毕业设计（论文）-基于LABVIEW的风机性能测试与系统设计.doc

第一章 文献综述 1绪论1.1课题概述1.1.1提出的背景 风机是煤矿、石油、化工、电力、冶金等行业生产过程中重要的安全设备。它的主要任务就是排除有害的粉尘和气体，保证工作环境的空气质量从而保证工作人员的人身安全。尤其是在井下，工作环境恶劣，事故发生率较高。因此矿用风机也有“矿井的肺脏”之称。 近些年来，我国的煤矿安全事故时有发生，不但威胁着矿工的人身安全，还给煤矿带来了不少的经济损失。经过调查造成这些原因主要有两个问题：第一是我国煤矿的风机设备落后而且更新不及时，经常可以发现一些已经老化退役的风机仍在使用，尤其是一些小型乡镇企业，这种现象比较普遍。第二是我国对于风机的监控技术比较落后，仍然是以人工操作测试，手工绘图为主。因此普遍存在测试结果与实际偏差太大而不能准确反映风机的实际运行情况。为了能对风机定期准确的体检，掌握风机的实际运行是否正常，消除隐患，做到科学管理及使用，建立一个比较完善的风机测试系统已经是目前的迫切需求。 现在我国已经有部分高校和科研单位利用计算机结合一些编程开发研究了风机测试系统。但是测试功能单一、系统维护性较差而且操作复杂，所以很难满足现在的要求。国外NI公司推出的LABVIEW和传统软件相比，图形化的语言以及数据处理和采集等各方面都有很大的优势。所以LABVIEW已经在测量测试的行业倍受青睐。而本课题正是为满足当前的形势用LABVIEW对风机的性能进行监测。1.1.2研究的意义 当前我国风机在轻工、建材、纺织、冶金、机械、煤炭、石油、农业、电力、化工等众多领域应用。然而普遍存在风机老化、更新不及时等一些影响安全生产的因素。这些原因主要是因为不能够定期对风机检测以及检测数据与实际情况偏差大从而不能判断风机的实际运行情况造成的。本课题设计的系统不但可以对风机进行定期检查而且测量的数据准确度大大的提高了。操作简便，能够很快的检查到风机运行的情况是否达标。因此本课题消除了众多行业中风机运行不正常导致的安全隐患。另外用户在选择风机时也对风机的性能有了较高的要求，例如噪声、功率、转速、可靠性、风量等。因此厂家就会想办法提高自己的产品，从而使得自己的产品更受欢迎而在竞争中获胜。想要提高风机的性能就必须要对风机有一个完善的检测系统。因此本课题对风机生产也有一定的作用。 冶金煤矿等工业与社会经济发展密切相关，也是一个国家经济中重要的产业，这些产业对相关行业的进步有着促进作用。风机又是这些产业中不可缺少的辅助设备。可见对风机的性能检测不单单是让风机能正常的运行，对众多行业的发展都起到了促进作用。综上所述，对风机的状态进行检测监控不仅可以使风机正常运行保证了工人的人身安全，对企业的经济损失也会有所降低，而且还促进了风机的科学生产、管理。另外对相关行业也有促进作用，对国家的经济发展也起到了一定的作用。由此可见，本课题的研究具有重大现实的意义。1.2国内外发展现状风机在近几十年内应用范围越来越广，其实对于风机性能的研究国外很早就开始了，矿井通风实践刚出版时是在1922年，当时机械通风方法刚刚取代了自然通风方法。到了上个世纪八十年代，好多部分的风机上已经安装了智能检测系统，这些系统可以获取风机的运行情况，还可以推测出风机的维修年限和使用寿命，同时也能够对遇到的故障进行诊断。这些智能检测系统对风机的维护和使用有特别大的作用，从而经济上也得到了良好的收获。如日本MHM系统、瑞士MACC系统。虚拟仪器技术在测试领域，国外一些发达国家已经非常普遍的投入到应用中去了，1986年美国NI公司提出LABVIEW技术后好多工程师和科学家便应用到了测试领域。而且取得了很好的效果。德国大众公司便是一个例子，它把虚拟仪器用来测试汽油发动机，取得了很好的效果而且缩短了开发周期，还有IBM公司用虚拟仪器技术去测试厚膜混合集成电路也取得了相当不错的效果。在国内对于这方面的研究相对晚一些，技术也比较落后，目前在测试领域国内仍以单片机居多，可靠性低、抗干扰能力差是普遍存在的问题。不过近几年国内也有一些科研单位和一些高等院校对虚拟仪器的应用投入测试领域，如矿山机械，汽车等。在用虚拟仪器对设备性能检测监测方面，国内一些高校也取得了一定的成果，如中国矿业大学、河北农业大学、华东工业大学、华中科技大学等都将虚拟仪器应用到了风机检测中，并且取得了一定的成功。另外浙江大学还将虚拟仪器应用到了研究水泵瞬态特性中，以为取得了一定的成果。即便如此，井下工作环境比较差，矿山环境也相当复杂，还有国产的一些检测设备相对较差，整体水平较低，无论在软件开发还是硬件设备上与国外相比都有一定差距。但是国外的进口仪器价格比较贵，以及功能方面并不能完全满足我国生产的实际需求，等诸多因素，从而使国内目前还没有出现能满足实际需求的、较为理想的测试系统。1.3课题研究的主要内容和目标 本文以计算机为核心，针对风机性能检测系统的测试功能、基本结构等。在风机的性能测试设备上用LABVIEW软件来构建一个PC数据采集系统来实现风机的性能测试。因此本文研究的主要内容如下：（1）对风机性能测试的原理进行分析（2）对系统的结构分析，列出该系统需要的硬件（3）构架硬件系统（4）确定系统需要实现哪些功能（5）对软件进行介绍并且构架出软件系统（6）利用LABVIEW编程实现各个功能本文要实现的目标：（1） 能够自动采集风机的相关性能参数（2） 能够自动调整风机的运行工况（3） 能够自动绘制风机的相关性能曲线（4） 能够自动进行存储、数据处理和显示（5） 操作相对方便，界面简单明了，容易让用户操作第2章 风机的相关知识2.1测试风机性能的原理 了解风机就不得不去了解管网，因为风机一般都是与管网在一起工作的。那么我们下面就介绍一下风机的性能和管网的性能之间要满足什么样的关系。 （1）由于风机和管网是联合工作的，要保证通过两者之间的气体流量相等 （2）风机产生的全压要满足一定的关系式，它的一部分用来克服网管的阻力剩余的一部分克服出网管口的动压，即，网管口的动压加上网管的阻力等于风机产生的全压。下面是风机全压和网管的阻力之间关系，整个装置必须要在两个曲线的交点上运行，才能满足上述要求。两个曲线的交点被称为工况点，工况点会随着两线交点的改变而改变。控制其中一条线改变工况点便会沿着另外一条线移动。我们可以通过改变工况点，然后在对应的工况点下测量出风机的一些参数，然后计算出各个工况点的效率，这样便可以画出风机的一些性能曲线，如全压、静压、功率、效率等与流量之间的关系曲线。 由于风机内部流体运动情况比较复杂，到目前为止还没有一个完善的理论可以准确的计算出各种损失，所以风机的各项性能参数就无法确定。计算的方法行不通那么我们可以用实验来代替，通过实验我们可以相对准确的知道风机的一些性能参数，从而了解风机的实际运行情况和它的使用数据及工作范围。2.2风机的性能参数因为风机的参数比较多，不需要全部去进行测量，所以我们可以抽取其中一些参数来测量，下面我们对风机的全压、风机的转速、风机的功率、风机的效率及风机的流量等做一下了解：（1） 和风流平行正对风流方向测得的压力我们称为为全压。单位Pa（2） 风机轴在一分钟转了多少转称为转速。单位r/min（3） 这里的功率就是风机转轴从原动机上获得的功率.。单位kw通风机全压功率计算公式： （4） 风机的效率即风机的有效功率比上轴功率。通风机全压效率计算公式： （5） 风机每秒所传输的流体体积。单位 m3/h（6） 风机的传动方式和机械效率传动方式机械效率传动方式机械效率电机直联1减速器传动0.95联轴器直联传动0.98V带传动0.952.3风机的性能曲线由于风机内部流体运动比较复杂不易计算，所以现在一般都是通过实验来测出风机的一些性能参数，然后通过这些参数来绘制出风机性能曲线。其中，风机的性能曲线具体包括有因次和无因次两种性能曲线。下面我们来简单介绍一下这两种曲线，以及它们之间的关系。（1） 将风机各个工况下的性能参数记录下来，并在直角坐标系中画出来，用于表示功率、全压等与流量关系的曲线，即有因次性能曲线。（2） 无因次性能曲线是没有物理单位的是风压的一个特征值，一种风机对应只有一组无因次性能曲线。 风机的无因次参数是对风机的特点的一个描述，风机所能产生的风量，风压的一个特征值。每种风机不能用风量，风压来表述风机的结构特点，但是风机的无因次参数说明了一个风机在特定的工况下所能产生的风量，风压。如：4-72型风机根据无因次参数可以计算在任意转速，任意叶轮直径，气体介质不同的情况下计算此时的风机所产生的风量，风压是不是可以与您需要的管道，工作情况相匹配，无因次参数一般是风机技术员根据客户提出的条件来设计风机用的。最后来说，无因次参数是风机的一个特征参数，用来选择风机，设计风机的一个依据。这样计算出的风机的风量，风压就是有因次参数。有了风机的性能曲线，就对风机的运行情况、可靠性、工作范围等有了依据。两种参数的关系如下：流量系数： 全压系数： 静压系数： 功率系数： 公式中表示全压表示流量表示静压表示轴功率表示叶轮外径表示叶轮外缘线速度表示进口气流的密度2.4风机性能试验 用试验测出风机的压力、流量、功率、转速和扭矩等参数，本课题用计算机和传感器组成的系统代替了之前的人工测量。2.4.1标准环境参数 空气温度：t=20绝对压力：P=1.013Pa相对湿度：=50%气体密度：=1.2kg/气体常数：=288.5J(kg.K)2.4.2风机的结构参数风机出口面积：A=（240320）=76800风管直径：D=280mm节流装置开孔直径：d=140mm风机叶轮外径：=500mm孔板与风管直径比：=d/D=0.5孔板流量系数：=0.62该系统中孔板流量系数=0.62，气体膨胀系数=0.96。2.4.3风机性能测试装置的方案为了避免出现涡流，风机性能试验装置一定要让风机在任何情况下运行都能保证气体稳定流动。关于风机的测试装置分为两类，一类是风室式一类是风管式。下面我们主要介绍一下风管式。风管式试验一般分为测试、调节、整流等装置。根据管路与风机的连接方法可分为三种装置，如下图： 进气试验图 出气试验图 进出气试验图 其实在试验中采用哪一种装置都行，由于风管式的进气装置操作比较容易所以本文采用风管式进气装置，由上图我们简单分析下这个装置的流程，气体从2进入3再进入6,其中4、5是用来检测流量的。2.4.4风机性能参数的计算由于传感器测量的一些数据是最基本的数据，不能直接体现出风机的性能，风机的性能参数是传感器测量的参数经过计算处理后得到的，如下：风机全压：风机动压：风机流量：轴功率：有效功率：风机效率：其中：M输出扭矩（N.m) P风机全压(Pa)风机静压(Pa) 风机动压(Pa)Q 风机流量(/s) A 出口面积()n 风机的转速(r/min) 气体膨胀系数 孔板流量系数 d 节流孔板直径(m)测试状态和标准状态不一样时候我们应该按照风机定律换算，换算关系式如下：其中有下角标的为标准状态，无下角标的为测量状态。2.4.5绘制风机性能曲线 我们做这个实验的目的其实也就是来画这个风机性能曲线，将实验数据进行处理，画出在一定转速下以流量为自变量，功率、效率、压力等为应变量的坐标图。这组曲线即有因次特性曲线。它可以反应风机的运行情况及性能。2.5系统设计流程（1） 根据风机性能试验的流程，确立需要完成的工作（2） 完成对风机性能的测量及一些计算（3） 调节风机运行工况并记录以便画图（4） 根据工况点改变画出风机性能曲线（5） 得到最终结果并显示在电脑上根据本课题的功能需求，设计了如下流程图：明确研究对象 风机性能检测系统设计思考系统需求传感器、数据采集卡的选择参数测量方法和调节装置设计信号调理电路LABVIEW设计系统需要实现的功能数据采集设计VI程序设计 硬件调试编译程序 信号测试整合系统软件硬件风机性能自动测试 系统最终确定本文主要通过测量风机的各个性能从而画出风机性能曲线，对风机的基本信息有一个全面的掌握。该实验的硬件设备应该有风机、传感器、数据采集卡、计算机。系统结构图如下：信号调理电路 风机传感器计算机LABVIEW数据采集卡2.6本章小结 本章首先分别对风机的性能原理、风机的性能参数和风机的性能曲线做出了简单的介绍同时还罗列了一些风机相关的计算公式，然后对风机测试装置进行了详细的阐述最后后对风机性能试验测试系统的总体结构做出了详细介绍。 第三章方案的比较3.1传统风机测试方法 传统风机的测试需要多人参与而且是采用的传统的仪器，工作量比较大，费时间费力气，测量准确度也很低，测量的数据误差较大导致很难正确的画出风机的性能曲线。 风机性能测试试验是在转速不变的情况下去改变风机的工况运行。通俗的说就是在改变风管中的流量然后经过多次测量，从而测出多个工况下的风机性能参数，最终画出风机的性能曲线。传统的风机性能测试实验也是通过改变工况点进行测试的，不过其方法比较难操作而且结构笨重。它是通过在风机的进风口出安装了一个锥形阀，然后通过拖动使锥形阀前后移动来改变进风量的。 在组成方面，传统的风机测试系统主要是采用温度计、大气压力计、转速表、天平、微压计、平衡杠杆和直流电机等设备。 传统风机测试方法如下图： 图中1表示补偿式微压计 2表示倾斜式微压计 3表示天平 4表示可控硅电源 5表示数字式转速表 6表示交流稳压电源 7表示风筒、 8表示支架 9表示直流电动机 10表示平衡杠杆 11表示联轴器 12表示风机 13表示试验台架底座传统测试过程中装置所受阻尼比较大，装备精度也特别低，而且人为的因素太多，导致误差相对来说比较大。 3.2虚拟仪器测试风机性能的方法采用虚拟仪器测试风机的性能，利用传感器将风机的一些物理信号转变为电信号经过信号调理电路将其放大处理送给数据采集卡，数据采集卡把采集到的数据发送给电脑，LABVIEW再进行数据分析处理画出风机性能曲线，把风机的各个性能最终值反应给用户。可以做到节省人力资源、缩短时间、测试结果相对来说更准确一点，人为因素影响较少。整个系统操作比较简便，成本也比较低，灵活性较大，而且界面友好，容易被人接受。3.2.1什么是虚拟仪器 虚拟仪器技术具有四大优势，第一开发时间较少；第二具有较高的集成；第三扩展性较强；第四性能相对较高。具有以上优点完全是因为它拥有高性能的模块化硬件、灵活高效的软件和可以集成的软件和硬件平台。简单来说，虚拟仪器技术主要是利用灵活的软件和高性能模块化I/O硬件相结合去完成对应的测试和监控应用。灵活高效的软件可以让我们操作更简便容易接受，也可以让用户自定义界面，高性能的模块化硬件为我们提供了全面的系统集成，另外用于集成的软硬件平台满足了定时、同步等应用和需求。NI公司这些年来一直作为测量和测试领域的领头羊也恰恰是因为它具有以上优势。虚拟仪器技术的三大组成部分： 1.高效灵活的软件，虚拟仪器技术中软件可以说是最重要的一部份。因为它可以实现与各种软硬件相互连接，而且它提供了强大的后续数据处理能力。它可以把采集到的数据进行分析、处理、运算。得到我们需要的数值或者模拟的曲线，将最终结果能明确的提供给用户，用户也可以通过软件来改变设置，满足别的需求。软件功能的强大可以让用户对仪器更好的控制，实现智能化管理和应用，灵活的软件使我们实现了只需要坐在电脑前操作几个简单的按钮就可以实现对机器的操控。 2高性能模块化的I/O硬件，为了解决当今的各种各样复杂测试和测量的应用，NI公司研究出了比较全面的软硬件处理方法。对PCI、USB、1394总线等NI公司都研制出了对应的硬件产品，而且产品的种类也是各种各样应由具有。NI公司高性能模块化硬件结合灵活高效的软件能够满足工程师创建自定义的系统，也可以满足别的众多特殊要求。 3.能够集成的软硬件平台，美国NI公司设计的PXI结合PC技术为测量领域带来了一次改革，是一场质的飞跃。PXI硬件平台是专门为自动化和数据采集而设计的，它定时和触发总线。对于简单的数据采集或者是复杂的混合信号采集PXI都可以轻而易举的去解决掉。虚拟仪器技术带给我们的优势是显而易见的。3.2.2虚拟仪器测试方法 虚拟仪器测试风机性能试验中信号的采集和转换是不可缺少的，因此我们需要传感器来把测得的物理信号转换为我们需要的电信号，然后通过信号调理电路来处理发给数据采集卡，数据采集卡再把接收到的电信号，送到上位机中进行分析和处理。然后虚拟仪器会把测试的数据以及经过计算后的数据再拟合绘制出风机性能曲线。整个过程中需要的硬件设备有风机、各种传感器、数据采集卡、PC机等。当然，整个硬件系统就相当于人的躯体，软件则是整个系统的灵魂。下面我们简单介绍了一下软件的流程程序的流程图如下： 开始 参数设置 选择测试项目静风压 差压转速 扭矩温度调用子程序来完成实验储存实验数据继续测试？生成打印报表所存数据 结束虚拟仪器测试风机性能就是通过各种传感器、信号调理电路、数据采集卡把数据发送到计算机上，然后经过虚拟仪器处理数据，画出风机性能曲线，再通过下位机对风机进行控制调理。3.3传统仪器测试与虚拟仪器测试的比较 仪器还能有虚拟的吗？我们所见过的仪器都是实物的，那么虚拟仪器只是个模型吗，它可以和实物一样去应用么？什么才叫做虚拟仪器？ 虚拟仪器就是利用PXI、VXI等一些标准总线采用驱动器使计算机具有控制实际物理仪器设备的能力。虚拟仪器技术测试系统代表着从传统的硬件为主体的测试系统转变为以软件为核心的测试系统，这是一场改革，一场翻天覆地的变化。 大家对驱动器应该不是特别陌生，驱动器相当于计算机和实际仪器之间的一个桥梁，驱动器这个概念的诞生也是源于计算机投入测试领域的使用。和传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点：一、性能高 虚拟仪器技术的发展是以计算机技术作为基础平台，所以虚拟仪器技术完全继承了现在计算机技术的好多优点，例如以计算机主导最新商业技术优的点、强大的处理器功能。日后计算机网络的发展更会让虚拟仪器技术体现出其本身巨大的优势，在测控领域将会更有竞争力。二、扩展性强 由于NI公司软件的灵活高效，用户只需要少量工作就可以改进整个系统，其扩展性很强。更换系统不需要全规模的去投资软件和硬件，只需要更新计算机或者测试硬件就可以对整个系统进行改进，方便、投资少、易于改动，还可以加速心产品上市。三、开发时间少 在应用与驱动上，美国NI公司高效灵活的软件构架可以PC机和仪器仪表等最新技术联系在一起使用。他们设计这个软件的目的就是能够让用户很容易的使用，方便操作容易理解。它还可以做到使用户能够轻松的创建、维护和发布成本低且性能高的测量和控制解决方法。四、无缝集成 美国NI公司为所有I/O设备提供了标准接口，这样就可以直接访问，无需转换数据格式，这样就大大减少了工程师们集成多个测量设备而连接和集成所用的时间。随着现在科技的发展虚拟仪器技术已经逐渐投入到各种测量和控制中使用，也逐渐成为测量和控制领域的主导，它将取代传统的测试方法，随着未来计算机技术和软件技术的发展虚拟仪器技术将会为测量和控制提供一个更好的测试方案。从本质上讲，虚拟仪器技术的概念，是一个集成的硬件和软件。随着产品在功能上不断地变得越来越复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而这些连接和集成不同的设备总是要耗费大量的时间。对于所有的I / O设备的NI虚拟仪器软件平台，提供了一个标准的接口，帮助用户轻松多个测量设备集成到一个单一的系统，降低了任务的复杂性。虚拟仪器技术已成为测试，工业I / O控制和产品设计的主流技术，具有功能和虚拟仪器技术性能得到了不断的提高，很多应用已经成为主要替代传统仪器。随着进一步的更新PC，半导体和软件功能，为虚拟仪器测试系统，旨在提供一个很好的模式，并允许工程师获得力量和灵活性，以测量和控制技术的未来发展。下面用表格对两种方法做出了比较：项目虚拟仪器传统仪器仪器定义用户厂家功能设置方便与别的设备连接功能特定且与别的设备连接受限中心环节软件硬件开放性开放、灵活功能固定、系统封闭、不能改动性价比较高较低技术更新快慢开发维护费用低费用高3.4本章小结 本章首先展示了一下对传统测试方案流程图，以及传统测试方法的一个简单介绍，工作量较大，而且准确度低。然后简单介绍了一下虚拟仪器和采用虚拟仪器测试的方案，操作简单容易被用户接受，而且人为误差小，相对来说精确度较高，最后把两者之间的优缺点进行了全方面的比较，总结出了虚拟仪器测试方案的优点。第4章 硬件设计4.1风机性能测试的硬件组成 在风机测试实验过程中软件起着很大的作用，但是却也离不开硬件的构成，因为对最基本的信号进行转换、放大等都是通过硬件设备来完成的。可以说硬件的组成是整个风机测试系统的基础，硬件设备的组成对数据的输入输出起着至关重要的作用，所以，我们首先要对硬件设备有一个基本的构架，本系统的硬件设备主要有风机、各种传感器、信号调理电路、DAQ卡、计算机、流量调节装置和步进电机等。该系统主要完成两个任务，风机的各项性能参数的采集和调节工况，下图为我们展示了其硬件组成。风机试验台压力传感器 压差变送器温度传感器信号调理计算机数据采集卡转速传感器扭矩传感器风机步进电机电路板流量调节减速器 在本系统中，一些基本的结构、环境等参数是可以有用户来自己设定的。传感器检测到各项实验数据后经过调理电路来放大处理由数据采集卡来传入到电脑中。然后系统软件会对其进行处理和计算，将结果保存下来作为风机的性能参数。用户可以改变风机运转工况，流量的调节可以由工况调节装置实现。当工况设定后重复以上流程，最后得到全部的工况实验数据就可以了。然后根据实验数据来绘制风机性能曲线。4.2风机工况调节装置的设计在通风系统中风机的性能仅用参数表格表达是不够的，为了全面评定通风机就必须了解在各种工况条件下风机的风量与全压、功率、转速、效率的关系，这些形成了风机的特性曲线。在风机测试系统中，风机的一些性能参数单用表格展示一些参数是远远不够的，要想全面的了解风机就一定要对风机在各种工况下的转速、全压、功率以及效率的关系进行详细的研究，它们是风机特性曲线的重要组成。风机总是与一定的管路系统连接的。从风机的特征曲线上我们可以得出一些结论，如，风机是可以工作在各种不同风量下的而不是固定不变的。但是实际运行中风机并不是在风机特性曲线上所有点上工作的，而只是在其中某一点上工作的，这个点是由管网特性和风机特性共同确立的。该点即是风机实际运行的工作点，该点的位置是在管网性能曲线和风机特性曲线的交点。根据生产设计的需求，风机实际运行工作点需要经常变化，这种改变风机实际运行工作点的措施被称为工况调节风机工况调节通常有两种方法：一是通过改变管路系统的压力损失来改变工作点；二是通过改变风机的一些性能和特性来改变其实际工作点。（1）改变管路系统压力损失的调节方法一般通过增加和减少管网系统的阻力，如改变管道系统的开阀，也就是改变网管的特性曲线的去实现的（2）改变风机特性曲线的调节方法风机性能的改变有多种方式，如改变风机运转速率，改变风机叶轮的直径，改变风机入口导向叶片角度，改变风机的叶片，风机串联和并联等等，最后采用什么样的调整方法的问题应该做经济和技术的比较后做决定。a.更换风机的方法b.改变风机转速的调节方法c.调整风机入口导向叶片角度的调节方法一些大的风机入口被提供用于调整所使用的导向叶片。当改变叶片，风扇性能变化的角度，因叶轮叶片的预旋转叶片的作用进入气流方向改变所致。导向叶片是风扇的一个组成部分，也可以看作是调节装置的管道系统，它不仅改变了风机性能曲线的旋转，而且还改变了管道系统的电阻特性，从而调整更为敏感。d.调整风机叶片角度大小和宽窄的调节方法风机叶片角度的大小和宽窄被改变时，风机的性能特征将会发生相应的变化，以实现工况调节。风机性能实验是风机转速不变通过改变风机的工况下进行的。然后通过在各个工况点下测得的参数来画出风机的性能曲线。传统方法是在风口安装了一个锥形阀来改变流量，不易操作而且结构笨重。在本文我们将采用的是一个旋转挡板装置，也就是把一个圆形挡板安装在了风机进口处，这个挡板是通过步进电机来控制的，可由计算机直接操作，方法简便。4.2.1结构设计 下面简单介绍下旋转挡板的结构和旋转挡板的工作流程。旋转挡板的结构图如下旋转挡板的工作流程图如下：PC机步进电机减速器旋转挡板数据采集卡电路板电源控制电路驱动电路 有上图我们可以简单明了的看出风机的工况调节过程，主要是通过计算机控制步进电机，进而来改变旋转挡板角度，使风管实际进口大小发生了改变，然后得以实现风机工况的调节。旋转挡板的转动位置如下：4.2.2步进电机的选择 步进电机收到一个脉冲信号转子就会转一步，转子的位移方向是由通电相序来控制的。本系统对步进电机的精度要求不高，在这我们选用步距角为的步进电机，具体参数如下表步距角相数电流电压转子转动惯量 3 1.5A 30VNm4.3测试系统的内容及方法4.3.1静压测量在壁静压测量孔的连接器的相同的线截面，和四个计应分别连接到压力计，分别四点平均作为部分的静压力的静态压力的算术平均值。四点静水压力读数超过平均水平的1应查明原因。静水压力和测得的平均任何个别四点静态的角度不大于1所测量的绝对压力，同样部分可以收集四点到共同静压相同部分，并连接到测量压力环计平均静压。收集不小于四倍孔隙压力导致横截面积环任一静有效横截面积。4.3.2流量的测量流量测量一般都采用差压式流量计，其中节流式流量计是一种典型的差压式流量计，它采用孔板为节流装置，如下图为了计算简便我们假设流体为理想流体且流速不变，管道为水平放置。根据质量守恒和伯努利方程可得出以下推论： 令 则可得不可压缩流量体积公式 可压缩流量体积公式为可压缩流体的膨胀系数 4.3.3温度的测量温度的测量分为接触法和非接触法两种测量方式，一般非接触法是在高温等难以用接触法测量出结果的情况下才使用的，在这里我们采用接触法测量用热电阻温度传感器即可。4.3.4转速的测量 风机的转速，本系统采用开关式光电转速传感器结合转速显示仪来测量。光电传感器原理如下图：转速n和脉冲频率 f 的关系： 光电器件采用光敏二极管，一般的频率计测量即可测量频率。4.3.5 扭矩的测量本系统中，测量扭矩主要是用于计算风机的轴效率和功率。我们测量扭矩的方法是在风机转动轴上贴应变计，要注意应变计与轴线的角度为。其结构形式如下图：展开形式如下图: 扭矩与最大剪应力的关系为 扭矩值： 根据虎克定律得：4.4 传感器的选用传感器是一种检测装备，它能把某种物理信息转变成电信号或其他所需形式的信息输出。下面是本系统中用到的各种传感器的性能指标。风压传感器的性能指标：量程电源压力接口测量精度工作温度输出信号00.25Kpa24VDCM201.5螺纹0.2%FS、0.5%FS、-20+80420mA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05000pa24VDC0.5%FS300%FS05V温度传感器的性能指标：量程精度工作电压输出信号0500.512VDC05VDC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304.8r/m高电平 8V，低电平小于 0.5V040最大30mm扭矩传感器的性能指标：量程激励电压灵敏度零点输出允许温度过载能力05Nm12VDC 或 15VDC12mV/V2%FS-3080120%FS4.5信号调理电路对于数据采集和控制系统，绝大部分信号调理是相当重要的。典型系统一般需要的信号调节硬件为原始信号和传感器接口到数据采集板或模块的输出。通过各种信号调理功能，如信号放大，隔离，过滤，复用和直接转换器调节，使得数据采集系统的可行性和性能得到了很大的提高。详细介绍，信号调理模块的功能主要具有以下几点：1.传感器驱动：包括提供一个电压或所需的无源传感器，它提供对操作所需的有源传感器的特别的电路配置的电流源。2. 信号放大：为了提高模拟信号的精度转换成数字信号，并希望将输入的模拟信号的最大值是完全等于A / D转换器的输入范围。大多数传感器以mV级为输出范围，但是A / D转换器输入输出的范围为伏级设备。因此，我们需要使用一个信号调理模块将传感器的信号放大。3. 隔离 在测量高电压信号时，隔离电路可以保护你的后端设备被意外的高电压输入损坏。常用的光隔离和电磁隔离。隔离放大电路的缺点是可能会引入噪声。4. 信号滤波：模拟信号在数字化前必须进行低通滤波，以消除噪声和防止混叠现象。同样还能采用信号调理模块来滤除50-60Hz的工频噪声。5.扩展信道数：一些信号调节模块功能复用器或矩阵转换电路，所述信道信号通路可以延伸到成千上万路。6. 其他功能：信号调理模块也可以实现信号衰减，采样同步，频率-电压的转换等功能。4.6 数据采集卡在计算机检测系统中，如果智能控制，它必须是各种发送的对象所需的测量参数被测定入计算机由传感器，信号调节模块发送信号是模拟信号时，信号送入计算机应数字信号，所以之间所需的计算机和传感器测试电路，以从设定的传输和转换的设备信息天空桥梁和纽带，这样的设备是数据采集卡。数据采集卡的数据采集功能是将模拟信号转换成数字信号，以促进数据的分析。 PCI是一种总线方式的数据采集卡。在本文中，采用的数据采集卡是PCI2003DAQ。 其主要元件布局图如下：使用PCI2003多功能采集板之前，测试系统应基于对采集卡开放的实际需求关闭相应的配置跳线。该系统一共有五点，单端输入模式，测量由于100KHz的的PCI2003卡最大采样频率，每个通道的采样等频率可以达到10KHz的，能充分满足系统的测试要求。4.8数据采集卡的驱动程序虚拟仪器的硬件平台由一台电脑和两个部分I / O接口设备。仪器的驱动程序是一个虚拟仪器来实现潜在真实物理信号的采集，当仪器的驱动可以输入数据分析处理软件并实现一些测量，并获得测量结果。如果你不能得到的数据真实信号，后续的处理和点所有的分析在纸上。因此，仪器驱动程序的开发是虚拟仪器系统的重要组成部分。仪器驱动程序完成一个特定的仪器控制和通信软件程序设置被认为是软设备部件的说明中，应用程序实现了桥的仪器控制。每个模块都有自己的仪表仪器驱动程序，设备制造商将增加仪器驱动程序的源代码形式提供给用户。由于所需的虚拟仪器，提供模拟实际的仪器虚拟面板键盘，虚拟仪器驱动程序代码，不仅是仪器控制程序或仪器编程代码，先进的软件编程和三个相结合的先进的交互式产品，是一种实用工具包含测试软件模块和操作信息4.7 本章小结 本章首先对风机性能测试系统的硬件组成和工况调节装置以及整个系统的硬件结构流程做出了简单介绍，然后对该系统中所需要的各个硬件设备进行了详细的介绍，并规划了整个系统的硬件框架及其工作流程。 第五章 软件的设计发展计算机技术和大规模集成电路技术，推进数字仪表，智能仪表的快速发展。同时，该项目也越来越希望将实际仪器和计算机连接在一起，形成由计算机控制的智能系统的通常的设备和计算机。本章对LABVIEW在该系统中如何实现信号采集、信号处理与结果输出等做出详细介绍。5.1虚拟测试系统 在虚拟测试系统中软件是关键的，硬件作为基础平台，硬件主要用到被测风机、传感器、数据采集卡、计算机等。 虚拟仪器不是一个传统的仪表控制面板，但使用功能强大的计算机图形环境，采用可视化图形化编程语言和平台搭建在计算机屏幕上的图形软面板，以取代传统的传统的仪表盘。有一个和真实仪器类似的旋钮，开关，灯，和真实仪器面板上其他控制元件。在操作中，用户通过鼠标或键盘，来测试通信设备和操作。大大提高了测试的准确性和操作难度测试系统的结构图如下：数据采集卡驱动方程前面板应用程序LABVIEW子模块LABVIEW开发平台 PC机5.1.1 虚拟仪器系统测试流程 设计步骤如下：（1） 根据测试目的去设置数据采集设备。（2） 在前面板设计相应的控件。（3） 放置框图和节点。（4） 将节点框图等连接起来。（5） 运行调试。流程图如下：数据采集卡安装调试虚拟仪器前面板设计流程图编辑数据流编程子VI编程及调试运行检验系统调试 5.1.2系统的总体结构虚拟仪器软件开发是基于模块化设计的动态链接库，类库和函数的和广泛使用库代码数量有良好的可重用性。因为虚拟仪器具有分层和模块化特征，使系统具有良好的开放性和可扩展性，每个程序可以作为一个独立的程序，或者作为其它子程序（子VI）。使用接口板来取代基于文本编程功能的参数列表VI，每个输入和输出一个参数都有其自己的端口，其他VI可因此数据传递给子VI。根据这些特征，LabVIEW的使用，提高“模块编程”的概念。一个应用程序可以被分解成多个彼此独立的子任务，然后创建单独的子VI完成子任务，终于在后面板调用这些程序子VI，完成本系统所需的功能。 根据系统所要实现的功能目的，这里采用了模块化设计，结构清晰，具体结构如下图： 风机性能远程测试系统 主界面选项设置信号采集与控制数据处理实验数据环境参数 结构参数采集卡设置传感器设置目录设置采集控制计算拟合差压信号静压信号扭矩信号转速信号温度信号工况调试流量值动压直全压值功率值效率值流量与全压流量与静压流量与功率流量与效率 5.1.3系统主界面 根据系统软件的上所需的实时检测，显示，记录风机的性能参数的结构图，测试软件保存测得的数据记录，数据处理和画出风机特性曲线。对于这样的多任务系统中，在该系列LabVIEW程序充分利用系统模块化，系统功能层次和图形特征成选项设置，信号采集和控制，数据处理，测试数据读出和其他显示模块，若干这些模块被编译为子VI，最后各个功能模块的结合在了一起，在主界面中调用这些子VI完成该系统的功能要求。基于模块化的思想，根据功能模块，在LabVIEW前面板显示屏添加相关控制按键，完成主界面的设计。这一章主要是介绍针对服务器端程序如何实现各项功能的。基于系统的要求和模块化设计，在LABVIEW前面板上添加相应的控件和按钮，完成主界面的设计。 系统主界面设计和其程序如下图： 从主界面的前面板可以看出，通过前面板操作按钮来调用相应的几个Sub VI完成各项功能的。 该系统中VI层次结构如下图LABVIEW系统主界面说明选项设置信号采集数据处理试验数据差压信号静压测量扭矩测试转速测试温度测试差压说明差压分析静压说明静压分析扭矩说明扭矩分析转速说明转速分析温度说明 5.2数据采集 在这里以差压信号测试为例说明一下本系统如何采集数据，首先点击信号采集，进入信号采集模块，然后再点击差压就会进入差压测试模块，进入差压测试模块后点击开始按钮就开始了数据采集，点击分析就会运行数据分析模块。 信号采集和差压测试的前面板如下图：5.3数据处理 在试验中需要对测得的数据进行一些处理才能得到我们的目的，主要是把测得的数据通过风机的一些性能参数计算公式来算出风机性能参数的值，最后采用最小二乘法对风机各项性能参数来进行拟合，从而画出风机的性能曲线。 数据