基于LabVIEW的风机性能远程测试系统的研究论文带图纸

编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 基于LabVIEW的风机性能 远程测试系统的研究 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：高工 ） （职称： ） 2013年5月25日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 基于LabVIEW的风机性能远程测试系统的研究是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械93 学 号： 0923109 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘 要风机技术生产和研究的主要环节是风机性能检测的试验。随着风机技术的发展，人们对风机性能检测试验的要求也越来越高。目前，现代风机性能测试正从人工测试向自动化测试转变。测试仪器和计算机技术的结合，孕育了一种新的检测仪器虚拟仪器。虚拟仪器是一种可以利用计算机资源，并由用户设计其功能的具有一系列虚拟面板的仪器系统。虚拟仪器的网络化是实现风机性能远程测试技术的关键。在此基础上，本文提出了利用NI公司开发软件LabVIEW构建风机性能远程测试系统的方案。 本文主要分为三部分。第一部分介绍了虚拟仪器的特点、组成、概念以及相关的网络技术，并介绍了LabVIEW的特点；第二部分分析风机性能试验基本原理，然后根据系统设计要求对传感器、风机工作环境、旋转挡板和数据采集卡等进行了选型，设计了信号调理电路；第三部分，以LabVIEW作为开发平台具体做出风机系统的设计流程并对风机性能远程测试系统的软件设计进行讨论和研究。关键词：虚拟仪器；远程测试；风机性能；LabVIEWAbstract Fan performance testing experiment is an indispensible step in the technology study and production of fan. With the development of the fan technological, its detection technology requirements are also getting higher. At present, modern fan performance testing is transforming from the traditional manual testing to automatic test.With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology.With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology. Network building of virtual instruments is the key technology in actualizing the remote testing; Based on above discription, building of a long-distance fan testing system programme by using NI LabVIEW software was proposed in this paper. The paper is divided into three parts. The first part introduced the concept of virtual instruments, characteristics, structure and the virtual network equipment-related network technology,and introduces the feature of LabVIEW. Fan performance test in the second part analysis the basic principle, and then based on the system design requirements of sensor, fan work environment, the rotary baffle and data acquisition card and so on has carried on the selection, design the signal conditioning circuit; The third part, the specific make fan system with LabVIEW as the development platform of the design process and performance of the fan is a remote test system software design are discussed and studied. Key words:virtual Instrument; remote testing,;fan performance; LabVIEW 目 录摘 要IIIAbstractIV1 绪论11.1 引言11.2 研究的目的和意义11.3 国内外研究状况11.4 本文研究的内容和目标22 虚拟仪器技术及相关知识32.1 虚拟仪器简述32.2 虚拟仪器系统的构成32.2.1 虚拟仪器的硬件32.2.2 虚拟仪器的软件32.3 虚拟仪器的特点32.4 虚拟仪器的开发平台42.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台LabVIEW42.4.2 LabVIEW 的特点42.5 本章小结53 风机性能试验的原理63.1 风机性能试验概述63.1.1 风机性能试验的原理和方法63.1.2 风机的性能参数63.1.3 风机的性能曲线73.2 风机性能试验73.2.1 风机性能测试的环境参数73.2.2 风机性能测试中的结构参数73.2.3 风机性能试验装置的方案及选用83.3 风机性能参数的相关计算、处理9 风机性能曲线绘制103.5 本章小结104采集系统的设计114.1 风机性能测试系统的组成114.2 风机工况调节装置的设计114.2.1 结构设计114.2.2 步进电机的控制124.2.3 步进电机的选择134.3 系统测试的内容与方法134.3.1 静压的测量134.3.2 流量的测量134.3.3扭矩的测量154.4 传感器的选用16 压力传感器164.4.2 差压传感器164.4.3 温度传感器174.4.4 转速传感器174.5 信号调理电路174.6 数据采集卡185 虚拟测试系统的结构20 系统设计流程20 基于虚拟仪器的风机性能远程测试系统的总体结构205.2.1 系统的总体结构21225.2.3 系统操作流程235.3 数据采集245.4 数据处理265.4.1 数据计算265.4.2 曲线拟合275.5 试验数据275.6 本章小结296 总结与展望306.1 总结306.2 研究展望30致谢32参考文献331 绪论1.1 引言风机使用面广，种类繁多，遍及国民经济各部门，利用风机产生的气流为介质进行工作，可实现工业生产中分离、清选、加热烘干、除尘降温、物料输送、通风换气等多种工作。所以，在我国的化工、冶金和建材等部门，风机得到了广泛的应用。如冶金工业中的锅炉鼓风、空气调节设备和家用电器设备中的设备通风和冷却、风洞风源和气垫船的充气和推进、化工业中的气体排送、采矿业中的矿井通风、厂房的通风等都离不开风机。在农业中气力播种、谷物清选、植物保护、物料干燥、农副产品加工以及物料输送等方面都要用到风机1。风机系统中处于核心地位是气力输送，它输送的风量和提供的压力强有力地保证了系统的可靠性和有效性。风机的安全可靠性在工农业生产中的地位显而易见。而风机的安全性及其工作效益与它的性能息息相关，所以风机具备良好的性能可以保障日常生产安全运行。由于风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯的理论计算方法准确地获得风机性能曲线，只能通过试验方法测定。因此，快速准确地测定风机性能参数并绘制性能曲线对开展风机的研究有重要的意义。1.2 研究的目的和意义 评判风机的性能主要反应出三方面：产品质量的提高、工作效率的提高和工作质量保证的关键因素。校验产品的气动性能能否达到设计要求、出厂的风机性能能否达到样本数据的要求、改造后的风机是否能达到性能指标都需要进行性能测试。性能测试也是诊断故障的前提。风机的工作体现在输送流量、产生全压、所需功率及效率。为了人们能正确使用风机，我们必须了解这些参数之间的相互关系。但由于风机理论至今尚未完善，所以大部分依赖于状态试验获取风机状态参数。风机状态试验原理是在风机转速不变的情况下改变，改变风机的流量来检测风机的其他各个参数，并且绘制状态曲线。目前，风机用户为提高自身的经济效益，在选择风机时对风机的各指标提出了更为严格的要求，如压力，转速，流量，噪声，功率，可靠性等。与此同时，风机生产厂家为了提高自身的竞争能力，在努力提高机械加工，改进气动设计的同时，也对风机状态试验的开发和研究给予了高度的重视。长期以来，我国的风机测试技术比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制数据曲线为主，存在劳动强度大、测量精度低、测量手段落后等缺点。然而，现代风机性能测试正迅速从传统人工测试向自动化测试转变。计算机技术与测试仪器技术的结合，使得人类研发出了一种新的测试仪器虚拟仪器。虚拟测试技术和计算机通信技术的结合，使得虚拟仪器应运而生，信号的采集、处理和传输形成了一体化，不再受环境、地域等的限制。虚拟仪器的网络化是虚拟仪器目前发展的必然趋势。由此，本文提出了利用NI 公司开发软件LabVIEW构建风机性能远程测试系统的方案。1.3 国内外研究状况在过去的70年，风机的应用不断拓广。1922 年，罗本逊先生的矿井通风实践，使得风机控制开始从自然通风过渡到机械通风。 丹麦是世界上研究风机最早国家之一，很多风机制造商如Bonus公司、Vestas和Wincon风机公司都具有先进的风机性能试验系统，能够自动测试风机性能参数，并且进行分析，以此指导风机生产，提高风机性能和效率。我国风机性能测试大体上经历三个阶段23： （1）上世纪五十年代以后，我国许多学院和高等院校以化工部门颁发的标准研制了风机测试试验台，但测试手段落后，主要以手工测量为主。采用毕托管、杠杆测矩等传统仪器进行数据采集，人工计算、流量、压力、效率和功率等参数，手工绘制性能曲线。这样测测精度不高、劳动强度大、工作效率低。 （2）八十年代中期，可编程计算机PC-1500的出现使风机性能测试程序实现了部分仪表测试的自动化；后来出现APPLE微型计算机和有关测试仪器，通过GPIB总线在计算机上存储、显示、处理数据和打印，由自动绘图仪拷贝试验结果大大提高了工作效率。（3）以上风机测试系统大部分为半自动测试，其。该系统能够完成试验数据的计算机自动集、显示、处理、存盘、打印及曲线的实时屏显，并且能够查询当前和历史试验数据，实现了人机界面的良好。1.4 本文研究的内容和目标在本文中，我们以风机性能测试系统的基本结构、特点以及数字化测试技术为核心，以虚拟仪器模块化的设计思想为依据，利用LabVIEW软件构建的一个C/S模式的数据采集系统来对风机性能进行远程测试。具体研究内容如下： 1、对风机性能试验基础的研究。 2、利用风机性能试验的原理，确定系统设计的方案和系统实现的功能，并确定本系统的结构。 3、根据对LabVIEW构建的虚拟仪器系统硬件基础的分析，对系统的结构和体系进行深入分析。 4、以虚拟仪器模块化和层次化为设计思想，确定系统的功能模块。5、采用LabVIEW软件平台将功能模块进行编程，全面优化数据采集和处理、曲线拟合、数据存储等方面。6、在LabVIEW平台上实现客户端与现场仪器系统的数据交换，从而实现远程检测。 2 虚拟仪器技术及相关知识虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的重要组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟仪器技术的出现大大的改变了人们现有的工作模式、思维模式和生活模式。2.1 虚拟仪器简述1986年，美国国家仪器公司(National Instruments Corporation简称NI)首先提出来虚拟仪器。它的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的固有模式。给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户(而不是厂家)可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。虚拟仪器中的“虚拟”包括以下两方面：（1）虚拟仪器面板是虚拟的。虚拟仪器面板控件是与实物相似的“图标”，用户只需选用和软件程序相似的图形“控件”，然后通过计算机的鼠标来对其进行操作。（2）虚拟仪器测量功能都是由软件编程来实现的。2.2 虚拟仪器系统的构成任何测量系统都必须包含数据采集、数据分析和处理和数据显示和输出三个模块，虚拟仪器就是将这些模块用不同的硬件和软件来实现。 2.2.1 虚拟仪器的硬件虚拟仪器测试系统的硬件通常包括传感器、信号采集、信号调理、等I/O接口设备和通用计算机。计算机一般是PC机或工作站，是整个硬件的核心，；传感器则是测试系统获取外界信息的通道；I/O接口设备则采集、放大、A/D、D/A转换被测信号等。 2.2.2 虚拟仪器的软件虚拟仪器系统的软件结构包含以下三部分：（1） I/0 接口软件：是最接近硬件的软件层，存在于驱动程序和硬件之间，为硬件和驱动程序提供信息交流。（2） 驱动程序层：一般以动态链接库或静态库形式供应用程序调用，是实现仪器控制的桥梁。驱动程序的实质是一个较为抽象的操作函数集，为用户提供仪器操作。（3） 应用程序开发环境：是虚拟仪器的核心，可以完成测试系统数据的分析、计算、显示和输出等任务。 表2-1虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器仪器由厂商定义用户自己定义硬件是关键软件是关键仪器功能规模固定系统规模功能可通过软件增减修改封闭的系统，与其他设备连接受限基于计算机的开发系统，可方便的同外设，网络及其它应用程序连接 价格昂贵价格低，可重复利用技术更新慢（周期5-10年）技术更新快（周期1-2年） 开发和维护费用高软件结构大大节省了开发和维护费用 2.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器是基于计算机技术的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点4。虚拟仪器与传统仪器的比较见表2-15虚拟仪器测试系统是集控制、测量、计算为一体，各种自动测试工作都是在计算机参与下完成的。因此虚拟仪器的特点可归纳为6：（1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；（2）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，突出“软件就是仪器”的新概念；（3）仪器性能的改进和功能扩展只需进行软件的设计更新，不需要重新购买新的仪器；（4）研发周期比传统仪器相比大为缩短；（5）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准；（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联，以便于构成复杂的测试系统；（7）性价比高。虚拟仪器的信号传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，大大降低了系统误差和环境干扰和影响；2.4 虚拟仪器的开发平台 2.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台LabVIEWLabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器工程平台）的缩写，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。它是一种基于图形编程语言G 语言(Graphical Programming Language)的可视化开发平台7。（1）G语言编程LabVIEW 与常规的 BASIC、C/C+等语言相比，它具有语言的所有特性，如相似的程序调试工具、数据类型，以及模块化的编程特点等，二者的区别仅仅是编程方式不同。但二者最大的区别是LabVIEW使用图形语言（各种图标、图形、连线等）以框图的形式编写程序。所以，LabVIEW不仅仅是一个功能较完整的软件开发环境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，又被称为G语言8。（2）基于LabVIEW的虚拟仪器程序设计结构LabVIEW程序称为虚拟仪器程序（Virtual Instrument），简称为VI。一个VI程序都由三个主要部分组成：前面板、框图程序、图标/连接器。前面板（Front Panel）是虚拟程序的交互式图形化用户界面，目的是仿真传统仪器的前面板，用于设置用户输入和显示程序输出。框图程序（Block Diagram）是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制，也是 LabVIEW 作为G语言的主要体现。 图标/连接器（Icon/Connector）用于把 VI 定义成一个子程序（Sub VI），这种子程序可以在其它程序中加以调用，这使LabVIEW得以实现层次化、模块化编程。 2.4.2 LabVIEW 的特点LabVIEW 软件的特点可归纳为以下几点9：（1）图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。在测控领域，LabVIEW提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将控制对象修改成自己喜欢的个性特点的控制对象；（2）内置的程序编译器：它采用编译方式运行32位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题；（3）并行机制：功能模块用图标表示，数据传递用连线表示，使用大多数人熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维模式非常相似；（4）灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化等；（5）支持多种系统平台：在Windows NT/95，UNIX，HP等系统平台上，NI都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值；（6）强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用；（7）开放式的开发平台：提供DLL接口和CIN节点来使用户有能力在LabVIEW平台上使用其它软件平台编译的模块；（8） 网络功能：它支持 TCP/IP，DDE，DataSocket 等功能。2.5 本章小结本章首先介绍了虚拟仪器的概念，进而对虚拟仪器系统的软硬件组成及其虚拟仪器开发平台LabVIEW进行了详细的阐述和讨论，对传统仪器和虚拟仪器的优缺点进行比较，总结出了虚拟仪器的特点。3 风机性能试验的原理3.1 风机性能试验概述 3.1.1 风机性能试验的原理和方法风机工作过程总是离不开管网的，气体在风机中获得外功时，其压力与流量之间的关系是根据与风机的性能曲线变化的。而当气体通过管网时，其全压流量（P-Q）关系随管网的性能曲线变化而变化。因此，总结出风机的性能与管网的性能之间必须有以下关系：（1）通过风机气体流量与管网的气体流量肯定完全相等；（2）风机所产生的全压的一部分压力用于克服管网中的阻力H，我们称之为静压Ps，其余部分则在气流从管网出口时消耗，我们称之为动压Pd，风机的全压P则等于管网的总阻力消耗的加上管网出口时损失的，即 P=H+Pd。图3.1为风机压力与管网阻力之间的关系。要满足上述要求，整个装置试验条件只能在风机P-Q 曲线与管网性能曲线的交点处A上运行。在A点处，两者的流量Qm是相等的，阻力H与静压力也是相等的，我们把A点称为工况点。工况点的位置是由管网性能曲线与风机静压曲线的交点来决定的，当管网性能曲线变为 H、H时，工况点也会随之改变，若风机的压力曲线不变，工况点就会沿着压力曲线移动至A、A。风机性能测试就是基于这一原理，在风机的转速不变时，调节排气节流阀的开度，改变管网特性曲线、改变工况点，从而改变了风机的流量等参数，在各个对应的工况点下测定该风机的动压、静压、轴功率、电机转速等参数，再通过计算得到各工况点的效率，进而绘制风机的性能曲线，包流量静压（Q-Ps）曲线、流量功率（Q-N）曲线、流量效率（Q-）曲线、流量全压曲线（Q-P）等，对风机在一定转速下的性能标定进行控制。图3.1 风机压力和管网阻力的关系由于风机内部流体运动规律相当复杂，至今我们还不能靠理论的方法准确计算出它的各种损失，因而不能准确的计算出风机的各性能参数，所以用计算的方法得到的风机性能曲线与实际的性能曲线有着较大差异。特别对于非设计工况，计算值与实际值的误差就更大。因此，我们要通过试验确定风机工作性能参数，从而确定工作风机的工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供高效率的风机。 3.1.2 风机的性能参数风机主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率等。（1）流量：单位时间内风机所输送的流体量称为为流量，也称为风量。常用体积流量Q表示，其单位为“”或“”。（2）全压：单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压，也称为风压。常用P表示，单位为。（3）轴功率：原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，常用表示，单位为kw。（4）有效功率：单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，常用表示，单位 kW。（5）效率：风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中肯定一部分的能量损失，被输送的气体实际得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，风机有效功率与轴功率之比称为风机效率。常以表示。风机全压效率可达90。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。（6）转速：风机轴每分钟的转速称为转速，常以n表示，单位为r/min。 3.1.3 风机的性能曲线由于理论计算得不到准确的风机特性曲线，因此，在实际应用上，都采用试验方法绘制。由试验得到风机的性能参数绘制风机的性能曲线为风机性能测试的最终结果。3.2 风机性能试验本文用风机空气动力特性试验的方法，求得风机温度、压力、流量、湿度、转速及功率等参数。区别于传统的风机性能参数的人工测量，本课题采用以计算机为核心，配以自动化程度较高的测试传感器件组成测试系统。 3.2.1 风机性能测试的环境参数风机性能测试的标准环境参数如下：空气温度：=20绝对压力：=1.013103相对湿度：=50%气体密度：气体常数：本系统采用以上标准环境参数进行设计。 3.2.2 风机性能测试中的结构参数风机出口面积：风管直径：节流装置的开孔直径：风机叶轮外径：孔板与风管直径比：孔板流量系数：在本测试中，我们设定管道气流的雷诺数在 的范围之内，又根据结构参数可知：,所以选取孔板流量系数 和气体膨胀系数，根据本试验的布置，本系统中，。 3.2.3 风机性能试验装置的方案及选用风机的性能试验装置，是由节流器、整流器和风管等部件组成。这些部件必须保证风机在任何工作情况下，气流流动稳定，不会出现涡流。 风机性能试验装置分为风室式和风管式两类10。风室式试验装置由流量风室、测试管路、辅助通风机、整流器和流量调节器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置；风管式试验由流量调节装置、测试管路、锥形连接管以及整流装置等组成。根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。（1） 进气试验：这种布置形式只在风机进口设置管道，如所示。气体从集流器l 进入吸风管道2，再流入叶轮3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管5和静压测管6。（2） 排气试验：这种布置形式只在风机出口设置管道，如图所示。气体从集流器1进入叶轮2，由叶轮流出的气体从排风管道3流出，用出口锥形二冷流门4调节流量，并在管道上装设静压测管5和毕托管6。（3） 进排气联合试验：这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图所示。气体由集流器1进入吸风管2。经叶轮3流入排风管道4，然后排出，在出口装一锥形节流门5调节风量。并在进出口管道上装设静压测管6和毕托管7。在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。 图3.2进气试验装置1一集流器 2一进气风管 3一叶轮 4一锥形节流门 5一毕托管 6一静压测管 图3.3排气试验装置1一集流器2一叶轮3一排气风管4一锥形节流门5一静压测管6一毕托管图3.4进排气试验1一集流器2一吸风管3一叶轮4一排风管5一锥形节流阀6一静压测管7一毕托管由风机状态试验方法可以看出，风机状态试验应主要完成试验数据的测量、风机状态参数的计算、风机试验台的控制和风机状态曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部分功能实现自动化是系统设计的关键。3.3 风机性能参数的相关计算、处理在风机状态试验台上由传感器测得的试验数据包括压差、静压、扭矩等信号，而风机状态参数包括流量、全压、静压、功率、效率等数值，所以试验测得的数据必须经过计算、整理才能得到风机状态参数值，以下为状态参数计算公式：风机流量： （3.1）风机动压： （3.2）风机全压： (3.3) 风机轴功率： （3.4）风机有效功率： （3.5）风机效率： （3.6）风机流量系数： （3.7）风机压力系数： （3.8）风机功率系数： （3.9）其中：-气体膨胀系数 -孔板流量系数 -节流孔板直 -风机静压 -风机叶轮外径处的圆周速度 -空气密度 -风管直径 -电机的输出扭矩 -风机转速标准状态：大气压力P=101324Pa 大气温度为t=20 在本系统中风管直径D为360mm，节流孔板的直径d0为140mm，开孔比在下列条件下(其中Rep为管道气流的雷诺数)： 依据GB1236-85，选取孔板流量系数本系统中， ， 风机性能曲线绘制与通风机状态表相比，风机状态曲线更能连续、全面地反映其状态特性。所以各国的通风机状态试验方法标准中，都规定了试验报告应提供气动状态曲线图。但有些标准对气动状态曲线的绘制未做统一的规定，绘制的曲线不可避免地存在误差，尤其用做图法，其随意性就更大。因此用统计分析的方法，即用曲线拟合的结果作为风机状态曲线的数学表达式最为合理。关于曲线拟合的方式有许多种，如指数拟合、正交多项式拟合11以及切比雪夫拟合等，选用何种方法，应根据原始数据所描绘的图形来决定。对于风机，由于其特性曲线的形状多为抛物线型，所以本文采用最小二乘法原则来拟合状态参数。所谓最小二乘法就是用数学统计的方法处理试验观测值，使试验观测值的期待值等于他的理论值，达到对观测值的校正。3.5 本章小结本章首先对风机性能试验做了详细的阐述，包括风机的性能参数的概念，风机性能实验装置以及风机性能参数的处理方法，并且最后对风机性能曲线的绘制方法做出了选型。4采集系统的设计4.1 风机性能测试系统的组成虽然软件在虚拟仪器测试系统中起关键作用，但仍离不开硬件设备，对数据的输入输出，系统硬件设备组成部分是整个测试系统的基础。针对设计目标，本文采用PC-DAQ测试系统，本PC-DAQ测试系统的硬件主要包括风机及配套附件、流量调节装置、步进电机传感器、数据采集卡、信号调理电路和通用计算机（PC机）等，主要完成风机工况的调节和风机各性能参数的采集等工作。虚拟测试系统的硬件组成如图所示。PC机大气温度、湿度、压力 键盘 温度传感器显示信号调理压差变送器打印DAQ卡转速传感器扭矩传感器压力传感器风机试验台 步进电机减速器流量调节电路板风机 在该系统中，试验的结构参数、环境参数以及一些初始参数由用户设置并保存以待查看和调用。各个传感器检测各路试验数据经调理电路后由DAQ卡传入到计算机中，系统软件对各采集信号进行计算处理，将其作为风机性能参数保存下来。当用户发出指令改变风机运转工况时，由工况调节装置来实现流量的调节。工况设定以后，重复上述信号采集、处理过程，直至检测全部工况的试验数据，最后运用最小二乘法拟合试验数据，绘制风机性能曲线。4.2 风机工况调节装置的设计风机性能试验是在一定转速下改变风机工况，即在改变风管中气流流量的情况下进行的，是通过测量出多个工况点的参数而绘制出风机的性能曲线。本系统采用自行设计的旋转挡板装置，在风机进口处安装圆形挡板，通过步进电机拖动圆形挡板旋转来实现风管进口大小的变化，从而实现风机工况的调节。 4.2.1 结构设计为实现风管进口气流流量的调节，即风机工况的调节，本系统设计一旋转挡板装置。旋转挡板的结构简图如图4.2所示。在风管进口处安装一圆形挡板，步进电机通过减速器带动圆形挡板的转动，实现挡板与风管进口处孔隙的变化，即实现流量的变化。1 减速器 2风管 3圆形挡板 4联轴器 5步进电机图4.2旋转挡板的结构简图风机工况调节的过程：风机的工作流程如图4.3所示，由DAQ卡上的脉冲输出口输出脉冲信号加于数字电路板，控制步进电机的步进角度、正反转及步进速度；数字电路板用于脉冲分配和步进电机的驱动；将减速器加于步进电机与旋转挡板之间，用于防止风机运行过程中由于风力过大使挡板产生转动。通过编程，控制脉冲信号的个数和正反转信号，当用户发出指令改变风机运转工况时，PC机通过DAQ卡输出电压信号，此电压信号再经过电路转换，驱动步进电机使其转过设定的角度，控制旋转挡板的转动，这样就实现风机由工况1到工况10的调节，从而实现了流量的调节，其旋转挡板在各工况下的转动情况如图所示。旋转挡板减速器步进电机电路板DAQ卡PC机控制电路电源驱动电路 图4.3旋转挡板的工作流程图4.4 圆形挡板各工况下的转动位置 4.2.2 步进电机的控制以上风机工况的调节是利用圆形挡板旋转不同的角度而实现气流流量的调节，而挡板的旋转角度是由步进电机来控制的。当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步；当电脉冲按某一相序加到电机时，转子沿某一方向转动的步数就等于电脉冲的个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制转子位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就可控制步进电机的转速和方向。 4.2.3 步进电机的选择由于本系统是通过改变挡板的旋转角度来实现流量调节的，所以精度要求不是很高。步进电机的选择一般由步距角、静力矩及电流三大要素来决定11,12。步进电机的一个显著特点是步距角固定，目前步进电机的步距角一般有0. 36/0. 72（五相电机）、0. 9/1. 8（二、四相电机）、1. 5/3 （三相电机），由于精度要求不高，本系统选用1. 5的步进电机。本流量调节装置中负载为减速器和旋转挡板，转矩在0.510Nm之间。根据实际要求，选择电流为1.5A的电机。电机的工作方式有三拍和六拍，由其频率特性知道六拍的频率特性好过三拍的。综合各方面因素，本系统选用三相六拍反应式步进电机，其型号为 75BF003，其参数如表4-1 所示。表4-1 步进电机的参数相数步距角电压电流转子转动惯量31.530V1064.3 系统测试的内容与方法 4.3.1 静压的测量测量风机的静压，一般是在风管的横截面上垂直开设静压孔，本文采用D-D/2取压法（此取压法本文暂不做具体介绍），上游取压管位于距节流件前端面1D0.1D处，下游取压管中心位于距节流件前端面 D/20.02D处。由于流体的惯性很大，常用的“气动测压”方法不能测量随着时间快速变化的压力值。在电机启动、加力时，都会产生压力值变化很大的压力，这是一种非周期变化的压力。只能依靠压力传感器才有可能测量这些压力。 4.3.2 流量的测量在流量测量领域里，差压式流量计的使用一直居首位。差压式流量计是利用伯努利方程原理来测量流量的仪表。差压式流量计通常由能将流体流量转换成差压信号的节流装置和测量差压并显示流量的差压计（差压变送器）组成。它包括节流式流量计、均速管流量计等，其中，节流式流量是一类系列化和标准化、种类繁多、应用极广的流量仪表13。它的节流装置已标准化，如标准孔板、标准喷嘴、文丘里管等。 4.3.2.1 测量原理节流装置是一种放置在流体管道内，使流体造成局部收缩的一种部件，如收缩喷嘴，孔板与文丘利管等，当流体流过节流装置时，伴随着流束的收缩，流体的平均速度增大，静压不断下降，在最小截面处，速度最高，压力最低，且流体体积流量和压力差的平方根成正比。对于各种形式的节流装置，流量测量依据的基本理论和方程式都是一样的，仅仅是其中有些系数不同。为了简单起见，首先假设流体是不可压缩的(密度P不变化)、理想的(流体没有粘性)、定常流动(管道内各点的参数不随时间变化)，管道是水平放置的。能量守恒方程即理想流体的伯努力方程式14： （4.1）其中：p1和p2和分别为截面F1(I-I)和F2(II-II)上的静压力；vl和v2为截面F1和F2处的平均流；r为流体的重度；g为重力加速度。由于流体是不可压缩的，从截面F1流入的流体体积一定等于F2流出的流体体积，即 (4.2) 式(4.2)即为不可压缩流体的质量守恒方程。流束的最小截面F2由节流装置的开孔面积 (4.3)其中u为流束的收缩系数。它的大小和节流装置的形式有关。将式(4.3)代入(4.2)有 (4.4) 令为温度为t1时，开孔面积和管道截面积之比（4.5）代入（4.1）式得 （4.6）在推导式(4.6)中，压力和均取F1和F2处流束的平均压力，而在实际测量中，经常取节流装置前后端面处的压力即p1和p2。其次，在推导方程中，没有考虑流体的摩擦，为此引入系数对v2进行修正，这样 (4.7)被测流体流过节流装置的体积流量为 (4.8)令，称为流量系数，代入（4.8）得 （4.9）式4-9为不可压缩流体流过节流装置的体积流量方程式。式中各字母代表物理量如下所示：F0：节流装置的工作开孔面积。：重力加速度。R：不可压缩流体的重度。P=p1一P2：节流装置前后的压力差。：流量系数，它和节流装置的面积比m及流体的粘性，重度，取压方式等多种因素有关，是一个实验确定的系数。当测量气体和蒸汽的流量时，流体流过节流装置，伴随压力的变化，介质的重度将发生变化，因此不可压缩的假设不成立，这时，可以从可压缩流体的泊努力方程(能量)方程和质量守恒方程，利用推导不可压缩流体流量方程类似的方法求出可压缩流体的流量方程式。在推导过程中引入可压缩介质的膨胀系数，则可压缩流体的流量方程可表示为： (4.10)所以在本测试系统中，通过压差变送器测量出节流孔板两端的压差，即可根据式(4.10)计算出流量的数值。 4.3.2.2 标准节流装置目前，对不同的节流装置其取压方式不同。即取压孔在节流装置前后的位置不同，即使在同一位置上，为了达到压力均衡，也采用不同的方法。对标准节流装置，每种节流元件的取压方式有明确规定。对孔板装置，目前国际上通常采用的取压方式有五种：角接取压法、理论取压法、径距取压法、法兰取压法，并将它规定为标准孔板的取压方法。而在我国国家标准中，规定可以采用角接取压和法兰取压两种方式。对于角接取压可以采用环室或加紧环(单独钻孔)，对于法兰取压，则应用取压法兰。其中用于法兰取压的取压法兰由带取压孔的两个法兰组成。孔径b0.08D，实际尺寸为612毫米。取压孔轴线距离节流件前后端面为25.4毫米。节流装置的测量精度，除其本身的加工精度、取压方式及取压装置之外，它还与流径的流束扰动情况有关，因此通常要求节流装置前后都应有分别为10倍于管道直径和5倍于管道直径的直管段，他们主要起整流作用，消除管内水力部件对流束造成的扰动，使测量可靠。 4.3.2.3 检测装置由以上论述看出，通过孔板的流体的流量与孔板两端的压力差的平方根成正比。本试验装置中，此压差信号由压差式变送器测量。压差式流量传感器是目前工业上技术最成熟、使用最多的一种，其使用量约占全部流量测量仪表的（7080%）。他不仅可以用来显示，而且可以经压差变送器转换成统一的标准信号420 mA(或l5V)以便送到单元组合仪表及计算机进行上业过程控制。差压式节流装置的特点是：结构简单，使用寿命长，适应能力强，几乎能测量各种工作状态(包括高温、高压)下的流量。本系统采用压差变送器BC69，其技术指标如表4-2所示。表4-2压差传感器的技术指标量程供电输出精度允许过载05000Pa24VDC05V+(-)0.5%FS300%FS变送器接线方式为四芯航空插头，三线制输出。压差变送器采用24v直流电源供电，输出信号通过数据采集板的模拟输入通道进入到计算机中进行处理。力传感器用来测量管道的静压。压力传感器的种类繁多，本系统采用电容式微压传感器，其特点如下： 4.3.3扭矩的测量扭矩的测量用于计算风机的轴功率和效率。电机转矩测量设备和测试方法种类很多，就一般中小型电机来说，有机械测功机、涡流测功机、磁粉测功机、电机测功机等。但这些测功机都只适用于测量静态和稳态力矩，电阻应变式扭矩传感器可用于测量动态扭矩。电阻应变式扭矩传感器是利用应变片将扭矩产生的剪应变(通过某种装置转变成正应变)转换成电量而进行测量的。本系统采用的AKC-205扭矩传感器是以电阻应变计为电阻转换元件的传感器。电阻应变计是基于金属电阻丝的电阻一应变效应。所谓应变效应是指金属导体(电阻丝)的电阻值随应变(伸长或缩短)而发生改变的一种物理现象。在传感器的弹性体上粘贴有电阻应变计并组成惠斯通电桥。给电桥通上激励电压，在扭矩的作用下，弹性体产生变形，应变计由此产生电阻变化，从而使电桥发生不平衡，电桥输出-与扭矩成线性关系的电压信号。然后通过导流环把信号引出来。AKC一205扭矩传感器状态参数如下：测量范围：0激励电压：12VDC或15VDC额定输出灵敏度：l2mv/V零点输出：2%FS允许温度范围：-3080允许过负荷：120%FS因扭矩传感器输出信号为mV信号，不能直接输入计算机中。所以用TS一22智能扭矩侧试仪将mV信号转换成05V的电压信号。TS一22智能扭矩仪还具有峰值保持和报警功能，采样速率为103次/秒。试验时，将传感器通过联轴器加装在风机轴和电机轴之间，在电机带动风机转动的过程中，扭矩传感器感受扭矩信号并转换成016mV的电压信号，此电压信号再经过扭矩仪输出为05V电压进入数据采集卡，最后在计算机中进行处理。4.4 传感器的选用 压力传感器 压力传感器用来测量管道气体静压，本系统采用SL6801型号的风压变送器15，它专门用于锅炉、空调系统及其它送风管道的风压测量，同时也适用于其它场合气体的动压或静压测量，接受气体的压力信号，并将其转换为420mA标准电流输出，送给计算机、调节仪或变频调节系统以实现风压的全自动控制。它具有精度高、可靠性高、稳定性好和自身保护的特点。接线方式为两线式，传感器采用24V直流电源供电。SL6801型号的风压变送器，其性能指标如表4-3所示：表4-3 SL6801风压传感器的性能指标 量程工作温度电源输出信号测量精度压力接口00.25Kpa、0100Kpa-20+8024VDC420mA+0.2%FS、+0.5%FS 螺纹 4.4.2 差压传感器通过孔板的流体的流量和孔板两端的压差的平方根成正比，只要能测得节流装置前后的静压差则可测得流体的体积流量Q。其中节流差压式流量计就是依据这个原理来测量流量的。本系统采用节流差压式流量计，它主要由节流装置和（压差计）差压变送器组成16，如图4.5所示。节流装置将被测流量值转换成差压值；压差计（差压变送器）用来检测差压并转换成标准电流信号，由显示仪显示出流量。图4.5节流差压式流量计的工作原理 节流差压式传感器具有结构简单、价格便宜、寿命长，适应能力强、使用方便的优点，故成为目前工业生产中应用最多的一种流量传感器，几乎占70%。本系统采用的差压传感器的型号为BC69，其技术指标如表4-4所示。表4-4差压传感器的性能指标量程工作电压精度允许过载输出电压05000Pa24VDC+0.5%FS300%FS05V 4.4.3 温度传感器温度传感器是具有在恶劣环境中长期使用而保持精度不变的少数积累传感器中的一种，目前常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻传感器及集成电路型传感器。本系统采用的是JWSL型热电阻温度传感器，其感温元件为灵敏度高、线性好的PT1000 铂电阻。铂电阻具有电阻率高，在使用的温度范围内，材料的物理和化学性质稳定等优点。JWSL 温度传感器的性能指标如表4-5所示。表4-5温度传感器的性能指标量程精度工作电压输出信号050+0.512VDC05VDC 4.4.4 转速传感器测量风机的转速，目前最常用的精度较高的是光电转速传感器和转速数字显示仪，误差很小。它的原理是把风机的转速，通过光电传感器变为频率与转速成一定比例的电脉冲信号，通过数字显示仪显示出来。本系统选用的光电转速传感器型号为SX17-SZGB-5，其性能指标如表4-6所示。表4-6光电传感器的性能指标测速范围输出幅值工作温度检测距离