自动捕捉平衡系数试验电流工具设计

刘东东 寇雪峰 陈永贤 李 昆 何思炜
成都市特种设备检验院 成都 610036

摘 要：在电梯平衡系数传统测量方法中，存在电梯轿厢和对重平衡点难以判断、人为因素导致测量误差偏大、测量不准导致效率低等问题，为解决这些问题，设计出一款基于光电传感器和霍尔传感器的电流自动捕捉工具，除能够高效准确识别电梯轿厢和对重平衡点的位置外，还能通过无线信号传输处理，利用钳形电流表精确捕捉平衡点位置的电流值。经测试使用，该工具系统消除了在平衡系数测量过程中捕捉电流值的人为因素影响，并解决了无机房不能准确判断平衡点问题，有效的提高了检验工作的准确性和效率。

关键词：电梯；平衡系数；平衡点；捕捉电流值

中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）03-0086-05

0 引言
电梯平衡系数是影响电梯的安全性、可靠性以及节能降耗等方面的重要参数[1]。为测得平衡系数的准确数值，在TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》（含第1、2 号修改单）中8.1项对平衡系数测量方法进行了规定及描述：“轿厢分别装载额定重量的30%、40%、45%、50%、60% 作上、下全程运行，当轿厢和对重运行到同一水平位置时，记录电动机的电流值，绘制电流—负荷曲线以上、下行运行曲线的交点确定平衡系数”[2]。在该方法中可知轿厢和对重运行到同一水平位置（以下简称平衡点）判断的准确性是影响平衡系数的重要因素之一。在现场检验工作中该平衡点的确认普遍采用标记钢丝绳、观察楼层显示、查看运行时间等方法。这些方法在实际运用中存在诸多问题：1）轿厢与对重运行同一水平位置不便于观察，高速电梯尤其突出；部分曳引无机房电梯甚至无法观察到平衡点；2）在平衡系数试验过程中往往需要至少两人配合完成位置的确认和电流值的采集，人为因素对试验数据的准确性影响较大；3）平衡点捕捉效率较低，尤其是快速电梯测出临界值时，检验人员需要多次往返运行确认[3]。

由此可见，在平衡系数测量过程中，如何快速确定平衡点，快速捕捉该平衡点时电梯的电流值是亟待解决的问题。文中结合现场工作实际经验，设计了一种能准确、方便和快速反应平衡点位置并自动捕捉该位置电流值的工具（以下简称工具），该工具能减小人为因素对测量位置造成的误差，提高捕捉电流值准确性，高效快速测得平衡系数值，从而帮助检验人员正确判断电梯的平衡系数试验是否符合相关要求。

1 系统原理
为使本工具能适用于曳引式无机房电梯和曳引式有机房电梯并提高检测效率，本工具的系统设计采用了两种方式，分别为光电传感器式和霍尔传感器式。

1.1 光电传感器式系统原理
光电传感器式系统，其原理是通过将被测量位置的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号[4]。如图1 所示，该系统采用反光板型光电开关传感器，在轿厢顶端安装反光板型光电传感器装置2，其发光器和收光器在同一个装置内。在对重相应位置安装反光板1，当轿厢与对重运行至同一水平位置时，发光器发出的光被反光板反射回来并被收光器接收，光电开关动作并输出一个开关控制信号，此时轿厢顶部处理器装置3 将信号处理并通过无线传输发射给控制柜端的无线接收处理装置4，接收信号通过信号处理模块使得钳形电流表自动锁定相应测量电流值。

1. 反光板 2. 光电传感器 3. 处理器装置4. 接收处理装置 5. 钳形电流表
图 1 光电传感器式系统原理

1.2 霍尔传感器式系统原理
霍尔传感器式系统原理是将限速器运转圈数转换为霍尔传感器脉冲计数，通过脉冲计数判断电梯位置，当电梯到达平衡点时发出信号并及时锁定平衡点电流值。如图2 所示，在限速器转圆盘边上粘一块磁钢1，霍尔传感器2 安装在限速器相应位置，当电梯运行限速器转动时，磁钢每次经过霍尔传感器时进行计数，电梯运行结束时霍尔传感器计数完成。开始进行测量时，装置3中内置程序将霍尔传感器的计数值作为平衡点位置的判定值，平衡点位置信号通过发射模块传输。装置7 接收盒接收信号并处理，使钳形电流表自动锁定平衡点测试电流值。

1. 磁钢 2. 霍尔传感器 3. 处理器装置4. 电梯控制柜 5. 动力电源线 6. 钳形电流表7. 接收处理装置
图 2 霍尔传感器式系统原理

2 硬件设计
工具系统的硬件设计主要由平衡检测信号采集模块、信号发射模块、信号接收和处理以及电流值锁定模块构成。综合考虑设备高可靠性、低成本和易维护升级等因素，设计该工具硬件结构如图3 所示。

图3 中信号采集模块分别由两种方式实现信号采集：光电传感器采集信号与霍尔传感器采集信号。对于光电传感器采集信号选用欧姆龙的E3JK 系列（回归反射型）的光电感应开关，该系列光电感应开关稳定性能优越，其检测距离为10 mm—10 m，其响应时间均达到20 ms 级，满足设计对精度较高的要求，并且其使用在3 000 Lx（受光面）以下照度区间宽对于环境适应度强。霍尔传感器采集信号选用OMDHON 的NJK 系列（常开型）霍尔开关，其主要特点在于检测距离可达10 mm，频率响应到达320 kHz，抗干扰能力强且易于安装。

图3 中信号发射模块与接收处理模块均采用

3 软件设计
3.1 发射装置程序设计
发射端程序设计流程如图4 所示，系统运行时首先需进行工作模式（光电模式与霍尔模式）的选择。功能选择为光电模式时，发射端安装在轿厢上，对重上安装反光板，当到电梯到达平衡点时，传感器接收到反射光源，微机控制无线发射电路将信号发送出去。功能选择霍尔模式时，启动程序后首先进行脉冲数初始化自学习，采取模式1 让电梯全程运行的方式，磁性材料每通过霍尔传感探头计数1 次，全程完成后计数总计M 次，并保存此数值；或者采取模式2 让电梯由端站检修运行至平衡点，记录脉冲数Y，初始化自学习结束。

当启动模式1 时，霍尔传感器开始检测磁性材料脉冲计数N=N+1, 该N 值始终与M/2 值进行比较，直至N=M/2 时，微机控制无线发射电路开始工作，同时系统脉冲计数停止；当启动模式2 时，霍尔传感器开始检测磁性材料脉冲计数N=N+1, 该N 值始终与Y 值进行比较，直至N=Y 时，微机控制无线发射电路开始工作，同时系统脉冲计数停止。

图 4 发射装置程序设计流程

3.2 接收装置程序设计
接收端程序设计流程，如图5 所示，当程序运行时微机自动判断系统是否进入待机状态，该时段蓝灯常亮，若此时间不大于10 min，同时此时段内超外差接收模块处于工作状态（通电状态），当其接收到无线信号时，显示单元LED 灯由蓝色转为红色、蜂鸣器工作、继电器部件通过Micro USB 接口输出通断信号，该接口信号触发钳形电流表“电流锁定”功能，记录瞬时电流值。当微机自动判断系统进入待机状态时，则蓝色LED等熄灭，通过再次按压按钮（启动、关闭功能）唤醒微机进入工作状态；当Micro USB 接口有正向电压输入时，微机自动切换为充电模式，此时红色、蓝色LED 灯交替闪烁，直至蓝灯常亮（锂电池电能充满）。

图 5 接收装置程序设计流程

4 测试数据分析
为验证所研制工具采集数据得出的平衡系数值稳定性性与准确性，第一次数据采集分别与钢丝绳标记法、时间法对同一台载重1 000 kg 的电梯进行10 次平衡系数值，对第一次测试数据做均值处理得出三种方法10次测试平衡系数均值作为相对标准参考值（仪器法：0.462，钢丝绳标记法：0.464，时间法：0.453）。根据GB 7588—2003《电梯制造与安装安全规范》中电梯平衡系数定义可得出其数学表达式为：

式中：K 为电梯平衡系数；W为电梯对重系统质量，kg；P 为电梯轿厢系统质量，kg；Q 为电梯额定载荷，kg [5]。

从平衡系数定义公式可知K值与W值成线性关系，因此对测试电梯对重系统做相应减小, 对重系统重量48.6 kg，按照公式可知平衡系数值应减小0.048 6。可推出减小对重系统后平衡系数理论参考标准值分别为仪器法:0.414，钢丝绳标记法:0.415，时间法:0.405。并对减小对重系统重量后进行第二次数据采集, 得出表1数据。

对表1 数据采用数学方法处理后进行对比，得出测试值的相对误差分析如图6 所示。

从图6 可以得出结论，测量结果与参考标准值得最大正偏差为0.011，同时存在于时间法和钢丝绳标记法，最大负偏差出现在钢丝绳标记法的第6 次测量。从图中整体数据离散性分析，并考虑测量过程中存在随机误差等原因，可以看出仪器法测量的数据结果离散性最优，故可采用仪器法可得出稳定性与显真性高的数据，对于TSG T7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则—曳引与强制驱动电梯》中规定所测量平衡系数出现极限下限值时（平衡系数40%），可对检验员判断是否进行后续检验试验提供科学有效依据。

图 6 相对误差分析图

5 结语
从电梯实际检验工作中对平衡系数测量过程中存在的问题出发，结合光电传感器和霍尔传感器的性能特征，配合现场电梯井道复杂情况，设计出了测量电梯平衡系数的自动电流捕捉工具（适用于曳引式无机房电梯和曳引式有机房电梯）。此仪器已研发样品, 经过多次现场试验, 其运行稳定，并已收集测量数据，分析得出此仪器测量结果准确度与数据再现性高，可以很好地解决曳引式无机房电梯无法直接确定平衡点的实际检验问题，且消除了人为因素对测量数据的影响，提高了平衡系数测量的效率，可使整个检验过程更加安全可靠。

参考文献
[1] 吴予馨. 曳引电梯平衡系数及其检测方法研究[J]. 机械研究与应用，2010（02）:101-103.
[2] TSG T7001—2009 电梯监督检验和定期检验规则—曳引强制驱动电梯[S].
[3] 吴飞艳, 万莅新, 张齐. 超声波在电梯平衡系数测量中的应用[J]. 自动化与仪器表,2011(06):93-95.
[4] 杜文锋. 光电传感器在自动控制中的应用分析[J]. 中国设备工程,2017(18):130，131.
[5] GB7588—2003 电梯制造与安装规范[S].