基于LabVIEW的國(guó)標(biāo)2015版冰箱能耗測(cè)控系統(tǒng)

張映光，劉 凱

( 廣州天河蘭石技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510640 )

基于LabVIEW的國(guó)標(biāo)2015版冰箱能耗測(cè)控系統(tǒng)

張映光，劉 凱

( 廣州天河蘭石技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣州 510640 )

本文介紹了GB 12021.2-2015 版冰箱能耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與前一版的主要差異、測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)裝置配置和技術(shù)性能、基于LabVIEW編寫(xiě)的測(cè)控軟件介紹，并且對(duì)影響測(cè)試的因素進(jìn)行了誤差分析和計(jì)算。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)際使用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，軟件界面友好，可操作性強(qiáng)，是一套高效穩(wěn)定的測(cè)控系統(tǒng)。

Labview;冰箱能耗;測(cè)控系統(tǒng);不確定度

1 序言

現(xiàn)代社會(huì)，冰箱作為日常生活中必不可少的家電產(chǎn)品，同時(shí)也是國(guó)家強(qiáng)制性電器質(zhì)量檢測(cè)產(chǎn)品，它的能耗問(wèn)題備受關(guān)注，為了完成符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)性能檢測(cè)，必須建立一套相應(yīng)的能耗測(cè)控系統(tǒng)。在冰箱能耗測(cè)試中，由于測(cè)試周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理量大且復(fù)雜，這就要求試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)需要可靠、快捷的平臺(tái)，而由美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)為 NI)開(kāi)發(fā)的 LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)， 給測(cè)試工程師提供了強(qiáng)有力的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境。它與傳統(tǒng)編程工具 VB、 VC 相比，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并且集合了 IP、GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 以及內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡等硬件通信的全部功能， 提供了 DLL 數(shù)據(jù)庫(kù)接口和CIN 節(jié)點(diǎn)。

2 冰箱能耗標(biāo)準(zhǔn)差異

冰箱能耗檢測(cè)目前實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB 12021.2-2015，該標(biāo)準(zhǔn)與上一版 GB12021.2-2008相比有很大變化，主要變化如下：

(1)增加了電冰箱標(biāo)準(zhǔn)耗電量、裝載耗電增量、綜合耗電量等定義及判定方法。

(2)修改了電冰箱能效等級(jí)的計(jì)算及判定標(biāo)準(zhǔn)。

(3)修改了耗電量的試驗(yàn)方法：

1)環(huán)境溫度由25℃變?yōu)樵?6℃和32℃下分別進(jìn)行試驗(yàn)，最終進(jìn)行加權(quán)計(jì)算年耗電量；

2)間室特性溫度變化，冷藏室特性溫度由5℃變?yōu)?℃ ，冰溫室由0℃變?yōu)?℃；

3)冷凍間室不再放置負(fù)載包，且由M包測(cè)溫變?yōu)殂~質(zhì)圓柱熱電偶進(jìn)行耗電量測(cè)量；

4)耗電量穩(wěn)定條件的判定及計(jì)算方法改變：

·穩(wěn)定狀態(tài)耗電量

·運(yùn)行周期內(nèi)無(wú)化霜或化霜周期較長(zhǎng)(適用方法SS1 )

·運(yùn)行周期帶化霜(適用方法SS2 )

·化霜及恢復(fù)期額外的耗電量

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

·化霜前后可穩(wěn)定運(yùn)行(適用方法DF1 )

·化霜前后不能穩(wěn)定運(yùn)行(適用方法DF2 )

5)給出了與用戶實(shí)際使用習(xí)慣相關(guān)的裝載耗電量的測(cè)試方法；

6)增加輔助裝置耗電量。

從上面的介紹看，耗電量測(cè)試徹底顛覆以往的耗電量測(cè)試方法，對(duì)軟件及硬件都提出了更高的要求。

3 系統(tǒng)硬件

冰箱測(cè)試系統(tǒng)的硬件包括環(huán)境試驗(yàn)室、空氣處理系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)。環(huán)境試驗(yàn)室箱體采用聚氨酯保溫庫(kù)板材料組成，試驗(yàn)室內(nèi)配有測(cè)試工裝，如圖1所示。

測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備的控制由觸摸屏通過(guò)可編程控制器(PLC)對(duì)制冷機(jī)、加熱器、加濕器風(fēng)機(jī)等設(shè)備實(shí)行控制。上位機(jī)發(fā)送指令通過(guò)各種儀表對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)，并由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖2所示。為了提高系統(tǒng)精度，將測(cè)量和控制分開(kāi)，測(cè)量和控制沒(méi)有干擾，這樣既保證了測(cè)量的精度，又保證了控制的精度。

為達(dá)到測(cè)試的精度要求，試驗(yàn)系統(tǒng)采用了眾多的高精度傳感器和儀器，并經(jīng)過(guò)第三方CNAS認(rèn)可單位計(jì)量，如表1所示。

表1 儀器儀表列表

型號(hào)規(guī)格數(shù)量量程精度測(cè)點(diǎn)用途生產(chǎn)廠家R22015～60℃0%～95%RH±0.1℃2%(0～95%RH)干濕球溫度日本CHINO(千野)WT31060～300V0～5A0～2000W0～50Hz±0.3%采集被試機(jī)電參數(shù)日本YOKOGAWA(橫河)UT55A25～60℃0%～95%RH控制精度±0.1℃控制室內(nèi)外環(huán)境溫度日本YOKOGAWA(橫河)MX1001200～4MPa±0.25%熱電偶溫度日本YOKOGAWA(橫河)T型0.3mm20-50～150℃±0.5℃熱電偶布點(diǎn)四川儀表研究所AFC-10KB10～300V50/60Hz±1%被試機(jī)電源艾普斯電子有限公司

4 系統(tǒng)軟件

軟件系統(tǒng)采用 LabVIEW開(kāi)發(fā)，可運(yùn)行于 Windows XP/Windows7環(huán)境下。系統(tǒng)功能如圖 3 所示。

圖3 系統(tǒng)功能圖

各模塊功能如下：

(1)測(cè)試控制：通過(guò)測(cè)試開(kāi)始、測(cè)試停止功能，控制對(duì)儀表的采集，完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理和保存。

(2)項(xiàng)目管理： 可完成測(cè)試工況的設(shè)定、 冰箱銘牌的輸入、測(cè)試判穩(wěn)條件的輸入，熱電偶布點(diǎn)命名、采樣間隔設(shè)置、各儀器計(jì)量校正等。

(3)數(shù)據(jù)顯示： 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及過(guò)程計(jì)算數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、 實(shí)時(shí)曲線的方式顯示。實(shí)時(shí)曲線內(nèi)的溫度、電流、電能等數(shù)據(jù)可以根據(jù)用戶需要自定義命名、顯示或不顯示、顯示不同顏色、修改和調(diào)整坐標(biāo)。

(4)數(shù)據(jù)查詢：根據(jù)試驗(yàn)記錄可進(jìn)行歷史曲線和報(bào)表的查詢。

(5)數(shù)據(jù)打?。嚎梢詫?duì)實(shí)時(shí)報(bào)表、各種曲線進(jìn)行打印。

5 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)分析與方法

5.1 數(shù)據(jù)采集

為了保證多設(shè)備數(shù)據(jù)集中傳輸及數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，選用了工業(yè)通訊控制器Nport作為通訊交換中心，Nport可支持目前常用的Rs232Rs485Rs422IP網(wǎng)絡(luò)等多種通訊協(xié)議。Nport一端采用IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與計(jì)算機(jī)相連，另一端通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與觸摸屏MX100、WT310相連、通過(guò)RS485協(xié)議與UT55A相連。

為了方便通訊編程， 采用 LabVIEW 中的VISA I/O 函數(shù)模塊。通過(guò)設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、流控制和停止位等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與儀器之間的通信。端口通信流程如圖4所示

5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在能耗測(cè)試過(guò)程中，由于持續(xù)測(cè)試周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集量大，臨時(shí)停電等偶發(fā)因素，很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。一個(gè)好的系統(tǒng)應(yīng)將各種意外帶來(lái)的負(fù)面影響減至最低點(diǎn)，為了保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法，所有采集的數(shù)據(jù)與經(jīng)過(guò)計(jì)算后的中間數(shù)據(jù)立即保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理，這樣就有效地保護(hù)了數(shù)據(jù)。

5.3 曲線顯示與操作

曲線可動(dòng)態(tài)地顯示時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)，溫度、電參數(shù)數(shù)據(jù)等曲線可自定義顯示，并能夠準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前參數(shù)的狀態(tài)。另外，通過(guò)鼠標(biāo)右鍵菜單功能，系統(tǒng)還提供了多種曲線操作功能，不僅可以進(jìn)行放大、縮小、移動(dòng)、打印等基本操作，而且還可以進(jìn)行曲線定位查詢、曲線坐標(biāo)變換、 曲線隱藏與顯示等高級(jí)操作。利用雙游標(biāo)的輔助功能，還可以方便地顯示兩游標(biāo)區(qū)間內(nèi)任意參數(shù)的最大值，最小值，平均值等高級(jí)數(shù)據(jù)分析功能。如圖5所示。

圖4 端口通信流程圖

圖5 曲線界面圖

5.4 穩(wěn)定判斷數(shù)據(jù)計(jì)算

圖6 工況穩(wěn)定判斷圖

在國(guó)標(biāo)GB 12021.2-2015 中，需要對(duì)環(huán)境干濕球溫度、冰箱穩(wěn)定狀態(tài)的功率及溫度進(jìn)行計(jì)算判斷，特別是冰箱的穩(wěn)定狀態(tài)功率及溫度的計(jì)算極為復(fù)雜，判定結(jié)果直接關(guān)系著整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此穩(wěn)定判斷及計(jì)算這方面的編寫(xiě)工作是整個(gè)軟件的核心。在符合要求的條件下，為了分解軟件編寫(xiě)的難度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境干濕球溫度為電腦自動(dòng)判定，在系統(tǒng)提示環(huán)境干濕球溫度工況穩(wěn)定后，才能開(kāi)始對(duì)冰箱的穩(wěn)定狀態(tài)功率及特征溫度進(jìn)行判定。穩(wěn)定狀態(tài)功率及特征溫度判定通過(guò)在曲線界面拖動(dòng)兩根游標(biāo)選定區(qū)間及曲線右鍵菜單中的冰箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析子程序進(jìn)行方法SS1或SS2分析，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，分析子程序界面上的判定指示燈全部以高亮燈顯示，并在數(shù)據(jù)列表中顯示相應(yīng)的結(jié)果數(shù)值。如圖 6所示。

6 不確定度分析

6.1 方法

以電冰箱耗電量試驗(yàn)內(nèi)插法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)處理依據(jù)GB12021.2-2015中的公式。

6.2 測(cè)量模型及不確定度分析

矩陣插補(bǔ)計(jì)算耗電量公式為：

[M33]×[C31]=[E31]

(1)

EAB-tar-E0+A0×TA-tar+B0×TB-tar

(2)

式中：TA1、TA2、TA3為間室A3次測(cè)試的溫度；TB1、TB2、TB3為間室B3次測(cè)試的溫度；

E1、E2、E3為3次測(cè)試的耗電量； E0、A0、B0為需要確定的常數(shù)變量；

EAB-tar為所求耗電量值。

耗電量的函數(shù)表達(dá)式：EAB-tar=f(TA1,TA2, TA3,TB1，TB2,TB3,E1,E2,E3)

(3)

設(shè)熱電偶測(cè)量精度為T(mén)er，電量表精度為Eer，根據(jù)不確定度傳播率, 對(duì)各變量標(biāo)準(zhǔn)不確定度引起的制冷量不確定度分量敏感因子US歸納及計(jì)算采用如下：

US TA1=[ f(TA1+Ter,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)-f(TA1-Ter,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)]/2

US TA2=[ f(TA1,TA2+Ter, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)-f(TA1,TA2-Ter, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)]/2

US TA3=[ f(TA1,TA2, TA3+Ter,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)-f(TA1,TA2, TA3-Ter,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3)]/2

US TB1=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1+Ter,TB2,TB3,E1,E2,E3)-f(TA1,TA2, TA3,TB1-Ter,TB2,TB3,E1,E2,E3)]/2

US T B2=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2+Ter,TB3,E1,E2,E3)-f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2-Ter,TB3,E1,E2,E3)]/2

US T B3=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3+Ter,E1,E2,E3)-f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3-Ter,E1,E2,E3)]/2

US E1=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1+Eer,E2,E3)-f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1-Eer,E2,E3)]/2

US E2=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2+Eer,E3)-f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2-Eer,E3)]/2

US E3=[ f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3+Eer)-f(TA1,TA2, TA3,TB1,TB2,TB3,E1,E2,E3-Eer)]/2

以一臺(tái)BCD198兩間室冰箱為例，將測(cè)得數(shù)據(jù)及表1中的不確定度代入以上公式，得到表2的數(shù)據(jù)。

表2 數(shù)據(jù)匯總

項(xiàng)目讀數(shù)不確定度不確定度因子(US)TA1-20.7±0.54.436TA2-17.5±0.57.431TA3-16.0±0.54.12TB16.5±0.51.359TB20.8±0.52.290TB37.1±0.51.264E11390.0±0.3%0.667E21310.0±0.3%1.07E31120.0±0.3%0.500

6.3 不確定度計(jì)算

由6.2中式(2)的計(jì)算公式計(jì)算出：EAB-tar=1283.25Wh/d

標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式如下

(4)

標(biāo)準(zhǔn)不確定US=10.12Wh/d

擴(kuò)展不確定度UeS=2*US=20.24Wh/d

相對(duì)不確定度Ur=US/ EAB-tar=0.79%

結(jié)論：通過(guò)對(duì)極限狀況下不確定度分析，系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)可以滿足相對(duì)誤差在1%以內(nèi)。

7 結(jié)論

在LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)冰箱能耗測(cè)控系統(tǒng)軟件，可以充分利用其圖形化編程直觀、形象的特點(diǎn)，以及在儀表通訊、數(shù)據(jù)處理等方面強(qiáng)大的功能，方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)控軟件的經(jīng)濟(jì)、高效開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)軟件的人機(jī)界面友好，操作方便，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于廣州天河蘭石技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的實(shí)驗(yàn)

室表明其運(yùn)行是可靠、穩(wěn)定的，對(duì)于電冰箱能耗性的測(cè)試具有較好的應(yīng)用效果。

[1] 汪敏生, 等譯著.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社

[2] 毛海蓮.高低溫濕熱試驗(yàn)室的自動(dòng)控制系統(tǒng)[J]. 電機(jī)電器技術(shù)，2002，(5)：24-26

[3] 楊樂(lè)平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003

[4]JJF1059.1-2012 測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].2012

[5]GB12021.2-2015 家用電冰箱耗電量限定值及能源效率等級(jí)[S]

Refrigerator Frigerator Energy Consumption Test System as Per GB 12021.2-2015

ZHANG Yingguang， LIU Kai

( GZ-Lans Experimental Technology Co.,Ltd.，Guang Zhou 510640 )

This is to Introduce the different between GB 12021.2-2008 and GB 12021.2-2015 for refrigerator energy consumption test; Technology and configuration of the test system; Software developed base on NI’s Labview; Uncertainty analysis and calculation. This test system is very stable base on our long term practice , with friendly interface and high efficiency, easy for operation.

Labview；Frigerator energy consumption；Measurement and control system；Uncertainty

2017-3-25

張映光(1972-)，男，工程師，從事制冷產(chǎn)品的性能檢測(cè)設(shè)備研究。Email:ZYGRC@QQ.COM

ISSN1005-9180(2017)02-068-06

O414.13；TQ026.9 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.015