电机多参数实时数据采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电机多参数实时数据采集系统，属于电机检测【技术领域】。本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，在电机的机壳上设有若干连接到振动信号调理电路上的振动传感器；在电机的电路接线板上连接有三相电路，其中三相电路上分别设有连接到电流信号调理电路上的电流互感器；在电机的绕组边缘设有若干个连接到温度信号调理电路上的温度传感器；其中振动信号调理电路、电流信号调理电路和温度信号调理电路连接于数据采集卡上，所述数据采集卡连接于计算机上。本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，不仅能实时监测振动、电流、温度信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
【专利说明】电机多参数实时数据采集系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电机多参数实时数据采集系统，通过数据采集卡，能把反映电机运行状况的振动、电流和温度信号实时采集到计算机，为后续的电机故障诊断和健康性能评估提供依据。
【背景技术】
[0002]电机某一部件出现故障时，在振动、温度、电流等特征量中都会有所体现，综合各种不同传感器的数据信息进行分析和诊断有助于提高诊断准确率和诊断系统的鲁棒性。
[0003]选择电机故障诊断中最常见的三类信号:振动信号、电流信号、温度信号。这三类信号单独或其组合反映电机转子不平衡、偏心、磨损、轴承故障、笼型绕组的断条、匝间短路、绕组过热、铁心过热等电机常见故障。在电机运行的正常态和故障态分别测取空载，半载，全负载三种情况下的振动信号、定子电流信号以及温度信号，利用这些数据就能实现电机健康性能评估和故障诊断。
[0004]现有的电机多参数测试仪只能将测试参数通过波形、指针或数字的形式显示在仪表上，或者将故障代码显示出来。无论哪种情况，研究人员都无法获得实时的电机运行数据，从而进行下一步的信息处理和分析。
实用新型内容
[0005]为了克服现有电机多参数测试仪只能将测试参数通过波形、指针、数字或故障代码的形式显示在仪表上，而不能将测试数据实时传送到计算机上的不足，本实用新型提供一种电机多参数实时数据采集系统，该系统不仅能实时监测振动、温度、电流信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
[0006]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0007]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，在电机的机壳上设有若干连接到振动信号调理电路上的振动传感器；在电机的电路接线板上连接有三相电路，其中三相电路上分别设有连接到电流信号调理电路上的电流互感器；在电机的绕组边缘设有若干个连接到温度信号调理电路上的温度传感器；其中振动信号调理电路、电流信号调理电路和温度信号调理电路连接于数据采集卡上，所述数据采集卡连接于计算机上。
[0008]由于采用了上述结构，电机选用Y160M2-2，额定功率为15kw、额定转速为2930r/min、额定电压为AC380V，额定电流为29A。振动信号测量采用ZRCD-21监视用速度传感器，安装在电机机壳的侧面和顶面，用螺丝固定，水平测点和垂直测点呈90°夹角，分别采集水平方向和垂直方向的原始振动信号。电流信号检测采用LMK-0.66测量用电流互感器，安装在电源进线一侧，分别测量U、V、W三相定子电流信号。LMK-0.66测量用电流互感器电流比800: 5，容量10VA，精度0.5级。温度信号测量采用钼电阻ptlOO，测温范围-50°C?+850°C，测温精度〈0.5°C，分辨率0.TC。钼电阻ptlOO预埋在绕组与机壳的空隙处，圆周上等间隔处安装4个ptlOO，在机壳上钻一个孔引出4个电阻进行温度测量。本实用新型的电机多参数实时数据采集系统基于LABVIEW、数据采集卡、传感器、信号调理电路实现电机振动、定子电流、绕组温度三类参数的实时数据采集；利用ZRCD-21监视用速度传感器、LMK-0.66测量用电流互感器、PtlOO钼电阻分别测量Y160M2-2型三相异步电动机的机壳振动、定子相电流、绕组温度。通过信号调理电路转换成电压信号，接入数据采集卡USB-DMP609，经过USB连接至上位机，利用虚拟仪器LABVIEW在计算机上显示信号随时间变化曲线，并实时保存采集数据，信号时间长度和采样频率用户自己设定。本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，不仅能实时监测振动、电流、温度信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
[0009]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，所述振动传感器包括设于电机机壳的侧面上检测水平方向振动的第一振动传感器、以及设于电机机壳顶面上检测垂直方向振动的第二振动传感器；其中所述第一振动传感器的测点与第二振动传感器的测点之间呈90°夹角，所述第一振动传感器与第二振动传感器分别通过振动信号调理电路连接到数据米集卡上。
[0010]由于采用了上述结构，振动信号测量采用ZRCD-21监视用振动传感器，其中分别为设于电机机壳的侧面上检测水平方向振动的第一振动传感器、以及设于电机机壳顶面上检测垂直方向振动的第二振动传感器；水平方向振动传感器和垂直方向振动传感器均用螺丝固定在电机的机壳上，信号端由四芯航空插头引出，由于振动传感器的输出信号为电压信号，因此振动传感器的输出信号可以视实际情况选取或者不选取振动信号调理电路。本专利所述的电机多参数实时数据采集系统在实际应用中，如果对一些功率较小的电机进行数据采集，其工作时，电机振动幅度较小，振动传感器输出的电压信号可能是毫伏级的，就需要放大电路(即振动信号调理电路)，考虑到本实用专利的实用性和普遍性，在电机多参数实时数据采集系统的整体结构图中增加一个振动信号调理电路，即布置一个可调增益放大器，将微弱的电压信号放大到伏级。本实用新型采用的Y160M2-2型三相异步电动机，其功率达到15kw，工作时振动幅度大，振动传感器的输出信号可以达到IV左右，出现故障时更大。因此本实用新型可以不需要通过振动信号调理电路就可将振动传感器输出信号直接连接到数据采集卡上。在垂直方向和水平方向的振动传感器的引脚直接连接在信号采集卡的模拟量输入端AINl和AIN2，引脚共地接数据采集卡引脚17?19，ZRCD-21的频率响应范围为10?1000HZ，对应电机转速600?6000r/min，其灵敏度为280mv/cm/s。该系统不仅能实时监测振动信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
[0011]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，在电机的定子侧通过电路接线板连接于三相电路上，其中每相电路上均设有电流互感器，三个电流互感器分别通过电流信号调理电路连接到数据采集卡上，其中电流信号调理电路内设置的电阻分别与每个电流互感器串联。
[0012]由于采用了上述结构，定子电流信号检测采用LMK-0.66测量用电流互感器，电流比800:5，安装在电源进线一侧，分别测量U、V、W三相定子电流信号。由于数据采集卡的输入信号为-5?+5v，因此，需要把电流信号转换为电压信号，在LMK-0.66测量用的电流互感器的输出端分别连接一个10 Ω电阻；由LMK-0.66的电流比和电流信号调理电路可知，可测定子电流的范围为O?80A，即使考虑启动电流、过载电流等因素，也完全满足该电机定子电流的测量要求。三个10 Ω电阻共地，其共地端接数据采集卡的引脚17~19，三个10 Ω电阻的另一端分别接数据采集卡的模拟量输入端AIN3、AIN4和AIN5。使得该系统不仅能实时监测电流信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
[0013]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，温度传感器为四个均布于电机圆周方向上的钼电阻，使相邻的两个钼电阻之间呈90°夹角，所述钼电阻预埋于电机绕组与机壳的空隙处，四个钼电阻分别通过温度信号调理电路连接到数据采集卡上，其中温度信号调理电路内设置的电阻分别与每个钼电阻串联。
[0014]由于采用了上述结构，温度信号测量采用四个钼电阻ptlOO，钼电阻ptlOO预埋在绕组与机壳的空隙处，圆周上等间隔安装4个，在机壳上钻一个孔引出钼电阻ptlOO，分别与4个100 Ω的电阻串联，加5v电压，该调理电路将电机绕组温度变化转换为钼电阻ptlOO两端的电压信号，从而进行温度测量。温度信号调理电路中温度和电阻之间的关系满足式(I)。
[0015](1+3.9083*10_3衬-5.775*10_7衬2)(I)
[0016]式(I)中怂为钼电阻在0°C的电阻值，R0 =100Ω。电动机绕组的温度，根据绝缘材料的耐热等级，最高运行温度为H级的180°C，钼电阻可达168.46 Ω。通过温度信号调理电路，钼电阻PtlOO的分压正端分别接入数据采集卡的模拟量输入端AIN6、AIN7、AIN8和AIN9 ;电压负端共地，接数据采集卡的引脚17~19。则热电阻在温度t时的电阻与分压~之间的关系满足式(2)。
[0017]TPf=IOO^Fi / (5- Vj )(2)
[0018]式(2)中为钼电阻两端的分压，数据采集卡采集该分压后，代入式(2)计算出钼电阻ptlOO在温度t时的电阻值，代入式(I)计算温度；式(I)和式(2)通过LABVIEW中的公式节点，计算之后能在电机多参数实时数据采集系统的前面板上直接以温度值显示。该系统不仅能实时监测温度信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。
[0019]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果有一下两点。
[0020]1、本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，不仅能实时监测振动、电流、温度信号，而且能把这些数据传送到上位机，通过LABVIEW的界面可以直观的观察电机的当前运行状况。
[0021]2、本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，采集的数据可以实时保存在计算机硬盘上，以便用于与电机相关的运行状况分析，也可以在此基础上开展电机在线故障诊断和健康性能评估等研究。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型的电机多参数实时数据采集系统的整体结构图。
[0023]图2是图1中振动传感器布点及其与数据采集卡的接线图。
[0024]图3是图1中电流传感器布点、转换电路及其与数据采集卡的接线图。
[0025]图4是图1中温度传感器布点、转换电路及其与数据采集卡的接线图。
[0026]图5是图1所示电机多参数实时数据采集系统的软件设计流程图。[0027]图中标记:1-电机，2-数据采集卡，3-计算机，4-第一钼电阻，5-第二钼电阻，6-第三钼电阻，7-第四钼电阻，8-温度信号调理电路，9-振动信号调理电路，10-电路信号调理电路，11-第一振动传感器，12-第二振动传感器，13-第一电流互感器，14-第二电流互感器，15-第三电流互感器，16-电路接线板，17-USB数据线，18-第一电阻，19-第二电阻，20-第三电阻，21-第四电阻，22-第五电阻，23-第六电阻，24-第七电阻。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
[0029]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0030]如图1至图5所示，本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，在电机I的机壳上设有若干连接到振动信号调理电路9上的振动传感器，其中所述振动传感器包括设于电机I机壳的侧面上检测水平方向振动的第一振动传感器11、以及设于电机I机壳顶面上检测垂直方向振动的第二振动传感器12 ;其中所述第一振动传感器11的测点与第二振动传感器12的测点之间呈90°夹角，所述第一振动传感器11与第二振动传感器12分别通过振动信号调理电路9连接到数据采集卡2上；在电机I的定子通过电路接线板16连接于三相电路上，其中每相电路上均设有电流互感器，三个电流互感器分别为第一电流互感器13、第二电流互感器14和第三电流互感器15，三个电流互感器分别通过电流信号调理电路10连接到数据采集卡2上，其中电流信号调理电路10内设置的电阻分别与每个电流互感器串联；在电机I的绕组边缘设有若干个连接到温度信号调理电路8上的温度传感器；其中温度传感器为四个均布于电机I圆周方向上的钼电阻，具体为第一钼电阻4、第二钼电阻5、第三钼电阻6和第四钼电阻7，其中任意两个相邻的两个钼电阻之间呈90°夹角，所述钼电阻预埋于电机I绕组与机壳的空隙处，四个钼电阻分别通过温度信号调理电路8连接到数据采集卡2上，其中温度信号调理电路8内设置的电阻分别与每个钼电阻串联；其中振动信号调理电路9、电路信号调理电路10和温度信号调理电路8连接于数据采集卡2上，所述数据采集卡2通过USB数据线17连接于计算机3上，其中计算机3作为上位机，利用虚拟仪器LABVIEff显示信号随时间变化曲线，并保存实时采集数据，信号时间长度和采样频率用户自己设定。
[0031]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，电机I选用Y160M2-2，额定功率为15kw、额定转速为2930r/min、额定电压为AC380V，额定电流为29A。振动信号测量采用ZRCD-21监视用速度传感器11和12，安装在电机机壳的侧面和顶面，用螺丝固定，水平测点和垂直测点呈90°夹角，分别采集水平方向和垂直方向的原始振动信号。温度信号测量采用钼电阻ptlOO，测温范围-50。。?+8500C，测温精度〈0.5°C，分辨率0.10C0钼电阻ptlOO预埋在绕组与机壳的空隙处，圆周上等间隔处安装4个钼电阻ptlOO，在机壳上钻一个孔引出4个电阻进行温度测量。电流信号检测采用LMK-0.66测量用电流互感器13、14和15，安装在电源进线一侧，分别测量U、V、W三相定子电流信号。LMK-0.66测量用电流互感器电流比800:5,容量10VA,精度0.5级。
[0032]振动信号测量采用ZRCD-21监视用速度传感器，如图2所示。水平方向的第一振动传感器11和垂直方向的第二振动传感器12均用螺丝固定在电机I的机壳上，信号端由四芯航空插头引出。由于振动传感器的输出为标准电压信号，故振动传感器不需要信号调理电路直接与数据采集卡2相连。垂直方向和水平方向振动传感器的引脚I直接连接在信号采集卡2的模拟量输入端AINl和AIN2，引脚4共地接数据采集卡2引脚17~19。ZRCD-21的频率响应范围为10~1000HZ，对应电机转速600~6000r/min，其灵敏度为280mv/cm/s。
[0033]如图3所示，定子电流信号检测采用LMK-0.66测量用电流互感器，分别为第一电流互感器13、第二电流互感器14和第三电流互感器15，电流比800:5。安装在电源进线一侦牝分别测量U、V、W三相定子电流信号。由于数据采集卡2的输入信号为-5~+5v，因此，需要把电流信号转换为电压信号，在LMK-0.66测量用电流互感器13、14和15的输出端分别连接一个10Ω电阻18、19和20。由LMK-0.66的电流比和信号调理电路可知，可测定子电流的范围为O~80A。即使考虑启动电流、过载电流等因素，也完全满足该电机定子电流的测量要求。三个10Ω电阻18、19和20 —端共地，其共地端接数据采集卡2的引脚17~19，三个10 Ω电阻18、19和20的另一端分别接数据采集卡2的模拟量输入端AIN3、AIN4和 AIN5。
[0034]如图4所示，温度信号测量采用四个钼电阻ptlOO，分别为第一钼电阻4、第二钼电阻5、第三钼电阻6和第四钼电阻7，钼电阻ptlOO预埋在绕组与机壳的空隙处，圆周上等间隔安装4个，在机壳上钻一个孔引出钼电阻ptlOO，使得每个ptlOO钼电阻分别与一个100 Ω的电阻串联，加5v电压，该电阻将PtlOO的电阻变化转换为PtlOO两端的电压变化，从而进行温度测量。
[0035]其中温度信号测量采用PtlOO钼电阻，在温度和电阻之间的关系满足I。
[0036]R=R0 (1+3.9083*IO^3*t~5.775*10^7*t2)(I)
[0037]式I中怂为钼电阻在0°C的电阻值，怂=100 Ω。电动机绕组的温度，根据绝缘材料的耐热等级，最高运行温度为H 级的180°C，钼电阻可达168.46 Ω。PtlOO钼电阻可采用图4所示的转换电路。四个PtlOO钼电阻的分压正端分别接入数据采集卡2的模拟量输入端AIN6、AIN7、AIN8和AIN9 ;电压负端共地，接数据采集卡2的引脚17~19。则热电阻在温度t时的电阻与分压~之间的关系满足式2。
[0038]R=100*Vi / (5- Vi )(2)
[0039]式2中为钼电阻两端的分压，数据采集卡2采集该分压后，代入式2计算出ptlOO在温度t时的电阻值，代入式I计算温度。式I和式2通过LABVIEW中的公式节点，计算之后能在电机多参数实时数据采集系统的前面板上直接以温度值显示。
[0040]数据采集系统包含USB-DMP609数据采集卡2和计算机3，通过USB数据线17将数据采集卡2连接到计算机3。虚拟仪器LABVIEW显示振动、电流、温度信号随时间变化曲线或数值，并保存采集数据。
[0041]数据采集卡USB-DMP6092是一款USB2.0总线16位A/D数据采集卡，具有16路单端模拟输入，内置程控增益控制，板载FIFO存储系统，可进行设定点数或循环采集的内部时钟触发高速连续采样最高采样频率达250KHz，全部工作在软件设置模式、二路12位D/A输出、开关量16路输入/输出全程控，并可位设置及位读取、一路16位计数器及频率计、一路程控宽频率范围(550Hz~65KHz)的脉冲及各种模拟波形输出、二路程控可调基频脉宽调制(PWM)器。采用USB总线，支持即插即用。USB-DMP609数据采集卡为非NI数据采集卡，在用LabVIEW编写程序时，不能直接调用DAQ，而是需要另外编写相关的函数，并需要封装为动态链接库.DLL。在本设计中，DMP.dll包含了打开数据采集卡函数HANDLEOpenDevice (unsigned char)、多通道扫描函数Dmp609_Scan_Ad()、时钟触发多通道连续采样函数Dmp609_Timer_Scan_Ad O及读取采集卡存储板内载数据函数Dmp609_Read_Ad()等。
[0042]LABVIEff的开发环境分为三个部分:前面板、程序面板、图标/连接端口。前面板就是图形化用户界面，以曲线的形式显示垂直和水平的振动信号、U、V、W三相定子电流、四路温度信号。程序面板就是程序编辑界面，程序流程图如图5所示。
[0043]数据采集系统的软件设计中，主要用到了打开数据采集卡函数OpenDevice、多通道扫描连续采样函数Dmp609_Timer_Scan_Ad及读取采集卡存储板内数据函数Dmp609_Read_Ad ()。OpenDevice 打开数据卡，并将数据柄传到 Dmp609_Timer_Scan_Ad ()和Dmp609_Read_Ad()，而多通道扫描函数和读采集卡数据函数收到数据柄后就能对指定的数据卡进行操作。多通道扫描函数连续采样函数有7个参数，包括了数据柄、扫描起始通道、扫描终止通道、设置增益、采样循环状态、时钟周期及函数返回值。由于需要9路数据2路振动信号、3路电流信号、4路温度信号，按顺序连接数据采集卡的接口，起始通道设置为I，终止通道设置9。在采集数据过程需要连续采集，循环状态设置为I。读取采集卡存储板数据函数有4个参数，有卡操作数据柄、采样数、数据转换数组及函数返回。
[0044]在多通道扫 描时钟触发连续采样方式下，调用c语言编写的DMP609.DLL库函数中的Dmp609_Timer_Scan_Ad函数，由内部时钟触发，对所设定通道进行扫描采样，从起始通道I开始，相邻通道时差小于15m，顺序采样到终止通道9结束。同时采样数据顺序写入FIFO,再调用DLL库函数中的Dmp609_Read_Ad函数读出数据，由于采集到的通道值数据范围为O~65535，为满足实际需求还需要运用LABVIEW中公式节点对采集到的各路通道数据进行相应的A/D转换，其转换公式如式3所示。
[0045]V= (dada-32767) *g/65535( 3)
[0046]式3中，data为数据采集卡经过A/D转换后得到数据，g为多通道扫描时钟触发采集函数中设置的增益，V为显示出来的电压值。
[0047]由于Dmp609_T imer_Scan_Ad函数返回的各通道转换数据值的数组data为LABVIEW定义的全局变量数组，返回的data[0]为start所选择的起始通道的转换数据、data [I]为start+Ι通道的转换数据,依此类推。故需将数组data通过LABVIEW抽取一维数组函数将其分为9个子数组，各个子数组再经过调用公式节点运用电压与振动、电流、温度的关系换算关系来进行相应的换算，就能得到相应通道采集到的实际数值了，再通过写入电子表格文件函数就可以将采集到的数据保存为文本文件，通过波形图表显示各通道的波形，幅值电平测量函数提取幅值和电平，提取频率信息函数测得相应的峰值、幅值及频率。
[0048]本实用新型的电机多参数实时数据采集系统，不仅能实时监测振动、电流、温度信号，而且能把这些数据传送到上位机，为电机故障诊断和健康状况评估提供依据。其采集的数据可以用于与电机相关的运行状况分析，也可以用于电机故障诊断和健康性能评估等研究。
[0049]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.电机多参数实时数据采集系统，其特征在于:在电机(I)的机壳上设有若干连接到振动信号调理电路(9)上的振动传感器；在电机(I)的电路接线板(16)上连接有三相电路，其中三相电路上分别设有连接到电流信号调理电路(10)上的电流互感器；在电机(I)的绕组边缘设有若干个连接到温度信号调理电路(8)上的温度传感器；其中振动信号调理电路(9)、电流信号调理电路(10)和温度信号调理电路(8)连接于数据采集卡(2)上，所述数据采集卡(2)连接于计算机(3)上。
2.如权利要求1所述的电机多参数实时数据采集系统，其特征在于:所述振动传感器包括设于电机(I)机壳的侧面上检测水平方向振动的第一振动传感器(11)、以及设于电机(I)机壳顶面上检测垂直方向振动的第二振动传感器(12);其中所述第一振动传感器(11)的测点与第二振动传感器(12)的测点之间呈90°夹角，所述第一振动传感器(11)与第二振动传感器(12)分别通过振动信号调理电路(9)连接到数据采集卡(2)上。
3.如权利要求1或2所述的电机多参数实时数据采集系统，其特征在于:在电机(I)的定子通过电路接线板(16)连接于三相电路上，其中每相电路上均设有电流互感器，三个电流互感器分别通过电流信号调理电路(10)连接到数据采集卡(2)上，其中电流信号调理电路(10)内设置的电阻分别与每个电流互感器串联。
4.如权利要求1或2所述的电机多参数实时数据采集系统，其特征在于:温度传感器为四个均布于电机(I)圆周方向上的钼电阻，使相邻的两个钼电阻之间呈90°夹角，所述钼电阻预埋于电机(I)绕组与机壳的空隙处，四个钼电阻分别通过温度信号调理电路(8)连接到数据采集卡(2)上，其中温度信号调理电路(8)内设置的电阻分别与每个钼电阻串联。
【文档编号】G01R31/34GK203534846SQ201320669044
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年6月18日
【发明者】康志亮, 许丽佳, 邹志勇, 夏高翔, 曾斌, 唐小章, 杨秀毅 申请人:四川农业大学