基于排气压力的压缩机转速测量方法研究

沈　希，熊　奇，顾江萍，金华强，徐　鸣

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)



基于排气压力的压缩机转速测量方法研究

沈希，熊奇，顾江萍，金华强，徐鸣

(浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：压缩机的转速是测量压缩机性能的一个重要指标之一，它影响着制冷系统的制冷量、效能比以及功耗、吸排气压力等，但是对于全封闭式的压缩机传统的测量方法(如编码器)已不能适用.为了快速精确测量全封闭压缩机转速，提出了一种基于排气压力的周期性波动来测量压缩机转速的方法，通过LABVIEW软件平台对排气压力信号进行数据采集、信号分析、结果显示.该方法不仅适用于小型制冷往复式压缩机，也适用于周期性排气压力变化的压缩机，具有一定的推广意义.

关键词：往复式压缩机;转速测量;LABVIEW; Chirp-Z

压缩机作为制冷系统的核心部件，其技术性指标直接影响着整个制冷系统的性能，而压缩机的运行本质上是电动机的转动，也就是压缩机转速.转速影响着制冷系统的制冷量、效能比以及功耗、吸排气压力等，因此压缩机转速是一项重要的技术指标.目前，小型制冷压缩机都是全封闭型的，传统的测量方法存在一定的缺陷.其中，直接法[1]采用在压缩机内部装传感器来测转速，但这无疑会对压缩机造成一定的损伤，不符合测量的原则；另一种是间接法[2]，目前主要有测压缩机的振动频率和压缩机电流.前者由于压缩机运行的同时有其他接近压缩机振动的频率干扰,不易分辨;后者在测量装置和精度上有一定的局限性[3].针对上述方法的这些局限，笔者根据压缩机和制冷系统排气压力波动，提出了一种运用数字信号处理方法进行精确转速测量的方法.

1压缩机转速测量原理

制冷压缩机的工作过程是通过曲柄连杆机构和活塞在气缸内实现，活塞的往复运动会使气缸内的压力呈现周期性变化，根据压强-容积图的关系和现有的科学实验[4]可得在曲柄转过的一个周期内，气缸内的压力有周期性变化.同理可得，在压缩机排气口会有一个微弱的周期性压力信号[5]，根据这个压力信号即可求得压缩机的转速.

通过采集系统得到这个微弱的周期性压力信号后必须进行信号处理，常用的信号频域处理方法有很多，比如快速傅里叶变换(FFT)、线性调频Z变换(CZT).

1.1　快速傅里叶变换

快速傅里叶变换[6]是频谱分析最常用的处理方法，但它存在一定的缺点[7].频谱泄漏，由于对信号进行截断，有限区间以外的值都为零，使得信号未能在频谱中完全显示；栅栏效应，进行快速傅里叶变换时是用一个个离散的点去逼近连续频谱值，因此只能观察到有限个频谱值.若采样频率为10 kHz，采样点数为10 000，那么频率分辨率就只有1 Hz，也就是说转速误差会有60 r/min，这对转速的测量误差实在太大.若增大采样点数，则会增加采样时间，无法进行快速测量.

1.2　线性调频Z变换

作为数字信号处理的一种算法，它是对频谱的局部“细化”，能够看到快速傅里叶变换看不到的频率信号[8].CZT是沿Z平面上的一段螺线作等分角抽样[9],z的取样点为

zk=AW-k

(1)

式中：A=A0ejθ0;W=W0e-jφ0；k为0到M的实数；M为欲分析的复频谱的点数.

M不一定等于N，这其实是能够细化频谱的关键.zk各点在Z平面的值如图1所示，它正是沿着这段螺线来获得特定区间的频谱.对zk进行z变换可得

(2)

(3)

与FFT相比，CZT的频谱分辨率不受采样频率和采样个数的影响，精度更高，但会增加处理器资源.笔者通过采集排气压力信号，运用数字信号处理方法快速得到压缩机的精确转速.

图1　CZT的变换路径Fig.1　Transformation path of CZT

2具体实施方案

2.1　硬件平台的搭建

测试系统采用研华工控机，研华PCI-1715U高速数据采集卡，雁桦GY403型压力传感器及LABVIEW开发平台，对压缩机系统中的排气口压力进行采集.

由于排气压力信号的频率在50 Hz左右，为了能够采集到它的变化就必须是高频响的快变式传感器，因此选用了GY403型压力传感器，它的精度较高，频率响应能达到10 K，同时传感、变送一体化的封装，省去了后续的电桥检测及放大等信号调理环节，大大减少了电磁干扰的影响.

为了准确的采集到信号，数据采集卡也有一定的要求，要选用分辨率较高的数据采集卡，因此采用研华PCI-1715U高速数据采集卡.PCI-1715U高速数据采集卡提供了32个模拟量输入通道，采样频率能达到500 kS/s、12位分辨率及2 500 VDC的直流隔离保护.根据奈奎斯特采样定理，而且往复式压缩机的转速大概在2~3 kr/min，因此综合考虑采样频率设置为10 k/s.测量装置示意图如图2所示，压缩机在运行的时候，压力传感器不断地高速采集排气压力信号并通过高速采集卡送入计算机[10].

1—压缩机；2—排气压力表；3—传感器；4—冷凝器；5—膨胀阀；6—蒸发器；7—平衡阀；8—吸气阀；9—吸气压力表图2　硬件系统框图Fig.2　Hardware system diagram

2.2　软件平台的实现

图3是测试中软件的主要流程，软件平台采用LABVIEW[11]，它是一种基于图形化的编程语言和开发环境，与以往的那些基于文本的高级编程语言不同，采用一种全新的数据流图编程方式，即用形象的图标和连线来代替文本，让人们从复杂的程序中解脱出来，研华公司提供了多种开发例程，方便用户快速开发应用.

由于MATLAB具有强大的数学运算能力，因此本实验是将LABVIEW中采集到的数据导入到MATLAB进行频谱分析，这样就大大减小处理时间[12].目前，实现在LABVIEW中调用MATLAB的方法主要有MATLAB Script、基于Active X技术、基于COM技术、动态链接库技术(DLL).使用MATLAB Script可以很方便的实现多输入多输出的功能，但是对MATLAB控制能力较弱.MATLAB Script对输入输出数据有明确的要求，只支持Real，Complex，1-D Array of real，1-D Array of complex，2-D Array of real，2-D Array of complex，String和Path这8种数据类型，使用MATLAB Script不能脱离MATLAB单独运行.基于COM技术和动态链接库技术(DLL)实现的混合编程的方法都具有可以脱离MATLAB环境、代码运算效率高、占用资源少等优点，但它们都适合开发大型应用程序，在实际使用中开发难度大，需要较多的专业知识.由于MATLAB强大的计算能力，综合考虑，笔者采用MATLAB Script方式，在MATLAB的环境下调试好脚本程序，然后将代码复制到LABVIEW的MATLAB节点中去，并且使用MATLAB Script能够直接在MATLAB节点中修改程序.

由于压缩机启动时速度很快，因此启动转速的测量本方法并不适用.当硬件设备运行稳定后开始数据采集，但采集到的数据不能直接用来分析，首先需要预处理，尤其是消除趋势项，这样便于后期的信号变换.在测试系统中，采集到的压力信号数据由于存在放大器随温度变化产生的零点漂移、传感器频率范围外的低频性能的不稳定以及传感器周围的环境干扰往往会偏离基线,甚至偏离基线的大小还会随时间变化.趋势项的存在,会使时域中的相关分析和频率中的功率谱分析产生大的误差,甚至使低频谱完全失去真实性，而这无疑会对转速的测量产生较大的误差，故采用最小二乘法来消除多项式趋势.

在滤波方面，高频信号对排气压力信号在频谱分析中并不影响，使用低频滤波即可.滤波是信号分析领域的重要组成部分，根据滤波器所处理信号不同分为模拟滤波器和数字滤波器.以往的滤波器大多采用模拟电路技术进行设计，但是模拟电路技术存在电压漂移、温度漂移和噪声等很多难以解决的问题，而采用数字技术则避免很多类似的难题，并且数字滤波器在滤波效果方面也有很多突出的优点，都是模拟技术所不能及的.巴特沃斯低通数字滤波器具有最大平坦幅频响应的特性，且具有良好的线性相位特性等优点，目前应用广泛.巴特沃斯低通滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近理想幅频特性，但实现起来电路越复杂.LABVIEW基于良好的图形化编程方式，可以直接调用滤波模块，对于该系统可采用3阶巴特沃斯低通滤波器，设置相应的低截止频率、采样频率和滤波阶数，这样就省去了搭建硬件的麻烦，大大降低了开发成本.之后就是信号变换，得到信号的频率后乘以60，即为压缩机的转速，最后结果在LABVIEW平面上显示.软件流程如图3所示.

图3　软件系统测量流程Fig.3　Software measurement process

3实验结果分析

压缩机运行时腔内的压力是在不断变化的，根据曲柄滑块机构的原理可得在排气口处会有一个减弱的压力波动信号，图4(a)为排气口处采集到的压力波动信号，可知排气口存在微弱的周期性波动，振幅在0.008 V左右.

图4　时域及频域结果Fig.4　The time domain and frequency domain result

图4(b，c)是压缩机排气口压力信号经过FFT和CZT后的结果图，实验在标准工况下进行，排气压力为7 bar，电源频率50 Hz.在FFT频谱图中频率落在49 Hz上，可得转速为2 940 r/min，它的分辨率为1 Hz，误差达到60 r/min.在线性调频Z变换后的频谱图中，采样时间为1 s，分辨率为0.01，误差为0.6 r/min，在1 s内相比于FFT精确度大大提高，得出的频率值为48.87 Hz，即转速为2 932.2 r/min，这与厂家提供的压缩机额度转速十分接近.

为了进一步验证测量到的压缩机转速的精度,通过使用变频压缩机在不同的转速情况下进行测量，系统采集到的数据会经过预处理和平均值处理，因此可以保证系统的鲁棒性.从表1中分析采集1 s后的结果可知：由于频率分辨率的限制，FFT不能准确的反应信号的精确频率，虽然加大快速傅里叶变换的个数能提高分辨率，但是会增加测量时间(不补零).在相同的时间内，线性调频Z变换得到了更加精确的转速.为了进一步验证实验结果，进行了2 s的实验，由表中的数据可以看出，随着时间的增大，两种变换的精确率都有所提高，FFT的频率分辨率为0.5 Hz，因此频率只可能落在0.5 Hz的整数倍上，相比与1 Hz有了一定的提高.对于CZT随着时间的增加，转速精度提高，但没有FFT明显.在工程应用中，由于工况的复杂性，比如存在一些噪声，变频干扰，要想获得更加精确的频率可以适当的增加测量时间.

表1　转速比较

4结论

通过对排气压力信号的时域波形分析及变频驱动压缩机实验，验证了此方法测量转速的可行性.对CZT算法和FFT算法比较，CZT算法能够快速得到精确转速.由于实际工况的复杂性(如受到干扰等影响)，要想获得更加准确的转速，可以适当增加采样时间以确保测量结果的准确性.笔者介绍的转速测量方法不仅适用于小型往复式制冷压缩机，也适用于排气口有周期性压力波动的压缩机，因此具有广泛的适用性，有一定的工程应用价值.

参考文献：

[1]DEMAY M B, FLESCH C A, ROSA A P. Indirect measurement of hermetic compressor speed through externally-measurable quantities[J]. International journal of refrigeration,2011,34(5):1268-1275.

[2]席静珠,赵国军,计时鸣,等.全封闭式压缩机转速测量方法的研究[J].强度与环境,1993,15(3):38-42.

[3]沈希,王烈鑫,席静珠,等.全封闭压缩机转速的测量[J].机电工程,1995(4):16-18.

[4]陈楠.活塞式制冷压缩机PV图测试系统研究[D].杭州：浙江工业大学,2012.

[5]党锡淇,夏永源.往复式压缩机管路内压力脉动的测量[J].压缩机技术,1979(4):28-33.

[6]童莉葛,李红英,王立,等.频谱分析法在测量封闭式制冷压缩机转速中的应用[J].测试技术学报,2007(3):202-206.

[7]杨丽娟,张白桦,叶旭桢.快速傅里叶变换FFT及其应用[J].光电工程,2004,31(1):1-3.

[8]徐建军,胡光东,李锦明.线性调频Z变换在信号频谱分析中的应用[J].应用基础与工程科学学报,2009,17(6):966-972.

[9]单传宾.基于Chirp-Z变换算法在雷达物位计上的应用与研究[D].天津：天津理工大学,2014.

[10]徐丹阳,童建平,隋成华,等.光栅光谱仪中的高速数据采集系统[J].浙江工业大学学报,2014,42(6):690-693.

[11]肖瑾.基于LABVIEW的封闭式制冷压缩机转速测量[J].企业导报,2010,10(6):294-296.

[12]徐稼轩,邱阳,朱因远,等.压缩机管道固有频率的敲击响应FFT分析法[J].压缩机技术,1983,36(3):31-35.

(责任编辑：刘岩)

Research of compressor speed measurement method based on discharge pressure

SHEN Xi, XIONG Qi, GU Jiangping, JIN Huaqiang, XU Ming

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:The speed of the compressor is one of the most important index for measuring the compressor performance. It effects the refrigerating capacity of the refrigeration system, efficiency, power consumption, discharge pressure and so on. But for hermetic compressor, traditional measurement methods (such as encoder) can not be applied. In order to measure hermetic compressor speed quickly and accurately, proposed a method based on discharge pressure that had cyclical fluctuations to measure the rotational speed of compressor based on the LABVIEW software platform of discharge pressure signal data acquisition, signal analysis, display results. This method is not only suitable for small reciprocating refrigeration compressor, also applies to compressor that has periodic discharge pressure change, which has a certain popularization significance.

Keywords:reciprocating compressor; speed measurement; LABVIEW; Chirp-Z

中图分类号：TP39

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)01-0011-04

作者简介：沈希(1966—),男,浙江杭州人,教授,主要从事制冷系统检测和控制的研究,E-mail:sx@zjut.edu.cn.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51076143)

收稿日期：2015-09-16