一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量方法及装置与流程

本发明涉及全封闭压缩机转速的测量技术领域。具体涉及数据采集、数据存储、算法应用、数字信号处理、电流测量以及转速测量等领域。

背景技术：

全封闭压缩机非介入式高精度的转速测量当前困扰着相关产业行业。非介入式高精度转速测量方法的研究突破，是行业中急需解决的一个瓶颈性科学问题。由于压缩机是全封闭的钢体，在不破坏其壳体和结构前提下无法直接对其转速进行测量，需采用间接法。用间接法进行转速测量，有介入和非介入2种。非介入方法中较为成熟，并实际使用的为基于压缩机外壳振动的方法，经过不断完善发展，采样周期3s时，测量误差为±5rpm左右。由于振动的测量方法对安装底座的材料和测试环境要求较高，当安装底座的刚度较小时，外壳的大量振动能量会被底座吸收，致使传感器无法精确捕捉测量信号，其精度再要提高已经很难。介入式有排气压力脉动法、吸气压力脉动法等方法。该方法主要适用于往复式全封闭压缩机的转速测量，不具有普遍性。

技术实现要素：

为了克服已有全封闭压缩机的测量精度不高和测量设备复杂的不足,本发明提供了一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量方法及装置，测量精度较高，测量设备简化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量方法，包括以下步骤：

1)围绕电机转子结构特征，构建电机转子失圆对输入电流信号的耦合模型；

2)获取全封闭压缩机失圆谐波叠加后的供电电流信号，并根据预设的采样率对获取的信号进行采样，得到1024个时域数据；

3)数据更新：通过设计一个更新函数，每当采样程序采完1024个数据后，将所采集到的1024个数据与前3072个数据叠加组成4096个数据，以此方式不断迭代更新数据；

4)对叠加后的4秒的数据作hilbert变换再作正交变换，对其进行分离、筛选、提取电流信号中的失圆谐波，即得到转速相关信号；

5)频谱细化:利用复调制细化方法zfft对该信号进行频谱细化，得到精确的频值，进一步得出压缩机转速。

进一步，所述步骤1)中，所述信号耦合模型中，令转子的半径与角度的关系为f(θ)，由于周期函数可以傅里叶展开成无穷级数，表示如下：

由于，磁场在空气中会衰减，转子表面距离定子越远，磁场越弱，产生的感生电动势也越弱，定子转子的间隙表示为：

进一步抽象为：

bsinθ+ccosθ+τ(4)

由式(4)可知，转子的径向尺寸呈三角函数状态波动，因此可知转子和定子间的间隙也成三角函数状态波动；

因此，；将供电电流的成分抽象为下式：

asin(2πf0t)+bsin(2πf1t)c+ccos(2πf1t)(5)

由此可知，输入电流的成分主要包括两部分：50hz的电流成分以及转子偏心产生的波动电流，其中，波动电流包含一个正弦和一个余弦成分，整体呈三角函数波动。

再进一步，所述步骤4)中，对式(5)所示的电流模型进行希尔伯特变换，希尔伯特变换为原始信号与的卷积：

对此信号做傅里叶变换，原始信号的频谱为：

希尔伯特算子的频谱：

其中sgn()函数，当参数为正，返回1，参数为负，返回-1，参数为0，返回0；

对希尔伯特变换前后的波函数进行正交变换：

a²sin²(2πf0t)+b²sin²(2πf1t)+c²cos²(2πf1t)+2absin(2πf0t)sin(2πf1t)

+2acsin(2πf0t)cos(2πf1t)+2bcsin(2πf1t)cos(2πf1t)+a²cos²(2πf0t)

+b²cos²(2πf1t)+c²sin²(2πf1t)+2abcos(2πf0t)cos(2πf1t)

-2accos(2πf0t)sin(2πf1t)-bccos(2πf1t)sin(2πf1t)

＝a²+b²+c²+2abcos[2π(f0-f1)t]+2acsin[2π(f0-f1)t]+2bcsin[2π(f1-f1)t]

＝a²+b²+c²+2abcos[2π(f0-f1)t]+2acsin[2π(f0-f1)t]

(17)

对输入电流信号进行hilbert变换后再做正交变换，得到f0与f1的差，此差值为供电频率与转差频率的差值，该差值就是电机的转动频率。

一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量装置，包括：

量程选择模块，用于通过调整转速量程选择档位选择750r，1500r和3000r等不同量程；

电流信号采集模块，电流信号采集有两种方式：钳口式和直插式，两种方式适应不同应用场景使用，均采用高精度ad采样芯片根据预设的采样率进行电流信号的采集；

数据存储模块，用于将采集到的电流信号存储在外扩flash芯片中。

数据处理模块，用于对所采集到的电流信号数据作hilbert变换后再作正交变换，对其进行分离、筛选、提取失圆谐波信号，即得出转速相关信号；

频谱细化模块，用于利用复调制细化方法zfft对该信号进行频谱细化，得到精确的频域信号，进一步得出压缩机转速。

进一步，所述装置还包括：转速显示模块，用于通过led屏显示得到的转速值及转速值曲线图。

再进一步，所述装置还包括：蓝牙模块，用于将采集到的电流信号、转速信号频域值及转速值通过蓝牙模块传输至pc端、手机端。

更进一步，所述电流信号采集模块中，信号采集模块采用的是跟随型电流传感器，输入为0-3a，输出为0-5v,响应时间为15us，而供电电流频率为50hz，即周期为0.02s，该传感器完全满足使用要求；采样芯片选用的是ad公司的“ad7671”型号的芯片，该芯片采用5v单电源供电，典型功耗仅为112mw，内置一个16位高速采样adc，支持多功能并行或双线串行接口配置。在信号采样前，将采样率设置为1000hz，将测量方式选择旋钮调节至所需档位，若为钳口式，则将测量装置的钳口夹住压缩机的供电电线，电线中的电流产生的磁场作用于钳口，进而对电流信号进行采样，若为直插式，则将直插式的插头插到压缩机的供电接口直接对电流信号进行采样。

所述数据处理模块中，数据处理模块选用ti公司的“tms320f28335”型号的dsp处理器，此处理器具有150mhz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，dsp处理器将采集到的电流信号数据作hilbert变换及正交变换，可将信号的相位在频谱图上平移90度，然后再对相位平移后的信号与平移前的信号作正交变换，从而将电流信号中50hz的供电电流这一主成分消除，处理后的信号中只含有一个有效成分，即失圆谐波信号，经验证该频率为供电电流频率和转差频率的差值。

所述频谱细化模块中，对45hz-55hz的窄带进行分析，采用复调制频谱细化方法zfft对该信号进行频谱细化，在不增加采用时间的前提下提高分辨率，可有效提高测量精度，得出精确的频域信号。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)对比直接测量的破坏性，该方法对系统影响小。

(2)相比于基于振动等现行常用方法，对环境的抗扰性强，稳定性高。

(3)利用hilbert变换和正交变换后可以有效消除供电50hz频率对有效频率的干扰。

(4)利用zfft变换得出的频谱图精度较高

(5)该测量装置测量简便，成本较低，实时性高，适用场景广泛。

附图说明

图1是旋转磁场与转子位置示意图。

图2是输入电流的数学模型时域图。

图3是全封闭压缩机实采数据时域图。

图4是便携式全封闭压缩机高精度转速测量装置的整体结构示意图，其中，1、量程选择旋钮2：测量方式切换旋钮3、转速显示屏4、校准按钮5、显示切换按钮6、电源按钮7、电源接口8、钳口9、直插口10、蓝牙模块11、转速采集模块12、外壳。

图5是装置的整体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量方法，包括以下步骤：

1)围绕压缩机转子表面结构特征，构建压缩机转子表面失圆产生的失圆谐波信号作用于输入电流信号后的信号模型。

由于加工精度问题，转子表面存在径向失圆，导致磁场和转子的间隙存在周期性变化，且压缩机在运转时转子和定子存在转差，周期变化的磁场周期性切割转子，产生失圆谐波信号，失圆谐波信号的频率等于定子与转子的转差频率，此信号叠加在供电电流信号中，对叠加后的电流信号构建数学模型，具体构建过程见下文。

2)获取全封闭压缩机失圆谐波叠加后的供电电流信号，并根据预设的采样率对获取的信号进行采样。

为保证采样精度及采样速率，将采样率设置为1000hz，单次采样1024个数据。

3)数据更新：通过设计一个更新函数，每当采样程序采完1024个数据后，将所采集到的1024个数据与前3072个数据叠加组成4096个数据，以此方式不断迭代更新数据；

由于dsp单次采集的数据量为1024个，为保证测量结果的精度，在dsp的数据采集程序中设计了一个数据更新函数，将每次所采集的1024个数据与前面采集到的3072个数据叠加成4096个数据，因此dsp每采集完1024个数据后可以处理4096个数据，确保了程序所需的数据量。

4)对采集的并迭代后的数据作hilbert变换后再作正交变换，对其进行分离、筛选、提取电流信号中的失圆谐波，即得到转速相关信号。

输入电流的成分由两部分组成，即转子失圆产生的失圆谐波信号和供电电流信号，由于与转速相关的失圆谐波信号较微弱，直接利用频谱分析手段进行提取很难保证提取到的信号的精度，为此，提出对输入电流信号作hilbert变换，将信号的相位在频谱图上平移90度，然后再对相位平移后的信号与平移前的信号作正交变换，从而将电流信号中的50hz供电电流这一主成分消除，处理后的信号中只含有一个有效成分，即失圆谐波信号，经验证该频率为供电电流频率和转差频率的差值，大大降低了信号的提取的难度。hilbert变换及正交变换具体分析见下文。

5)频谱细化:利用复调制细化方法(zfft)对该信号进行频谱细化，得到精确的频值，进一步得出压缩机转速。

通常，频谱分析所采用的数字信号处理技术是对整个频带进行分析，而装置应用中，我们只需对45hz-55hz的窄带进行分析。由于测量实时性的要求，测量过程中单次采集时间较短，直接进行频谱分析，分辨率不能满足要求。此处采用复调制频谱细化方法(zfft)对该信号进行频谱细化，在不增加采用时间的前提下提高分辨率，可有效提高测量精度，得出精确的频域信号。

关于压缩机失圆产生的失圆谐波信号作用于输入电流信号后的信号耦合模型：

令转子的半径与角度的关系为f(θ)，由于周期函数都可以傅里叶展开成无穷级数，表示如下：

由于，磁场在空气中会衰减，转子表面距离定子越远，磁场越弱，产生的感生电动势也越弱。定子转子的间隙可表示为：

可进一步抽象为：

bsinθ+ccosθ+τ(4)

由式4可知，转子的径向尺寸呈三角函数状态波动，因此可知转子和定子间的间隙也成三角函数状态波动。

因此，我们可以将供电电流的成分抽象为下式：

asin(2πf0t)+bsin(2πf1t)c+ccos(2πf1t)(5)

由此可知，输入电流的成分主要包括两部分：50hz的电流成分以及转子偏心产生的波动电流。其中，波动电流包含一个正弦和一个余弦成分，整体呈三角函数波动。

关于信号提取的算法推导：对式(5)所示的电流模型进行希尔伯特变换，希尔伯特变换为原始信号与的卷积：

对此信号做傅里叶变换，原始信号的频谱为：

希尔伯特算子的频谱：

其中sgn()函数，当参数为正，返回1，参数为负，返回-1，参数为0，返回0；

我们对希尔伯特变换前后的波函数进行正交变换：

a²sin²(2πf0t)+b²sin²(2πf1t)+c²cos²(2πf1t)+2absin(2πf0t)sin(2πf1t)

+2acsin(2πf0t)cos(2πf1t)+2bcsin(2πf1t)cos(2πf1t)+a²cos²(2πf0t)

+b²cos²(2πf1t)+c²sin²(2πf1t)+2abcos(2πf0t)cos(2πf1t)

-2accos(2πf0t)sin(2πf1t)-bccos(2πf1t)sin(2πf1t)

＝a²+b²+c²+2abcos[2π(f0-f1)t]+2acsin[2π(f0-f1)t]+2bcsin[2π(f1-f1)t]

＝a²+b²+c²+2abcos[2π(f0-f1)t]+2acsin[2π(f0-f1)t]

(17)

不难看出，对输入电流信号进行hilbert变换后再做正交变换，可以得到f0与f1的差，此差值为供电频率与转差频率的差值，结合异步电动机相关知识，我们知道，这个差值就是电机的转动频率。

一种便携式全封闭压缩机高精度转速测量装置，包括：

量程选择模块，用于通过调整转速量程选择档位可选择750r，1500r和3000r等不同量程。

在使用该装置测量转速之前，可通过旋钮将测量量程调整到合适的档位，可供选择的档位有750r，1500r和3000r等。

电流信号采集模块，电流信号采集有两种方式：钳口式和直插式，两种方式适应不同应用场景使用，均采用高精度ad采样芯片根据预设的采样率进行电流信号的采集。

信号采集模块采用的是跟随型电流传感器，输入为0-3a，输出为0-5v,响应时间为15us，而供电电流频率为50hz，即周期为0.02s，该传感器完全满足使用要求。采样芯片选用的是ad公司的“ad7671”型号的芯片，该芯片采用5v单电源供电，典型功耗仅为112mw，内置一个16位高速采样adc，支持多功能并行或双线串行接口配置。在信号采样前，将采样率设置为1000hz，将测量方式选择旋钮调节至所需档位，若为钳口式，则将测量装置的钳口夹住压缩机的供电电线，电线中的电流产生的磁场作用于钳口，进而对电流信号进行采样，若为直插式，则将直插式的插头插到压缩机的供电接口直接对电流信号进行采样。

数据存储模块：将采集到的电流信号存储在外扩flash芯片中。

数据处理模块：对所采集到的电流信号数据作hilbert变换后再作正交变换，对其进行分离、筛选、提取失圆谐波信号，即得出转速相关信号。

数据处理模块选用ti公司的“tms320f28335”型号的dsp处理器，此处理器具有150mhz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，精度高，成本低，功耗小，外设集成度高，数据以及程序存储量大。dsp处理器将采集到的电流信号数据作hilbert变换及正交变换，可将信号的相位在频谱图上平移90度，然后再对相位平移后的信号与平移前的信号作正交变换，从而将电流信号中50hz的供电电流这一主成分消除，处理后的信号中只含有一个有效成分，即失圆谐波信号，经验证该频率为供电电流频率和转差频率的差值，大大降低了信号的提取的难度。

频谱细化模块，利用复调制细化方法(zfft)对该信号进行频谱细化，得到精确的频域信号，进一步得出压缩机转速。

通常，频谱分析所采用的数字信号处理技术是对整个频带进行分析，而装置应用中，我们只需对45hz-55hz的窄带进行分析。由于测量实时性的要求，测量过程中单次采集时间较短，直接进行频谱分析，分辨率不能满足要求。此处采用复调制频谱细化方法(zfft)对该信号进行频谱细化，在不增加采用时间的前提下提高分辨率，可有效提高测量精度，得出精确的频域信号。

转速显示模块：通过led屏显示得到的转速值及转速值曲线图。

转速显示模块由dsp处理器驱动并通过led屏显示，由于信号采集模块为单次采集1024个数据，即耗时1.024s，故转速显示模块中的转速值每1.024s更新一次，并将所有的转速值绘制成一条转速曲线图。

蓝牙模块：将采集到的电流信号、转速信号频域值及转速值通过蓝牙模块传输至pc端，手机端。

为将采集到的电流信号、转速信号频域值及转速值的再次使用和分析，测量装置可通过蓝牙模块将其传送至pc端和手机端。