基于LabVIEW的国标2015版冰箱能耗测控系统

张映光，刘 凯

( 广州天河兰石技术开发有限公司，广州 510640 )

基于LabVIEW的国标2015版冰箱能耗测控系统

张映光，刘 凯

( 广州天河兰石技术开发有限公司，广州 510640 )

本文介绍了GB 12021.2-2015 版冰箱能耗测试标准与前一版的主要差异、测试系统的检测装置配置和技术性能、基于LabVIEW编写的测控软件介绍，并且对影响测试的因素进行了误差分析和计算。经长期实际使用，系统的稳定性高，软件界面友好，可操作性强，是一套高效稳定的测控系统。

Labview;冰箱能耗;测控系统;不确定度

1 序言

现代社会，冰箱作为日常生活中必不可少的家电产品，同时也是国家强制性电器质量检测产品，它的能耗问题备受关注，为了完成符合国家标准性能检测，必须建立一套相应的能耗测控系统。在冰箱能耗测试中，由于测试周期长，数据处理量大且复杂，这就要求试验测控系统软件的开发需要可靠、快捷的平台，而由美国国家仪器公司(National Instrument，简称为 NI)开发的 LabVIEW( Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)， 给测试工程师提供了强有力的虚拟仪器开发环境。它与传统编程工具 VB、 VC 相比，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力，并且集合了 IP、GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 以及内置数据采集卡等硬件通信的全部功能， 提供了 DLL 数据库接口和CIN 节点。

2 冰箱能耗标准差异

冰箱能耗检测目前实施的国家标准为GB 12021.2-2015，该标准与上一版 GB12021.2-2008相比有很大变化，主要变化如下：

(1)增加了电冰箱标准耗电量、装载耗电增量、综合耗电量等定义及判定方法。

(2)修改了电冰箱能效等级的计算及判定标准。

(3)修改了耗电量的试验方法：

1)环境温度由25℃变为在16℃和32℃下分别进行试验，最终进行加权计算年耗电量；

2)间室特性温度变化，冷藏室特性温度由5℃变为4℃ ，冰温室由0℃变为2℃；

3)冷冻间室不再放置负载包，且由M包测温变为铜质圆柱热电偶进行耗电量测量；

4)耗电量稳定条件的判定及计算方法改变：

·稳定状态耗电量

·运行周期内无化霜或化霜周期较长(适用方法SS1 )

·运行周期带化霜(适用方法SS2 )

·化霜及恢复期额外的耗电量

图1 整体结构图

图2 测控系统原理图

·化霜前后可稳定运行(适用方法DF1 )

·化霜前后不能稳定运行(适用方法DF2 )

5)给出了与用户实际使用习惯相关的装载耗电量的测试方法；

6)增加辅助装置耗电量。

从上面的介绍看，耗电量测试彻底颠覆以往的耗电量测试方法，对软件及硬件都提出了更高的要求。

3 系统硬件

冰箱测试系统的硬件包括环境试验室、空气处理系统和测控系统。环境试验室箱体采用聚氨酯保温库板材料组成，试验室内配有测试工装，如图1所示。

测控系统设备的控制由触摸屏通过可编程控制器(PLC)对制冷机、加热器、加湿器风机等设备实行控制。上位机发送指令通过各种仪表对传感器采集数据，并由上位机进行数据处理，如图2所示。为了提高系统精度，将测量和控制分开，测量和控制没有干扰，这样既保证了测量的精度，又保证了控制的精度。

为达到测试的精度要求，试验系统采用了众多的高精度传感器和仪器，并经过第三方CNAS认可单位计量，如表1所示。

表1 仪器仪表列表

型号规格数量量程精度测点用途生产厂家R22015～60℃0%～95%RH±0.1℃2%(0～95%RH)干湿球温度日本CHINO(千野)WT31060～300V0～5A0～2000W0～50Hz±0.3%采集被试机电参数日本YOKOGAWA(横河)UT55A25～60℃0%～95%RH控制精度±0.1℃控制室内外环境温度日本YOKOGAWA(横河)MX1001200～4MPa±0.25%热电偶温度日本YOKOGAWA(横河)T型0.3mm20-50～150℃±0.5℃热电偶布点四川仪表研究所AFC-10KB10～300V50/60Hz±1%被试机电源艾普斯电子有限公司

4 系统软件

软件系统采用 LabVIEW开发，可运行于 Windows XP/Windows7环境下。系统功能如图 3 所示。

图3 系统功能图

各模块功能如下：

(1)测试控制：通过测试开始、测试停止功能，控制对仪表的采集，完成对实时数据的处理和保存。

(2)项目管理： 可完成测试工况的设定、 冰箱铭牌的输入、测试判稳条件的输入，热电偶布点命名、采样间隔设置、各仪器计量校正等。

(3)数据显示： 对采集到的数据及过程计算数据，以实时数据、 实时曲线的方式显示。实时曲线内的温度、电流、电能等数据可以根据用户需要自定义命名、显示或不显示、显示不同颜色、修改和调整坐标。

(4)数据查询：根据试验记录可进行历史曲线和报表的查询。

(5)数据打印：可以对实时报表、各种曲线进行打印。

5 关键技术点分析与方法

5.1 数据采集

为了保证多设备数据集中传输及数据的稳定性，选用了工业通讯控制器Nport作为通讯交换中心，Nport可支持目前常用的Rs232Rs485Rs422IP网络等多种通讯协议。Nport一端采用IP网络协议与计算机相连，另一端通过IP网络协议与触摸屏MX100、WT310相连、通过RS485协议与UT55A相连。

为了方便通讯编程， 采用 LabVIEW 中的VISA I/O 函数模块。通过设置波特率、数据位、奇偶校验、流控制和停止位等参数，可以实现与仪器之间的通信。端口通信流程如图4所示

5.2 数据存储

在能耗测试过程中，由于持续测试周期长，数据采集量大，临时停电等偶发因素，很容易导致数据丢失。一个好的系统应将各种意外带来的负面影响减至最低点，为了保存数据，系统采用实时存储数据的方法，所有采集的数据与经过计算后的中间数据立即保存到数据库里，然后再对数据进行下一步的处理，这样就有效地保护了数据。

5.3 曲线显示与操作

曲线可动态地显示时数据与计算过程数据，温度、电参数数据等曲线可自定义显示，并能够准确地显示当前参数的状态。另外，通过鼠标右键菜单功能，系统还提供了多种曲线操作功能，不仅可以进行放大、缩小、移动、打印等基本操作，而且还可以进行曲线定位查询、曲线坐标变换、 曲线隐藏与显示等高级操作。利用双游标的辅助功能，还可以方便地显示两游标区间内任意参数的最大值，最小值，平均值等高级数据分析功能。如图5所示。

图4 端口通信流程图

图5 曲线界面图

5.4 稳定判断数据计算

图6 工况稳定判断图

在国标GB 12021.2-2015 中，需要对环境干湿球温度、冰箱稳定状态的功率及温度进行计算判断，特别是冰箱的稳定状态功率及温度的计算极为复杂，判定结果直接关系着整个数据结果的准确性，因此稳定判断及计算这方面的编写工作是整个软件的核心。在符合要求的条件下，为了分解软件编写的难度，系统设计环境干湿球温度为电脑自动判定，在系统提示环境干湿球温度工况稳定后，才能开始对冰箱的稳定状态功率及特征温度进行判定。稳定状态功率及特征温度判定通过在曲线界面拖动两根游标选定区间及曲线右键菜单中的冰箱实验数据分析子程序进行方法SS1或SS2分析，当达到稳定状态时，分析子程序界面上的判定指示灯全部以高亮灯显示，并在数据列表中显示相应的结果数值。如图 6所示。

6 不确定度分析

6.1 方法

以电冰箱耗电量试验内插法进行测试，测试结果数据处理依据GB12021.2-2015中的公式。

6.2 测量模型及不确定度分析

矩阵插补计算耗电量公式为：

[M33]×[C31]=[E31]

(1)

EAB-tar-E0+A0×TA-tar+B0×TB-tar

(2)

式中：TA1、TA2、TA3为间室A3次测试的温度；TB1、TB2、TB3为间室B3次测试的温度；

E1、E2、E3为3次测试的耗电量； E0、A0、B0为需要确定的常数变量；

EAB-tar为所求耗电量值。

耗电量的函数表达式：EAB-tar=f(TA1,TA2, TA3,TB1，TB2,TB3,E1,E2,E3)

(3)

设热电偶测量精度为Ter，电量表精度为Eer，根据不确定度传播率, 对各变量标准不确定度引起的制冷量不确定度分量敏感因子US归纳及计算采用如下：

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

以一台BCD198两间室冰箱为例，将测得数据及表1中的不确定度代入以上公式，得到表2的数据。

表2 数据汇总

项目读数不确定度不确定度因子(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 不确定度计算

由6.2中式(2)的计算公式计算出：EAB-tar=1283.25Wh/d

标准不确定度计算公式如下

(4)

标准不确定US=10.12Wh/d

扩展不确定度UeS=2*US=20.24Wh/d

相对不确定度Ur=US/ EAB-tar=0.79%

结论：通过对极限状况下不确定度分析，系统在整个测量范围内可以满足相对误差在1%以内。

7 结论

在LabVIEW虚拟仪器软件平台上开发冰箱能耗测控系统软件，可以充分利用其图形化编程直观、形象的特点，以及在仪表通讯、数据处理等方面强大的功能，方便地实现测控软件的经济、高效开发。该系统软件的人机界面友好，操作方便，经实际应用于广州天河兰石技术开发有限公司的实验

室表明其运行是可靠、稳定的，对于电冰箱能耗性的测试具有较好的应用效果。

[1] 汪敏生, 等译著.LabVIEW基础教程[M].北京:电子工业出版社

[2] 毛海莲.高低温湿热试验室的自动控制系统[J]. 电机电器技术，2002，(5)：24-26

[3] 杨乐平，李海涛，赵勇，等.LabVIEW高级程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003

[4]JJF1059.1-2012 测量不确定度评定与表示[S].2012

[5]GB12021.2-2015 家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级[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

张映光(1972-)，男，工程师，从事制冷产品的性能检测设备研究。Email:ZYGRC@QQ.COM

ISSN1005-9180(2017)02-068-06

O414.13；TQ026.9 文献标示码：A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.015