（化工过程机械专业论文）蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统的开发和研究.pdf

摘要 蒸汽疏水阀是一种用于蒸汽管网系统中疏导冷凝水的阀门。蒸汽疏水阀的 主要功能是使生产过程中各蒸汽设备能够迅速排除所产生的冷凝水，以保证其温 度、压力等工艺参数的正常，并且能够减少蒸汽浪费和提高热效率以达到节能的 目的。它广泛应用于石油、化工、电力、制药、建筑等行业的蒸汽输送、加热及 热交换设各。 本文首先论述了蒸汽疏水阀及其型式试验概况，针对国家有关标准、厂家 的实际情况、现代科学试验测试系统设计理论，提出了三种蒸汽疏水阀型式试验 自动测试系统的总体结构设计方案。 经过反复的研究和测试，最终选用了其中一种自动测试系统总体结构设计 方案。采用传感器、带通讯功能的数字智能显示仪表、r s 4 8 5 r s 2 3 2 通讯转换器、 计算机和工控组态软件完成试验自动测试、数据采集以及数据的初步处理等任 务。在v c + + 6 0 平台上开发的蒸汽疏水阀型式试验专用数据处理软件负责完成 试验数据的自动分析和处理任务。在提出不同型号、不同规格阀门试验方法的基 础上，重点讨论了在组态软件m c g s 平台数据采集系统的组态方法和数据处理 软件的具体实现方法，从而解决了非连续性试验数据的分步采集和复杂处理问 题。 该系统实现了试验参数测试、数据采集和数据处理的自动化。投入运行后， 实践证明，设计的自动测试系统稳定、经济、可靠并且获得了较好的效果。 关键词：蒸汽疏水阀；数据采集：数据处理；m c g s a b s t r a c t t h es t e a mt r a pi sav a i v et h a tr e l e a s e sc o n d e n s a t ew a t e ri ns t e a mp i p en e t w o r k s y s t e m t h em a i nf u n c t i o ni sr e l e a s i n gr a p i d l yc o n d e n s a t ew a t e rf r o me v e r ys t e a m e q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n g ，a n di tc a ng u a r a n t e en o r m a lv a r i a b l eo nt e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e ，r e d u c ew a s t eo fs t e a m ，i n c r e a s et h e r m a le f n c i e n c va n dr e a c ht h e p u r p o s eo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i sw i d e l ya p p l i e di ns t e a mc o n v e y e re q u i p m e n t ， h e a t i n ge q u i p m e n ta n dh e a te x c h a n g ee q u i p m e n tf r o mv a r i o u sk i n d so fi n d u s t “e s i n c l u d i n gp e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，e n e r g yp o w e r ，p h a r m a c e u t i c a l ，b u i l d i n g ，e t c t h et h e s i sd i s c u s s e sf i r s t l yg e n e r a ls i t u a t i o no fs t e a mt r a pa n dt h es t e a mt r a p e x p e r i m e n t a c c o r d i n gt ot h eg b 、t h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fm a n u f a c t o r ya n dt h ei d e a s o fm o d e r nd e s i g n ，t h r e et y p e so ft o t a ls t r u c t u r a ld e s i g np r o g r a mo fa u t o m a t i ct e s t s y s t e mi ns t e a mt r a pe x p e r i m e n ta r ep u tf o r w a r d a f t e rc o n t i n u o u sr e s e a r c ha n dt e s t ，t h eb e s ts y s t e mi ss e l e c t e d t h es y s t e mt h a t i sm a d eu p b ys e n s o r ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tw i t hc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n r s 4 8 5 r s 2 3 2t r a n s l a t i n g u n i t ， c o m p u t e r ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec o m p l e t e st h e a s s i g n m e n to ft e s t i n g ， d a t aa c q u i s i t i o na n df i r s tt r e a t m e n t t h ed a t at r e a t m e n t s o f t w a r ed e v e l o p e di nv c + + 6 oc o m p l e t e st h ea s s i g n m e n to fa u t od a t aa n a l y s i sa n d t r e a t m e n t a tt h es a m et i m e ，o nt h eb a s i so fs o m ev a r i o u sm o d e la n ds t a n d a r ds t e a m t r a pe x p e r i m e n t ，t h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d so ft h ed a t ea c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o d so ft h ed a t ep r o c e s s i n gs y s t e ma r em a i nd i s c u s s e da sw e l la n d r e s o l v et h ep r o b l e ma b o u tt h es t e p w i s ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fu n c o n t i n u o u s e x p e r i m e n td a t a t h es y s t e m p u ti n t o e f f 色c to f p a r a m e t e rt e s t i n g ， d a t e a c q u i s “i o n ， d a t a p r o c e s s i n g a f t e rt h es y s t e mh a sb e e nr u n ，t h er e s u l t so ft h eo d e r a t i o ns h o wt h a tt h e s y s t e mi ss t a b l e ，e c o n o m i c a l ，r e l i a b l ew i t he x c e l l e n te f 耗c t s k e yw o r d s ： s t e a mt r a p ；t e s ts y s t e m ；d a t ap r o c e s s i n g ；m c g s i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名 磋 雾 日期：别磊朋船 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：捷象 导师答名：七夕肌彳 ，j ，i 、f r 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 蒸汽疏水阀介绍 1 1 1 蒸汽疏水阀定义 蒸汽疏水阀，也叫阻汽排水阀、疏水器，它是依靠某种方法，自动操作，准 确判别水蒸汽和冷凝水，同时进行闭、开动作的阀门，广泛应用于石油、化工、 纺织、造纸、食品、制药、宾馆、建筑等行业的蒸汽输送设备、加热设备和冷凝 水回收系统，对提高热使用效率和节能起着非常重要的作用“。23 。 在蒸汽输送和蒸汽使用设备中，排除不必要且有害的冷凝水是非常有必要 的。从安全角度看，如果蒸汽管路中有冷凝水，高速流动的蒸汽将推动积结在一 起的冷凝水，从而使冷凝水在管道、阀门及蒸汽使用设备上发生强烈的撞击并且 带来很大的冲击力，最终造成管道拐弯处损伤或者严重破坏。为了防止这种水击 现象带来的负面影响，必须排除冷凝水。利用蒸汽做功的蒸汽设备，特别是热交 换器等间接加热装置，都是为了有效地利用饱和蒸汽的潜热，如果在这些装置内 滞留过多的冷凝水，这些冷凝水与加热面的接触会影响蒸汽与加热面接触，使蒸 汽设备的效率显著降低，为了保证传热效率，必须及时有效地排除设备内存在的 冷凝水。水和空气中的氧与设备接触，会发生一些化学反应，使铁生锈，为防止 使用设备被腐蚀，必须排除冷凝水。从保养的角度看，由于蒸汽和冷凝水的温度 不同，设备内可能会产生局部温差，设备容易损伤，必须排除冷凝水”“1 。 1 1 2 蒸汽疏水阀功能特点 在使用和输送水蒸汽的设备上，由于水蒸汽的潜热被释放而凝结成水，蒸汽 疏水阀能够自动地使冷凝水与水蒸汽分开，将冷凝水排放，以保证设备装置的工 作效率和安全运转。蒸汽疏水阀既是一种自动阀门，也是一种节能装置。随着冷 凝水回收利用系统的建立，疏水阀不再仅仅是用汽设备的小附件，而且成为回 收系统的重要门户。蒸汽疏水阀的主要功能特点归纳如下： ( 1 ) 排放蒸汽管道中的冷凝水： ( 2 ) 防止蒸汽泄漏； ( 3 ) 排除空气及其他不凝性气体； 1 1 3 蒸汽疏水阀分类和选型 一般来说，按照使用压力可以分为低压、中压、高压及超高压蒸汽疏水阀。 按照冷凝水排量可以分为小排量、中排量、大排量及超排量蒸汽疏水阀。按照连 接方式可以分为螺纹连接、法兰连接及焊接式蒸汽疏水阀。蒸汽疏水阀按照工作 蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统的研究和开发 原理可以分为热动力型、热静力型、机械型蒸汽疏水阀，不同型号的蒸汽疏水阀 其工作原理和工作过程不同“1 1 。 ( 1 ) 热动力型蒸汽疏水阀 这种蒸汽疏水阀是以热动力性质动作的。利用蒸汽、冷凝水通过阀片或阀瓣 启闭件时由不同流速引起被启闭件隔开的压力室和进口处之间的压力差来启闭 蒸汽疏水阀。主要有圆盘式蒸汽疏水阀和孔板式蒸汽疏水阀。 ( 2 ) 热静力型蒸汽疏水阀 这种蒸汽疏水阀利用蒸汽和冷凝水的不同温度而引起温度灵感元件动作，从 而控制启闭件的工作。主要有液体膨胀式蒸汽疏水阀、平衡压力式蒸汽疏水阀、 波纹管式蒸汽疏水阀、双金属片式蒸汽疏水阀和可调恒温式蒸汽疏水阀。其中双 金属片式热静力蒸汽疏水阀常用于伴热管线或加热系统低温或防霜工况，可以最 大限度地利用凝结水中的显热或防止产品过热。 ( 3 ) 机械型蒸汽疏水阀 这种蒸汽疏水阀依靠球状或桶状浮子随冷凝水液位升降的动作实现阻气和 排水作用。主要有自由浮球式蒸汽疏水阀、自由半浮球式蒸汽疏水阀、杠杆浮球 式蒸汽疏水阀、浮桶式蒸汽疏水阀和倒吊桶式蒸汽疏水阀。 g s b 6 型浮球热静力蒸汽疏水阀，浮球随冷凝水液位升降的动作实现阻气和 排水作用，但其排空装置是由双金属片组成的。结构及工作过程如图1 1 所示。 i 辩水拥2 澍于3 自动空气撵放鞠4 。襻球5 糍体6 丛墙 图1 1g s b 6 型浮球疏水阀结构及工作过程 蒸汽疏水阀使用时其浮球4 贴近阀体5 的底面，排水阀1 关闭。当蒸汽开始 流动时其前部已经凝结的冷凝水及内部空气被蒸汽压力所推动，由进口a 进入疏 水阀内部，冷凝水及冷空气由出口b 排除。自动空气排放阀3 由双金属片控制， 当该金属片与冷空气接触时，放气孔开启，冷空气和冷凝水即由孔内排出，避免 了因阀体内不凝结气体的过多而影响冷凝水的进入。当蒸汽进入疏水阀时，双金 属片和热蒸汽接触后温度升到1 0 0 左右时，因受热膨胀而将放气孔关闭。蒸汽 和冷凝液不断进入阀体，当液位达到一定高度后浮球升起。当阀体内液体接近冷 坝士字位诧又 凝液入口时上升的浮球恰好把出水口全部打开，冷凝液被放出，浮球随液面下降 而把排水阀l 关闭，以阻止蒸汽泄漏“1 。蒸汽疏水阀可以从漏汽率和最高背压度 等方面进行基本性能比较： ( 1 ) 漏汽率。国家有关标准规定蒸汽疏水阀的漏汽率不得超过3 ，但实际上不同 类型的蒸汽疏水阀相差很大。热动力型疏水阀的漏汽率较高，因为它们是利用蒸 汽的热动力特性工作的，需要消耗一部分蒸汽。热静力型的漏汽率居中，因为它 的感温元件是在一定过冷度时开阀排水的，但敏感度相差很大。机械型漏汽率一 般较低，因为它们是根据水位的变化来工作的，而且阀内还存在着一定的水封。 ( 2 ) 最高背压度。各种蒸汽疏水阀都有一定的最高背压度，但背压特性有所不同。 随着背压的增加，热动力型的动作间隔逐渐缩短，最终形成喷放状态。热静力型 的开阀温度逐渐降低，会产生冷凝水滞留。机械型蒸汽疏水阀，如果不受排水能 力的限制，背压允许接近入口压力。一般认为，热动力型和热静力型蒸汽疏水阀 的最高背压度为5 0 ，机械型为8 0 。 热动力型和热静力型蒸汽疏水阀一般适用于蒸汽管网、采暖散热器、设备保 温等加热要求不太严格的地方。对于加热工艺要求比较严格的设备，尤其是对冷 凝水回收系统来说，机械型疏水阀漏汽率低、背压特性好、动作灵敏、过冷度低 等特点显示了极大的优势。 由于各类蒸汽疏水阀的结构、工作原理和工作条件不同，因此选择合适的蒸 汽疏水阀需要以蒸汽压力的温度、背压大小、冷凝水排量和漏汽率等为依据。一 般情况下，应该首先按照两个原则进行选择：一是根据冷凝水排量的要求来选择 结构形式；二是根据压力、排水量之间的关系来选择蒸汽疏水阀的类型。除了蒸 汽疏水阀的压力、温度等参数应与所使用设备条件相匹配外，蒸汽疏水阀在不同 压力条件下的排水量大小是选择疏水阀的一个重要因素。否则，即使所使用的结 构形式最适合于蒸汽设备，如果其压力、排量不匹配，也很难使设备的运行达到 最满意的效果”1 1 。 1 2 蒸汽琉水阀型式试验概况 蒸汽疏水阀试验包括壳体试验和性能试验。性能试验又可以分为动作试验、 最低工作压力试验、最高工作压力试验、最高工作背压试验、排空气能力试验、 最大过冷度试验、最小过冷度试验、热冷凝水排量试验和漏汽率试验”1 。 g b t 1 2 2 5 1 一1 9 8 9 蒸汽疏水阀试验方法规定了蒸汽疏水阀型式试验主要 包括热冷凝水排量试验和漏汽率试验。其中热冷凝水排量试验的目的是通过试验 测试和数据处理，利用有限个有效试验测试点的试验数据来近似拟合被测蒸汽疏 水阀试验压力与冷凝水排量的关系，为蒸汽管网系统设计过程中给定额定压力和 冷凝水排量条件下蒸汽疏水阀的选型提供了有效的数据图形依据。压力排量关 蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统的研究和开发 系曲线是各类蒸汽疏水阀性能的度量“”。 漏汽率试验包括无负荷漏汽率试验和有负荷漏汽率试验。在无负荷漏汽率试 验中被测蒸汽疏水阀阀前负载介质为蒸汽，而在有负荷漏汽率试验中被测蒸汽疏 水阀阀前负载介质为蒸汽和水。蒸汽疏水阀试验装置、试验流程如图1 2 所示。 图12 试验流程图 1 2 1 型式试验条件 1 2 1 1 冷凝水排量试验条件 每台蒸汽疏水阀冷凝水排量的测定应在工作压力范围内有代表性地选耿5 个点，并在给定过冷度下进行。每一压力点至少试验三次，试验结果耿平均值， 每次测量值与平均值的偏差不得大于1 0 。试验过程中，被测蒸汽疏水阀阀前 压力的波动值不能大于1 5 ，温度波动值不能大于3 ”1 。 1 2 1 2 漏汽率试验条件 蒸汽疏水阀试验时问也有一些要求：有负荷漏汽率试验时间不得小于5 分 钟，无负荷漏汽率试验不得小于1 0 分钟。每台蒸汽疏水阀至少试验三次，试验 结果取平均值，每次测量值与平均值的偏差不得大于1 0 。试验过程中，被测 蒸汽疏水阀阀前压力波动值不能大于1 5 ，温度波动值不能大于3 ”1 。 1 2 2 冷凝水排量试验计算 热冷凝水排量试验时计算公式如下所示。1 ： q h - 孚【掣】竿婚9 2 ) 半 ( 1 ) 其中q h 一热冷凝水排量( k g h ) d 高压罐内径( m ) v 高压罐内水的比容( m 3 k g ) t 一一试验持续时间( s ) z 1 - - 高压罐开始的水位( m ) z 2 高压罐终止的水位( m ) 9 1 计量水桶试验前水的质量( k g ) 9 2 一计量水桶试验后水的质量( k g ) 1 2 3 漏汽率试验计算 1 2 3 1 无负荷漏汽率试验的计算 ( 1 ) 漏汽量计算公式如下所示。1 ： q m s = l 3 6 0 0( 1 2 ) z 2 一f l 其中q 。：无负荷漏汽量( k g h ) m i ：计量水桶内水的初重( k g ) m f ：计量水桶内水的终重( k g ) t l ：试验开始时间( s ) t 2 ：试验终止时问( s ) ( 2 ) 漏汽率计算公式如下所示。1 ： 脑怍丽匾丽看纛蕊濂 ( 1 ，3 ) 其中r s n ：无负荷漏汽率 q 。：无负荷漏汽量( k g h ) 1 2 3 2 有负荷漏汽率计算公式 ( 1 ) 漏汽量计算公式如下所示”1 ： 一监型呜等幽| 等 。， 其中 q 。：有负荷漏汽量( k g h ) m i ：计量水桶内水的初重( k g ) m f ：计量水桶内水的终重( k g ) m t ：计量桶内壁重( k g ) c p ：计量桶内壁材料比热容( j k g ) t l ：计量桶内水初始温度( ) t 2 ：计量桶内水终止温度( ) t l ：试验开始时间( s ) t 2 ：试验终止时间( s ) h 计量桶内水初始比焓( j k g ) h f 2 ：计量桶内水终止比焓( j ，k g ) 蒸汽疏水阀型式试验自动攫i 试糸统的研究和开发 h f b ：被测疏水阀进口条件下饱和蒸气比焓( j k g ) h f s ：被测疏水阀进口条件下冷凝水比焓( j k g ) t s ：几条t s 曲线的平均值( ) t s 曲线示意图如图1 3 所示。 t c l t o d t o 口c l 图13t s 曲线示意图 ， 三 t s = 厶 i = l ，丁州) ( f ) 衍 其中n ：试验时间内被测疏水阀动作次数 t 。：每次动作的开启时问( s ) t 。l ：每次动作的关闭( s ) t s ：第1 次动作的试验温度( ) t 。：动作的开阀温度( ) t 。l ：动作的关阀温度( ) ( 2 ) 漏汽率计算公式如下所示“1 ： r s l ：生1 0 0 q h ； q h s = ! 二! ! 二! 。竺3 6 0 0 一，l 其中r s l ：有负荷漏汽率 q h s ：试验时间内的实际热冷凝水排量( k g h ) q 。：试验时间内蒸汽实际漏出量( k g ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 1 3 课题的提出 为用气设备正确选用最理想的蒸汽疏水阀的前提是应该熟悉各种蒸汽疏水 阀的工作原理和性能指标。在选择蒸汽疏水阀过程中，不能简单地从排水量方面 考虑，还应根据疏水阀的前后压力差。作为一种产品，设计并且生产出来能否达 到预期要求，是需要试验予以验证的，只有达到预期要求的产品方可认为是合格 产品。作为一个专业蒸汽疏水阀制造厂家，新产品试制的鉴定、产品出厂前的检 验，都是离不丌具备功能完善的疏水阀试验装置系统的。 我们根据疏水阀专业生产厂家甘肃国营红峰机械厂的要求，对蒸汽疏水阀型 式试验的自动测试系统进行了设计，以实现试验测试、数据采集及处理的自动化， 能够为蒸汽疏水阀产品提供相关的、真实的性能参数试验数据。 设计稳定、可靠、功能完备的蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统是本课题研 究的主要内容。 1 4 国内外疏水阀型式试验条件状况 蒸汽疏水阀的基本功能是排除蒸汽系统中的凝结水，但蒸汽系统千差万别， 对于每一个特定的需要疏水的场合，在选择蒸汽疏水阀时，必须既考虑各种蒸汽 疏水阀的不同工作原理，又要考虑到特定的应用需要和情况。 在实际运行中有许多因素会影响蒸汽的工作效果，如蒸汽疏水阀的选型、安 装和使用等。其中，选型是至关重要的，选型不当，将会造成严重的阻水和漏汽 现象，引起水击和管道腐蚀，直接影响整套蒸汽管网系统的生产效率、设备安全 和相关产品质量。衡量蒸汽疏水阀性能的指标主要有最高工作压力、最高工作背 压率、冷凝水排量、漏汽率等几项，而作为蒸汽疏水阀产品则需要通过试验来检 验这些指标。 g b t 1 2 2 5 l 一1 9 8 9 蒸汽疏水阀试验方法只对测试仪表的精度有要求，但 对具体的其他功能没有特殊的要求，只是默认了压力的测量用弹簧管式压力计， 冷凝水重量用台秤间接测量等手段。由于这些仪表虽然能够直观显示试验数据， 但无法记录数据和进行进一步的试验数据处理，已经不能满足时代的要求。现代 工业技术的不断发展对蒸汽疏水阀提出了更高的要求。 著名的蒸汽疏水阀专业生产厂家阿姆斯壮提供很多不同类型不同的规格，不 同型号产品有着不同的p q 关系图。经过一段时间的调研，国内、外大部分蒸 汽疏水阀厂家在进行型式试验时，都是采取现场人工读表并记录，之后再进行手 动计算、分析试验数据的方法，最后经过间接的方法得出压力一排量关系图和试 验报告。这种方法不仅费时费力、操作安全性低，而且在人工读数、记录及数据 处理过程中容易产生各种误差，试验的精度难以得到保证。 蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统的研艽和开发 l - 5 自动测试系统的主要作用及技术路线 1 5 1 自动测试系统的主要作用 型式试验自动测试系统以满足型式试验条件为前提，并按照冷凝水排量和漏 汽率试验计算公式，实现测试、数据采集及数据处理的自动化，既能提高工作效 率和降低劳动强度，又能增加测试的可靠性和精确性，对蒸汽疏水阀的开发和研 究、产品的检验以及用户的选型有一定的现实意义。 1 5 2 技术路线 1 5 2 1 技术路线的最初方案 随着自动测试技术的不断发展，先后出现了多种仪器总线标准，比较典型的 有g p i b 、v x i 、p x i 、各种串口总线。g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s 通用 仪器总线标准，后来的i e e e 一4 8 8 标准) 是h p 公司1 9 7 2 年提出的针对智能仪器 的接门总线标准，首次规范了接口功能，规定了控者、讲者、听者等十种接u 功 能。其发展比较成熟，性能也比较可靠，广泛应用于工业现场和一般试验条件的 基础测试。国外各大仪器制造商如h p 、f 1 u k e 以及美国国家仪器公司( n i ) 生产的 数字仪表普遍配备了g p i b 接口，同时提供了较多的软件支持。8 0 年代初，出现 了个人计算机，并且性能有了很大的提高，v ( v m e b u se x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n 插件式仪器接口标准，后来的i e e e 1 1 5 5 标准) 是新式计算机总 线( 内总线) v m e 在仪器领域的扩展，它主要针对计算机和仪器通信的特殊需 要而增加了部分信号线，如模拟线、触发线、时钟线和识别线等。进入9 0 年代 以后，伴随计算机科学的发展和c p u 速度的大部分提高，虚拟仪器得到了较快 的发展。“软件及仪器”的倡导者n i 在1 9 9 7 年发布了px i ( p c i e x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 模块化仪器总线标准，充分考虑到虚拟仪器的标准，充分考虑到 虚拟仪器的特点，实现了仪器和计算机p c i 的完全互操作，接口极为方便，数 据传输率可以达到1 3 2 m b s “2 。1 。 p c 卡式仪器直接将计算机内总线作为测试系统总线，仪器在插入扩展槽的 同时也完成了接口连接，既所谓的“即插即用”。r s 2 3 2 是发展最早，应用最广 泛的串行总线，目前出售的p c 一般都带有数个r s 一2 3 2 通讯口，可以直接应用， 这样不同厂家生产的各种仪器设备町以方便地连接起来。近年来推出的高性能串 行总线i e e e l 3 4 9 和u s b 的工作速度可以达到4 0 0 m b s 和1 2 m b s ，完全弥补了 传统串行总线在传输速度上的缺陷，为串行总线在测试领域的应用扫清了障碍。 它更为突出的优点在于其具有热插性，可以自动识别、自动组态、即插即用“7 。 目前自动测试系统在w i n d o w s 下的开发工具有以下几种： a 面向对象的文本语言编程工具 坝士字位论文 v c + + 、v b 、d e l d h i 等面向对象的文本语言开发工具是用对象的观点来思考 问题，运用传统代码和数据相互分离的过程式编程方法；可以清晰、直观地勾画 出实际测试任务的软件结构，由于可以增加编程代码的可重复性，使得对程序的 维护更为简便”2 。2 “。 b 面向组件的可视化编程 在测试软件开发中最常见的面向组件的可视化编程工具主要有v b 和d e l p h i 等，组件是指经过精心设计和优化的能够实现较高级的功能，如数据库、图形图 象处理、表格等编程代码对象，这些组件遵循一定的技术规范。比如微软的组件 对象模型，一般封装了对相关a p i 的调用，并且提供非常直观的编程接口，因 此程序开发者可以在不必了解内部细节的情况下利用这些组件快速、简便地实现 自己的测试需要”。 c 图形化工程环境 图形化工程环境的特点是对整个编程语言作了彻底的图形化处理，提供模块 式的编程构件，包括数据处理、程序流控制、测量、结果输出等功能。编程时只 要选择合适的控件加以适当的配置，并将正确连接起来就可以实现所需要的测试 程序，这种新的图形编程方法的特点是简单、直观、易学，能使测试工程人员摆 脱对号业编程人员的依赖，大幅提高了编程效率，工业组念软件就是在这种基础 上发展起来的”2 “。 根据现代科学试验测试系统可靠性、经济性、准确性、可操作性的设计理论， 我们提出了三个测试系统方案： 测试系统方案一： 直接在高级开发编程语言( 如v b 6 o ) 平台上开发自动测试系统，测试系统 包括试验数据采集和试验数据处理两大模块，数据采集模块的功能是实现与下位 机的连接完成试验数据的采集和初步处理，试验数据处理模块的功能是实现数据 的实时有效处理，其流程如图1 4 所示。 温度压力传感器目 智能显示仪表 h 质量电子称 儿 工艺流程图 在高级开发编程语 试验 温度t 、压力p 言( 如v b 6 o 或 数据 质量m v c + + 6 o ) 平台上开 保存 发的数据采集及处 l 用户输入 b理系统 d 报表输出 l 图14 自动测试系统方案一试验数据流程图 9 蒸汽琉水阀型式试验自动测试系统的研究和开发 测试系统方案二： 由于计算机一般是在操作系统、数据库系统等不同层次的软件环境里进行不 同层次的操作，而且在软件中不同层次上有不同的使用方法，因而就有不同的数 据采集方法。通常的应用程序接口( a p i ) 层的采集方法，由于不同的数据库管 理系统有不同的数据存储结构，因而需要有不同响应的数据库引擎来完成用户的 同一种服务。为了满足用户开发通用数据库应用程序的要求，微软提供了开放式 数据库互连o d b c ( 0 p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 和o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ) ，通过v b ，v c 等应用程序开发工具，使用d a 0 、数据控件和a d o 等a p i 的简化封装对象模型可以访问各种片构数据库系统1 2 “。v b 6 o 平台上， ： 发测试系统，测试系统负责试验数据的采集任务，采集的数据直接导入数据处理 软件m a t l a b 中进行试验数据处理，其试验数据流程如图1 5 所示。 工艺流程图在高级开发编程语言试验 温度t 、压力p( 如v b 6 0 ) 平台上数据 质量m开发的数据采集系统保存 图1 ，5 自动测试系统方案二试验数据流程图 测试系统方案三： 自动测试系统分为两个子系统，一个是试验数据采集子系统，另一个是在 v c + + 6 ，o 上开发的专用数据处理子系统。 一1一 工艺流程图 温度t 、压力p 质量m 组态软件( 如m c g s ) 平台上组态的 数据采焦系统 水蒸汽热性质 黼懈丰 用户输入 在高级开发编程 语言( 如v c + + ) 平台 上开发的数据处理系 试验 数据 保存 报表输出 图1 6 自动测试系统方案三试验数据流程图 1 0 坝士学位论文 数据采集子系统借助工控组态软件作为软件开发平台，采用人机对话界面以 实现原始数据的集中显示、查询、记录、打印等，并且按照一定数据格式存储有 效的试验数据，这些数据可以直接提供给专用数据处理子系统。其自动测试系统 数据流程如图1 6 所示。 1 5 2 2 技术路线的确定 第一种方案虽然能够实现试验数据的采集和处理功能，但其最大的缺点是开 发时间长，系统很难保证运行稳定。对于第二种方案，图形编制和数据处理是 m a t l a b 主要功能特色之一，m a t l a b 图形指令具有自然、简洁、灵活及易扩充等 特点。m a t l a b 具有五大通用功能：数字计算功能( n u m e “c ) 、符号计算功能 ( s y m b o l i c ) 、数字可视化功能( g r a p h i c ) 、数据图形文字统一处理功能( n o t e b o o k ) 和建模仿真可视化功能( s i m u l i n k ) ”。从多次试验模拟数据输入应用程序m a t l a b 进行数据分析及处理时，最终效果不理想，并且m a t l a b 界面是英文版，经过综 合考虑，我们采用第三种方案。 目前的工控组态软件技术比较成熟，很容易实现数据的实时显示、实时采集、 历史查询和打印任务。它可以与多种国内、外通用硬件设备以多种连接方式进行 数据通讯，使用户能够方便组态应用工程。但是，其试验数据的实时处理功能是 有限的。对于蒸汽疏水阀试验自动测试的实际情况，最后的结果要求水排量和压 力的关系体现在双对数坐标图上，直接使用工控组态软件组态的工程很难实现这 个功能。 在数据采集方案的设计过程中，既需要考虑硬件、软件所要承担的任务，同 时还需要考虑硬、软件的匹配关系。通过智能仪表自动处理数据转换功能，利用 计算机强大的数据处理、显示、存储和打印特点，两者结合起来，将试验数据以 曲线的形式显示，试验数据以文件形式存储，最终以报表形式打印。 数据处理软件与数据采集测试基础软件分开的好处是避免试验数据在多个 应用软件里导来导去，弥补了数据采集系统在数据处理方面的不足，同时保证了 自动测试的准确性、数据处理的精确性和自动化。 1 6 课题研究的可行性分析 蒸汽疏水阀试验台装置，国家已有相关标准，并且试验流程也很成熟。本课 题要达到的要求是计算机自动测试实时数据并对采集的数据进行处理从而获得 试验参数的关系图。随着电子技术和计算机技术的发展，高性能、高可靠性的传 感器、数据采集设备和计算机为实现试验的自动检测、记录和处理提供了可能。 1 6 1 试验参数的测试 人们对物理量参数进行检测时，首先要借助一定的检测手段取得必要的测量 数据，而后对测得的数据进行误差分析和精度分析。误差分析与选择测量方法是 同等重要的，因为只有掌握了数据的可确定程度才能做出相应的科学的经济的判 断和决策。 试验要求测试仪表的测量范围比较大，选择合适的仪表必须结合各类仪表的 特点进行综合考虑。一般涉及类型、测量范围和测量精度，比如水排量测定试验 中，压力、温度测量的终端显示仪表的分辨能力不人f ：其量程的1 ，系统误差 不大于7 。为某一特定的应用场合选择最适用的温度传感器还必须充分了解各 类温度传感器的基本特性。 对温度实现电测的理论基本成熟，铠装式电阻温度传感器可以满足温度测试 的要求。对压力的测量，使用高温熔体压力传感器可以基本满足测量的精度。对 流量的测量，可采用间接测量方法，使用质量电子称测量1 定时间内其质量的变 化，再通过简单换算求出流量。 1 6 2 数据采集及数据处理 软件与硬件的通讯问题。如果软件不支持硬件，就不能简单地通过安装驱动 程序达到目的。比如厂家已有的电子质量称与计算机软件通讯问题。试验数据处 理过程中，实现压力、排量的试验数据在双对数坐标下拟合成直线是编程部分的 关键。 第2 章自动测试系统的总体结构 2 1 总体结构设计 过去的试验数据基本上是先在现场手动记录，再通过手动计算和分析试验数 据，最后手动填写试验报表。为实现数据采集及数据处理的自动化，采用传感器、 带通讯功能的数字显示智能仪表、r s 4 8 5 2 3 2 通讯转换器、计算机、工控组态软 件及数据处理软件共同组成自动测试系统。其中，传感器、带通讯功能的数字显 示仪表、r s 4 8 5 r s 2 3 2 通讯转换器、计算机及工控组态软件完成自动测试和数据 的自动采集以及数据的初步处理。疏水阀型式试验专用试验数据处理软件负责完 成试验数据的自动处理和最后试验报告的打印。蒸汽疏水阀型式试验系统组成如 图2 1 所示。 图2 1 蒸汽疏水阀型式试验系统组成 该系统是多通道采集、实时显示和实时数据分析系统。系统的优点是数字显 示仪表与数据采集系统中的参数汇总可以同时显示相对应的温度、压力和质量数 值，这样方便于用户在主操作界面上操作分析、保存数据和打印报表，同时不使 用计算机采集系统的情况下可以通过智能数字仪表做疏水阀动作试验等只需要 测试基本参数的试验。系统也具有一定的扩展性，可以通过局域网实现了数据的 共享。 2 2 传感器和智能仪表的选型与设计 2 2 1 传感器和智能仪表选型 厂方试验装置的工况比较特殊，试验压力最大为6 m p a ，温度最大为2 7 5 。 应用最广泛的温度传感器主要有热电偶和热电阻温度传感器。同类材料制成的热 电阻传感器不如热电偶传感器测温上限高，但在低、中温度测量中相对热电偶来 蒸汽琉水州型式试验自动测试系统的研究和开发 说具有稳定性好、准确度高、不需要冷端温度补偿、信号便于远传等优点。 热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质来测量温度 的。大多数金属在温度每升高1 时电阻将增加o 4 0 6 。半导体电阻一 般随温度升高而减小，每升高l ，电阻减小2 6 ，显然半导体热敏电阻 的灵敏度比金属高，但其复现性和稳定性较差，每支温度传感器必须单独标定， 所以半导体热敏电阻温度计的应用受到一定的限制。金属热电阻主要有铂电阻、 铜电阻、镍电阻、铁电阻和铑铁合金等，其中铂电阻和铜电阻最常用，有统的 制作要求、分度表和计算公式，铂电阻测温准确度最高。温度为o 时，若电阻 值ro = 1 0 0 q ，此时分度号为p t l o o ，若电e 且值ro = 1 0 q ，热电阻分度号为p t l o 。 热电阻分度号是表明热电阻材料和o 时阻值的标记符号”“1 。 铂是一种贵金属，具有准确度高、稳定性好、性能可靠以及抗氧化性很强的 优点，约在1 2 0 0 以下都能保证上述特征，是。种非常好的热电阻材料，但铂 电阻的电阻与温度为非线性关系，射于0 8 0 0 的温度范围内有： r t = r o ( 1 + a t + b t 2 )( 2 1 ) 式中r t ：t 时铂热电阻的电阻值( r ) r o ：o 时热电阻值( r ) t ：温度( ) a 、b 为常数 经查表 a = 3 9 0 8 3 + 1 0 。3c 、b = 5 7 7 5 + 1 0 。 根据实际情况我们选用了滞后时间短、测量精度高的铠装p t l o o 铂热电阻。 铠装热电阻是由感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它 的外径一般为中2 8 m m ，最小可达巾1 m m 。与普通型热电阻相比，它具有体积 小、无保护套、内部无空气间隙、热惯性小、测量滞后小、机械性能好、抗冲击、 可以弯曲便于安装、使用寿命长等优点”2 1 “。 常见的压力变送器型式有应变式、压阻式、电容式、压电式等。此外还有光 电式、光纤式、超声式压力传感器等。试验过程中测量对象是1o o 以上水或水 蒸汽的压力，由于温度、压力都相对较高，选用o 5 级耐最高温3 5 0 、压力范 围为o 一7 m p a 的压阻式压力变送器。压阻式压力变送器抗过载和抗冲击能力强、 稳定性高，并且其体积小，大多数应用场合可以不使用安装支架”1 。智能仪表 具有下面多个优点：( 1 ) 测量精度高；( 2 ) 能够进行间接测量；( 3 ) 能够自动校准： ( 4 ) 具有自动修正误差的能力；( 5 ) 具有启诊断能力；( 6 ) 能够实现复杂的控制功能； ( 7 ) 允许灵活地改变仪表的功能：( 8 ) 便于通过标准总线组成一个多仪器复杂的控 制系统”7 。为方便通讯协议的开发，选用同一知名厂家的温度、压力二次智能 仪表。为提高测试精度，选用多个传感器并联组成的平板电子称。 1 4 顿士学位论文 2 2 2 传感器与智能仪表之间的接线方式设计 热电阻引线方式有两线制、三线制和四线制。在热电阻感温体的两端各连一 根导线的引线形式为两线制，如图2 2 ( a ) 所示。这种引线方式简单、费用低，但 是引线电阻的变化会带来附加误差。因此，两线制适用于引线不长，测温精度要 求较低的场合。在热电阻感温体的端连接两根引线，另一端连接一根引线，此 种引线形式称为三线制，如图2 2 ( b ) 。当热电阻与电桥配套使用时，这种引线方 式可以较好地消除引线电阻的影响，提高测量精度。所以，工业热电阻多半采用 三线制接法。在热电阻感温体的两端各连两根引线称为四线制，如图2 2 ( c ) 所示。 这种引线方式主要用于高精度温度检测。其中两根引线为热电阻提供恒流源，在 热电阻上产生的压降通过另两根引线引至电位差计进行测量。因此，它完全能消 除引线电阻对测量的影响。”“1 。 e r 1 ( b ) e 图2 2 热电阻引线方式 从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来 测量的，因此热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。 为消除引线电阻的影响一般采用三线制或四线制。 三线制引线的方式是通过热电阻与电桥的配套使用，可以较好地消除引线电 阻的影响，提高了测量精度。压力变送器长期不使用或零点漂移严重时一般需要 重新校准，为了校准的方便，我们在智能仪表接线旁边设置两个校准线端子。为 了有效防止噪声、振动等干扰，使用o 1 0 v 作为标准传输信号，为此我们选用 了五线制的引线方式“”4 “。 2 3 数据采集系统的功能 可以完成自动测试、数据采集、原始测试数据的曲线显示和打印等任务，但 不能完全完成对试验数据的复杂处理，比如排量一压力曲线的拟合、有负荷漏汽 率试验情况下有关漏汽率的计算处理。 蒸汽疏水阀型式试验自动测试系统的研究和开发 2 4 数据处理软件的功能 对数据采集系统自动采集来的具有规范格式的试验数据和手动输入的辅助 数据进行计算、分析及处理，最终得到拟合的排量一压力曲线以及f i 同情况下的 漏汽量、漏汽率数据，并且可以自动查询水的物性参数数据库，不需要操作者再 去手工查询，能够实现试验产品检验报告。 1 6 第3 章试验数据采集系统的设计 自动测试系统试验装置可分为自动供气控制制备装置和测试装置。测试装置 主要有稳压罐、背压罐、储水桶、电子称等独立设备和其他有关电气设备。大部 分试验装置已于厂家定制并安装完毕。为了将这些设备集成相应的自动测试系 统，必须借助于上位机，通过适当的软、硬件组态，对设备进行实时监控测试。 利用组态软件作为上位机监控软件，以智能仪表作为下位机组成的数据采集系统 测试数据通讯流程图如图3 1 所示。 3 1 组态软件的选择 图31 测试数据通讯流程图 组态的含义是使用一种软件工具对计算机硬件和软件的各种资源进行配置， 达到能够使计算机硬件和软件按照预先设置而自动执行特定的任务，从而满足使 用者的要求。它是伴随着集散式控制系统( d c s ) 的出现才开始被广大的工程自 动化技术人员所熟悉的”4 “。 在组态技术出现之前，出于工业自动化领域存在诸如工艺流程的改变、控制 对象或者控制任务的不同、测试设备的增加或改变等因素，自动测试系统软件经 常要重新开发，不但影响生产，而且造成人力、物力上的浪费。 在计算机技术和微电子技术迅速发展的今天，测试和控制技术日新月异。组 态软件(