1、摘要風機性能試驗是在風機轉速不變的情況下，改變風機運行工況、測量試驗數(shù)據(jù)、計算風機性能參數(shù)并繪制性能曲線(流量全壓曲線、流量功率曲線、流量效率曲線)的過程1。它對于成品的檢驗和新產(chǎn)品的開發(fā)至關重要。本文采用虛擬儀器技術，將傳感技術、儀器技術和測試技術結合起來，進行了風機性能試驗自動測試系統(tǒng)的硬件及軟件設計。硬件上采用壓差變送器、壓力變送器和扭矩傳感器檢測各試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)的自動采集；利用變頻調(diào)速技術控制變頻調(diào)速器輸出信號的頻率，實現(xiàn)了風機轉速的自動調(diào)節(jié)；通過風管端口安裝的蝶閥裝置并用步進電機控制其旋轉角度實現(xiàn)了風機運行工況的自動控制。軟件上在LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺上，采用模塊化

2、設計方法，實現(xiàn)了采集信號的實時顯示、控制信號的準確輸出、試驗數(shù)據(jù)的正確處理及應用最小二乘法對性能參數(shù)進行擬合從而實現(xiàn)了性能曲線的自動繪制及試驗報告的自動生成。整個系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、功能齊全等優(yōu)點，試驗結果表明研制基于虛擬儀器的風機性能自動測試系統(tǒng)，增加了試驗過程的穩(wěn)定性，避免了人為的讀數(shù)誤差、計算誤差以及相關數(shù)據(jù)不能同時記錄所引起的試驗結果的偏差。提高了測試精度和試驗效率?？蓮V泛應用于科研院所和風機生產(chǎn)廠家，具有較高的推廣應用價值。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；風機性能AbstractBlower performance testing is the process o

3、f changing the operating mode of blower, measuring the testing data, calculating blower performance parameter and drawing the course of the characteristic curve (flow - press, flow - power, flow - efficiency) under the invariably rotational speed of blower. It is important to inspecting the finished

4、 product and development of the new products. Applying virtual instrumentation technology and combining sensing technology, instrument technology and technology of testing together, the author designed the hardware and software of blower performance testing automatically. In the hand of hardware，tes

5、ting data is acquired automatically according to press-difference sensor，press sensor and torsion sensor ;blower speed is adjusted automatically according to frequency conversion of transducer and working state is auto controlled according to change the rotatory angle of butterfly valve controlled b

6、y the step motor .In software，the module design method is applied on the developing platform-LabVIEW.The acquired data are showed real-timely and controlled messages are output precisely .The testing data are managed correctly and fitted in applying least square method ,so performance curve may be s

7、howed .The whole system has some advantages such as friendly interface, easy to operate, comprehensive functions. The research show that the system of blower performance auto-testing can promote the stability of the process of testing, avoid the error of reading , the error of calculation and the er

8、ror of result causing by relative data can not be recorded at the same time，the precision and efficiency of testing is largely improved. It can apply to scientific research institutions and blower manufacturer extensively and have a higher using value. KeyWords：virtual instrument,labview,data acquis

9、ition,blower performance 目錄1引言12 系統(tǒng)總體方案設計32.1風機工作性能參數(shù)32.2風機性能試驗方法與裝置4風機流量的測定4壓力的測量7轉矩的測量72.3虛擬儀器技術及其應用72.4基于虛擬儀器的風機性能試驗方法9方案的比較與選擇9總體方案103 系統(tǒng)硬件設計123.1風機工況調(diào)節(jié)裝置設計12結構設計12步進電機的控制123.2風機轉速調(diào)節(jié)裝置的設計17裝置的總體設計17變頻調(diào)速器的控制18變頻電機的選用213.3實驗數(shù)據(jù)的檢測22壓差測量22基本原理23節(jié)流裝置24差壓變送器的選型25靜壓的測量26扭矩的測量263.4數(shù)據(jù)采集板274 系統(tǒng)軟件設計304.1軟件

10、平臺304.2檢測信號的計算機處理31信號檢測31信號處理324.3軟件結構及功能設計37軟件結構37軟件功能394.4軟件使用說明395 系統(tǒng)可靠性設計415.1系統(tǒng)抗干擾分析415.2硬件抗干擾415.3軟件抗干擾42結 論44參考文獻45致 謝47附錄A48附錄B491引言風機在國民經(jīng)濟各部門中運用十分廣泛，利用風機產(chǎn)生的氣流做介質(zhì)進行工作，可實現(xiàn)清選、分離、加熱烘干、物料輸送、通風換氣、除塵降溫等多種工作。所以，在我國的冶金、有色金屬、化工、建材和煤炭等部門，風機得到了廣泛地應用。風機的工作是以輸送流量、產(chǎn)生全壓、所需功率及效率來體現(xiàn)的，這些工作參數(shù)之間存在著相應的關系，當流量與轉速變

11、化時，會引起其他參數(shù)相應的變化2。為使風機能經(jīng)常在高效區(qū)運行，需參照風機性能曲線來選擇風機的運行工況點。由于風機理論至今仍欠完善，所以風機性能參數(shù)的獲取主要依賴于性能試驗。風機性能試驗是在風機轉速不變的情況下，改變風機的流量，檢測風機各性能參數(shù)，并繪制性能曲線的過程3。目前國內(nèi)生產(chǎn)風機的廠家據(jù)不完全統(tǒng)計可達到上千家，但生產(chǎn)的工藝水平差別甚遠，造成市場上的產(chǎn)品質(zhì)量差別很大。有的產(chǎn)品性能（如風量、風壓）甚至只達到銘牌值的50%左右。設計者按銘牌值選了這種風機，實際運行時的各項性能卻達不到設計值，影響通風效果，給用戶造成巨大的生命和經(jīng)濟損失，因此風機性能試驗對于成品的檢驗是非常重要的。但長期以來，我

12、國的風機測試手段比較落后，主要以手動操作試驗過程、手工測量試驗數(shù)據(jù)、手工繪制曲線為主，存在測量手段落后，測量精度不高和勞動強度大等缺點3，因此廠家和用戶迫切需要一套高效、準確的檢測系統(tǒng)。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，我國工業(yè)自動化程度越來越高，使得風機參數(shù)的自動采集成為可能，人們也將從繁重的勞動中得以解脫。近年來，我國少數(shù)單位在通風機測試技術方面有了新的研究或使用了微型計算機，但他們有的技術不成熟，只能完成某一單一的測試任務，有的測試系統(tǒng)龐大而復雜，不能作為通用系統(tǒng)得以推廣。在實現(xiàn)風機性能檢測自動化的道路上，人們還需邁出重要的一步。計算機自上個世紀問世以來以驚人的速度不斷向前發(fā)展，同時也帶動

13、了其它行業(yè)地迅猛發(fā)展，其中自動化技術地發(fā)展最為引人注目，這使得計算機技術成為現(xiàn)代科學技術的代表?；谟嬎銠C技術的虛擬儀器以不可逆轉的力量推動著測控技術的革命。虛擬儀器系統(tǒng)的概念不僅推進了以儀器為基礎的測控系統(tǒng)的改造，同時也影響了以數(shù)據(jù)采集為主的測試系統(tǒng)構造方法的進化，過去獨立分散、互不相干的許多領域，在虛擬儀器系統(tǒng)的概念下，正在逐漸靠攏、相互影響，并形成新的技術方法和技術規(guī)范。虛擬儀器技術能充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機融為一體，構成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用計算機智

14、能資源的全新儀器系統(tǒng)。應用虛擬儀器技術，可以用較少的資金、較少的系統(tǒng)開發(fā)和維護費用，用比過去更少的時間開發(fā)出功能更強、質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng)4。為提高風機性能試驗測試系統(tǒng)的性能，并考慮到風機生產(chǎn)廠家及科研院所的實際需求，本課題采用在現(xiàn)有風機性能試驗臺的基礎上利用計算機技術、電子技術、虛擬儀器技術，設計一種具有如下特點的計算機輔助風機性能自動測試與分析系統(tǒng)。1. 自動采集風機性能實試驗數(shù)據(jù)；2. 支持非采集參數(shù)鍵盤出入功能，實現(xiàn)非采集參數(shù)的輸入；3. 自動調(diào)整運行工況；4. 自動控制風機轉速；5. 自動進行數(shù)據(jù)處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及歷史查詢等功能；6. 自動繪制風機性能曲線，打印試驗報告；7.

15、 人機界面友好，操作方便，便于使用。論文主要以虛擬儀器為設計目標，使傳統(tǒng)的檢測技術在自動化的平臺上得到很好的結合，實現(xiàn)風機性能的自動檢測。本文采用NI公司主推的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW作為檢測系統(tǒng)的編程軟件，其功能強大的圖形化編程語言必將使測試系統(tǒng)得以完美的表現(xiàn)。2 系統(tǒng)總體方案設計由于風機內(nèi)部流體運動的復雜性，至今還不能用理論的方法精確計算出它的各種損失，因而不能正確的計算出各種性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的性能曲線與實際工作性能曲線之間存在較大差異，特別是對于非設計工況，計算值與實際值的誤差更大5。因此，風機的工作性能參數(shù)由試驗得到，試驗的目的在于確定工作性能曲線，從而確定風機的工

16、作范圍，以便向用戶提供可靠的使用數(shù)據(jù)。2.1風機工作性能參數(shù)風機的工作性能參數(shù)(或稱為有因次性能參數(shù))包括全壓、流量、功率、效率與轉速等6。1.全壓: 風機全壓系指全壓H, 單位為Pa, 它是單位體積的氣體流過風機葉輪時所獲得的能量增量。它等于風機的靜壓Hs與動壓Hv之和。在送風過程中，克服送風阻力的壓力為靜壓；把氣體流動中所需動能轉化成壓力的形式為動壓,一般通風機在較高效率范圍內(nèi)工作時, 其動壓約占全壓的1020% 左右。2.流量: 指通風機在單位時間內(nèi)所輸送的氣體體積。特別注意的是，通風機的容積流量特指通風機進口處的容積流量。風機說明書中的流量與全壓, 一般均指標準氣態(tài)下(即大氣壓力為76

17、0mmHg, 溫度為20, 濕度為50%, 密度為1.2kg/m3 )的數(shù)值。流量單位常用有,。在通風機的樣本和銘牌上常用，但在通風機設計計算和性能計算中均用。3.功率: 單位時間內(nèi)所做的功, 單位 kw（千瓦）。風機的功率可分為:全壓有效功率指單位時間內(nèi)通過風機的空氣所獲得的實際能量, 它是風機的輸出功率, 也稱為空氣功率。靜壓有效功率指單位時間內(nèi)通過風機的空氣所獲得的靜壓能量。它是全壓有效功率的一部分。軸功率電動機傳遞給風機轉軸上的功率。也就是風機的輸入功率。電機功率考慮了傳動機械效率和電機容量安全系數(shù)后, 電動機的功率。4.效率: 表明風機將輸入功率轉化為輸出功率的程度。分為全壓效率(也

18、稱為空氣效率或總效率)和靜壓效率。5.轉速: 系指風機葉輪每分鐘的轉數(shù), 單位為轉/分。風機轉速改變時, 風機的流量、風壓和軸功率都將隨之改變。風機的各性能參數(shù)之間存在一定的函數(shù)關系，因此其性能參數(shù)也可以用曲線圖形來表示。在一定的轉速下，風機的主要性能參數(shù)用曲線圖形來表示，就稱為風機的特性曲線。風機的特性曲線有兩種：有因次性能曲線和無因次性能曲線2。有因次性能曲線:將風機的各工況下的性能參數(shù)值用曲線連接起來，繪制在直角坐標系中，用以表示風機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關系曲線。無因次性能曲線：為了選擇比較和設計風機，經(jīng)常采用一系列無因次參數(shù)。風機的無因次性能曲線是去掉各種計量單位的物理性

19、質(zhì)而表示的風機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間關系的曲線。因為這些性能參數(shù)去除了計量單位的影響，所以對每一種型號的風機，僅有一組無因次性能曲線。不同型號的風機可通過其無因此性能曲線來比較它們的優(yōu)劣。無因次性能曲線與計量單位幾何尺寸轉速氣體密度等因素無關，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風機的選型設計計算的應用中尤為廣泛。2.2風機性能試驗方法與裝置通風機性能測試試驗方法(試驗臺)按總的試驗裝置類別可以分風管試驗和風室試驗兩大類，按常規(guī)來說，壓力較高的風機，用風管試驗臺測試，壓力較低的風機，用風室試驗臺測試2。對有雙出口的風機，可以用風管做進氣試驗，也可以用風室做出氣試驗。按GB/T123

20、6-2000標準分可分為四種，即A型、B型、C型和D型，如果按風管和風室分獨立來分類，則分類如下： 風室試驗: A型出氣試驗、A型進氣試驗、B型出氣試驗、C型進氣試驗風管試驗: B型出氣試驗、C型進氣試驗、D型進出氣試驗(B型)、D型進出氣試驗(C型)風機流量的測定根據(jù)2000年標準規(guī)定，流量的測定有六種方法，可任選一種。六種方法如下1.ISO文丘里噴管法，應用此法可以建立以下三種試驗裝置。1) 進口文丘里噴管-試驗風筒裝置2) 管道內(nèi)文丘里噴管-試驗風筒裝置圖1 B型風管出氣試驗示意圖(用管道內(nèi)文丘里管測流量)3) 出口文丘里噴管-試驗風筒裝置2.多噴嘴法，應用此法可建立試驗風室中多噴嘴裝置

21、3.90°弧進口噴嘴法，應用此法可建立自由進口90°弧噴嘴試驗風筒裝置圖2 C型風管進氣試驗示意圖(用90°弧進口噴嘴測流量)4.錐形進口法，應用此法可建立自由錐形進口試驗風筒裝置圖3 C型風管進氣試驗示意圖(用錐型進口測流量)5.孔板法，應用此法可建立以下四種試驗裝置1) 進口孔板-試驗風筒裝置2) 管道內(nèi)孔板-試驗風筒裝置圖4 B型風管出氣試驗示意圖(用管道內(nèi)孔板測流量)3) 出口孔板-試驗風筒裝置4) 風室中孔板-試驗風室裝置6.皮托靜壓管法，應用此法可建立以下四種實驗裝置。1) 風室中皮托靜壓管-試驗風室裝置2) 管道內(nèi)皮托靜壓管-出氣試驗風筒裝置3) 管

22、道內(nèi)皮托靜壓管-進氣試驗風筒裝置4) 管道內(nèi)皮托靜壓管-進出氣試驗風筒裝置壓力的測量風機的全壓包括動壓和靜壓，其中動壓可根據(jù)測得的流量計算得到，所以試驗中只需測定靜壓，靜壓的測量方法有測壓管法和測壓孔法。測壓管和測壓孔是在固體壁面上開設的小孔和各種形狀的開口管子，開口管子直接插入流動中測量點感受該點的壓力，然后通過其它的輔助裝置來測出流體的壓力2。轉矩的測量轉矩的測量通常都是由專門儀器來完成的，例如測量轉矩的轉矩測量儀。在試驗中只需根據(jù)試驗的具體情況選擇合適的測量儀器即可。在試驗中，針對各待測參量具體采用哪一種測量裝置，可根據(jù)各自的習慣及現(xiàn)場的試驗條件來決定。本系統(tǒng)是對通風機的性能進行檢測，應

23、重點監(jiān)測出口處的性能參數(shù)，因此采用風管式排氣試驗裝置。由風機性能試驗方法可以看出，風機性能試驗應主要完成試驗數(shù)據(jù)的測量、風機試驗臺的控制、風機性能參數(shù)的計算和風機性能曲線的繪制四部分內(nèi)容。所以，如何使這四部分功能自動實現(xiàn)是系統(tǒng)設計的關鍵。2.3虛擬儀器技術及其應用虛擬儀器技術是日益發(fā)展的計算機技術、儀器技術密切結合，共同孕育出的一項新成果，是90年代計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術革命的產(chǎn)物。以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機融為一體，構成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相

24、同，同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類新型儀器稱為“虛擬儀器”。虛擬儀器首先由美國國家儀器公司(National Instruments Corporation簡NI)于1986提出。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式。它給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，用戶(而不是廠家)可以隨心所欲的根據(jù)自己的需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的儀器需求。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件只是為了解決信號的輸入與輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便的改變、添減儀器系統(tǒng)

25、的功能和規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較如表1所示。從這個比較中不難看出虛擬儀器的巨大優(yōu)越性。虛擬儀器系統(tǒng)的概念是測控系統(tǒng)的抽象，不管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的：采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后顯示并處理結果。它們的不同主要表現(xiàn)在靈活性方面。虛擬儀器由用戶自己定義，這就意味著我們可以自由組合計算機平臺、硬件、軟件以及各種完成應用系統(tǒng)所需的附件，而這種靈活性是由供應商定義的傳統(tǒng)儀器上達不到的。結合實際情況，我國正處于競爭激烈的市場經(jīng)濟潮流之中，作為科研部門要多出成果；作為生產(chǎn)、制造部門，要盡快開發(fā)出新產(chǎn)品，把新產(chǎn)品推向市場，同時還要考慮生產(chǎn)率、

26、效率、成本、質(zhì)量等諸多因素。所以應用最現(xiàn)代化的手段，最新的技術，構建簡潔、實用、可靠、完備和高性價比的應用系統(tǒng)是必不可少的。表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器特點的對比4傳統(tǒng)儀器虛擬儀器封閉、儀器間相互配合較差開放、靈活，可與計算機技術保持同步發(fā)展關鍵是硬件，升級成本高，且升級必須上門服務關鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡下載升級程序即可價格昂貴，儀器間一般無法相互利用價格低廉，儀器間的資源可重復利用只有廠家能定義儀器功能用戶可定義儀器功能功能單一，只能連接有限的獨立設備可以與網(wǎng)絡及周邊設備方便連接開發(fā)與維護開銷高開發(fā)與維護費用降至最低技術更新周期長（5-10年）技術更新周期短（1-2年）虛擬儀器的

27、特點：² 具有可變性、多層性、自助性的面板² 強大的信號處理能力² 虛擬儀器的功能、性能、指標可由用戶定義² 具有標準的、功能強大的借口總線、板卡及相應軟件² 虛擬儀器具有開發(fā)周期短、成本低、維護方便、易于應用的特點從90年代中期以來，國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)人學、重慶大學、西安交通大學、西安電子科技大學、中科泛華電子科技公司等院校和高科技公司，在研究和開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器設計平臺以及引進消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批矚目的成果。據(jù)世界儀表與自動化雜志報道，21世紀初，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達到數(shù)

28、千種，市場占有率將達到電測與電控儀器的50%。美國Geomatics公司于1996年采用虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW軟件開發(fā)了自動灌溉系統(tǒng);美國Goldsmith種子公司于1997年利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)了計算機自動化秧苗分析系統(tǒng)(CASA)；密執(zhí)安工業(yè)大學于1996年開發(fā)了柴油機實驗室自動化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具有同類系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點4?；谔摂M儀器的諸多特點，并結合國內(nèi)外應用虛擬儀器開發(fā)的測試與分析系統(tǒng)的實例。本課題采用NI公司的LabVIEW軟件作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，針對風機性能試驗中試驗數(shù)據(jù)自動采集、風機工況自動調(diào)節(jié)、試驗數(shù)據(jù)自動處理等進行研究，研制一套能夠自動進行風機性能

29、檢測的系統(tǒng)，解除人們的繁重的勞動，且消除試驗過程中測量及計算誤差，提高試驗結果的可靠性。2.4基于虛擬儀器的風機性能試驗方法為實現(xiàn)風機測試系統(tǒng)的自動化就需按照國家標準對現(xiàn)有的測試手段和測試方法進行改進。由風機性能試驗過程可知其測試系統(tǒng)主要要完成的工作有風機性能參數(shù)的自動測量、運轉工況的自動調(diào)節(jié)、測量數(shù)據(jù)的自動處理、性能曲線的自動繪制。方案的比較與選擇國家標準中有許多種性能參數(shù)的測量方法，設計者應當綜合考慮測試系統(tǒng)要求、經(jīng)濟因素、方案可行性等多方面利弊。經(jīng)綜合分析后對本系統(tǒng)提出以下方案：1.風機性能參數(shù)的測量Ø 流量測量：對于風管出氣試驗，目前大多數(shù)廠家使用的皮托靜壓管法來測量。就是在

30、風管管道中安裝皮托管，皮托管接至傾斜微壓計，由傾斜微壓計讀出風管內(nèi)的靜壓和全壓，再經(jīng)過計算得到流量。此方法測量時間長(例如一個測試工況點，其它試驗方法只需要測一點，畢托靜壓管要測8-20點，然后取平均)，精度低，可靠性也差2?？装鍓翰罘ㄊ窃陲L管的適當位置安裝節(jié)流孔板，氣流經(jīng)過孔板后，壓力發(fā)生改變，根據(jù)孔板前后的壓力差即可計算出經(jīng)過風管的體積流量?？装鍓翰罘ú粌H可一次測定風機流量，極大地縮短試驗時間，而且測值準確，所以本系統(tǒng)采用孔板壓差法來測量流量。然后將壓差接至壓差變送器，轉化為電信號接入處理系統(tǒng)。Ø 靜壓測量：測量靜壓的方法有測壓管法和測壓孔法。由于測壓管中流體的慣性及阻力的影響，

31、其動態(tài)響應很低，壓力值的自動采集和記錄較麻煩2。因此本系統(tǒng)采用測壓孔法，沿管道壁面法線方向開設小孔，然后外接壓力變送器。Ø 功率測量：功率測量方法有電測法和扭矩法。電測法是通過測量電機電樞的電流和電壓，由公式計算出風機軸功率的方法，此種方法為間接測量，且測量參數(shù)較多，檢測結果不準確。扭矩測量法是通過測量電機的輸出扭矩而計算軸功率的方法，此種方法測量電路簡單且結果較為準確。本系統(tǒng)采用在電機與風機轉軸之間安裝扭矩傳感器，在計算機中把扭矩信號按公式計算成功率值的方法來測量功率信號。Ø 動壓、效率的測量：在得到流量、靜壓和功率值后，動壓、效率可經(jīng)過計算得到。2.工況調(diào)節(jié)裝置：風機性

32、能試驗是在改變工況即改變風管中氣流流量的情況下進行的。傳統(tǒng)的工況調(diào)節(jié)方法是在風管出口處安裝錐形閥，通過絲杠拖動錐形閥使其前后移動而改變風管中氣流流量的方法來實現(xiàn)的。此種方法結構笨重且不易操縱。本系統(tǒng)在風管出口用蝶閥代替，通過步進電機帶動蝶閥旋轉來改變風管出口的大小，從而實現(xiàn)風機工況的調(diào)節(jié)。蝶閥不僅結構簡單、體積小、重量輕、材料耗用省、安裝尺寸小，而且驅(qū)動力矩小，操作簡便、迅速，并且還具有良好的流量調(diào)節(jié)功能，在大口徑的調(diào)節(jié)領域，蝶閥的應用非常普遍，并將逐步成為主導閥型6。3.風機轉速調(diào)節(jié)裝置：為適應不同型號風機的性能試驗，需設有風機轉速調(diào)節(jié)裝置。本系統(tǒng)在計算機和電機之間安裝變頻調(diào)速器，由計算機發(fā)

33、出控制命令，通過變頻器來調(diào)整電機的轉速，為風機提供動力。采用變頻調(diào)速技術不但可以實現(xiàn)無級調(diào)速，較寬范圍的適應不同型號風機的轉速，而且可大大節(jié)省能源4.風機性能曲線繪制：系統(tǒng)直接測量的數(shù)據(jù)并非都是性能參數(shù)，而需要進一步計算得到。本系統(tǒng)對各性能參數(shù)用最小二乘法進行曲線擬合，既能反映給定數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，又與原始數(shù)據(jù)較為接近?？傮w方案由以上分析可確定體統(tǒng)的總體方案，對風機性能檢測試驗臺進行設計，其總體方案流程圖如下：圖5 系統(tǒng)總體布局實驗開始后，由用戶輸入環(huán)境參數(shù)及系統(tǒng)的基本參數(shù)，計算機發(fā)出控制指令，數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號控制變頻調(diào)速器輸出指定頻率的電壓信號，作為電機的電源信號，電機啟動帶動風機運

34、轉。待風機運轉平穩(wěn)后將各路采集信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，對其進行相應的信號處理得到風機的性能參數(shù)并保存。由計算機發(fā)出控制命令來改變風機的運行工況，重復上述步驟對信號進行采集，待所有的工況都檢測完畢后，運用最小二乘法擬合實驗數(shù)據(jù)，繪制風機性能曲線，生成實驗報告。3 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件部分是整個系統(tǒng)的基礎，支撐系統(tǒng)的運行。本系統(tǒng)硬件主要有風機、風管、電動機、傳感器、步進電機、碟閥調(diào)節(jié)器、變頻調(diào)速器、計算機、數(shù)據(jù)采集卡等組成。硬件主要完成風機工況調(diào)節(jié)、風機轉速調(diào)節(jié)、風機試驗數(shù)據(jù)的采集等工作。3.1風機工況調(diào)節(jié)裝置設計結構設計風機工況的調(diào)節(jié)是通過改變風管出口處的間隙，從而改變氣體的流量來實現(xiàn)的

35、。本系統(tǒng)在風管出口處安裝一蝶閥，由步進電機來帶動蝶閥的轉軸轉動，根據(jù)試驗要求的工況調(diào)節(jié)蝶閥的開度，從而實現(xiàn)風管出口間隙的變化，即實現(xiàn)氣體流量的調(diào)節(jié)。工況調(diào)節(jié)的過程為：操作者在控制面板上輸入風機工況，計算機將接收到的工況發(fā)送給數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡上的脈沖輸出口輸出脈沖信號加于數(shù)字電路板，控制步進電機的步進角度、正反轉及步進速度。數(shù)字電路板用于脈沖分配和步進電機的驅(qū)動；步進電機具有自保持功能，即在輸入不變的情況下，轉子保持在原有位置，且步進電機一般情況下要直接連接負載，因此此裝置將電機與蝶閥轉軸直接連接。蝶閥的工作流程如下： 圖6 蝶閥的工作流程步進電機的控制在整個工況調(diào)節(jié)裝置中，要實現(xiàn)的主要

36、動作就是讓蝶閥的轉軸在步進電機的帶動下按指令旋轉，因此步進電機的驅(qū)動和控制是研究的重點。 步進電動機又稱脈沖電動機。它是將電脈沖信號轉換成機械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉動一步，即每當電動機繞組接受一個電脈沖，轉子就轉過一個相應的步距角。轉子角位移的大小及轉速分別與輸入的電脈沖數(shù)及頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動機繞組的通電順序，電動機即可獲得所需的轉角、轉速及轉向，很容易用微機實現(xiàn)數(shù)字控制7。步進電機的特點：(1)步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數(shù)值及波形、溫度的變化等。(2)誤差不長期累積，每當轉子轉完一圈后，累積誤差

37、變?yōu)榱恪?3)控制性能好，在起動、停止、反轉時不易“丟步”。設計時選用步進電機應考慮以下三點：1.考慮系統(tǒng)的精度和速度的要求，由于本系統(tǒng)只要求實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)（改變蝶閥的開度），所以對精度、速度的要求不高。本系統(tǒng)選用步距角為1.5度的電機。2.選擇步進電機應考慮負載的大小，既要避免因估計不足而將電機容量選的過小，帶不動負載造成失步，又要避免容量過大造成浪費。 蝶閥的驅(qū)動力矩計算如下： . (1)式中：M 蝶閥的驅(qū)動力矩 Kg.mK 系數(shù) (2-4) 閥前后差壓 mmH2OD 蝶閥直徑 m初定蝶閥前后差壓為1000Pa=102mmH2O，蝶閥直徑400mm=0.4m,K=2則M=

38、0.0654×2×102×0.43=0.854Kg.3.工作方式的選擇，對于三相反應式步進電機，工作方式有三拍和六拍之分。三拍是在轉動一個齒距角時換相三次，同理六拍在轉動一個齒距角時換相六次，步進電機的各相繞組以A、B、C表示時，各種工作方式的換相情況如下：單三拍ABCA ， 雙三拍ABBCCAAB；六拍：AABBBCCCAA。由頻率特性可知，單三拍的頻率特性最差，六拍的頻率特性最好。綜合各方面的因素，本系統(tǒng)選用了三相六拍式反應式步進電機，所選型號為110BC380B,其參數(shù)如下表所示： 表2步進電機的性能參數(shù)電機型號相數(shù)步距角(°)電壓(V)相電流(A

39、)最大靜轉矩(N.m)轉子轉動慣量(Kg. m2)110BC380B30.75/1.58030069.865×10-5步進電機不能直接接到交流電源上工作，而必須使用專用設備步進電動機驅(qū)動電源，環(huán)形分配器、功率放大器以及其他控制線路的組合稱為步進電動機驅(qū)動電源7。主要由以下三部分組成：1. 電源步進電機的驅(qū)動需用35V及12V直流電源，故將交流電經(jīng)轉換得到穩(wěn)定的直流電源，其轉換框圖如下圖所示。交流電源采用電網(wǎng)降壓后得到AC26V和AC15V電源，AC26V電源經(jīng)橋式整流濾波后得到35V直流電供給場效應管作為驅(qū)動電源用。AC15V電源經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后得到12V直流電源滿足環(huán)形分配器的直流

40、電源。圖7 直流電源轉換框圖2. 步進電機的控制步進電機的正反轉控制利用數(shù)據(jù)采集卡數(shù)字I/O功能,當數(shù)字I/O口輸出正電壓時，步進電機正轉；當數(shù)字I/O口輸出零信號時，步進電機反轉。利用數(shù)據(jù)采集卡的頻率輸出口，輸出所需頻率的時鐘脈沖信號，控制步進電機的旋轉速度；數(shù)字I/O口輸出步進電機的方向信號；頻率信號的有無控制步進電機的起停。本系統(tǒng)采用CH250三相步進電機環(huán)形分配器，采集卡的信號輸出后直接接入環(huán)形分配器中來產(chǎn)生驅(qū)動電機的六拍脈沖AABBBCCCAA。CH250是專為三相反應式步進電機設計的環(huán)形分配器，這種集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性強。其管腳圖及三相六拍時的接線圖如下：圖8

41、 CH250的管腳圖圖9 CH250的接線圖環(huán)形分配器的主要功能是把來自于控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進電機驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的導通或截止。同時，由于電機有正反轉要求，所以這種環(huán)形分配器的輸出既是周期的，又是可逆的。3. 步進電機的驅(qū)動環(huán)形分配器輸出的脈沖比較微弱，因此步進電機的驅(qū)動必須通過功率放大器進行功率放大來實現(xiàn)。功率放大器直接與步進電機各相繞組連接，它接受來自推動級的信號，控制步進電機各相繞組的導通或截止，同時也控制著繞組的最高電壓和最大電流。步進電機的功率放大器主要是實現(xiàn)控制端與執(zhí)行機構之間電流、電壓的匹配，其自身應具有較高效率、較小功率、較低成本。按驅(qū)

42、動電源的電路特征可劃分為：單電壓驅(qū)動、雙電壓驅(qū)動、斬波驅(qū)動、升頻升壓驅(qū)動、細分驅(qū)動等。單電壓驅(qū)動效率低，高頻時帶載能力迅速下降，實際中應用較少。雙電壓驅(qū)動，也稱高低壓驅(qū)動，由于高壓的作用使低頻輸入能量過大而造成低頻振蕩加劇，產(chǎn)生共振現(xiàn)象。同時高低壓銜接處電流波形呈凹形，供電機輸出轉矩下降。本系統(tǒng)采用恒流斬波驅(qū)動，此電路的出現(xiàn)是為了彌補雙電壓電路波形連接處的凹形，改善輸出轉矩下降，使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近7。同時，也減少的電機共振現(xiàn)象的發(fā)生。電機共振的原因可以歸結為能量過剩，恒流斬波驅(qū)動電路輸出給電機繞組的能量自動隨著繞組電流調(diào)節(jié)，能量過剩時，供電時間減少，而續(xù)流時間延長，因此可減少能

43、量的積聚。斬波驅(qū)動的電路圖如下：圖10斬波驅(qū)動電路圖3.2風機轉速調(diào)節(jié)裝置的設計裝置的總體設計風機性能試驗是在一定的轉速下進行的，為了滿足不同風機性能試驗的需求，本系統(tǒng)設計了風機轉速調(diào)節(jié)裝置。變頻調(diào)速是電機調(diào)速方式中最理想的方案。過去受價格、可靠性及容量等因素的限制，在我國的風機市場一直未得到廣泛應用。近年來，隨著電力、電子器件和控制技術的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速器價格不斷下降，可靠性不斷增加，模塊化的設計使變頻調(diào)速器的容量幾乎不受限制8。目前，許多風機用戶和設計單位都在積極使用變頻調(diào)速。早期風機變頻調(diào)速的目的只是為了節(jié)能，因為具有二次方轉矩特性（即TL=Kn2）的離心式或軸流式通風機、鼓風機、和壓

44、縮機，在低速運行時氣體流速低，負載轉矩很小，其負載消耗的能量正比于轉速的三次方，所以，通過變頻調(diào)速器控制轉速可實現(xiàn)節(jié)能的目的8。近年來，隨著變頻技術和控制技術的發(fā)展，變頻器在風機上的應用也從單純的以節(jié)能為目的，發(fā)展到以提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化及環(huán)境保護等為目的，其應用領域不斷擴大。本系統(tǒng)從自動化控制與節(jié)能出發(fā)，采用變頻調(diào)速裝置實現(xiàn)風機轉速的調(diào)整。其信號流程如下：圖11 風機轉速調(diào)節(jié)裝置信號流程圖電源輸出380V三相交流電經(jīng)熔斷器、交流接觸器輸入到變頻器的電源輸入端，數(shù)據(jù)采集卡通過數(shù)字I/O口輸出低電壓信號控制繼電器的開合，從而控制交流接觸器的動作，接通或切斷變頻器的電源。變頻調(diào)速

45、器的輸出端輸出頻率變化的三相電壓信號，驅(qū)動電機轉動。系統(tǒng)接線圖如下：圖12 接線板1接微機控制信號 2繼電器2電源+12V 3繼電器輔助接頭正極 4繼電器輔助接頭負極 圖13 變頻控制接線圖變頻調(diào)速器的控制變頻器是從20世紀中葉發(fā)展起來的一種交流調(diào)速設備，是為了解決傳統(tǒng)的交流電動機調(diào)速困難，交變速設備結構復雜且效率和可靠性均不盡人意的缺點而出現(xiàn)的。由于其使交流電動機的調(diào)速范圍和調(diào)速性能均大為提升，因此交流電動機逐漸代替直流電動機出現(xiàn)在各種應用領域，甚至包括交流伺服控制領域。隨著電力半導體的長足發(fā)展，變頻器也隨之不斷進步。如今變頻器已深入日常生活，隨處可見其服務的身影9。變頻器常見的頻率給定方式

46、主要有操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定及通信方式給定等。本系統(tǒng)中選用模擬量給定，模擬量給定方式即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號（電流或電壓）進行給定，并通過調(diào)節(jié)模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率。模擬量給定通常采用電流或電壓信號，常見于電位器、儀表、PLC和DCS等控制回路。電流信號一般為020mA或420mA。電壓信號一般為010V、210V、0±10V、05V、15V、0±5V等。電流信號在傳輸過程中不受線路電壓降、接觸電阻及其壓降、雜散的熱電效應及感應噪聲等影響，抗干擾能力較電壓信號強。但由于電流信號電路比較復雜，故在距離不遠的情況

47、下仍以選用電壓給定為模擬量信號居多。本系統(tǒng)采用計算機控制變頻器的工作狀態(tài)，指令通過數(shù)據(jù)采集卡的模擬電壓輸出通道輸出0+10V電壓信號，來控制變頻器輸出的電壓頻率（050HZ），即控制交流電動機電源頻率，實現(xiàn)電機轉速的控制。用一路數(shù)字I/O口信號來控制電機的起停，當該口處于高電平時，電機啟動，當改口處于低電平時，電動機停止運行。本系統(tǒng)中變頻器的選型如下：型號：FR-A540-2.2K-CH 功率：2.2KW變頻器的端子接線圖如下：圖14 FRA540變頻器接線圖變頻器主回路各端子說明如下表3， 控制回路各端子連接說明如表4。表3 主回路各端子說明端子記號端子名稱說明R、S、T交流電源輸入連接工頻

48、電源U、V、W變頻器輸出接三相異步電動機表4 控制回路各端子說明端子記號端子名稱說明5頻率設定公共端頻率設定信號和模擬輸出端子的公共端2頻率設定（電壓）輸入0-5VDC(或0-10V)時，5V(10V)對應于最大輸出頻率，輸入輸出成比例。STF正轉啟動STF信號處于ON便正轉，處于OFF便停止變頻電機的選用普通異步電動機都是按恒頻恒壓設計的，不可能完全適應變頻調(diào)速的要求，因此采用變頻調(diào)速后要選用變頻電機，而不能再使用普通三相異步電機。變頻電機的結構特點：1.絕緣等級，一般為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別考慮了絕緣耐沖擊電壓的能力。 2.對電機的振動、噪聲問題，充分考慮了電動機構件

49、及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 3.冷卻方式：一般采用強迫通風冷卻，即主電機散熱風扇采用獨立的電機驅(qū)動。 4.防止軸電流措施，對容量超過160KW電動機采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。 5.對恒功率變頻電動機，當轉速超過3000r/min時，采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。風機類負載所需的驅(qū)動力為： . (2)式中：P功率(KW)K裕量系數(shù)(1.11.5)Q流量(m3/s)H風壓(Pa)風機的效率，一般為0.30.75初

50、定風機最大流量為3000 m3/h，風壓為1000 Pa，K取1.3，取0.6，則變頻電機的額定功率為=1.8KW本系統(tǒng)中變頻電機的型號為YVF2-100L1-4，其基本參數(shù)如下：表5 變頻電機的基本參數(shù)型號功率額定電流額定轉矩恒轉矩調(diào)速范圍恒轉率調(diào)速范圍YVF2-100L1-42.2KW5.2A14.9N.m5-5050-1003.3實驗數(shù)據(jù)的檢測本系統(tǒng)為自動測量系統(tǒng)，其中傳感器的應用較多且占有很重要的地位。在自動控制系統(tǒng)中將物理信號提取出來并轉化為電信號是整個系統(tǒng)的重點，決定了整個系統(tǒng)的成敗。隨著計算機技術的廣泛應用，傳感器也得到了迅猛地發(fā)展。目前市場上的傳感器品種齊全，價格低廉，性能優(yōu)良

51、，廣泛應用于社會的各個領域。而且現(xiàn)在的測量范圍也極其廣，如電磁場、紅外線、紫外線、高溫、高壓、氣體成分、速度、強度、力等。本系統(tǒng)用到的傳感器有壓差變送器、壓力變送器和扭矩傳感器。壓差變送器用于檢測流量，壓力變送器用于檢測靜壓力，扭矩傳感器用于檢測功率。壓差測量在工業(yè)過程的測量與控制中，應用最廣泛的是差壓式流量計，在所有測量液體、氣體和蒸汽流量的場合，絕大多數(shù)都選用了差壓式流量計。這種流量計是用節(jié)流裝置或其它檢測原件與差壓計配套使用來測量流量的，是一種比較成熟的產(chǎn)品，20世紀50年代以前，國外就廣泛應用10，由于它具有結構簡單，使用壽命長，適應性強和價格較低等優(yōu)點，因而占有很大的市場比例，在各種

52、流量計中約占第一位。產(chǎn)生壓差的裝置有許多種，如孔板、文丘里管、噴嘴、靶式流量計、皮托管和均速管等。目前，上述節(jié)流裝置在我國和國際上都已標準化，它們在完全符合國家已定的設計安裝和使用規(guī)程的各項條件時，流量和壓差之間的關系可不經(jīng)個別校準，而在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，直接用計算方法確定。.1基本原理所有差壓式流量計所依據(jù)的基本原理都是伯努利的能量守恒方程。當流體通過設置在管道中的節(jié)流件時，造成流束局部收縮，其流速提高，壓力減小。這個節(jié)流件兩側的壓差與通過的流量有關，流量越大，壓差越大，所以可以利用此壓差來測量流量。其工作原理如下圖：圖15 節(jié)流孔板的原理裝在管道中的孔板是一片帶有圓孔的薄板，孔的中心位于管

53、子的中心線上。假定流體是不可壓縮的，其粘性可以忽略不計，而且是穩(wěn)流的，那么，對于通過截面1和截面2的流體，可有伯努利方程和連續(xù)方程來表示： . (3) . (4)式中： 流體密度；V1、V2 截面1、截面2處的平均流速；P1、P2 截面1、截面2處的壓力； A1、A2 為截面1、截面2處的橫截面積。P1，P2一般為靜壓， 稱為動壓。流體體積流量Q： Q= . (5)式中：，是節(jié)流前后橫截面積之比；為橫截面1，2是圓形時的直徑比。上式是在理想情況下推導出來的，在實際應用中必須加上各種修正。從圖15可以看出，流體經(jīng)過節(jié)流結構后，截面縮小了，由于流體存在慣性，所以縮小了的流束的最小橫截面A2應該是在

54、距節(jié)流機構稍微往下遠一點的地方，即A2應比節(jié)流機構的開口面積A0要小，這個現(xiàn)象叫做縮流。又由于流體存在粘性的影響，因此，必須對實用的節(jié)流機構在實際測定時加修正系數(shù)，同時，考慮到流體的可壓縮性，也必須對該式進行可壓縮性修正，由此 . (6)式中：為孔板流量系數(shù)；為膨脹修正系數(shù)或稱壓縮系數(shù)，通常在0.91之間。所以在本系統(tǒng)中，通過壓差變送器測量出節(jié)流孔板兩端的壓差后，由上式就可計算出流量的數(shù)值。.2節(jié)流裝置目前，對不同的節(jié)流裝置其取壓方式不同，即取壓孔在節(jié)流裝置前后的位置不同，即使在同一位置上，為了達到壓力均衡，也采用不同的方法。對標準節(jié)流裝置，每種節(jié)流元件的取壓方式有明確規(guī)定。對孔板裝置，目前國

55、際上通常采用的取壓方式有五種：角接取壓法、理論取壓法、徑距取壓法、法蘭取壓法，并將它規(guī)定為標準孔板的取壓方法。而在我國國家標準中，規(guī)定可以采用角接取壓和法蘭取壓兩種方式。對于角接取壓可以采用環(huán)室或加緊環(huán)(單獨鉆孔)，對于法蘭取壓，則應用取壓法蘭。取壓法蘭結構簡圖如下圖所示。其中用于法蘭取壓的取壓法蘭由帶取壓孔的兩個法蘭組成?？讖絙0.08D，實際尺寸為6-12毫米。取壓孔軸線距離節(jié)流件前后端面為25.4毫米。節(jié)流裝置的測量精度，除其本身的加工精度、取壓方式取壓裝置之外，它還與流徑的流束擾動情況有關，因此通常要求節(jié)流裝置前后都有分別為10倍于管道直徑和5倍于管道直徑的直管段，他們主要起整流作用，

56、消除管內(nèi)水力部件對流束造成的擾動，使測量可靠。圖16取壓法蘭結構簡圖.3差壓變送器的選型本系統(tǒng)中壓差信號由壓差變送器來測量。經(jīng)差壓變送器變換后，物理信號可以轉換成統(tǒng)一的標準信號4-20mA(或0-5V)以便送到單元組合儀表及計算機進行上業(yè)過程控制。本系統(tǒng)采用PPM204型差壓變送器，其特點為：全不銹鋼結構設計，體積小巧，重量輕，安裝方便，抗振性能好，采用單片機智能補償，性能穩(wěn)定可靠。PPM204差壓變送器采用微機械壓阻硅傳感器技術，其基本工作原理是應用了硅晶體的壓阻效應，所謂壓阻效應，是指當半導體受到應力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻式力敏傳感器有靈敏度高、精度高、體積小、重量輕、工作頻率高、結構簡單、工作可靠、壽命長等特點