡述了采樣序列的整周期變換、幅值/相位動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ā?duì)研制的樣機(jī)進(jìn)行了全性能的測(cè)試，試驗(yàn)表明，該檢測(cè)儀滿足采取快捷方法中“空載功率法”檢驗(yàn)電梯平衡系數(shù)的要求，其功率測(cè)量不確定度優(yōu)于1%。

關(guān)鍵詞：平衡系數(shù)；重采樣；濾波；頻率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；虛擬儀器

Development of Elevator Balance Coefficient Tester

LIN Xiao

（ Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350000， Fujian， China）

Abstract： In order to accurately measure the power parameters of the elevator operation under complex working conditions， the elevator balance coefficient detector based on virtual instrument technology is developed. According to the time-varying characteristics of the actual signal during the elevator balance coefficient test， a software system configuration with sampling function and data analysis and processing is developed on the basis of the design of general hardware， and the method of full-cycle transformation and amplitude / phase dynamic compensation of the sampling sequence is emphasized. The full performance of the developed prototype is tested， and the test shows that the detector meets the requirements of taking the \"no-load power method\" in the quick method， and the power measurement uncertainty is better than 1%.

Key Words： Balance coefficient; Resampling; Filtering; Frequency dynamic compensation; Virtual instrument

0引言

電梯平衡系數(shù)是電梯的一項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)，直接關(guān)系到電梯運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性。按照現(xiàn)行的電梯技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，新裝電梯驗(yàn)收、老舊電梯重大維修或轎廂和對(duì)重系統(tǒng)有重大變更的需要開展平衡系數(shù)的檢驗(yàn)[1]。目前電梯平衡系數(shù)的檢驗(yàn)方法主要有三種：國(guó)標(biāo)方法、稱重方法和快捷方法，其中快捷方法中規(guī)定了“二次加載電流法”和“空載功率法”[2]。在

T/CASEI T101-2015《電梯平衡系數(shù)快捷檢測(cè)方法》中規(guī)定“空載功率法”的檢驗(yàn)流程為：將功率測(cè)量?jī)x表接入電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的入線端，實(shí)時(shí)測(cè)量驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有功功率，并使用速度測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量電梯轎廂的運(yùn)行速度，以轎廂和對(duì)重處于同一水平位置為記錄條件，記錄電梯空載上行和下行的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有功功率（s、x）和速度（s、x），然后依據(jù)公式計(jì)算平衡系數(shù)。由于電梯平衡系數(shù)檢驗(yàn)中，電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的回路電流和端電壓與電梯的電氣結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，以VVVF（變頻變壓調(diào)速）電梯為例，在電梯實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電流和電壓不是穩(wěn)定參量，并且頻率也會(huì)變化，采用通用的功率測(cè)量?jī)x表并不能準(zhǔn)確測(cè)量平衡系數(shù)計(jì)算所需功率參數(shù)。鑒于此，文中基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀，以期適用于電梯運(yùn)行時(shí)復(fù)雜工況條件下的功率參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀硬件系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、電壓傳感單元、電流傳感器及旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。工作原理簡(jiǎn)述：電壓傳感單元和電流傳感器采集電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓和電流，并轉(zhuǎn)化為與數(shù)字采集器適配的小信號(hào)，旋轉(zhuǎn)編碼器采集電梯的運(yùn)行速度并轉(zhuǎn)化為電參量，主控計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集器按照預(yù)定的采樣設(shè)置對(duì)輸入的模擬小信號(hào)進(jìn)行高速同步采樣，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)USB通訊接口將獲得的離散采樣序列傳輸至主控計(jì)算機(jī)，然后由編制的上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分析和處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1主控計(jì)算機(jī)

考慮到平衡系數(shù)檢測(cè)儀的便攜性，主控計(jì)算機(jī)選擇研揚(yáng)的X86架構(gòu)的核心板UP board，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如下：主頻1.44GHz，RAM容量：4G，eMMC容量：64G，具備4個(gè)USB2.0接口和1個(gè)USB3.0接口，支持win10/Linux/Android系統(tǒng)。在此平臺(tái)上可以方便地編制和運(yùn)行上位機(jī)軟件。

1.2數(shù)據(jù)采集器

電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為三相連接的電氣系統(tǒng)，測(cè)量三相電路的功率需要多個(gè)同步采集通道，為此，需要選擇同步數(shù)據(jù)采集器，項(xiàng)目中選擇了北京思邁科華的USB-5100系列數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表1。

1.3電壓傳感單元

電壓傳感單元由精密電阻分壓器和電壓跟隨器構(gòu)成，其中分壓器采用了EE系列精密金屬膜電阻，分壓比設(shè)計(jì)為201：1，低壓臂阻抗1kΩ，輸入信號(hào)模擬帶寬100kHz；電壓跟隨器采用德州儀器OPA140低偏運(yùn)算放大器，電壓跟隨器采用了二級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]，總體的幅值跟隨誤差優(yōu)于±0.01%。

1.4電流傳感器

電流傳感器選用了HIOKI公司的CT7000系列電流傳感器和CM7290信號(hào)變換單元。傳感器頻帶：DC～5kHz，量程：±100A/±1V（輸出率：10mV/A），輸出阻抗：50Ω，測(cè)量方式：真有效值，輸出模式：波形、有效值、峰值和頻率，基本誤差：±0.3%RG±8dgt，最大相移：±1.8°（50Hz）。

2 軟件系統(tǒng)組態(tài)

電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)，軟件系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司的LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，主要功能分成兩個(gè)部分：（1）采樣功能配置；（2）數(shù)據(jù)分析和處理。

2.1 采樣功能配置

采樣器的配置過(guò)程包括建立與上位機(jī)的會(huì)話通道，選通模擬輸入通道，設(shè)置通道的輸入量程、采樣率和觸發(fā)源，采集并傳輸采樣序列。采樣率設(shè)置后采樣樣本的時(shí)間間隔與時(shí)鐘源直接相關(guān)，受限于時(shí)鐘源的準(zhǔn)確度并考慮后續(xù)的數(shù)據(jù)處理需要，在采樣功能配置階段，需要進(jìn)行時(shí)基修正。具體的做法是：采用具有已知頻率的高準(zhǔn)確度信號(hào)源作為待測(cè)信號(hào)，在完成基本采樣設(shè)置后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采樣，然后將采樣獲得的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析處理，計(jì)算樣本的實(shí)際時(shí)間間隔，從而完成對(duì)采樣時(shí)基的修正。此外，通道采樣數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)特征和FIFO空間大小設(shè)置。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理

電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀共使用了7個(gè)同步輸入通道、三個(gè)電壓（A、B、C）、三個(gè)電流（A、B、C）和一個(gè)速度（）。其中，前6個(gè)通道用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)電功率的測(cè)量，第7個(gè)通道用于纜繩速度的測(cè)量。使用6個(gè)通道采集基本電量參數(shù)可以滿足負(fù)載在“三角形”和“星形”連接方式下的電功率測(cè)量，電氣連接如圖2或圖3所示。

2.2.1 基本電參數(shù)分析模塊

檢測(cè)儀運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)采集器同步采集6個(gè)通道的模擬信號(hào)并得到相應(yīng)的離散數(shù)據(jù)序列（X1）、（X2）...（X6），結(jié)合采樣率換算得到樣本時(shí)間間隔t及系統(tǒng)時(shí)間0 ，再由波形創(chuàng)建VI，獲得6個(gè)通道的時(shí)域波形提供給后續(xù)分析和處理。由三相電路的電功率計(jì)算方法可知，按圖2連接時(shí)，總功率按式（2）計(jì)算；按圖3連接時(shí)，總功率按式（3）計(jì)算。

由式（2）和式（3）可知，根據(jù)不同的電氣連接方式可以獲得不同的三相電路功率，編制的基本電參數(shù)核心分析模塊的程序框圖如圖4所示。圖中程序框圖的左邊為數(shù)據(jù)采集器獲得的時(shí)域波形，右邊為基本電參數(shù)的分析結(jié)果。

2.2.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊

在電梯平衡系數(shù)的檢驗(yàn)實(shí)踐中，電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)如電壓、電流、頻率都是隨時(shí)間變動(dòng)，其中尤以頻率的影響為甚，頻率的變化使得在對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析時(shí)，難以保證采樣序列的整周期截?cái)啵瑥亩斐奢^大的分析誤差，在數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，需要采取必要的措施來(lái)解決此問(wèn)題。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊包括了兩個(gè)基本功能：（1）采樣序列的整周期變換；（2）幅值和相位的頻率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。采樣序列的整周期變換的方法是：取一個(gè)通道的采樣信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行頻率特性濾波，濾波后的信號(hào)應(yīng)用“過(guò)零檢測(cè)法”獲得參考信號(hào)的過(guò)零信息，將獲得的過(guò)零信息作為重采樣觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到采樣序列的整周期變換，減小分析方法帶來(lái)的誤差。幅值和相位的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ牵簩?duì)檢測(cè)儀施加標(biāo)準(zhǔn)的幅值和相位信號(hào)，通過(guò)改變頻率，獲得幅值和相位的頻率誤差特性，然后對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償模塊的處理流程如圖5所示。

3 性能測(cè)試

按項(xiàng)目目標(biāo)，電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀功率參數(shù)的量程范圍設(shè)計(jì)為380V、100A，工作頻率10～80Hz，功率測(cè)量指標(biāo)：±1%。為了整體評(píng)價(jià)檢測(cè)儀的功率測(cè)量性能，在試驗(yàn)室條件下開展了性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，包括幅值/相位頻率補(bǔ)償試驗(yàn)，整機(jī)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。其中幅值頻率補(bǔ)償試驗(yàn)開展了線性測(cè)量試驗(yàn)和掃頻測(cè)量試驗(yàn)。由于電壓通道采用的是電阻分壓器，分壓器的幅值和相位在工作信號(hào)下的影響可以忽略，幅值和相位試驗(yàn)的內(nèi)容僅針對(duì)電流通道開展。

3.1 幅值頻率補(bǔ)償試驗(yàn)

幅值頻率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償需要考查線性和掃頻性能，為此需要在不同幅度和不同頻率下開展試驗(yàn)，具體實(shí)施：提供不同幅度和不同頻率下的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，由檢測(cè)儀測(cè)量補(bǔ)償前后的電流值，并給出補(bǔ)償前后的誤差。標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)由電能功率標(biāo)準(zhǔn)源（型號(hào)：M133C）和標(biāo)準(zhǔn)分流器（型號(hào)：A40B）提供，試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

比較表2和表3的數(shù)據(jù)明顯看出，經(jīng)幅值頻率補(bǔ)償后，電流的測(cè)量誤差明顯減小。

3.2 相位頻率補(bǔ)償試驗(yàn)

在功率參數(shù)測(cè)量中，相位的指標(biāo)影響更加顯著，受限于采用開環(huán)的電流傳感器，不可避免地會(huì)引入較大的相位誤差，從而影響功率的整體測(cè)量準(zhǔn)確度，因此非常有必要對(duì)相位進(jìn)行頻率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，根據(jù)得到的分析頻率，動(dòng)態(tài)修正電流測(cè)量通道的角差。具體實(shí)施：提供不同幅度不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，測(cè)量分流器和傳感器輸出的二次信號(hào)的相移，該相移即為電流傳感器在不同幅度和不同頻率下的角差。試驗(yàn)用信號(hào)同3.1。表4和表5給出了補(bǔ)償前后的角差測(cè)量結(jié)果。

比較表4和表5的數(shù)據(jù)，補(bǔ)償后電流傳感器的角差明顯減小，此外還可以看出，頻率低于25Hz時(shí)，補(bǔ)償后的角差依然較大，頻率高于25Hz后，最大角差小于0.5°，按工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一般的開環(huán)電流傳感器，其性能已經(jīng)達(dá)到極限。另外，表4和表5的數(shù)據(jù)還反應(yīng)出另一個(gè)特征，低頻段（15～35Hz）角差隨著幅度的增加，角差往正方向變化。同時(shí)說(shuō)明了電流傳感器的角差在特定頻段與電流信號(hào)的幅度有關(guān)。

3.3 整機(jī)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

整機(jī)性能在“3V3A”的接線模式下進(jìn)行，電氣連接圖參照?qǐng)D2。試驗(yàn)用功率信號(hào)由M133C提供，按其說(shuō)明書給出的指標(biāo)，M133C的功率測(cè)量誤差為±0.03%。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6的數(shù)據(jù)可以看出，補(bǔ)償之前功率測(cè)量的最大相對(duì)誤差達(dá)到5.15%，補(bǔ)償之后最大相對(duì)誤差為0.59%。滿足T/CASEI T101-2015《電梯平衡系數(shù)快捷檢測(cè)方法》規(guī)定的“空載功率法”使用的功率測(cè)試儀表的精度要求。

4 結(jié)語(yǔ)

電梯平衡系數(shù)檢驗(yàn)中使用功率法相較于其他方法具有省時(shí)省力的效果。目前通用的功率測(cè)量?jī)x表無(wú)法滿足電梯實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的功率參數(shù)測(cè)量要求，主要由于電梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行工況下的基本參數(shù)都呈現(xiàn)時(shí)變特征，并且在電源端普遍存在回路電流嚴(yán)重畸變，同時(shí)電機(jī)端的電壓存在高頻噪聲，通用功率測(cè)量?jī)x表很難保證功率參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度。文中根據(jù)應(yīng)用需求，從電梯運(yùn)行信號(hào)的時(shí)變特征出發(fā)，研究了采樣序列整周期變換方法和幅值/相位的頻率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)的電梯平衡系數(shù)檢測(cè)儀，并開展中間參數(shù)和整機(jī)的性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)儀的功率測(cè)量不確定度優(yōu)于1%，滿足電梯平衡系數(shù)的檢驗(yàn)需求。樣機(jī)的推廣應(yīng)用將有助于提高電梯平衡系數(shù)的檢驗(yàn)水平和完善檢驗(yàn)手段。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-09-30

基金項(xiàng)目：福建省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目（FJMS2020022）

作者簡(jiǎn)介：林" "曉，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院電學(xué)所，工程師