基于LabVIEW的風(fēng)機性能

摘 要 風(fēng)機技術(shù) 生產(chǎn) 和 研究 的 主要 環(huán)節(jié)是風(fēng)機性能檢測 的 試驗。隨著風(fēng)機技術(shù)的發(fā)展，人們 對風(fēng)機性能檢測試驗的要求也 越來越高。 目前， 現(xiàn)代風(fēng)機性能測試正從人工測試向自動化測試轉(zhuǎn)變。 測試儀器和計算機技術(shù)的結(jié)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(shè)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(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn) 風(fēng)機性能 遠(yuǎn)程測試 技術(shù) 的關(guān)鍵 。 在此基礎(chǔ)上，本文提出了利用 NI 公司開發(fā)軟件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機性能遠(yuǎn)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(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 并 介紹了 LabVIEW 的特點；第二部分分析風(fēng)機性能 試驗基本 原理，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求對傳感器、 風(fēng)機工作環(huán)境、旋轉(zhuǎn)擋板和 數(shù)據(jù)采集卡 等 進(jìn)行了選型，設(shè)計了信號調(diào)理電路；第三部分，以 LabVIEW 作為開發(fā)平臺 具體做出風(fēng)機系統(tǒng)的設(shè)計流程并對 風(fēng)機性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計 進(jìn)行 討論和研究 。 關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；遠(yuǎn)程測試；風(fēng)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(nèi)外研究狀況 . 1 1.4 本文研究的內(nèi)容和目標(biāo) . 2 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識 . 3 2.1 虛擬儀器簡述 . 3 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)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(jié) . 5 3 風(fēng)機性能試驗的原理 . 6 3.1 風(fēng)機性能試驗概述 . 6 3.1.1 風(fēng)機性能試驗的原理和方法 . 6 3.1.2 風(fēng)機的性能參數(shù) . 6 3.1.3 風(fēng)機的性能曲線 . 7 3.2 風(fēng)機性能試驗 . 7 3.2.1 風(fēng)機性能測試的環(huán)境參數(shù) . 7 3.2.2 風(fēng)機性能測試中的結(jié)構(gòu)參數(shù) . 7 3.2.3 風(fēng)機性能試驗裝置的方案及選用 . 8 3.3 風(fēng)機性能參數(shù)的相關(guān)計算、處理 . 9 3.4 風(fēng)機性 能曲線繪制 . 10 3.5 本章小結(jié) . 10 4 采集 系統(tǒng)的設(shè)計 . 11 4.1 風(fēng)機性能測試系統(tǒng)的組成 . 11 4.2 風(fēng)機工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè) 計 . 11 4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 11 4.2.2 步進(jìn)電機的控制 . 12 4.2.3 步進(jìn)電機的選擇 . 13 4.3 系統(tǒng)測試 的內(nèi)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(zhuǎn)速傳感器 . 17 4.5 信號調(diào)理電路 . 17 4.6 數(shù)據(jù)采集卡 . 18 5 虛擬測試系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) . 19 5.1 系統(tǒng)設(shè)計流程 . 20 5.2 基于虛擬儀器的風(fēng)機性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) . 20 5.2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) . 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(jié) . 28 6 總結(jié)與展望 . 29 6.1 總結(jié) . 30 6.2 研究展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 1 緒論 1.1 引言 風(fēng)機使用面廣，種類繁多，遍及國民經(jīng)濟各部門，利用風(fēng)機產(chǎn)生的氣流為介質(zhì)進(jìn)行工作，可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中分離、清選、加熱烘干、除塵降 溫、物料輸送、通風(fēng)換氣等多種工作。所以，在我國的化工、冶金和建材等部門，風(fēng)機得到了廣泛的應(yīng)用。如冶金工業(yè)中的鍋爐鼓風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的設(shè)備通風(fēng)和冷卻、風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)、化工業(yè)中的氣體排送、采礦業(yè)中的礦井通風(fēng)、廠房的通風(fēng)等都離不開風(fēng)機。在農(nóng)業(yè)中氣力播種、谷物清選、植物保護(hù)、物料干燥、農(nóng)副產(chǎn)品加工以及物料輸送等方面都要用到風(fēng)機 1。 風(fēng)機系統(tǒng)中處于核心地位是氣力輸送，它輸送的風(fēng)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(fēng)機的安全可靠性在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位顯而易見。而風(fēng)機的安全 性及其工作效益與它的性能息息相關(guān)，所以風(fēng)機具備良好的性能可以保障日常生產(chǎn)安全運行。由于風(fēng)機內(nèi)氣體流動的復(fù)雜性，目前還很難用單純的理論計算方法準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機性能曲線，只能通過試驗方法測定。因此，快速準(zhǔn)確地測定風(fēng)機性能參數(shù)并繪制性能曲線對開展風(fēng)機的研究有重要的意義。 1.2 研究的目的和意義 評判 風(fēng)機的性能 主要反應(yīng)出三方面： 產(chǎn)品質(zhì)量 的提高 、工作效率 的提高 和工作質(zhì)量 保證的關(guān)鍵因素。校驗產(chǎn)品 的 氣動性能 能否 達(dá)到設(shè)計要求 、 出廠 的 風(fēng)機性能 能否 達(dá)到樣本數(shù)據(jù) 的要求 、 改造后的風(fēng)機是否能達(dá)到性能指標(biāo)都需要進(jìn)行性能測試。性 能測試也是診斷故障的前提。風(fēng)機的工作 體現(xiàn)在 輸送流量、產(chǎn)生全壓、所需功率及效率 。 為了人們能正確使用風(fēng)機，我們 必須了解這些參數(shù)之間的相互關(guān)系。但由于風(fēng)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(fēng)機狀態(tài)參數(shù)。風(fēng)機狀態(tài)試驗原理是在風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變的情況下改變，改變風(fēng)機的流量來檢測風(fēng)機的 其他各個 參數(shù)，并且繪制狀態(tài)曲線。 目前，風(fēng)機用戶為提高自身的經(jīng)濟效益，在選擇風(fēng)機時對風(fēng)機的各指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求，如壓力，轉(zhuǎn)速，流量，噪聲，功率，可靠性等。與此同時，風(fēng)機生產(chǎn)廠家為了提高自身的競爭能力，在努力提高機械加工，改進(jìn)氣 動設(shè)計的同時，也對風(fēng)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(fēng)機測試技術(shù)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(fēng)機性能測試正迅速從傳統(tǒng)人工測試向自動化測試轉(zhuǎn)變。計算機技術(shù)與測試儀器技術(shù)的結(jié)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(shù)和 計算機 通信技術(shù)的結(jié)合，使 得 虛擬儀器應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(gòu)建風(fēng)機性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的方案。 1.3 國內(nèi)外研究狀況 在過去的 70 年 ，風(fēng)機的應(yīng)用不斷 拓廣 。 1922 年，羅本遜先生 的 礦井通風(fēng)實踐， 使得風(fēng)機控制 開始 從自然通風(fēng)過渡到機械通風(fēng) 。 丹麥?zhǔn)鞘澜缟涎芯匡L(fēng)機最早國家之一，很多風(fēng)機制造商如 Bonus 公司、 Vestas 和 Wincon風(fēng)機公司都具有先進(jìn)的風(fēng)機性能試驗系統(tǒng)，能夠自動測試風(fēng)機性能參數(shù)，并 且 進(jìn)行分析，以此指導(dǎo)風(fēng)機生產(chǎn)，提高風(fēng)機性能和效率 。 我國風(fēng)機性能測試大體上經(jīng)歷三個階段 23： （ 1） 上世紀(jì)五十年代以后，我國許多 學(xué) 院和高等院校 以 化工部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)研制了風(fēng)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(jìn)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(fēng)機性能測試程序?qū)崿F(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(guān)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(jié)果 大大提高了 工 作效率 。 （ 3）以上風(fēng)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(xué)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(shè)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(dāng)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(nèi)容和目標(biāo) 在本文中，我們以 風(fēng)機性能測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點以及數(shù)字化測試技術(shù) 為核心 ，以虛擬儀器模塊化的 設(shè)計思想為依據(jù)，利用 LabVIEW 軟件構(gòu)建 的 一個 C/S 模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 來對 風(fēng)機性能 進(jìn)行 遠(yuǎn)程測試。具體研究內(nèi)容如下： 1、 對風(fēng)機性能試驗基礎(chǔ) 的研究。 2、利用 風(fēng)機性能試驗 的 原理，確定系統(tǒng)設(shè)計 的方案和系統(tǒng) 實現(xiàn)的功能，并確定本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 3、根據(jù)對 LabVIEW 構(gòu)建的 虛擬儀器系統(tǒng)硬件基礎(chǔ) 的分析 ，對系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)和體系 進(jìn)行深入分析。 4、以 虛擬儀器模塊化和層次化 為 設(shè)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(jìn)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(yuǎn)程檢測。 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識 虛擬技術(shù)、計算機通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，它們被稱為 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)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(shè)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(biāo) ” ，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(biāo)來對其進(jìn)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(gòu)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(diào)理、等 I/O 接口設(shè)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(shè)備 則 采集、放大、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(qū)動程序 和硬件 之間，為硬件和驅(qū)動程序提供信息 交流。 （ 2） 驅(qū)動程序?qū)樱阂话阋詣討B(tài)鏈接庫或靜態(tài)庫形式供應(yīng)用程序調(diào)用 ，是 實 現(xiàn)儀器控制的橋梁。驅(qū)動程序的實質(zhì)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(yīng)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(wù) 。 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(guān)鍵 軟件是關(guān)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(shè)備連接受限 基于計算機的開發(fā)系統(tǒng)，可方便的同外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用程序連接 價格昂貴 價格低，可重復(fù)利用 技術(shù)更新慢（周期 5-10 年） 技術(shù)更新 快（周期 1-2 年） 開發(fā)和維護(hù)費用高 軟件結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費用 2.3 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是基于計算機技術(shù)的一種全新的儀器設(shè)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(jìn)和功能擴展只需進(jìn)行軟件的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)； （ 6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)，以便于構(gòu)成復(fù)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(lǐng)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(diào)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(biāo)、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(shè)計結(jié)構(gòu) 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(biāo) /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(shè)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(jìn)行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語言的 主要 體現(xiàn)。 圖標(biāo) /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(diào)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(shù)建立人機界面。 在 測控領(lǐng)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(nèi)置的程序編譯器：它采用編譯方式運行 32 位應(yīng)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(biāo)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(diào)試手段：用戶可以在源代碼中設(shè)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(shè)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(yīng)版本的軟件，并且平臺之間開發(fā)的應(yīng)用程序可直接進(jìn)行移值； （ 6）強大的函數(shù)庫：從基本的數(shù)學(xué)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(diào)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(wǎng)絡(luò)功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 2.5 本章小結(jié) 本 章首先介紹了虛擬儀器的概念，進(jìn)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(jìn)行了詳細(xì)的闡述和討論，對傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，總結(jié)出了 虛擬儀器的特點。 3 風(fēng)機性能試驗的原理 3.1 風(fēng)機性能試驗概述 3.1.1 風(fēng)機性能試驗的原理和方法 風(fēng)機 工作過程 總是 離不開 管網(wǎng) 的 ，氣體在風(fēng)機中獲得外功時，其壓力與流量之間的關(guān)系是 根據(jù)與 風(fēng)機的性能曲線變化的。而當(dāng)氣體通過管網(wǎng)時，其全壓 流量（ P-Q）關(guān)系 隨 管網(wǎng)的性能曲線 變化而變化。因此，總結(jié)出 風(fēng)機的性能與管 網(wǎng)的性能之間必須有 以下 關(guān)系： （ 1）通過風(fēng)機 氣體流量 與管網(wǎng)的氣體流量 肯定 完全相等； （ 2）風(fēng)機所產(chǎn)生的全壓的一部分 壓力 用于克服管網(wǎng)中的阻力 H， 我們稱之為靜壓 Ps，其余部分 則在 氣流從管網(wǎng)出口 時消耗，我們稱之為 動壓 Pd，風(fēng)機的全壓 P 則 等于管網(wǎng)的總阻力 消耗的加上管網(wǎng) 出口 時 損失 的 ，即 P=H+Pd。圖 3.1 為風(fēng)機壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系。要滿足上述要求，整個裝置 試驗條件 只能在風(fēng)機 P-Q 曲線與管網(wǎng)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(wǎng)性能曲線 與風(fēng)機靜壓曲線的交點來決定的，當(dāng)管網(wǎng)性能曲線變?yōu)?H、 H時 ， 工況點也 會 隨之改變，若風(fēng)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(fēng)機性能測試 就是 基于這一原理， 在 風(fēng)機的轉(zhuǎn)速 不變時 ，調(diào)節(jié)排氣節(jié)流閥的開度，改變管網(wǎng)特性曲線、改變工況點，從而改變了風(fēng)機的流量等參數(shù)，在各個對應(yīng)的工況點下測定該風(fēng)機的 動壓 、 靜 壓、 軸功率 、 電機轉(zhuǎn)速 等參數(shù)， 再 通過計算得到各工況點的效率，進(jìn)而繪制風(fēng)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(fēng)機在一定轉(zhuǎn)速下的性能標(biāo)定 進(jìn)行控制 。 圖 3.1 風(fēng)機壓力和管網(wǎng)阻力的關(guān)系 由于風(fēng)機內(nèi)部流體運動 規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜 ，至今 我們 還不能 靠 理論的方法 準(zhǔn)確 計算出它的各種損失，因而不能準(zhǔn)確的計算出 風(fēng)機的各 性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的 風(fēng)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(shè)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(fēng)機工作性能參數(shù)，從而 確定工作風(fēng)機的工作性能曲線，從而確定風(fēng)機的工作范圍，以便向用戶提供高效率的風(fēng)機。 3.1.2 風(fēng)機的性能參數(shù) 風(fēng)機主要性能參數(shù)有流 量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率等。 （ 1）流量：單位時間內(nèi)風(fēng)機所輸送的流體量稱為為流量，也稱為風(fēng)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(fēng)機內(nèi)所獲得的能量稱為全壓，也稱為風(fēng)壓。常用 P 表示，單位為aP。 （ 3）軸功率：原動機傳遞給風(fēng)機轉(zhuǎn) 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(nèi)通過風(fēng)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(fēng)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(fēng)機軸端的功率要小，風(fēng)機有效功率與軸功率之比稱為風(fēng)機效率。常以 表示。風(fēng)機全壓效率可達(dá) 90。風(fēng)機效率越高，則氣體從風(fēng)機中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟性就越高。 （ 6） 轉(zhuǎn)速：風(fēng)機軸每分鐘的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)速，常以 n 表示，單位為 r/min。 3.1.3 風(fēng)機的性能曲線 由于理論計算得不到 準(zhǔn)確的風(fēng)機 特性曲線，因此， 在 實際應(yīng)用上，都采用試驗方法繪制。由 試驗得到風(fēng)機的性能參數(shù)繪制風(fēng)機的性能曲線為風(fēng)機性能測試的最終結(jié)果 。 3.2 風(fēng)機性能試驗 本文 用風(fēng)機空氣動力特性試驗的方法，求得風(fēng)機 溫度 、 壓力 、 流量 、 濕度 、 轉(zhuǎn)速 及 功率等參數(shù)。 區(qū)別于 傳統(tǒng)的風(fēng)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(fēng)機性能測試的環(huán)境參數(shù) 風(fēng)機性能測試的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。 3.2.2 風(fēng)機性能測試中的結(jié)構(gòu)參數(shù) 風(fēng)機出口面積： 22 76800320240 mmmmA 風(fēng)管直徑： mmD 280 節(jié)流裝置的開孔直徑： mmd 140 風(fēng)機葉輪外徑： mmD 5002 孔板與風(fēng)管直徑比： 5.0/ Dd 孔板流量系數(shù)： 62.0 在本測試中，我們設(shè)定管道氣流的雷諾數(shù)epR在 65 1010 epR的范圍之內(nèi)，又根據(jù)結(jié)構(gòu) 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(fēng)機性能試驗裝置的方案及選用 風(fēng)機的性能試驗裝置，是由 節(jié)流器 、整流器和 風(fēng)管 等部件組成。這些部件必須 保證 風(fēng)機在任何工作情況下，氣流流動穩(wěn)定， 不會 出現(xiàn)渦流。 風(fēng)機性能試驗裝置分為風(fēng)室式和風(fēng)管式兩類 10。風(fēng)室式試驗裝置由流量風(fēng)室 、測試管路 、輔助通風(fēng)機、 整流器 和 流量調(diào)節(jié)器 等組成，根據(jù)腔室與通風(fēng)機進(jìn)口和出口的連接方式不同，分為進(jìn)氣風(fēng)室和出氣風(fēng)室兩種試驗裝置；風(fēng)管式試驗由流量調(diào)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(fēng)機進(jìn)氣口和出氣口的連接方式不同，分為進(jìn)氣、出氣、進(jìn)出氣三種試驗裝置 。 （ 1） 進(jìn)氣試驗 ： 這種布置形式只在風(fēng)機進(jìn)口 設(shè)置 管道，如 圖 3.2 所示。氣體從集流器 l 進(jìn)入吸風(fēng)管道 2，再流入葉輪 3，在管道進(jìn)口處裝有調(diào)節(jié)風(fēng)量用的錐形節(jié)流門 4，并在吸風(fēng)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(fēng) 機出口設(shè)置管道，如圖 3.3 所示。氣體從集流器 1進(jìn)入葉輪 2，由葉輪流出的氣體從排風(fēng)管道 3 流出，用出口錐形二冷流門 4 調(diào)節(jié)流量，并在管道上裝設(shè)靜壓測管 5 和畢托管 6。 （ 3） 進(jìn)排氣聯(lián)合試驗 ： 這種布置形式是在風(fēng)機進(jìn)出口都裝設(shè)管道，如圖 3.4 所示。氣體由集流器 1 進(jìn)入吸風(fēng)管 2。經(jīng)葉輪 3 流入排風(fēng)管道 4，然后排出，在出口裝一錐形節(jié)流門 5 調(diào)節(jié)風(fēng)量。并在進(jìn)出口管道上裝設(shè)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(xí)慣及現(xiàn)場的試驗條件來決定。例如送風(fēng)機是從大氣吸入空氣，經(jīng)管道送入爐膛，應(yīng)采用排氣試驗裝置。引風(fēng)機是抽出爐 膛的煙氣使之排入大氣，則應(yīng)采用進(jìn)排氣聯(lián)合試驗裝置。因本系統(tǒng)原有試驗臺為一風(fēng)管式試驗臺，所以，本系統(tǒng)采用風(fēng)管式排氣試驗裝置。 圖 3.2 進(jìn)氣試驗裝置 1 一集流器 2 一進(jìn)氣風(fēng)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(fēng)管 4 一錐形節(jié)流門 5 一靜壓測管 6 一畢托管 圖 3.4 進(jìn)排氣試驗 1 一集流器 2 一吸風(fēng)管 3 一葉輪 4 一排風(fēng)管 5 一錐形節(jié)流閥 6 一靜壓測管 7 一畢托管 由風(fēng)機狀態(tài)試驗方法可以看出，風(fēng)機狀態(tài)試驗應(yīng)主要完成試驗數(shù)據(jù)的測量、風(fēng)機狀態(tài)參數(shù)的 計算、風(fēng)機試驗臺的控制和風(fēng)機狀態(tài)曲線的繪制四部分內(nèi)容。所以，如何使這四部分功能 實現(xiàn)自動化 是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 3.3 風(fēng)機性能參數(shù)的相關(guān)計算、處理 在風(fēng)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(fēng)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(jīng)過計算、整理才能得到風(fēng)機狀態(tài)參數(shù)值，以下為狀態(tài)參數(shù)計算公式 ： 風(fēng)機流量 ： PdQ n 242 （ 3.1） 風(fēng)機動壓： 222 AQPd （ 3.2） 風(fēng)機全壓： std PPP (3.3) 風(fēng)機軸功率： 9550FnNsh （ 3.4） 風(fēng)機有效功率： 1000QPNe （ 3.5） 風(fēng)機效率： sheNN （ 3.6） 風(fēng)機流量系數(shù)： 422DuQQ （ 3.7） 風(fēng)機壓力系數(shù)： 22uPP （ 3.8）風(fēng)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(fēng)機靜壓 2U-風(fēng)機葉輪外徑處的圓周速度 P -空氣密度 D -風(fēng)管直徑 F -電機的輸出扭矩 n -風(fēng)機轉(zhuǎn)速 標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)機性能曲線繪制 與通風(fēng)機狀態(tài)表相比，風(fēng)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(fēng)機狀態(tài)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定了試驗報告應(yīng)提供氣動狀態(tài)曲線圖。但有些標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果作為風(fēng)機狀態(tài)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式最為合理。關(guān)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(yīng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)所描繪的圖形來決定。對于風(fēng)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(xué)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(dá)到對觀測值的校正。 3.5 本章小結(jié) 本章首先對風(fēng)機性能試驗做了詳細(xì)的闡述，包括風(fēng)機的性能參數(shù)的概念，風(fēng)機性能實驗裝置以及風(fēng)機性能參數(shù)的處理方法 ，并且最后對風(fēng)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(shè)計 4.1 風(fēng)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(guān)鍵作用，但仍離不開硬件設(shè)備，對數(shù)據(jù)的輸入輸出，系統(tǒng)硬件設(shè)備組成部分是整個測試系統(tǒng)的基