基于LabVIEW的風機性能

摘 要 風機技術 生產 和 研究 的 主要 環(huán)節(jié)是風機性能檢測 的 試驗。隨著風機技術的發(fā)展，人們 對風機性能檢測試驗的要求也 越來越高。 目前， 現(xiàn)代風機性能測試正從人工測試向自動化測試轉變。 測試儀器和計算機技術的結合 ， 孕育了 一種新的 檢測 儀器 虛擬儀器。虛擬儀器是一種可以利用計算機資源，并由用戶設計其功能的具有 一系列 虛擬面板的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的網絡化是實現(xiàn) 風機性能 遠程測試 技術 的關鍵 。 在此基礎上，本文提出了利用 NI 公司開發(fā)軟件 LabVIEW 構建風機性能遠程測試系統(tǒng)的方案。 本文主要分為三部分。第一部分介紹了虛擬儀器的特 點、組成、概念以及相關的網絡技術， 并 介紹了 LabVIEW 的特點；第二部分分析風機性能 試驗基本 原理，然后根據(jù)系統(tǒng)設計要求對傳感器、 風機工作環(huán)境、旋轉擋板和 數(shù)據(jù)采集卡 等 進行了選型，設計了信號調理電路；第三部分，以 LabVIEW 作為開發(fā)平臺 具體做出風機系統(tǒng)的設計流程并對 風機性能遠程測試系統(tǒng)的軟件設計 進行 討論和研究 。 關鍵詞： 虛擬儀器；遠程測試；風機性能； LabVIEW Abstract 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 錄 摘 要 . I Abstract . II 1 緒論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 研究的目的和意義 . 1 1.3 國內外研究狀況 . 1 1.4 本文研究的內容和目標 . 2 2 虛擬儀器技術及相關知識 . 3 2.1 虛擬儀器簡述 . 3 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構成 . 3 2.2.1 虛擬儀器的硬件 . 3 2.2.2 虛擬儀器的軟件 . 3 2.3 虛擬儀器的特點 . 3 2.4 虛擬儀器的開發(fā)平臺 . 4 2.4.1 面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺 LabVIEW . 4 2.4.2 LabVIEW 的特點 . 4 2.5 本章小結 . 5 3 風機性能試驗的原理 . 6 3.1 風機性能試驗概述 . 6 3.1.1 風機性能試驗的原理和方法 . 6 3.1.2 風機的性能參數(shù) . 6 3.1.3 風機的性能曲線 . 7 3.2 風機性能試驗 . 7 3.2.1 風機性能測試的環(huán)境參數(shù) . 7 3.2.2 風機性能測試中的結構參數(shù) . 7 3.2.3 風機性能試驗裝置的方案及選用 . 8 3.3 風機性能參數(shù)的相關計算、處理 . 9 3.4 風機性 能曲線繪制 . 10 3.5 本章小結 . 10 4 采集 系統(tǒng)的設計 . 11 4.1 風機性能測試系統(tǒng)的組成 . 11 4.2 風機工況調節(jié)裝置的設 計 . 11 4.2.1 結構設計 . 11 4.2.2 步進電機的控制 . 12 4.2.3 步進電機的選擇 . 13 4.3 系統(tǒng)測試 的內容與方法 . 13 4.3.1 靜壓的測量 . 13 4.3.2 流量的測量 . 13 4.3.3 扭矩的測量 . 15 4.4 傳感器 的選用 . 16 4.4.1 壓力傳感器 . 16 4.4.2 差壓傳感器 . 16 4.4.3 溫度傳感器 . 17 4.4.4 轉速傳感器 . 17 4.5 信號調理電路 . 17 4.6 數(shù)據(jù)采集卡 . 18 5 虛擬測試系統(tǒng) 的結構 . 19 5.1 系統(tǒng)設計流程 . 20 5.2 基于虛擬儀器的風機性能遠程測試系統(tǒng)的總體結構 . 20 5.2.1 系統(tǒng)的總體結構 . 21 5.2.2 系統(tǒng)主界面 . 21 5.2.3 系統(tǒng)操作 流程 . 23 5.3 數(shù)據(jù)采集 . 24 5.4 數(shù)據(jù)處理 . 26 5.4.1 數(shù)據(jù)計算 . 26 5.4.2 曲線擬合 . 27 5.5 試驗數(shù)據(jù) . 27 5.6 本章小結 . 28 6 總結與展望 . 29 6.1 總結 . 30 6.2 研究展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻 . 32 1 緒論 1.1 引言 風機使用面廣，種類繁多，遍及國民經濟各部門，利用風機產生的氣流為介質進行工作，可實現(xiàn)工業(yè)生產中分離、清選、加熱烘干、除塵降 溫、物料輸送、通風換氣等多種工作。所以，在我國的化工、冶金和建材等部門，風機得到了廣泛的應用。如冶金工業(yè)中的鍋爐鼓風、空氣調節(jié)設備和家用電器設備中的設備通風和冷卻、風洞風源和氣墊船的充氣和推進、化工業(yè)中的氣體排送、采礦業(yè)中的礦井通風、廠房的通風等都離不開風機。在農業(yè)中氣力播種、谷物清選、植物保護、物料干燥、農副產品加工以及物料輸送等方面都要用到風機 1。 風機系統(tǒng)中處于核心地位是氣力輸送，它輸送的風量和提供的壓力強有力地保證了系統(tǒng)的可靠性和有效性。風機的安全可靠性在工農業(yè)生產中的地位顯而易見。而風機的安全 性及其工作效益與它的性能息息相關，所以風機具備良好的性能可以保障日常生產安全運行。由于風機內氣體流動的復雜性，目前還很難用單純的理論計算方法準確地獲得風機性能曲線，只能通過試驗方法測定。因此，快速準確地測定風機性能參數(shù)并繪制性能曲線對開展風機的研究有重要的意義。 1.2 研究的目的和意義 評判 風機的性能 主要反應出三方面： 產品質量 的提高 、工作效率 的提高 和工作質量 保證的關鍵因素。校驗產品 的 氣動性能 能否 達到設計要求 、 出廠 的 風機性能 能否 達到樣本數(shù)據(jù) 的要求 、 改造后的風機是否能達到性能指標都需要進行性能測試。性 能測試也是診斷故障的前提。風機的工作 體現(xiàn)在 輸送流量、產生全壓、所需功率及效率 。 為了人們能正確使用風機，我們 必須了解這些參數(shù)之間的相互關系。但由于風機理論至今尚未完善，所以大部分依賴于狀態(tài)試驗獲取風機狀態(tài)參數(shù)。風機狀態(tài)試驗原理是在風機轉速不變的情況下改變，改變風機的流量來檢測風機的 其他各個 參數(shù)，并且繪制狀態(tài)曲線。 目前，風機用戶為提高自身的經濟效益，在選擇風機時對風機的各指標提出了更為嚴格的要求，如壓力，轉速，流量，噪聲，功率，可靠性等。與此同時，風機生產廠家為了提高自身的競爭能力，在努力提高機械加工，改進氣 動設計的同時，也對風機狀態(tài)試驗的開發(fā)和研究給予了高度的重視。長期以來，我國的風機測試技術比較落后，主要以手動操作試驗過程、手工測量試驗數(shù)據(jù)、手工繪制數(shù)據(jù)曲線為主，存在勞動強度大、測量精度低、測量手段落后等缺點。然 而 ，現(xiàn)代風機性能測試正迅速從傳統(tǒng)人工測試向自動化測試轉變。計算機技術與測試儀器技術的結合，使得人類研發(fā)出了一種新的測試儀器 虛擬儀器。虛擬 測試 技術和 計算機 通信技術的結合，使 得 虛擬儀器應運而生，信號 的 采集、 處理 和 傳輸 形成了一體化，不再受 環(huán)境 、 地域 等的限制。虛擬儀器的網絡化 是 虛擬儀器目前 發(fā)展 的必然趨勢。 由此，本文提出了利用 NI 公司開發(fā)軟件 LabVIEW 構建風機性能遠程測試系統(tǒng)的方案。 1.3 國內外研究狀況 在過去的 70 年 ，風機的應用不斷 拓廣 。 1922 年，羅本遜先生 的 礦井通風實踐， 使得風機控制 開始 從自然通風過渡到機械通風 。 丹麥是世界上研究風機最早國家之一，很多風機制造商如 Bonus 公司、 Vestas 和 Wincon風機公司都具有先進的風機性能試驗系統(tǒng)，能夠自動測試風機性能參數(shù)，并 且 進行分析，以此指導風機生產，提高風機性能和效率 。 我國風機性能測試大體上經歷三個階段 23： （ 1） 上世紀五十年代以后，我國許多 學 院和高等院校 以 化工部門頒發(fā)的標準研制了風機測試 試驗臺，但測試手段落后，主要以手工測量為主。采用畢托管、杠桿測矩等傳統(tǒng)儀器進行數(shù)據(jù)采集， 人工 計算 、流量 、 壓力 、 效率 和 功率 等參數(shù)，手工繪制性能曲線。這樣測測精度不高、勞動強度大、工作效率低。 （ 2） 八十年代中期，可編程計算機 PC-1500 的出現(xiàn)使 風機性能測試程序實現(xiàn)了部分儀表測試的自動化；后來出現(xiàn) APPLE 微型計算機和有關測試儀器，通過 GPIB 總線在計算機上存儲 、 顯示 、處理數(shù)據(jù)和打印，由自動繪圖儀拷貝試驗結果 大大提高了 工 作效率 。 （ 3）以上風機測試系統(tǒng) 大部分 為半自動測試， 其 測量信息不能綜合管理，且界面不夠友好。隨著計算機 Windows 操作系統(tǒng)的展，華中科技大學動力工程系成功開發(fā)一種基于 Windows環(huán)境，采用 Visual Basic6.0 開發(fā)設計的一套計算機輔助試驗系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)能夠完成試驗數(shù)據(jù)的計算機自動集、 顯示 、 處理 、存盤、打印及曲線的 實時屏顯 ， 并且 能夠查詢當前和歷史試驗數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)了人機界面的良好。 1.4 本文研究的內容和目標 在本文中，我們以 風機性能測試系統(tǒng)的基本結構、特點以及數(shù)字化測試技術 為核心 ，以虛擬儀器模塊化的 設計思想為依據(jù)，利用 LabVIEW 軟件構建 的 一個 C/S 模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 來對 風機性能 進行 遠程測試。具體研究內容如下： 1、 對風機性能試驗基礎 的研究。 2、利用 風機性能試驗 的 原理，確定系統(tǒng)設計 的方案和系統(tǒng) 實現(xiàn)的功能，并確定本系統(tǒng)的結構。 3、根據(jù)對 LabVIEW 構建的 虛擬儀器系統(tǒng)硬件基礎 的分析 ，對系統(tǒng)的 結構和體系 進行深入分析。 4、以 虛擬儀器模塊化和層次化 為 設計思想，確定系統(tǒng)的功能模塊。 5、 采用 LabVIEW 軟件平臺將功能模塊進行編程， 全面優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理、曲線擬合、數(shù)據(jù) 存儲等方面。 6、 在 LabVIEW 平臺上 實現(xiàn) 客戶端與現(xiàn)場儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)遠程檢測。 2 虛擬儀器技術及相關知識 虛擬技術、計算機通信技術與網絡技術是信息技術的重要組成部分，它們被稱為 21 世紀科學技術中的三大核心技術。虛擬儀器技術的出現(xiàn)大大的改變了人們現(xiàn)有的工作模式、思維模式和生活模式。 2.1 虛擬儀器簡述 1986 年， 美國國家儀器公司 (National Instruments Corporation 簡稱 NI)首先提出來虛擬儀器 。 它 的出現(xiàn)，打 破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的 固有 模式。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 )可以根據(jù)自己的 需求 ，設計自己的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器 中 的 “ 虛擬 ” 包括以下兩方面：（ 1）虛擬儀器面板是虛擬的。虛擬儀器面板控件是與 實物 相似 的 “ 圖標 ” ，用戶只需選用 和 軟件程序 相似 的圖形 “ 控件 ” ， 然后通過 計算機的鼠標來對其進行操作。（ 2）虛擬儀器測量功能 都是 由軟件編程 來 實現(xiàn) 的 。 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構成 任何測量系統(tǒng)都必須包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理和數(shù)據(jù)顯示和輸出三個模塊，虛擬儀器就是將這些模塊用不同的硬件 和軟件來實現(xiàn)。 2.2.1 虛擬儀器的硬件 虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件 通常 包括傳感器、信號采集 、 信號調理、等 I/O 接口設備和通用計算機。計算機一般是 PC 機或工作站，是 整個 硬件的核心，；傳感器 則 是測試系統(tǒng)獲取 外界 信息的 通道 ； I/O 接口設備 則 采集、放大、 A/D、 D/A 轉換 被測信號 等。 2.2.2 虛擬儀器的軟件 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構包含以下三部分： （ 1） I/0 接口軟件：是最接近硬件的軟件層 ， 存在于驅動程序 和硬件 之間，為硬件和驅動程序提供信息 交流。 （ 2） 驅動程序層：一般以動態(tài)鏈接庫或靜態(tài)庫形式供應用程序調用 ，是 實 現(xiàn)儀器控制的橋梁。驅動程序的實質是 一個較為抽象的操作函數(shù)集， 為用戶提供儀器操作 。 （ 3） 應用程序開發(fā)環(huán)境： 是 虛擬儀器的核心 ，可以 完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計算、顯示 和 輸出等任務 。 表 2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器 虛擬儀器 儀器由廠商定義 用戶自己定義 硬件是關鍵 軟件是關鍵 儀器功能規(guī)模固定 系統(tǒng)規(guī)模功能可通過軟件增減修改 封閉的系統(tǒng)，與其他設備連接受限 基于計算機的開發(fā)系統(tǒng)，可方便的同外設，網絡及其它應用程序連接 價格昂貴 價格低，可重復利用 技術更新慢（周期 5-10 年） 技術更新 快（周期 1-2 年） 開發(fā)和維護費用高 軟件結構大大節(jié)省了開發(fā)和維護費用 2.3 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是基于計算機技術的一種全新的儀器設計概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾多的優(yōu)點 4。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較見表 2-15 虛擬儀器測試系統(tǒng)是集控制、測量、計算為一體，各種自動測試工作都是在計算機參與下完成的。因此虛擬儀器的特點 可歸納為 6： （ 1） 在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能； （ 2） 儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，突出 “ 軟件就是儀器 ” 的新概念 ； （ 3） 儀器性能的改進和功能擴展只需進行軟件的設計更新，不需要 重新 購買新的儀器； （ 4）研 發(fā) 周期比傳統(tǒng)儀器 相比 大為縮短； （ 5）虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準； （ 6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可與網絡及其它周邊設備互聯(lián)，以便于構成復雜的測試系統(tǒng) ； （ 7） 性價比高。虛擬儀器的信號傳送和數(shù)據(jù)處理幾乎都是靠數(shù)字信號或軟件來實現(xiàn)的，大大降低了系統(tǒng)誤差和環(huán)境干擾和影響； 2.4 虛擬儀器的開發(fā)平臺 2.4.1 面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺 LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（實驗室虛擬儀器工程平臺）的縮寫，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領域。它是一種基于圖形編程語言 G 語言 (Graphical Programming Language)的可視化開發(fā)平臺 7。 （ 1） G 語言編程 LabVIEW 與 常規(guī)的 BASIC、 C/C+等語言 相比 ， 它 具有語言的所有特性，如相似的程序調試工具 、 數(shù)據(jù)類型，以及模塊化的編程特點等 ，二者的區(qū)別僅僅是編程方式不同 。但二者最大的區(qū)別是 LabVIEW 使用圖形語言（各種圖標、圖形、連線等）以框圖的形式編寫程序。所以 ， LabVIEW 不僅僅是一個功能較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，而是一種真正的編程語言，由于其獨特的圖形化編程方式，又被稱為 G 語言 8。 （ 2）基于 LabVIEW 的虛擬儀器程序設計結構 LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（ Virtual Instrument），簡稱為 VI。一個 VI 程序 都由 三個主要部分 組成 ：前面板、框圖程序、圖標 /連接器。 前面板（ Front Panel）是 虛擬程序 的交互式圖形化用戶界面， 目的是仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的前面板， 用于設置用戶輸入 和顯示程序輸出。 框圖程序（ Block Diagram）是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語言的 主要 體現(xiàn)。 圖標 /連接器（ Icon/Connector）用于把 VI 定義成一個子程序（ Sub VI）， 這種子程序可以在 其它程序中加以調用，這使 LabVIEW 得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。 2.4.2 LabVIEW 的特點 LabVIEW 軟件的特點可歸納為以下幾點 9： （ 1）圖形化的儀器編程環(huán)境：使用 “ 所見即所得 ” 的可視化技術建立人機界面。 在 測控領域 ， LabVIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對象，用戶還可以通過控制編輯器將控制對象修改成自己 喜歡的 個性特點的控制對象； （ 2）內置的程序編譯器：它采用編譯方式運行 32 位應用程序，解決了其他按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題； （ 3）并行機制：功能模塊 用圖標表示 ，數(shù)據(jù)傳遞 用連線表示 ，使用 大多數(shù)人 熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言編程，這樣使得編程過程與思維 模式 非常相似； （ 4）靈活的程序調試手段：用戶可以在源代碼中設置斷點、單步執(zhí)行源代碼、在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設置探針，觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)流的變化等； （ 5）支持多種系統(tǒng)平臺：在 Windows NT/95， UNIX， HP 等系統(tǒng)平臺上， NI 都提供了相應版本的軟件，并且平臺之間開發(fā)的應用程序可直接進行移值； （ 6）強大的函數(shù)庫：從基本的數(shù)學函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運算函數(shù)和文件輸入輸出函數(shù)到高級的數(shù)字信號處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)，可供用戶直接調用； （ 7） 開放式的開發(fā)平臺：提供 DLL 接口和 CIN 節(jié)點來使用戶有能力在 LabVIEW 平臺上使用其它軟件平臺編譯的模塊； （ 8） 網絡功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 2.5 本章小結 本 章首先介紹了虛擬儀器的概念，進而對虛擬儀器系統(tǒng)的軟硬件組成及其虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW 進行了詳細的闡述和討論，對傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的優(yōu)缺點進行比較，總結出了 虛擬儀器的特點。 3 風機性能試驗的原理 3.1 風機性能試驗概述 3.1.1 風機性能試驗的原理和方法 風機 工作過程 總是 離不開 管網 的 ，氣體在風機中獲得外功時，其壓力與流量之間的關系是 根據(jù)與 風機的性能曲線變化的。而當氣體通過管網時，其全壓 流量（ P-Q）關系 隨 管網的性能曲線 變化而變化。因此，總結出 風機的性能與管 網的性能之間必須有 以下 關系： （ 1）通過風機 氣體流量 與管網的氣體流量 肯定 完全相等； （ 2）風機所產生的全壓的一部分 壓力 用于克服管網中的阻力 H， 我們稱之為靜壓 Ps，其余部分 則在 氣流從管網出口 時消耗，我們稱之為 動壓 Pd，風機的全壓 P 則 等于管網的總阻力 消耗的加上管網 出口 時 損失 的 ，即 P=H+Pd。圖 3.1 為風機壓力與管網阻力之間的關系。要滿足上述要求，整個裝置 試驗條件 只能在風機 P-Q 曲線與管網性能曲線的交點 處 A 上運行。在 A 點 處 ，兩者的流量 Qm 是 相等 的 ， 阻力 H 與 靜壓力 也 是 相等 的，我們把 A 點稱為工況點。工況點 的位置 是由 管網性能曲線 與風機靜壓曲線的交點來決定的，當管網性能曲線變?yōu)?H、 H時 ， 工況點也 會 隨之改變，若風機的壓力曲線不變，工況點就 會 沿著壓力曲線移動至 A、 A。風機性能測試 就是 基于這一原理， 在 風機的轉速 不變時 ，調節(jié)排氣節(jié)流閥的開度，改變管網特性曲線、改變工況點，從而改變了風機的流量等參數(shù)，在各個對應的工況點下測定該風機的 動壓 、 靜 壓、 軸功率 、 電機轉速 等參數(shù)， 再 通過計算得到各工況點的效率，進而繪制風機的性能曲線，包流量 靜壓（ Q-Ps）曲線 、 流量 功率（ Q-N）曲線、流量 效率（ Q-）曲線、流量 全壓曲 線（ Q-P） 等，對 風機在一定轉速下的性能標定 進行控制 。 圖 3.1 風機壓力和管網阻力的關系 由于風機內部流體運動 規(guī)律相當復雜 ，至今 我們 還不能 靠 理論的方法 準確 計算出它的各種損失，因而不能準確的計算出 風機的各 性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的 風機 性能曲線與實際 的 性能曲線 有著 較大差異。特別對于非設計工況，計算值與實際值的誤差就更大。因此， 我們要通過試驗確定風機工作性能參數(shù)，從而 確定工作風機的工作性能曲線，從而確定風機的工作范圍，以便向用戶提供高效率的風機。 3.1.2 風機的性能參數(shù) 風機主要性能參數(shù)有流 量、全壓、功率、轉速及效率等。 （ 1）流量：單位時間內風機所輸送的流體量稱為為流量，也稱為風量。常用體積流量 Q表示，其單位為 “ sm/3 ” 或 “ hm/3 ” 。 （ 2）全壓：單位體積的氣體在風機內所獲得的能量稱為全壓，也稱為風壓。常用 P 表示，單位為aP。 （ 3）軸功率：原動機傳遞給風機轉 軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，常用shN表示，單位為 kw。 （ 4）有效功率：單位時間內通過風機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用eN表示，單位 kW。 （ 5）效率：風機輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中 肯定 一部分 的 能量損失，被輸送的氣體實際得到的功率比原動機傳遞至風機軸端的功率要小，風機有效功率與軸功率之比稱為風機效率。常以 表示。風機全壓效率可達 90。風機效率越高，則氣體從風機中得到的能量有效部分就越大，經濟性就越高。 （ 6） 轉速：風機軸每分鐘的轉速稱為轉速，常以 n 表示，單位為 r/min。 3.1.3 風機的性能曲線 由于理論計算得不到 準確的風機 特性曲線，因此， 在 實際應用上，都采用試驗方法繪制。由 試驗得到風機的性能參數(shù)繪制風機的性能曲線為風機性能測試的最終結果 。 3.2 風機性能試驗 本文 用風機空氣動力特性試驗的方法，求得風機 溫度 、 壓力 、 流量 、 濕度 、 轉速 及 功率等參數(shù)。 區(qū)別于 傳統(tǒng)的風機性能參數(shù)的 人工 測量，本課題采用以計算機為核心，配以自動化程度較高的測試傳感器件組成測試系統(tǒng)。 3.2.1 風機性能測試的環(huán)境參數(shù) 風機性能測試的標準環(huán)境參數(shù)如下： 空氣溫度： t =20 絕對壓力： P =1.013103aP 相對濕度： hu =50% 氣體密度： 3/2.1 mkg 氣體常數(shù)： KkgJRw 5.288 本系統(tǒng)采用以上標準環(huán)境參數(shù)進行設計。 3.2.2 風機性能測試中的結構參數(shù) 風機出口面積： 22 76800320240 mmmmA 風管直徑： mmD 280 節(jié)流裝置的開孔直徑： mmd 140 風機葉輪外徑： mmD 5002 孔板與風管直徑比： 5.0/ Dd 孔板流量系數(shù)： 62.0 在本測試中，我們設定管道氣流的雷諾數(shù)epR在 65 1010 epR的范圍之內，又根據(jù)結構 參數(shù)可知： 64.005.0 2 , mmDmm 100050 所以選取孔板流量系數(shù) 和氣體膨脹系數(shù) ，根據(jù)本試驗的布置，本系統(tǒng)中 62.0 ， 96.0 。 3.2.3 風機性能試驗裝置的方案及選用 風機的性能試驗裝置，是由 節(jié)流器 、整流器和 風管 等部件組成。這些部件必須 保證 風機在任何工作情況下，氣流流動穩(wěn)定， 不會 出現(xiàn)渦流。 風機性能試驗裝置分為風室式和風管式兩類 10。風室式試驗裝置由流量風室 、測試管路 、輔助通風機、 整流器 和 流量調節(jié)器 等組成，根據(jù)腔室與通風機進口和出口的連接方式不同，分為進氣風室和出氣風室兩種試驗裝置；風管式試驗由流量調節(jié)裝置、測試管路 、 錐形連接管 以及 整流裝置等組成。根據(jù)試驗管路與通風機進氣口和出氣口的連接方式不同，分為進氣、出氣、進出氣三種試驗裝置 。 （ 1） 進氣試驗 ： 這種布置形式只在風機進口 設置 管道，如 圖 3.2 所示。氣體從集流器 l 進入吸風管道 2，再流入葉輪 3，在管道進口處裝有調節(jié)風量用的錐形節(jié)流門 4，并在吸風管道中放置測量流量用的畢托管 5 和靜壓測管 6。 （ 2） 排氣試驗 ： 這種布置形式只在風 機出口設置管道，如圖 3.3 所示。氣體從集流器 1進入葉輪 2，由葉輪流出的氣體從排風管道 3 流出，用出口錐形二冷流門 4 調節(jié)流量，并在管道上裝設靜壓測管 5 和畢托管 6。 （ 3） 進排氣聯(lián)合試驗 ： 這種布置形式是在風機進出口都裝設管道，如圖 3.4 所示。氣體由集流器 1 進入吸風管 2。經葉輪 3 流入排風管道 4，然后排出，在出口裝一錐形節(jié)流門 5 調節(jié)風量。并在進出口管道上裝設靜壓測管 6 和畢托管 7。在試驗中采用哪一種布置形式，可根據(jù)各自的習慣及現(xiàn)場的試驗條件來決定。例如送風機是從大氣吸入空氣，經管道送入爐膛，應采用排氣試驗裝置。引風機是抽出爐 膛的煙氣使之排入大氣，則應采用進排氣聯(lián)合試驗裝置。因本系統(tǒng)原有試驗臺為一風管式試驗臺，所以，本系統(tǒng)采用風管式排氣試驗裝置。 圖 3.2 進氣試驗裝置 1 一集流器 2 一進氣風管 3 一葉輪 4 一錐形節(jié)流門 5 一畢托管 6 一靜壓測管 圖 3.3 排氣試驗裝置 1 一集流器 2 一葉輪 3 一排氣風管 4 一錐形節(jié)流門 5 一靜壓測管 6 一畢托管 圖 3.4 進排氣試驗 1 一集流器 2 一吸風管 3 一葉輪 4 一排風管 5 一錐形節(jié)流閥 6 一靜壓測管 7 一畢托管 由風機狀態(tài)試驗方法可以看出，風機狀態(tài)試驗應主要完成試驗數(shù)據(jù)的測量、風機狀態(tài)參數(shù)的 計算、風機試驗臺的控制和風機狀態(tài)曲線的繪制四部分內容。所以，如何使這四部分功能 實現(xiàn)自動化 是系統(tǒng)設計的關鍵。 3.3 風機性能參數(shù)的相關計算、處理 在風機狀態(tài)試驗臺上由傳感器測得的試驗數(shù)據(jù)包括壓差、靜壓、扭矩等信號，而風機狀態(tài)參數(shù)包括流量、全壓、靜壓、功率、效率等數(shù)值，所以試驗測得的數(shù)據(jù)必須經過計算、整理才能得到風機狀態(tài)參數(shù)值，以下為狀態(tài)參數(shù)計算公式 ： 風機流量 ： PdQ n 242 （ 3.1） 風機動壓： 222 AQPd （ 3.2） 風機全壓： std PPP (3.3) 風機軸功率： 9550FnNsh （ 3.4） 風機有效功率： 1000QPNe （ 3.5） 風機效率： sheNN （ 3.6） 風機流量系數(shù)： 422DuQQ （ 3.7） 風機壓力系數(shù)： 22uPP （ 3.8）風機功率系數(shù)： 32241000uDNN （ 3.9） 其中 ： -氣體膨脹系數(shù) -孔板流 量系數(shù) nd-節(jié)流孔板直 STP-風機靜壓 2U-風機葉輪外徑處的圓周速度 P -空氣密度 D -風管直徑 F -電機的輸出扭矩 n -風機轉速 標準狀態(tài) ： 大氣壓力 P=101324Pa 大氣溫度為 t=20 相對濕度 H=50% 大氣密度 P=1.2kg/m 在本系統(tǒng)中風管直徑 D為 360mm，節(jié)流孔板的直徑 d0為 140mm，開孔比 25.0/2 Dd 在下列條件下 (其中 Rep 為管道氣流的雷諾數(shù) )： mmDRep 100050；64.005.0；10210 265 依據(jù) GB1236-85，選取孔板流量系數(shù) 本系統(tǒng)中， 62.0 ， 96.0 3.4 風機性能曲線繪制 與通風機狀態(tài)表相比，風機狀態(tài)曲線更能 連續(xù)、 全面地反映其狀態(tài)特性。 所以各國的通風機狀態(tài)試驗方法標準中，都規(guī)定了試驗報告應提供氣動狀態(tài)曲線圖。但有些標準對氣動狀態(tài)曲線的繪制未做統(tǒng)一的規(guī)定，繪制的曲線不可避免地存在誤差，尤其用做圖法，其隨意性就更大。因此用統(tǒng)計分析的方法，即用曲線擬合的結果作為風機狀態(tài)曲線的數(shù)學表達式最為合理。關于曲線擬合的方式有許多種，如指數(shù)擬合、正交多項式擬合 11以及切比雪夫擬合等，選用何種方法，應根據(jù)原始數(shù)據(jù)所描繪的圖形來決定。對于風機，由于其特性曲線的形狀多為拋物線型，所以 本文 采用最小二乘法原則來擬合狀態(tài)參數(shù)。所謂最小二乘法就是用數(shù)學統(tǒng)計的方法處理 試驗觀測值，使試驗觀測值的期待值等于他的理論值，達到對觀測值的校正。 3.5 本章小結 本章首先對風機性能試驗做了詳細的闡述，包括風機的性能參數(shù)的概念，風機性能實驗裝置以及風機性能參數(shù)的處理方法 ，并且最后對風機性能曲線的繪制方法做出了選型。 顯示 4 采集 系統(tǒng)的設計 4.1 風機性能測試系統(tǒng)的組成 雖然軟件在虛擬儀器測試系統(tǒng)中起關鍵作用，但仍離不開硬件設備，對數(shù)據(jù)的輸入輸出，系統(tǒng)硬件設備組成部分是整個測試系統(tǒng)的基