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北京化工土学硕士学位论文 气体端面密封试验台的测试系统 摘要 气体端面密封试验台是国家“2 1 l ”工程建设项目，也是中国石油化 工股份有限公司科学技术开发项目之气体压缩机干气密封的研 制中的重要组成部分。为了改变试验台传统的测试方法，更好地适应当 今科技发展，本课题将先进的虚拟仪器技术引入气体端面密封试验台的测 试技术中，实现了机电的有机结合，开发出基于虚拟仪器测控技术的气体 端面密封试验台的测试系统。 本文根据气体端面密封试验台的组成及试验内容，在虚拟仪器测控技 术的基础上，完成了相关传感器的选型与安装，以及系统的硬件配置和软 件编程，建立了一套完整的气体端面密封试验台的测试系统。本测试系统、 能实现相关参数的信号采集与处理以及曲线拟合等功能。本系统能测试的 参数主要包括进出口温度，进出口压力，油箱液位，气膜厚度，转速，泄 漏量，扭矩，以及润滑油温等。本文最后还将试验的结果和理论值进行了 比较、分析、讨论。 本文基于虚拟仪器软件平台开发的气体端面密封试验台测试系统，提 高了试验过程的自动化和智能化水平以及试验台的测试效率和精度，又更 新了试验台的测试手段，也为试验设备的升级改造提供了切实可行的方法 和途径。 关键词：气体端面密封，l a b v i e w ，虚拟仪器技术 ，t 童化工土哼j 叠士学位论文 t e s t i n gs y s t e mo n e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n to fd r y g a ss e a l a b s t r a c t ih et e s t b e d1 so n eo f t h e “2l1 ”p r o j e c t sa n da l s os e i c e sf o rt h es u b l t e mo fc h l n a p e t r o l e u m & c h e m i c a lc o r p o r a t i o n 一一“d e v e l o p m e mo fg a ss e a lf o r c e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r i no r d e rt om e e tt h en e e d s o fn o w d a y sd e v e l o p m e n ti ns c i e n c ea n d t e c h n 0 1 0 9 ya n dc h a n g et r a d i t i o n a le x p e r i m e n t sa n do b s e r v ea n dc o n t r 0 1t h em e t h o d ，t h i s s u b j e c tl e a d sa d v a n c e dv i n u a li n s m l m e l l tt e c l l i l o l o g yi n t ot h ee x p 耐m e n tt e c h n o l o g yo f o b s e r v i n ga n dc o n t r 0 1o ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e mo ed r yg a ss e a l i th a sr e a l i z e dt h e c o m b i n i n go r g a n i c a l l yo fm em a c h i n ea n de l e c t r i c i t ) t h et e s ta n dc o n t r o ls y s t e mo fv i r t u a l i n s t r u m e n to nt h eb a s i so f t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to f d r yg a ss e a lh a sb e e nd e v e l o p e d t h i st e x th a sp u tf o 州a r dam e t h o di ns i g n a l sg a m e r e da f l dt h et y p eo fa 1 1 1 c i n d so f s e n s o r sc h o s e na n di n s t a l l m e n tb a s e do nv i r t u a l i n s t m m e n t t h ec h o i c eo fd a t aa c q u i s i t i o n s a n dd a t ae x p o r tm e n l o da i l dp u l s es i g n a le x p o r th a v eb e e np u tf o 刑a r da l s o r e l y i n go n l a b v i e w so p e r a 虹n gp l a t f o r mw es e t u pt e s t i n gs y s t e m s t h em 萄o rp a r a m e t e r st e s t e d 甜e a sf o l l o w s ：t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，l e v e lo fo 讥t h i c k n e s so fg a s ，r o t a t i o n a ls p e e d ，锄o u n t l e a k e d ，t o r ( i u ea n dt h et e m p e r a t u r eo fo i l a n dh a sw r i t t e ns i 毋a la c q u i s i t i o n sa n dd e a l i n g w i t hs u b p m g r a mu n d e rt h ee n v i 砌m n e n to fl a n g u a g el a b v i ew i 址ep e r f o n n a n c e e x p e r i m e n to f t h e 出yg a ss e a la sa i le x 锄p l ea n dg i v ed e t a i l e dc o u r s eo ft e s ta 1 1 dc o n n d li n t h e 行o mb o a r da 1 1 dp r o c e d u r eb l o c kt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to nt h eb a s i so ft h i sh a v eb e e n a n a l ) z e da n dd i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o no nm ee x p e r i m e n t a le q u 巾m e 呲o fd r yg a ss e a lo ft h e v i n u a li n s t r u m e n th a si l n p r o v e dt 1 1 ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n tl e v e la i l dt e s te 币c i e n c ya n d p r e c i s i o no ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fd r yg a ss e a i n e we x p e r i m e n tc o n t c n ta n d e x p e r i m e n im e a n sh a v eo f k r e df e a s i b l em e t h o df o ru p 笋a d i n gt f a n s f o n n a t i o no f e x d e r i m e n t a lf j c 订i t i e sa i s o k e yw o r d s ：d r yg a ss e a l ，l 晶v i e w ，v i r t u a li n s t m m e n t ( v i ) 北京化工大学硕士学位论文 符号或缩略词说明 v im i a l i n s t m m e n t虚拟仪器 n in a t i o n a li n s t r u m e n t s 美幽邕家仪器公司 d a q d a t aa c q u i s i t i o n s数掘采集 a i a n a l o g yi n p u t 模拟输入 a o a n a l o g yo u t p u t模拟输出 a i g n d a n a l o g 工n p u tg r o u n ds i 弘a 1模拟输入接地信号 a o g n d a n a l o go u t p u tg r o u n ds i g n a l ，模拟输出接地信号 g p i bg e n e r a 卜p u r p o s ei n t e r f a c eb u s通用接口总线 l a b v i e wl a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t n j m e n te n g i n e e r i n gw b r k b e n c hg 语言 v x iv x ip l u g p l a ys y s t e m sa l l i a n c e，即插即用系统联盟 p x ip c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m t a t i o n ，面向仪器系统的pci 扩展 庀二 气膜冈日度，n j ，n 1 气膜厚度，岬 q 泄漏量，m h i f ， 功耗，w 北京化工大学位论文原创性声明 y8 8 1 8 6 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 盔壅翟! 日期： 2 鲤垒：重：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在卫年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：主盍垦 导师虢蠡遂l 日期： 2 鱼q 鱼：鱼：! 日期： 2 q q 鱼：壹：! 北京化工土学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 引言 机械密封是石油化工装置用途极广的部件。机械密封的性能和寿命直接影响着化 工装置的运行状况。现在，报多压缩机和离心机用的密封，仍然沿用传统的密封形式， 密封寿命受到极大的制约，为了改变这种4 ：利的局面，出现了一种寿命更长，更适合 高年数工况的非接触式密封干气密封。稳定可靠的于气密封是传统机械密封最理 想的替代产品，它有普通机械密封所没有的很多优点。为了知道干气密封的实际的工 况，我们必须精确的掌握干气密封的各项参数以及它们的变化情况，所以必须建立测 试系统，适时的监控它以保证生产的f 常化，只有这样才能更好应用于工业生产。 气体端面密封的发展历史虽然比较短，但是此种密封在国外已被广泛的用于离心 式压缩机、膨胀机、气体透平以及其他高速和高压的机器中。国内干气密封起步虽然 晚，但是由于它有着其它密封没有的优点，在化工方面的应用也同益广泛。国内对气 体端面密封的理论研究很多，理论成果也比较成熟，但测试方面的研究却很少。实践 是检验理论的唯一标准，理论的f 确与否，最重要的是通过大量的试验束验证。气体 端面密封的测试系统就是用于检测密封的各项参数，以及它们的变化情况，所以气体 端面密封的测试系统的研究开发和推广应用有着重大的意义。 1 1 2 研究背景 自从1 8 8 j 年机械密封在英国出现以来，机械密封已从当初结构简单，使用条件 要求苛刻向大型化、高参数、节能型方向发展。机械密封的检测也从原始向现代化发 展。为了提高机械密封质量，我国早在7 0 年代就制定了机械密封部颁检测标准，并 随着机械密封设计制造的改进而不断更新，目前已发布了9 9 版标准。根据机械电子 工业部颁发标准j b t 4 1 2 7 3 一1 9 9 9 机械密封产品验收技术条件规定，机械密封 出厂时必须做气密性检测，检测压力为工作压力的l ，2 j 倍，检测流体为清水或油， 保压j 分钟无气泡的机械密封方为合格产品。团内尘产机械密封的厂家都根据标准要 求，制订相应的检测规范。 早期，由于检测技术落后，机械密封件气密性检测方法大部采用水检测法和凉h i 皂水法，这两种方法操作简单、方便，对设备要求很低，到目i i 为止仍技广泛采用。 但其缺点是效率低精度低、劳动强度大，小能适应现代化生产的要求：随着检测技 北京化工大学_ 礓士学位论文 术的发展，人们研究用于机械密封气密性检测的新的检测方法如真空法、流量检测法、 压降法等，这些方法在检测精度方丽比水检测法有了明显地提高，但是，真空法所需 设备要求较高、检测过程繁琐，只能适合实验室应用或对单个大件的应用，不适应像 机械密封件这样小作的大批量枪测：丽保压法仅适合实验压力较低随精度要求不高 的场合：流量检测法采用闭环结构，际结构复杂外，响应速度太慢而雄以满足高效率 计算机辅助检测的要求。国外在气密性方面也有不少成熟的产品。如己应用于冰箱压 缩机密封检测上的氦气泄漏检测法，在检测精度和泄漏定位方面有着诸多独特的优 点。 近年来，随着传感器制造技术的发展，许多先进的检测手段不断被用于机械密封 检测，一种高精度、微差压传感器受到高度重视，国内外不断有报道将之用于气密性 检测的实例。如天津自动化仪表成套设计所研制的“密封件泄漏检测装置微机控制系 统”、华中理工大学研制的“微量泄漏检测仪”、南京常青测控技术公司开发的 “k i l l o o o 型空气微泄漏检测仪”以及中科院合肥智能机械研究所高技术丌发公司研 制丌发的“z c 系列智能测漏仪”等都是采用差压传感器作为检漏方法，这些检测 设备有的用于汽车水箱气密性检测，有的用于阀门等密封件检测。但由于存在这样那 样的问题，目前我国机械密封行业还是普遍采用手动或半自动方式作为产品出厂检验 手段。检测系统智能化水平低下。目的虽然有一些带微机的检测仪器和系统，但其仅 仅在测量数据的处理、数字显示、检测状念选择等方面作了部分研究，在系统误差的 自我校正、对工作环境参数变化的自适应性、采样数据的合理性及专家系统与检测手 段的有机结合等方面尚缺乏研究。 1 1 3 研究现状 1 葛培琪1 25 在机械端面密封计算分析系统中介绍了密封腔压力，摩擦功耗及摩擦 系数，主轴转速，温度等的测量方法。 ( 1 ) 压力测量密封腔的压力是用量程为o 1 j m p a 的真空压力表测量压力表的 最小刻度是o o j ) l p a ，测量管直接从压力腔内引出。 ( 2 ) 机械密封摩擦功耗及摩擦系数的测量 要测量机械密封的黪擦功耗和廖擦系数，需要测量机械密封的摩擦扭矩，本次试验嗣 j d 一2 j 型扭矩传感器和y j d l 型电阻应变仪柬测量机械密封的摩擦扭矩。在测量前对 扭矩传感器进行标定，经标定与厂家提供的标定曲线致。标定后将扭矩传感器7 ，j 阻应变仪接好，在扭矩传感器没育外加力的状态下对电阻应变仪调零，存安装机械密 封前，先测出丰轴轴承的摩擦丰h 矩。这 = 莩在机械密封f 常运转情况f 测出的扭始 北童化i 大学硕士学位论文 m r 中减去。即得机械密封的摩擦扭矩，即- = 一m b 测出摩擦扭矩以后就可利公式 q p = g ) 求出摩擦功耗。 ( ： ) 主轴转速的测量 用手持式s d r 型数字测速仪测持主轴的转速。 ( 4 ) 温度的测量 用热电偶测量密封面和密封介质的温度，用水银温度汁测量室温和冲洗液的温度。试 验中选用自制康铜铜热电偶。铜丝和康铜丝的直径均为o 3 m m ，显示仪表采用 u j 一3 6 型携带式电位差计。 2 李宝彦 _ l 旺深螺旋槽流体动压机械密封性能理论研究中介绍了摩擦扭矩 的测试方法。 摩擦扭矩的测试方法：在电动机驱动的主动轴与密封主轴之问安装扭矩传感器， 将测得的信号输入记录仪或扭矩仪( 本实验采用扭矩仪) ，然后将扭矩仪的信号传入计 算机，通过计算机内的a 仍板进行信号采集并用相应程序进行数据处理，鹊采集的信 号转换为实际所测得的扭矩，同时把处理的数据结果以数据文件的形式存入磁盘，以 便以后的数据处理的需要。但是，要在不同工况下对该密封进行摩擦扭矩的测试，还 需要有随时改变介质系统压力和主轴的转速的装置，本实验采用液压手动加压泵和调 速器，手动加压泵的压力可以由压力表的读数来显示，主轴的转速就通过可控硅调速 器柬改变。用转速传感器及数字显示仪柬显示转速，这样摩擦扭矩就可以通过调节密 封腔的压力和主轴的转速来改变不同的工况。 然而，所测得的扭矩并不是密封端面的摩擦扭矩，而是包含了密封轴轴承的摩擦扭矩 和旋转件在密封腔中的搅拌扭矩，因此，实测扭矩可以按下面式子表示： f = m e 十m s1 一m 式中的m e 是密封端面摩擦扭矩，m s 是搅拌扭矩，m m 是主轴承摩擦扭矩。对于式中的 最后两项可以在密封端面未贴合的条件下测试得到，虽然搅拌扭矩与主轴转速和密封 介质有关，轴承摩擦扭矩与密封介质产生的轴向力有关，可以在不同的转速下测量s 十、l m 值，但出于密封处轴径较小，介质加载产生的轴向力可以认为是常数。因此端 面的摩擦扭矩就是在运行过程中采集到的扭矩减去上式中的最后两项。 3 许多以停的研究者研制了许多测试材料的摩擦学性能的试验台。这些研究得到 在模拟工况或实际工况下测试有关性能参数的很多创造性的成果。 d e a cr 坩t e l j3 等人介绍了一种摩擦计，可在高温和可控制的大气条件下测量摩 擦和扣矩他们采用了数据采集系统，1 1 汀k 3 ”等人丌发了一十i 嗣于有害的环境中的 扯童化l 太学珏士学位论文 摩擦计，其力矩传感器装在测量样品壳体的外部，系统中为起支承作用和轴与试样嵋j 对中所必须的轴承可能会给摩擦测试带来系统误差”。y o u n g 和k e j y 研究了双端面机 械密封屏障流体的特性j “。在他们的试验装置中用了个装在电机轴卜的外部力矩计。 他们对力矩和温度的跟踪删晕结粜与作者得到的结果类似都是密封环温度随萧摩擦 力矩值的增加而升高。他们测带的摩擦力矩数据中有典型的爬行现象的漂移信号 w a n g ；5 。 等人研制了一种很删用的用于高压力，速度( p v ) 值的密封测试试验台，其j 矩传感器装在试验腔外面，借助传感器和受试密封之问的轴承来定位。z o j i m a l j 等人 瞧在他们的高p v 值端面密封试验中使用了外部力矩计算。m a t s u i 及其同事在他们的 a 硬质合金密封研究也采用类似的试验台。在一系列关于碳发泡的文献中，用一个支 持在测力计上的支架来测量静密封环上的摩擦力。k i m o m u r a 】等人在研究密封特性与 表面情况之间的关系时，也用了个位于试验腔外面的支架和测力传感器。d i v s k a r 根据驱动电机的能量消耗推断出受试密封的内部能量消耗。y u s t f l 提出利用在高速运 转时获取摩擦力矩数据确定与滑移过程有关的基本频率 1 a j 。这种方法可将试样与试 验机之间的相互作用与那些可能与实际磨损情况有关的工艺分离开来。 目前气体端面密封的测试技术很不成熟，即使有也只是对一些简单的参数进行测 试，所得的数据也是独立的，没有一个完整的测试系统。 1 2 课题来源 本课题是国家“2 1 1 ”工程建设项目之一，也是中国石油化工股份有限公司科学 技术丌发项目之一。综合两个项目，要求建立气体端面密封试验台的测试系统，在满 足f 列1 况范围内的气体端耐密封的测试： 1 ) 转速2o ( ) o 1 5 0 0 0 r p m ，使用寿命达到3 年以上 2 ) 试验轴径：4 5 1 j o m m 3 ) 转速和轴径不一定同时达到极限值，但线速度要求达到1 2 0 m s 4 ) 使用压力o 1 0 m p a 5 ) 工作漏度0 2 0 0 6 ) 使用压力和温度不一定要求同时达到极限值 1 3 本文主要工作 盎课题的气体端两密封试验台经过莳人们的努力，已经建直起来并已投入使用 北京化i 上学硕士学位论文 但是本试验台的还没有测试系统。本人的工作是为高速气体端面密封试验台建立一个 完整的测试系统。 以现有气体端面密封试验台为基础，设汁实验方案，从试验内容和要求出发，确 定拥适直的传感器以硬数掘采集卡的型号与舰格，与计算机实现有效联接利用 l 。a | ) v f e w 虚拟仪器丌发平台， 发试验流程控制软件、数据处理软件和试验担告处埋软 件，通过系统和程序的调试，实现现有试验台的智能化改造。具体路线如下： 1 各种仪器的选型 2 各种仪器的具体安装 3 系统的硬件配置和软件编程 4 数据的采集和处理 j 利用所得的数掘和理论的数据相比较，进一步研究气体端面密封的性能，做到 理论和实践相结合，从而更好地提高气体端面密封的性能。 北京化i 大学硕士学位语文 2 1 虚拟仪器的概念 第二章虚拟仪器技术简介 虚拟仪器( v i n u a l i n s t r u m e n t a t i o n ，简称v i ) 是随着计算机技术、观代测量技术 发展起来的新型高科技产品，代表着当今仪器发展的新方向。虚拟仪器的概念是由美 国国家仪器( n a t i o n a l i n s t 丌t l e n t s 以下筒称n i ) 公司首先提出，是对传统仪器2 “1 概念 的重大突破。 虚拟仪器概念可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的p c 计算机、加上特殊设计 的仪器硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊 功能的新型仪器”i ”l 。 虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能和想象力的空阳j ，用户( 丽不是仪 器厂家) 可以根据自己的需求蹬计自己的仪器系统，从而满足多种多样的应用需求， 可广泛应用于科研、生产、军工的测量与控制系统i j 。n l 公司提供的应用软件 l a b v i e w 是一种典型的虚拟仪器开发平台，本课题的实时数掘采集及分析系统就是 基于l a b v i e w 开发的。 虚拟仪器具有良好的入机界面，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生成的。与 传统仪器面板相似的图形界面也可以通过编制软件由虚拟仪器软面板来实现，而且， 用户还可以根据自己的爱好来定义各种各样的软面板。除此以外，虚拟仪器和其它设 备互联的能力也很强，如和v x i 、p c i 总线等。 虚拟仪器在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机 时，就好像是在操作一台由他自己设计的专用的传统电子仪器样。虚拟仪器技术的 出现彻底打破了传统仪器的由厂家定义，用户无法改变的模式。给用户一个充分发挥 自己彳能、想象力的空间。用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统，满足多 样的应用需求。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟式仪器、分立元件式仪器、 数字式仪器到虚拟仪器的发展过稃。由于计算机性能以摩尔定律( 每半年提高一倍) 飞速发展，给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率，所以，虚拟仪器已把 传统仪器远远地抛到了后面。 北京化工土学硬士学位论文 2 2 虚拟仪器的优点 2 2 1 虚拟仪器的性能特点1 川 1 具有更好的测量精度和可重复性 虚拟仪器采用的嵌入式数掘处理器j - t 以建立一姥特定功能的数据模型，如f r t 和 数据滤波器这就不再需要随时间可能发生漂移并需要定期标定的分立式模拟硬件 了。 2 测量速度快 采用虚拟仪器测量输入信号的几个性能参数( 如电压、频率、上升时间) 时，只 需要一个量化的数据块，要测量的信号参数就能被数据处理器计算出来。这种将多种 测试结合在一起的办法缩短了测试时问。而在传统的机架层迭式系统中，必须把信号 连接到每一台仪器上以便测量各个参数，这样测量值就受电缆长度、阻抗、仪器校准 和修f 因子的差异的影响。 3 减少开关和电缆 由于虚拟仪器的所有信号具有一个公用的量化通道，故允许各种测量使用同一校 准和修正因子，这样复杂的丌关矩阵和信号电缆就能减少，信号将不必切换到多个仪 器上。 4 缩短系统组建时间 虚拟仪器的所有通用模块都支持相同的公用硬件平台。各软件驱动程序或仪器处 理程序不必单独产生。当测试系统要增加一个新的测量功能时，只需增加软件来执行 新的功能或增加一个通用模块柬扩展系统的测量范围，因而系统组建时涮短。 j 用户定义测量功能 由于虚拟仪器功能可由用户产生，故它不再是固定在硬件中而不可改变的，当需 ， 要时可加入新的测量功能而不用购买一台新的仪器。 6 可扩展性强 为提高测试系统的性能，可以方便在虚拟仪器上加入个通用模块或更换一个模 块，而不用购买一套全新的系统。 2 2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 抟统的电子仅器是自封阳1 的系统，岜其色信号输入、输的能力，一：自围j ( 的蚓 业未化工土学碛士学位论文 户界面，比如：输入、输出信号接插件、旋钮、按钮、显示仪表、显示面板等。一个 仪器包括传感器、信号处理器、d 转换器、微处理器、存储器和内部总线等专门化 的电路，通过这些电路来转换、测璧、分析实际信号，并将结果以备种方式显示。然 而，有州为了构成其有一定功能的系统配置了一套仪器。对其中的某些仪器，只用 到了其中一部分功能，而作其他功能使用时，却不具备或然不到所需指标，如另配置 一套仪器，效率不高且价格昂贵。其实只要能将原有的仪器稍加改动，就可以扩大其 使用范围了，但是传统的仪器功能是由制造商决定的，用户不能任意更改，用户如按 自己的要求定制仪器，就需要昂贵的价格i ”；。 虚拟仪器是出用户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系 统，它的功能是可由用户自己定义的。自从引进了v i 技术，这就使得用户可以根据 自己的意愿，设计自己的仪器系统，就像温度测量计和电压表等，都可在同一基本硬 件j ：配置不同的软件来实现。v i 的另一用途是方案论证，用于在设计方案的论证过程 中。对于一种设计要求，我们可能有各种不同的实现方法，如果每个方法都用传统的 仪器试验一遍不仅花大量的人力，还需大量的财力。而用基本硬件和基本软件组合的 v i 就可方便地实现各种方法，以比较各个方案的优缺点。 如今，计算机是丌放的工业标准化结构，可以提供处理、存储和显示的能力，所 以可将计算机用作电子仪器的助动器。使用户自定义各种仪器功能成为现实。现在流 行的d a o ( 数据采集) 卡、g p i b ( 通用接口总线) 卡、v x i ( 系统控制接口卡) 等 可以插入计算机的槽口。v i 就是加在计算机上的一组硬件和软件，使用者操作这台计 算机，就像是在操纵一台他自己设计的传统仪器。由改变软件的方法来适应各种不同 的需求。美国n i 公司数字化技术的插入式d a o 卡，具有构造一系列传统测量仪器 的能力。它配上该公司的l a b v i e w 软件包( 包含有d a q 的驱动程序) 使用户方便 迅速组建自己的应用系统。v i 由传感器、信号处理器、对应的硬件和软件等部分组成 ”。其基本结构框图如图2 一l 所示。 幽2 1壤拟仪器基本结构框幽 虚拟仪器功能强大，可实现示波器等多种普通仪器的令部助能，配以专用探头羁 北京化i 太学埙士学位论文 软件还可检测特定系统的参数。它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统 设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高 速数据采集设备构成自动测量系统，而且还可以和控制没备构成自动控制系统。它 j 破了传统仪器“j 能”功能的概念，将信号的分析、姥示、存储、打印和管理集中交 由计算机来处理，并且强调“软件就是仪器”( “t h es o r w a r e i s t h e i n s t r u m e n l ， ) 的新概念。i “l ，软件在仪器中充当了以往出硬件实现的角色，仪器出用户自己定义， 系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它仪器连 接尤其是鉴于虚拟仪器的开放性和功能软件的模块化，用户可以将仪器的设计、使 用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功 能易于扩展，管理规范，使用简便，并使软硬件生产、维护和开发的费用降低。它们 的对照比较如表2 1 所示。 表2 一l 虚拟仪器与传统仪器对照表 项目传统仪器虚拟仪器 仪器定义厂家_ j 户 功能设定功能特定，与其它殴备近接受到限制面向应的系统结构可方便的与网 络、外部殴备以及其他麻州设备连接 中心环1 ，硬仆软仆 开放性封 j 1 式系统、功能i 卉| 定，不能更改基丁计算机技术的开放灵活的功能 模块 性能价格比低离、可重复使川 技术更新馒( 周期5 j 0 年)快( 周期l 2 年) 开发维护 开发维护费心高 软仆结牛 ! i 拎省费刈 2 2 3 虚拟仪器的构成 虚拟仪器通常是由计算机、一定的硬件和应用软件三部分构成的。以下主要阐述 硬件及软件的构成i i 、虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的硬件是由计算机硬件和仪器硬件阳部分纽成的，其中仪器硬件，印i o 接口设备分为两种类型。对于单台虚拟仪器，i o 接口设备主要是指数据采集卡；而 对于多台虚拟仪器组成的测量系统时，硬件主要是指总线。常见总线类型有：r s 一2 3 2 率u 总线萎口、g p i b 总线接纠、v 1 s a 总线接口、v x l 总线接口。f o 设备主夏j j ! 北京化i 太学硕士学位论文 对信号的采集、放大以及模数转换功能。虚拟仪器的主要结构如图2 2 所示吲。 待 _ 叫数据采集k 卜一 - _ 叫r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串口总线接口r 计算机 测 ii 蛄 | g r - 吣线卜- 的 1v l s a 总线接口 一 麻用软仆 对 _ 叫v x 总线接口卜一 象 十叫现场总线设备。| 。 - _ 叫计算机网络设备| + 。 幽2 2 虚拟仪器结构幽 用数据采集卡获取数据的虚拟仪器叫做p c d a q ( da _ t a a c q u i s i t i o n ，数掘采集) 卡式仪器。数据采集卡通常采用插卡式结构，将d a o 卡直接插入到计算机相应标准 的总线扩展插槽内，它是采用计算机中的p c i 总线或是i s a 总线，因此这种虚拟仪器 又口q 做p c d a q ，p c i 插卡式虚拟仪器。 r s 2 3 2 串行总线是采用l 位串行，最高传输率为1 kb i “s 的扁平线总线。它与计 算机组成的虚拟仪器系统适用于速度较低的情况。但与其它总线相比，由于在大多计 算机中都配备有此接口，因此不需要添加任何板卡，而只是通过编程就可方便地实现 数据传输和设备控制。另外，大多可视化软件都为串口通信提供了控件，所以编程也 较为方便。 g p i b 总线是一个2 4 脚( 扁型接口插座) 并行总线。g p i b 使用8 位并行、字节 串行、异步通讯方式，所有位元组通过总线顺序传送。系统具有如下特点： ( ng p i b 接口编程方便。 ( 2 ) 提高了仪器设备的性能指标。利用带g p i b 接口的仪器实现操作和控制，可 实现系统的自校准等要求。提高了测量精度。 ( 3 ) 便于将多台带g p i b 接口的仪器组合起柬，形成较大的自动测试系统。 v i s a 总线是在虚拟仪器软件标准化进程的推动下发展起来的。v i s a 是一个用于 虚拟仪器的a p il a p p l i c a t i o np r o g r a m ；n t e r f k ej 已本身不具备编程能，珀 是通过 北童他l 土学硕士学位论文 调用底层的驱动程序来实现对仪器的编程。 v x i i ”l 总线则是一种高速计算机总线一一v e m ( v e m b u se x t e n t i o n f o r i n s t m m e n t i o n ) 在仪器领域的扩展。由于其标准玎放、传输速率高、数掘吞吐能力强、 定时和同步精确、模块化设计、结构紧凑和使用方便灵活等特点，已越束越受到人们 的重视。它便于组纵大觇模、集成化系统是仪器发展的一个方向。 2 、虚拟仪器的软件构成 目前，软件领域较为流行的是面向对象的可视化编程方法。在虚拟仪器的软件编 程中，己广泛运用了这一思想。其中，微软的v c + 十、v b 以及b o r - l 舢如i 公司的c + + b u i l d e r 和d e l p h i 等一系列优秀软件是其代表。另外，被公认代表当今虚拟仪器最 高技术水平的美国n i 公司开发的h l b w i n d o w s c v i 是专门用于虚拟仪器的编程语言， 它把c 语言与虚拟仪器的软件工具库结合起未，包含了r s 一2 3 2 、g p i b 、v x i 、资料 分析和采集库。同时l a b w i n d o w s ，c v i 还提供了三百多种仪器驱动程序。除了这些文 本式编程语言外，还有基于图形化的编程语言如n i 公司的l a b v i e w 以及h p 公 司的h p v e e ，用这些软件丌发虚拟仪器可使系统开发人员将精力集中在系统的设计 中，而不是具体软件的设计细节上。 2 3 虚拟仪器开发平台l a b v l 酬 2 3 1l a b v i 酣简介 一个虚拟仪器系统，当基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能， 软件是虚拟仪器系统的关键。作为虚拟仪器技术的应用软件，应该具有三个主要功能： 集成的丌发环境、与仪器硬件接口的驱动程序和虚拟仪器的用户界面。 为了缩短丌发周期，统一设计标准，降低丁f 发费用，各种面向仪器与测控系统的 计算机软件应用平台应运而生，如h pv e e 、l _ 抽v i e w 、l a b w i n d o w s ，c v i 等都是其 中应用较为广泛和具有典型特征的应用开发平台酬。其中l a b v i e w ( 1 a b o l - a t o r yv i r c u a l i n s t m m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪器工程平台) 的概念，是直观的前 而板与流程罔式的编程疗法的结合，是构建虚拟仪器的理想1 _ 具。它具有非常丰富的 界面设计组件及强大的数据处理函数，其主要面向仪器控制、测量检测、工业监控， 通过鼠标操作，菜单提示，选择功能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起 来，就可实现编程，小于它是图形化编程因而简单易学，用它开发测试、监控软件， 效率可离出v b 、v c 等传统编程语言数倍以上。使用l a b v e w 图形编程方式町以节 北京m 太一；坂士喀值论文 省大约8 0 的程序丌发时问，而其运行速度却几乎不受影响2 “。 2 3 2l a b v i e w 的特点及在数据采集系统中的应用 l a b v i e w 具有以下儿个主要特点： 1 简单的方案 即使没有多少编程经验仍h j 以报方便的使用l a b v i e w ，因为它使刚“所见即所得” 的可视化技术建立人机界面，提供大量的仪器面板中的控制对象。此外l a b v i e w 按其 易用的方式将复杂的任务包装起来，从而使复杂任务得到简化。先进的a c t i v e x 技术 溶合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集在开发向导的引导下变得非常简 单，使用户非常容易地丌发自己的系统并将其立即投入使用。 2 灵活的仪器 将l a b v i e w 与一般的数掘采集及仪器设备加以组合，可以设计出灵活的虚拟仪器， 并可以随时将仪器系统移植到最适合用户的平台上使用。 3 方便的程序调试 具有一些专用程序开发工具箱；可以在源代码中设置断点单步执行源代码：连线 上设置探针动念执行程序观察程序运行过程中数据流的变化。 4 完整的丁i = 发坏境 l a b v i e w 软件包中包含了功能强大的数据采集、分析和表达的能力，使用户可以 在陔平台上地实现一个完整的解决方案。另外，它还有一个多线程和用于最大限度提 高系统性能的优化图形编译器。这样不仅简化了丌发过程，而且可生成按编译速度执 行的可复用代码。此外l a b v i e w 还可以生成在没有l ，a b v 【e w 环境的目标机器上单独运 行的可执行文件。 j 快速的- 丌发l a b v i e w 为用户提供了实现仪器编程与数掘采集系统的便捷途径。通过仪器驱动程序可以 与大多数仪器进行通讯，使用户不必学习各种仪器的低级编程协议，从而简化了仪器 的控制，缩短了测试丌发时间，提高了生产效率。 6 开放的平台 提供d l l 接口和c i 节点，使用户能在它的平台上使用其他软件平台编译的模块 能调用c 语言稗亭及已存在的d 1 1 库函数，是一个开放的丌发平台。 目日u ，l a b v l e w 已成为数据采集、监测、数掘分析等方血的领先j 卜发平台，在 北京化工五学硕士学值论文 世界范嘲内捌有众多的用户。由于本系统的订发选用了l a b v i e w 丌发平台，使得在 实际开发时可以更多地考虑如何实现系统的功能，丽不用太多地注重程序设计的细节 问题，从而大大提高了系统刀：发的速度。 虚拟仪；： 技术的最大优势& 子用，对仪器的自定义，在于其方便灵活的构建和转 换方式。利用虚拟仪器投术实现的气体端面试验数据采集系统的丌发，构成简单，功 能齐全，用户根据自己的需要，可随时修改软面板，周期短、维护调试方便。随着计 算机技术的不断发展，各种仪器接口标准的不断完善，有理由相信虚拟仪器的出现是 仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。 北京化工太学埙士学伍静文 第三章气体端面密封试验台的概述 3 1 气体端面密封试验台的组成 本实验室组建的高速气体端面密封试验台，其使用参数范围为：使用比力o l o m p a 、使用温度一3 0 2 0 0 、转速j 0 0 2 0 0 0 0 r 珂i n 、最小试验轴径4 j 【砌、最大表 面线速度1 8 0 m s 、最大p v 值1 0 0 0 ) i l p a i n s 。可以测量的参数包括轴转速、扭矩、气 膜厚度和泄漏量等。试验装罨如图3 1 所示，主要有四部分组成，分别是：传动系统、 润滑系统、供气系统、被测密封系统。 3 1 1 传动系统 幽3 一l 气体端面试验台 主要由无级调速直流电机、增速器、高遽主轴和高速航空滚动轴承等组成。直流 电动机功率为2 2 k w ，电动机转速可以在0 3 0 0 0 r p m 问调速。选用a m 一4 2 型齿轮增速 器增速，经传动比为1 ：1 1 3 的增速器增速之后，增速器输出端转速最高u 】达到 3 3 9 0 0 r p m 。但由于航空滚动轴承f 最高转速为2 0 0 0 0 r p m ) 的限制，以及考虑避丌临界 转速等因素，轴的最高转速为2 0 0 0 0 r 口m ，在高速轴与增速器输出端之削，选用其有较 好缓冲减抓能力的梅花形弹性联辅器将它们联接。 北京化工大学硕士学位论文 3 1 2 润滑系统 润滑系统是高速轴承、增速器正常运转不可缺少的组成部分，它在整个工作过程 中都必须提供连续、稳定、清洁、温升低的润滑油。供油系统是润滑油流动的动力源 及路径，它由液压泵、溢流阀、蓄能器、滤油器、节流阀、管接头及压力表等零件组 成。 3 1 3 供气系统 为了模拟气体密封的工作情况，需要外部提供加压过滤气源作为密封气体，外部 加压气源。供气系统主要由空气压缩机、高压气瓶、过滤器、调压稳压器、气阀和管 路组成。 3 1 4 被测密封系统 被测密封系统采用双端面密封结构，如图3 2 所示。为消除轴向力的影响，采 用面对面安装；外端密封可以进行独立装拆，便于进行分组试验。为了测量气膜厚度， 需要在密封环上埋入位移传感器，因此专门定制了密封环，对密封整体结构进行改进， 有利于安装测试原件。同传统的干气密封结构相比，还对一些关键部位进行了一系列 优化改造( 如动环对中设计、轴套对中设计、静环防转销改进等) ，尽最大可能消除 试验的系统误差。 幽3 2 气体端面密封试验台原理幽 ，t 糸他工土学硕士哮住论文 3 2 被测气体端面密封的机理1 2 6 2 7 】 气体端面密封的工作原理是流体静压力和流体动压力的平衡。作用在密封 = 的流 体静压力是由介质压力产生的，并且在密封旋转或静j 卜| 对都存在。流体动压力县在密 封旋转的情况- 卜- 发生，当密封动环转动时密封面上所， ：的浅槽将所密封气体周向吸 入，出外朝向中心，径向分量朝着密封坝流动，而密封坝节制气体流向中心，气体被 压缩引起压力升高，压力列高后使弹性安装端面脱丌，形成要求的气膜，稳定流体膜 既起到对工作节制的密封作用又起到对摩擦副的润滑作用，使得气体密封在流体润滑 的非接触状念下实现无磨损运转，即使在很苛刻的工作条件下也能满足密封要求旧。 密封端面的螺旋槽型在密封工作中作用很大( 如图3 3 ) 。螺旋槽是获得收敛密封 间隙的其中一种方式，收敛密封间隙也可通过其他形状获得，例如梯形槽、圆弧槽或 雷列台阶槽等。但一般来说，螺旋槽比其他槽型能形成更均匀的压力分布，工作更稳 定，理论发展更成熟。槽型是