基于LabVIEW的多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置研制

韋 宣， 王志浩， 李思瑤， 瞿麗莉， 由志勛

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 引 言

給粉機(jī)和磨煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械。轉(zhuǎn)速傳感器作為測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的工作計(jì)量器具，

在火力發(fā)電廠，轉(zhuǎn)速測(cè)量涉及汽輪機(jī)、給水泵、其性能直接影響發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。為保證轉(zhuǎn)速傳感器量值的準(zhǔn)確可靠，轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)裝置的計(jì)量性能至關(guān)重要。因此，轉(zhuǎn)速的精確測(cè)量對(duì)保障旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常運(yùn)行具有重要意義[2]。

針對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)，將原先的單通道數(shù)字多用表采集、人工記錄、處理數(shù)據(jù)的方法，更新為多通道數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)處理結(jié)果并生成校準(zhǔn)證書(shū)的智能化、自動(dòng)化測(cè)量手段，同時(shí)拓展了轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍下限值，更好地滿足發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求。

計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合而成的虛擬儀器是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向[3]。LabVIEW 作為美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）開(kāi)發(fā)的面向測(cè)控領(lǐng)域的圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、多種硬件驅(qū)動(dòng)的功能（包括RS232、GPIB、VXI、數(shù)據(jù)采集板卡、網(wǎng)絡(luò)等)；LabVIEW支持大量的儀器驅(qū)動(dòng)和通信協(xié)議，借助一致的驅(qū)動(dòng)API，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的底層命令控制[4-5]，本文基于虛擬儀器技術(shù)結(jié)合硬件電路研制的多通道轉(zhuǎn)速測(cè)量校準(zhǔn)裝置，能有效解決現(xiàn)有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)存在的工作效率低、測(cè)量范圍小和易引入讀數(shù)誤差等問(wèn)題，達(dá)到高效率準(zhǔn)確校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速傳感器的目的。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及測(cè)量原理

多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置由信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器卡和PC機(jī)組成[6]。該裝置通過(guò)四路轉(zhuǎn)速傳感器同時(shí)接收旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換產(chǎn)生方波信號(hào)，又經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由PC機(jī)運(yùn)算處理按指定格式保存，與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置相比，增加了測(cè)量通道數(shù)量，拓展了傳感器校準(zhǔn)類型，轉(zhuǎn)速測(cè)量下限從20 r/min 延伸至 2 r/min，提高了工作效率。

原先的轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置與本裝置的系統(tǒng)框圖對(duì)比如圖1所示。其中，轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置即圖1虛框部分，轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置主要包括轉(zhuǎn)速控制器和電機(jī)兩部分。電機(jī)轉(zhuǎn)軸安裝有測(cè)量齒輪，其外側(cè)安裝被校傳感器，轉(zhuǎn)速量值的測(cè)量基于電磁感應(yīng)原理[7]。

圖1 系統(tǒng)框圖對(duì)比

本裝置主要替代了數(shù)字多用表的測(cè)量功能，并增加了多通道、自動(dòng)采集和生成證書(shū)報(bào)告的功能。

一般轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)測(cè)量可以通過(guò)測(cè)頻法和測(cè)周法來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。根據(jù)測(cè)量的轉(zhuǎn)速（或頻率）范圍，本裝置測(cè)量原理采用測(cè)周法，即將轉(zhuǎn)速傳感器取來(lái)的方波（上升沿）信號(hào)作為閘門(mén)信號(hào)，測(cè)量脈沖信號(hào)的周期，由于采集卡提供的時(shí)鐘信號(hào)相當(dāng)準(zhǔn)確，所以計(jì)時(shí)帶來(lái)的誤差很小。

原先轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置，測(cè)量范圍下限為20 r/min。本裝置的測(cè)量范圍的下限可延伸至2 r/min，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：

1）測(cè)量范圍為：2～ 10000 r/min；

2）測(cè)量不確定度：Ur=1×10–4（k=2）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置、轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(USB-6431)、PC機(jī)及其連接線路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理

多通道信號(hào)調(diào)理電路作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要完成不同類型轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)整形，輸出適合于傳輸、采集要求的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了多種信號(hào)到目標(biāo)信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，并完成了信號(hào)放大、降壓、隔離、比較轉(zhuǎn)換、濾波等內(nèi)容，以獲得 A/D 所需信號(hào)。

根據(jù)目標(biāo)信號(hào)輸出與待整形輸入信號(hào)特征的匹配度，將四路傳感器輸入信號(hào)整形方案分為以下3種：

1）電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器，電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3。

圖3 電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)圖

2）磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器，電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

圖4 磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)圖

3）光電/霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器，電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖5。

圖5 光電/霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器電路設(shè)計(jì)圖

2.2 通道設(shè)計(jì)

基于多通道數(shù)據(jù)采集的測(cè)量要求，出于信號(hào)準(zhǔn)確度方面的考慮，在多通道測(cè)量單元與采集卡之間進(jìn)行地隔離；隔離的另一個(gè)目的是為了避免使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)受共模電壓差異的影響，對(duì)毫伏級(jí)的輸入信號(hào)，還提供噪聲抑制能力。

如圖6所示，多通道信號(hào)調(diào)理電路由四路測(cè)量單元組成，各通路具有光電隔離輸出，光電隔離兼容TTL電平，頻率范圍為0～ 10 kHz。

圖6 信號(hào)輸出方式

2.3 數(shù)據(jù)采集

USB-6431數(shù)據(jù)采集卡是美國(guó)國(guó)家儀器公司設(shè)計(jì)的一種多功能數(shù)據(jù)采集卡（DAQ），適用于PC及兼容機(jī)，可用于各類電信號(hào)的采集、控制及處理后電信號(hào)輸出；數(shù)據(jù)采集卡的任務(wù)是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并形成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)；本裝置利用數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入、數(shù)字 I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能，采用寬量程雙計(jì)數(shù)器測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)多通道轉(zhuǎn)速采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、顯示等功能。

對(duì)于多路轉(zhuǎn)速信號(hào)采集，為滿足頻率范圍要求，在同步或同時(shí)采集過(guò)程中，采集卡的資源分配十分重要。本設(shè)計(jì)采用成對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)器，選擇寬量程雙計(jì)數(shù)器測(cè)量方法，使用2塊數(shù)據(jù)板卡、8個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)通道采集信號(hào)；各個(gè)通道同時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了同步轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道轉(zhuǎn)換值完全順時(shí)對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)采集的速度快。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以多路數(shù)據(jù)的采集為核心，完成對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的誤差評(píng)價(jià)和有效存儲(chǔ)。系統(tǒng)上位機(jī)部分采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)USB串口實(shí)現(xiàn)與DAQ通信，將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理后顯示相應(yīng)的結(jié)果。與編程復(fù)雜、入門(mén)較難的VB和VC++相比，基于LabVIEW的多通道轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)系統(tǒng)界面具有界面清晰、使用靈活、工作效率高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿足轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可同時(shí)顯示4個(gè)不同通道傳感器的信息和測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案如圖7所示。軟件主要完成了基于狀態(tài)機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集與處理，實(shí)現(xiàn)了四路數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算、儲(chǔ)存。軟件總體方案主要包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表保存模塊。其中數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速多路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)多路通道的同時(shí)測(cè)量；數(shù)據(jù)處理與報(bào)表保存模塊主要的功能是根據(jù)轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的平均值、示值誤差和示值變動(dòng)性等內(nèi)容的計(jì)算和評(píng)定[9-11]。

圖7 系統(tǒng)軟件框架圖

3.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊

本裝置主要用于轉(zhuǎn)速傳感器的校準(zhǔn)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要包括：初始化設(shè)備、信息輸入和校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程涉及模擬輸入（AD）、定時(shí)計(jì)數(shù) 2個(gè)部分的協(xié)同運(yùn)作。因此，需考慮任務(wù)開(kāi)始的先后順序。利用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這一時(shí)序控制。

首先，利用四路數(shù)字 IO根據(jù)不同轉(zhuǎn)速通道設(shè)置數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)四路通道的分開(kāi)測(cè)量與控制；系統(tǒng)使用四路模擬輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了滿足數(shù)據(jù)精度要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用了成對(duì)計(jì)數(shù)器采用寬量程雙計(jì)數(shù)器測(cè)量方法，采用8個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，用 DAQmax節(jié)點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行編程，能實(shí)現(xiàn)四路轉(zhuǎn)速信息的同時(shí)采集，并適應(yīng)寬范圍、高精度等特點(diǎn)。

DAQmax采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置高電平為5 V的方波信號(hào)，占空比50%，并在上升沿標(biāo)志處開(kāi)始采集，設(shè)置采集參數(shù)和采樣點(diǎn)數(shù)，在數(shù)據(jù)采集程序模塊引入數(shù)字平均法，可有效降低高頻噪音，提高信噪比[12]，數(shù)據(jù)采集模塊流程如圖8所示，主要實(shí)現(xiàn)采集初始化、數(shù)據(jù)去噪等功能，包括設(shè)備編號(hào)識(shí)別、采用通道、采樣延遲時(shí)間、去噪配置等，根據(jù)速率上下限設(shè)定，使用合適的設(shè)置參數(shù)，當(dāng)識(shí)別到采集標(biāo)志點(diǎn)信息時(shí)，采集開(kāi)始進(jìn)行，達(dá)到要求采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)同步去噪，完成轉(zhuǎn)速信息采集。

圖8 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

示值誤差、示值變動(dòng)性為轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)的主要技術(shù)指標(biāo)，本裝置軟件的數(shù)據(jù)處理功能是根據(jù)不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)量值計(jì)算其平均值、示值誤差和示值變動(dòng)性，其技術(shù)指標(biāo)如下：

示值誤差：不大于 100 r/min 時(shí)：±0.1 r/min；

示值變動(dòng)性：大于 100 r/min 時(shí)：±1 r/min。

示值變動(dòng)性是對(duì)測(cè)量設(shè)備示值最大離散程度的近似評(píng)估，即是對(duì)示值離散極限情況的近似描述，代表示值變化的最大差值，如下式所示：

nmax——校準(zhǔn)點(diǎn)10次測(cè)量中的最大值；

nmin——校準(zhǔn)點(diǎn)10次測(cè)量中的最小值。

3.5 報(bào)表生成

報(bào)表的主要功能是記錄校準(zhǔn)結(jié)果，生成校準(zhǔn)記錄、校準(zhǔn)證書(shū)。通過(guò)利用LabVIEW的報(bào)表工具包提供的一系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4 比對(duì)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本裝置的計(jì)量性能及適用性，可以采用與參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)（即原先轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置）的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)的方法，比對(duì)實(shí)施方案如下：

分別選用磁阻式、霍爾式、電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器作為被校傳感器進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。用參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，得到一個(gè)校準(zhǔn)結(jié)果；再用多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置代替計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的配套設(shè)備-數(shù)字多用表，對(duì)同一套轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，得到一個(gè)校準(zhǔn)結(jié)果，依據(jù) JJF 1117—2010 《計(jì)量比對(duì)》[13]，將兩次校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，|En|≤1則認(rèn)為比對(duì)結(jié)果滿意，En值計(jì)算公式如下式所示：

式中：xlab——使用多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置的校準(zhǔn)結(jié)果；

xref——參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)結(jié)果；

Uref——參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度。

其中，多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度 Ulab=1×10–4（k=2），參考計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度 Uref=5×10–5（k=2）。

3種類型轉(zhuǎn)速傳感器比對(duì)結(jié)果如圖9～ 圖11所示，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速測(cè)量點(diǎn)（r/min），縱坐標(biāo)為|En|值。針對(duì)不同類型轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍有所不同。

從圖9～ 圖11可以得到3種類型轉(zhuǎn)速傳感器的比對(duì)結(jié)果|En|≤1，比對(duì)結(jié)果滿意，表明該裝置的計(jì)量性能和功能均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 磁阻式比對(duì)結(jié)果

圖10 霍爾式比對(duì)結(jié)果

圖11 電渦流式比對(duì)結(jié)果

5 量值溯源

量值溯源是獲得被檢儀器設(shè)備計(jì)量性能最有效和直接的手段。多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置經(jīng)法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)——陜西省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行校準(zhǔn)，出具校準(zhǔn)證書(shū)，測(cè)量范圍：2～ 10000 r/min，測(cè)量不確定度Ur=7×10–7（k=2），遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)Ur=1×10–4（k=2）的要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用轉(zhuǎn)速測(cè)量原理，基于虛擬儀器技術(shù)，研制了多通道轉(zhuǎn)速傳感器校準(zhǔn)裝置。通過(guò)量值溯源和比對(duì)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的計(jì)量性能和功能滿足設(shè)計(jì)要求。該裝置的研制及應(yīng)用進(jìn)一步保證了電力行業(yè)轉(zhuǎn)速量值傳遞的準(zhǔn)確性和可靠性，發(fā)電機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠技術(shù)保障。同時(shí)為該技術(shù)領(lǐng)域的計(jì)量檢測(cè)工作提供了參考價(jià)值。