（农业机械化工程专业论文）基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究.pdf

摘要 气力输送已经在工农业生产过程中得到了广泛的应用，其参数主要有气流 速度、浓度比、能耗指标等。确定合理的运行参数是气力输送系统设计的重要 内容，常规测量方式是利用传统的仪表仪器和人工方法。本课题采用集虚拟仪 器技术、传感器技术、计算机技术于一体的现代动态测控方法，实现气力输送 试验装置参数的自动测试。 本课题将虚拟仪器技术应用到气力输送系统中，进行了气力输送运行参数 自动检测和分析系统的硬件和软件设计。硬件设计在分析气力输送试验装置参 数的各种测试方法的基础上，选用压差传感器、扭矩传感器、数据采集板等检 测各试验参数数据，利用变频调速器、可控硅等执行机构实现试验工况的自动 调控。软件以l a b w i l l d o w s c v i 为开发平台，采用模块化设计方法实现采集信 号的实时显示，试验数据的自动分析处理，并应用软测量法实现固气浓度比的 神经网络预测。 气力输送试验装置测控系统的试验结果表明：系统能自动采集气力输送的 运行参数信号，对检测到的信号进行自动分析处理，显示参数间的关系曲线。 系统软件通过试验优化统计分析能向用户提供各参数间的二次正交旋转回归方 程，进一步采用优化算法得出最佳运行参数。虚拟仪器测控软件的图形化界面 友好，可扩展性强，易维护，成本低廉，将有力地推动气力输送领域的理论研 究和应用发展。 关键词：气力输送；虚拟仪器；l a b w i n d o w s c v i ：自动检测；软测量；优化算 法 s t u d y o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m o fp n e u m a t i c c o n v e y i n g e x p e r i m e n t a lr i g b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n a g a c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n gh eq i n g t u t o r ：q i a n - d o n gp i n gy a n g - - s h i f e n g a b s t r a c t p n e u m a t i cc o n v e y i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di n a g r i c u l t u r a l a n di n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，t h e p a r a m e t e r so f w h i c ha ea i rv e l o c i t y , s o l i d - t o - a i rr a t i oa n d e n e r g yc o n s u m p t i o n d e t e r m i n a t i o no f c h o o s i n gr a t i o n a lp a r a m e t e r s i st h ec e n t r a lc o n t e n to np n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e md e s i g n c o n v e n t i o n a lm e a s e m e n to ft h e s ep a r a m e t e r su s u a l l yb ec a r r i e do u tb yh a n dw i t ht r a d i t i o n a l a p p a r a m s o n t h ec o n t r a r y , m o d e md y o a , m i cm e r s u r ea n dc o n t r o lm e t h o du n i t ev i r t u a li n s l r a m e n t t e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e m p l o y e di nt h i sp a p e r a na u t o m a t i c m e e m e n t s y s t e mi sd e v e l o p e d o np n e u m a t i c c o n v e y i n g e x p e r i m e n t a lr i g h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s d e s i g n e df o ra u t o m a t i cm e a s l 】r e m e ma n da n a l y s i ss y s t e mb y a p p l i e d v i r t u a li n s t r u m e n tt o p n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m d i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s d u c e r , t o r q u es e n s o r , d a t aa c q u i s i t i o n c a r d sa r eu s e dt om e a s u r et h e p a r a m e t e r si nh a r d w a r ed e s i g n b a s e d o nt h ea n a l y s i so f a l lk i n d so f m e a s u r em e t h o d so f p a r a m e t e r s f r e q u e n c yi n v e r t e ra n dc o n t r o l l e d s i l i c o na r eu t i l i z e dt oa u t o m a t i c a l l yc o n t r o le x p e r i m e n t a ls t a t e s l a b w i n d o w s c v li sd e v e l o p i n g p l a t f o r m o fs o f t w a r e ，w h i c hu t i l i z e s d e s i g nm e t h o do fm o d u l et o s h o wa c q u i r e ds i g n a lo n r e a l t i m e ，a n a l y z ed a t aa u t o m a t i c a l l y , p e r f o r md a t ap r o c e s s i n ga n dp r e d i c ts o l i d - t o a i rr a t i ob y n e u r o nn e p 。v o r ks o f t - s e n s o rm e t h o d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n to np n e u m a t i cc o n v e y i n ge x p e r i m e n t a lr i gs h o w ：t h ep a r a m e t e r s s i g n a l o fp n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e mc a nb e a m o m m i c a l l ya c q u i r e d a n da n a l y z e di nt h e d e v e l o p e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m t h ec u r v eo f r e l a t i o n s h i pa m o n g t h ep a r a m e t e r sc a n b ed i s p l a y e da l s o s y s t e mc a l lp r o v i d eu s e r sw i t ho r t h o g o n a lq u a d r a t i cr e g r e s s i o nr o t a r ye q u a t i o n o fp a r a m e t e r s b ys t a t i s t i ca n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，s o f t w a r e c a r l g i v eo p t i m a lp a r a m e t e r sb y o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h es o f t w a r eo f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ， g r e a te x t e a s i b i l i t y , e a s ym a i n t e n a n c ea n dl o wc o s t t h es y s t e mc a np r o m o t et h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do f p n e u m a t i cc o n v e y i n g k e yw o r d s ：p n e u m a t i cc o n v e y i n g ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ；l a b w i n d o w s c v i ；a u t o m a t i c m e a s u r e m e n t ；s o f t s e n s o r ；o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得亟j 垦壅些盔堂或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 币叩 签字日期：p 。中年月，7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解塑j 壅些太堂有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查( 借) 阅。本人授权迥j s 盔些太堂可以将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、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名： z 可晰 签字开期：伊中年月f 7 日 导师签名 圜 签字日期：。：切澎年多月矽同 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 1 i 气力输送技术及其装置 l 引言 气力输送是利用气流在管道中输送粉粒状物料的一种方法，也就是利用具有一定压力和一定 速度的气流来输送粉粒状物料的输送方法i i l 。气力输送可以提高运输效率，便于实现自动化，增 强生产安全性，避免环境污染装置简单，维护费用低。因为具有许多优点，固体物料的气力输 送已经在电力、冶金、化工、建材、矿山、食品、农业、轻工业、制药等工农业生产过程中得到 了广泛的应用“j 。 气力输送与其它设备相比具有一系列的优点，特别是在车间内部应用时，可将输送过程和工 艺过程相结合，简化工艺过程和设备。气力输送的主要优点有： ( 1 ) 输送管能灵活地布置，占地面积小，可充分利用空间，将输送管安装在墙壁或天花扳上， 设备的投资和维修费用少，从而使工厂的设备配置更合理。 ( 2 ) 便于实现无人操作和管理自动化。因此需要的人工费用少。 ( 3 ) 可防止物料污损、受潮，保证被输送物料的质量。 ( 4 ) 输送物料不受周围环境以及天气等外界条件的限皋4 。 ( 5 ) 可以进行由数点集中向一处输送，也可由一处分散向数点输送。 ( 6 ) 负压输送可在狭窄的出入口进行卸货作业，且将物料无剩余地卸尽。 气力输送技术至今已有近2 0 0 年的历史。早在1 8 1 0 年，m e d h u r s t 就提出了邮件气力输送的 方案：1 8 1 8 年，有人用蒸气喷射泵来输送液体：1 8 2 4 年v a l l a n c e 最先建立了气力输送的实验装 置；1 8 5 3 年，c l a r k 首先研制了直径3 8 1 m m 、长2 0 5 7 4 m 的气力输送系统；1 8 5 8 年，他又制成 了直径5 7 1 5 i t l m 、长1 2 2 5 m 的气力输送系统；1 8 6 1 年r a m m e l l 在宽7 6 2 m 、高8 3 8 2 m 、长4 1 3 m 的管道里，建成了轨距0 5 5 8 1 m 的筒车气力输送系统；1 8 6 6 年就有输送棉花和砂子等固体的例 子；1 8 9 1 年，英国的多克哈姆经过艰苦的改造工作，从根本上改造了原来的装置，成功地制造出 了负压式气力输送装置广泛用于港口等处。当时这种气力输送装置在粮食输入国如英国、荷兰 和德国等应用相当普及：1 9 2 4 年德国的g a s t e r t a d t 对小麦做了气力输送实验，发表了许多实验的 和理论的研究结果。之后，丹麦赛克公司( s e c kc o ) 的弗勒克骚式运输机及美国福勒公司的 螺旋泵( 昆尼翁泵) 等正压输送装置相继发明成功，标志着高压空气输送理论趋于完善。这些正 压输送方式主要是用来输送粉体。这样，气力输送就不再局限于港口等处的装卸作业，也适用于 一般工厂生产过程中的粉体输送。气力输送设备便逐渐普及于生产的各个方面。早期的气力输送 均采用稀相输送。稀相输送存在能耗高、压损大的缺点。为了克服传统稀相输送的缺点，满足现 代化大生产的要求，许多国家现在发展高料气比的密相气力输送技术川。 气力输送装置是在管道内利用气体将粉粒状物料从一处输送到另一处的输送设备。根据设备 1 河北农业大学硕士学位论文 组合情况的不同，气力输送装置一般可分为吸送式、压送式、混合式、循环式和脉冲输送等几种 基本形式。 ( 1 ) 吸送式气力输送装置如图1 1 。气源设备装在系统的末端，当风机运转后，整个系统形成 负压，管道内外存在压差，空气被吸入输料管。与此同时，物料也被空气带入管道，被输送到分 离器。在分离器中物料与空气分离，被分离出来的物料由分离器底部的卸料器卸出空气被送到 除尘器净化，净化后的空气排入大气。吸送式气力输送装置在粮食运输、装卸、加工中被广泛采 用。 ( 2 ) 压送式气力输送装置如图1 - 2 ，气源设备设在系统的进料端前，物料不能自由地进入输料 管，必须使用具有密封且保持压力的供料装置。当风机开动后，管道中的压力高于大气压力，物 料从料斗经供料器输入管道中，随即被压缩空气输送到分离器中。物料与空气分离并由卸料器卸 出。在该装置中，物料的输送都在压气管道一侧进行，输料管内的空气压力大于周围大气压力， 因此也叫正压气力输送1 4 。 图i i 吸送式气力输送装置图1 - 2 压送式气力输送装置 夹有物料的气流称为“两相流”，单位时间内输送的物科盘与消耗的空气量的比值称为“料 气比”，当料气比小于5 时称为稀相输送，料气比在5 2 5 时称为中相输送，当料气比大干2 5 时 称为密相气力输送p j 。上述的吸送式气力输送装置，是属于低真空吸送。压送式气力输送装置， 属于低压压送，都属于悬浮稀相动压力气力输送装置，而仓式泵压送则属于高压动力输送。仓式 泵输送是一个不连续的输送过程，先打开进料阀和排气阀，在常压下迸料。直到水平料位计发出 仓满指示信号为止，然后关闭进料阀和排气阀，打开高压气阀使罐内加压，当达到操作压力后， 打开输送空气阀门和卸料阀，物料开始输送。其结构简单、运转率高等优点，在水泥、冶金、化 工、电力等行业的粉状物料输送中得到广泛的应用【6 j 。 ( 3 ) 脉冲气刀式气力输送是近些年来才发展起来的技术。这项技术属于低速、低压、密相栓 流气力输送。当物料加入发送罐后，向罐内充入气体。物料在压力和重力的双重作用下进入输料 管。进入输料管的物料达到一定量时随即向管内喷入脉冲气流。这样物料在输送管中被割成一 段料柱、一段气柱间隔状。各段料柱借助前后气栓静压差推动滑移至卸料点。该装置由贮气罐、 发送系统、控制系统及附件组成，如图1 3 。 ( 4 ) 栓流输送方式还有内重管式和外重管式即旁通式输送技术。其运行机理是在输送管道沿 线另外设置一压缩空气管，按一定间距将通气管与输送管连通，如图1 - 4 。输送时压缩空气由旁通 2 可曲 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 管吹入输送管道，将管道内的物辩切割成段，形成栓流。当物料在管道中集聚成一个较长的料栓 时，紧靠其后的空气栓已不能推动它前进，此时管道中阻力的升高，使旁通管的压力开关自动打 开，压缩空气通过旁通管吹输送管道，将超长料栓切割成标准长度的料栓，使之顺利输送。料栓 在移动中，由于管道阻力的变化和气流对料栓的渗透等复杂因素，随时会合并生成新的栓柱，而 旁通管则马上又会将新的料栓切割成标准料栓。旁通输送的栓流就是在堵塞、疏通、再堵塞、再 疏通的过程中实现的”；。 图l - 3 脉冲气力输送装置围1 _ 4 旁通式气力输送装置 在低速密相气力输送系统中物料与空气不是混合输送，而是一段物料一段空气，具有电耗较 低、输送距离长等优点，但也存在着诸多问题。输送压力高。因此对设备选用要求高，输送距离 短时不太经济，输送物料颗粒形状有限制。 1 2 气力输送试验装置测控技术研究 气力输送的装置设计和生产都以确定合理的运行参数为基础。由气力输送的理论研究表明气 流速度、固气浓度比、能耗等是最主要的运行参数。但由于气力输送的运行机理复杂，难以用一 般公式计算出运行参数的最佳值，往往是根据经验和试验确定。在茶叶气力输送系统中气流速度、 混合比、含水率等工作参数对的茶叶气力输送工作性能及产品质量有着及其重要的影响。由经验 值和正交二二次回归实验法可优选出这三个参数的最佳工作值”】。降低谷物气力输送系统能耗实验 中影响能耗指标的主要因素为输料管内风速和浓度比，影响能耗指标的次要因素为含水率，用二 次旋转回归实验法对参数的最佳工作值进行优化p 。在研究槽车密相补气式气力输送中，系统 运行的主要参数为混合比、输送风速、栓流气力输送压力降，由经验公式计算确定设计参数的工 作值i i “。气力输送系统中能耗是系统运行的重要经济参数，较大的能耗不仅会增加生产成本，也 会浪费能源。粉煤灰气力输送系统中，要求合理选择系统类型、合理选择输送速度、合理选择灰 气比、合理选用动力设备等来降低粉煤灰气力输送的能耗1 1 2 l 。要提高高原地区气力输送的效能也 必须选择合适的风速和浓度比l i ”。在仓式泵气力输送系统的优化设计中，通过对仓式泵输送装置 运行参数测试和分析，发现在菜一输送条件下其能耗最小，并以能量优化为目的，分析出能耗最 小时的最佳空气速度和输送量的配比i l “。因此，如何选择运行参数使能耗低、效益高是气力输送 领域发展至关重要的问题。 气力输送试验装置是研究最佳运行参数的输送台。研究气力输送过程中气流速度、固气浓度 河北农业大学硕士学位论文 比、能耗指标等参数的变化，分析参数之间的关系就需要对这些参数进行测试和数值的分析。 检测气力输送试验装置参数的传统方式是采用手工方法，应用传统的仪表、仪器。在稻壳气 力给料装置试验中为研究给料量、气固比这些主要实验参数与输送风量的关系，用l 阀调节输送 风量，给出最佳气固比l l 1 6 1 。在p v c 粉的气力输送系统试验中使用秤对固体质量进行测量， 用流量f 囤进行控制，将质量流量控伟0 在2 0 0 k g t ”l 。这种常规试验测试研究方法虽然能够对试验参 数进行检测和调控，但精度低，可信度差。 随着计算机技术和现代测试技术的发展，大量使用了传感器，p l c 及测控软件程序组成测控 系统。火电厂双套管紊流气力除灰系统中采用单元控制方式，根据时间和料位来控制输灰，运行 时计算机接收定时器和压力变送器送来的控制信号，监测单元母管压力【1 8 1 。在密相流态化气力输 送粉煤灰系统中，将流量表、压力变送器、温度变送器等组成检测系统，控制系统由p l c ( 可编 程序控制器) 和上位机( p c ) 组成，实现对设备和阀门的启停操作i l 。电厂除灰气力输送系统 研究中用p l c 对管道压力变送器，料仓高低料位计及阀门仪表等进行控制田j 。飞灰的正压浓相 气力输送系统中，采用p l c 监控显示灰库料位，由压缩空气母管上的压力传感器信号控制启、停、 加卸载压缩机组 2 1 】。在仓泵气力输送试验台设计研究中用料位器和荷重传感器测量物料质量。用 旋涡流量计测量空气流量压力由不同部位的压力传感器测定。该试验台由计算机自动控制进气 阀门，实现了计算机自动测控仓泵气力输送试验田j 。以上的测试系统由计算机、p l c 与各传感器 组成的，虽能实现密相气力输送系统的自动检测与控制，但不能自动分析气流速度、固气浓度比、 压降能耗等参数的关系，对试验装置参数的控制只是依据经验值或由公式计算出的设计值，不能 实现实时的测试和数据的分析、处理，且价格昂贵。而粮食生产等部门的气力输送主要仍是悬浮 稀相气力输送方式“”“，电耗大一直是粮食气力输送单位要解决的首要问题。但针对稀相气力输 送装置运行参数测控系统的研究非常少。在气力输送试验装置尤其是稀相气力输送台上组建测控 系统，自动测试运行参数，对测试参数自动分析处理得出参数间的数值关系，将有利的推动气力 输送领域尤其是粮食行业发展的理论研究与生产实践。 为此研究气力输送试验装置参数的测控方法，实时检测试验参数，自动调控试验工况，自动 分析试验数据给出最佳运行参数是目前气力输送领域重要的研究内容。虚拟仪器技术以其强大的 软件功能为测试领域的发展开辟了新的道路，将虚拟仪器技术应用于气力输送试验装置测控系统 将为气力输送的发展提供新的研究方法和思路。 1 3 本课题的研究目的及意义 气力输送指管道中高速流动的空气与物料混合后的输送过程。气力输送具有输送速度高输 送量大，提高工效，能灵活地配管，便于把物料输送到目的地，配制也较方便，有利于建立自动 流水线的特点口1 。但其所存在的功率消耗大、物料易损伤等缺陷，影响了气力输送在更广泛领域 里的应用1 2 6 j 。因此如何选取合理的参数是气力输送研究的重要课题。用传统的仪器对试验参数进 行检测、分析和控制，存在人为影响较大，自动化程度和可信度低，功能固定开发维护费用高 等缺点。现代测控技术在计算机和微电子技术基础上得到了快速发展，传感器测量，层析成像等 技术以及单片机控制、p l c 控制、现场总线控制等技术应用于气固两相流及气力输送装置，使得 4 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 气力输送领域得到了极大的发展。但如何对气力输送试验装置的参数进行实时检测，自动分析处 理数据，显示参数间的数值关系，给出最佳参数配比。系统成本低实用、可靠是目前气力输送 急追的研究任务。将虚拟仪器应用于气力输送系统不但具有现代测控技术高效精密的特点，还可 根据需要创建自己的仪器系统，对不同参数进行多范围的自动测试，对输送不同物料、不同类型 的气力输送装置建立自动检测和控制系统。 虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。它由通用个人计算机、模块化功能硬 件和控制软件所组成。操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的运 行完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储以及数据生成口”。在虚拟仪器系统中，硬 件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。任何一个使用者都可以通过 修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说口”。 新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪 器，用户可以完全根据自己的需求自己组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定的传统仪器 的限制。 本课题在现有稀相吸送式气力输送试验台的基础上，利用虚拟仪器技术( l a b w i n d o w s c v ) ， 设计了一种气力输送试验装置的自动测试与调控系统。该系统能自动采集气力输送试验参数数 据；自动进行数据分析和处理，并给出最佳参数配比。自动调控给料量和输送风速。测控软件采 用模块化设计方法对采集数据进行分析、对比，选用能耗最小时气流速度、气固浓度比的最佳参 数组合功能强大，界面友好，成本低廉。这套自动测控系统能增强气力输送试验装置的性能， 提高对工艺参数的测量和控制水平，降耗节能，为气力输送在更广泛领域里的应用提供了可靠的 理论和技术支持。其影响是深远的。 1 4 本课题的研究任务 本课题应用虚拟仪器技术、传感器技术、计算机技术在稀相气力输送装置上进行硬件和软件 设计。实现对气力输送试验装置参数的自动检测和控制。测控系统研究的任务包括： ( 1 ) 自动检测气流速度、能耗等气力输送试验装置参数信号。 ( 2 ) 自动控制气力输送试验的工况，调控气流速度、固气浓度比使试验自动化、连续化。 ( 3 ) 自动检测固气浓度比。 ( 4 ) 对检测到的数据进行处理，显示参数间的关系曲线， ( 5 ) 并对检测到的参数进行回归分析和方差分析，得出参数间的数值关系及最佳参数配比。 ( 6 ) 软件界面友好，易维护，成本低。 5 河北农业大学硕士学位论文 2 系统的总体设计方案 2 1 测控系统试验参数的确定 在粮食行业中，稀相气力输送装置因成本低，设备简单而应用广泛。本系统在现有稀相气力 输送装置上设计自动检测和控制系统。由气力输送的理论和实践可知气力输送中最主要的参数为 能耗指标，而气流速度、固气浓度比与能耗指标紧密相关。本系统的试验参数即为垂直输料管的 气流速度、固气浓度比和能耗指标。 2 2 试验参数测试方法的选择 在气力输送及气固两相流领域，气流速度、固气浓度比和能耗指标的测试方法很多，在工业 现场和试验研究中要根据不同的输送方式，输送设备，输送物料选择适当的测试方法。下面分别 介绍各个试验参数的测试方法及本课题对各试验参数测试方法的选择。 2 2 1 气流速度的测试 理论上的经济输送风速或最佳风速一般是指临界风速。临界输送风速指在给定输料管径和输 送浓度条件下，管道等速段两相流压损为极小值时的输送风速。以临界风速进行输送在理论上能 耗接近最小而效率最高，以此作为确定输料管实际输送风速的理论依据【l l 。尽管理论分析和实验 结果早已证实了垂直输料管中临界风速的存在但至今缺乏实用的计算公式，只能单一地参考物 料悬浮速度口”为理论基准来选择实际输送风速。这存在很大的局限性。本课题的误4 控系统在垂直 气力输送管道的等速段检测气流速度，通过分析气流速度与能耗的关系来选择最佳气流速度。 气漉速度的测定方法很多，以前一般介绍采用高速摄影法，但高速摄影机本身价格较高，且 使用时口求足够的灯光照明，需要大量摄影胶片加上冲洗、读数整理等，费用太高。激光测速法， 对管道等有一定要求而不易实现。放射性示踪法p 0 j 能测定气力输送中的物料速度，并通过对所测 得不同管径和风速条件下能通畅输送物料的速度与对应风速、输送量关系的定量分析，求得能耗 最低的最佳管径、风速、混合比参数，但费用较高。以往国内对气力输送装置主要运行参数的测 定大多采用常规方法，即采用毕托管、u 型压力计、微压计或孔板流量计”等进行风压、风速、 风量的测定。这些仪表如液体压力计使用简单，比较精确且价格便宜，但测点较多，需要同时读 数，要求实时测定输送过程的变化并加以记录时，用常规方法就难以满足要求。现代动态测试方 法与常规的传统测量方法大大不同。它包括信号采集、信号变换与传输、信号处理与分折、信号 6 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 记录与显示m i 。现代动态测试系统由传感器、信号调理电路、多路转换开关、采样保持电路( s h ) 、 模数转换电路( a d ) 、接口电路、计算机等组成，不仅测试数据精确，数据分析及处理能力强， 而且成本低易维护。 因此本课题采用孔板和压差变送器、数据采集板、计算机及虚拟仪器软件组成气流速度的动 态测试系统。孔板节流装置和压差变送器完成对压差信号的采集和调理，插入式数据采集板包括 多路转换开关、采样保持电路( s h ) 、模数转换电路( a d ) 、接口电路等部分。虚拟仪器软件将 采集到的压差信号通过公式计算得出气流速度，显示并存储气流速度值。该动态测试系统不仅能 实现气流速度测试的自动化，而且能提高测试精度。系统包括信号通道选择、放大倍数选择、采 样频率选择等多种选择功能。包括信息处理与分析功能，显示与记录等功能。 2 2 2 固气浓度比的测试 固气浓度比指的是通过以输料管为断面的物科的质量流量与气体质量流量之比l j 。检测固气 浓度比可以通过测试固体质量流量来实现。国内外检测固体质量流量的方法很多。静态流量控制 法是指将流量变化的物料通过一定的装置转化为恒定流量的方法，可以采用几个行程开关来控制 物料流量。静态流量控制法结构简单、成本低，但是不能实现物料流量的动态控制p 。流量平衡 器由供料闸门调节、流量检出器、气动调节和流量设定等部分组成，也不能实现物料流量的动态 控制。重力式电子皮带秤按照力学中的悬索原理工作的，但其占用空间比较大，成本较高，对于 粉状物料就更不适用了。采用冲量法谷物流量测量系统是一种基于谷物流动过程的物理模型和测 量试验装置，控制精确度不高易受多种因素的影响，如谷物种类、用量等p ”。冲击流量计可分为 垂直位移和水平位移两种，它们都是依据自由下落的物料具有动量，作用在检出板上面产生微位 移( 或应变) 而工作的，但其精确度受振动情况影响很大。核子式流量计计量不是采用压力原理， 而是利用y 射线通过物体时被吸收的特性，测出y 射线的吸收量，通过计算机处理后得到散粒体 的重量。核子式流量计可以非常精确地检测到谷物流量的变化情况，但是其结构复杂造价很高， 如果控制不好，对人体辐射伤害很大。多普勒方式是以d o p p l e r 频移定理作为固体速度测量的基 础。互相关速度测量方式从价格、维修和应用角度来讲，比多普勒方式好，但其精确度不高，这 主要是由相关函数峰值点不易寻找准确造成的。能够实现互相关方式的传感器有：电容传感器 1 3 v 3 8 1 、电动力传感器、声传感嚣、光传感器和辐射测量传感器。相关法测速【3 9 】的特点是测量范围 宽，有很强的适应性。但利用该法测出的流速都高于平均流速，存在较大的系统误差。为了克服 相关法的缺点。目前的改进方法有：梯度相关法【4 0 j 、参数估计法和波形法1 4 “。在最近几年已经报 道了使用电容，电动力式传感器、光传感器的空问滤波方式测量固体速度时的情况。一殷来说，工 作在空间滤波方式的传感器在设计和结构方面比互相关方法更复杂1 。 还可以利用音频范围内的声波，在线测量气力输送管路的固体流速和空气流速i 。该方法应 用固体的体积浓度与声脉冲信号变化相关的原理。一种工业用固体流量计可以检测固体质量，是 用不同物料实验的气流压降与固体质量成线性这一现象基础上研究的f 4 4j 。还可利用电容传感器及 电容层析成像技术测量固体质量流量【4 ”。上述试验方法使用了先进的两相流参数检测的硬件仪器 和控制方法，精确度、灵敏度高，但其价格昂贵，在气力输送装置参数测控中广泛应用存在着很 大难度。 。 7 河北农业大学硕士学位论文 软测量技术是近年来在过程控制和检测领域涌现出的一种新技术，是目前过程检测和控制研 究发展的重要方向。软测量技术应用计算机技术，对于一些难于测量或暂时不能测量的重要变量， 选择另外一些容易测量且与其有关的变量，通过构造某种以辅助变量为输入、主导变量为输出的 数学模型，用计算机软件实现主导变量的估计。这类数学模型及相应的计算机软件即被称为软测 量器或“软仪表”，其估计值可作为控制系统的被控变量或反映过程特征的工艺参数，为优化控 制和决策提供重要信息。软测量技术的产生和发展为解决两相流动的参数检测问题提供一条新的 思路和途径”。 本课题采用b p 神经网络预测的软测量方法检测固气浓度比。由气力输送的运行机理确定主 导变量为固气浓度比。辅助变量为管道的总压降和气流速度。在气力输送等速段管道两端用橡皮 管与压差传感器相连，测管道的总压降。由孔板和压差变送器检测气流速度。神经网络结构为三 层前向网络。软测量的软件应用m a t l a b 强大的功能函数进行固气浓度比的神经网络预测。本 课题的测控系统将虚拟仪器与神经网络预测相结合，对固气浓度比进行自动检测和试验工况的自 动控制。 2 2 3 能耗指标的测试 国际上通常以输送量和输送距离平均消耗的功率作为衡量能耗的指标，因此可以认为能耗指 标是单位管长单位重量的能量损失。由风机轴功率和物料的质量流量即可得出能耗指标k 。见式 2 1 和式2 2 。 他= 卫9 5 5 0 ( ( 2 1 ) 、 ， 、 。 式中n 。为风机轴功率，f 为风机与电机轴的扭矩，1 1 为风机的转速。 k = 譬( k w h t m ) ( 2 2 ) m s l 式中m ，为物料的质量流量，l 为气力输送管道长度。 本课题所用试验装置的管道长度固定，所以管道长度不作为试验变量，选用电能比耗作为能 量消耗指标。 k = 竺( k w h k g ) ( 2 3 ) m s 检测风机的轴功率和气力输送的给料量就能得出能耗指标值。功率测蠹方法有电测法和扭矩 法。电测法是通过测量电机电枢的电流和电压由公式计算出风机轴功率的方法。此种方法为 闻接测量，且测量参数较多，检测结果不准确。扭矩测量法是通过测量电机的输出扭矩丙计算轴 功率的方法，此种方法测量电路简单且结果较为准确。本课题的测控系统采用在电机与风机转轴 之间安装扭矩传感器，在计算机软件处理中把扭矩信号按公式计算成功率值的方法来测量轴功率 信号，摄终得出能耗指标。 8 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 2 3 系统总体设计方案 2 3 1 虚拟仪器在本课题的应用 虚拟仪器指的是具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器，由通用个人计算机、测试功能硬件和 控制软件所组成。操作人员通过友好的图形用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的运行。基 于p c 机的虚拟仪器系统，充分利用了现成即用的p c 机所带来的最新科技。这些科技和性能上 的优势迅速缩短了独立的传统仪器和p c 机之问的距离，包括功能强大的处理器、操作系统。除 了融合诸多功能强大的特性，这些平台还为用户提供了简单的联网工具。此外，传统仪器往往不 便随身携带，而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，充分体现其便携性。一台传统仪器可能包括 一套集成电路用于实现特定的数据处理功能，而在虚拟仪器中，只需在p c 处理器上运行软件程 序即可实现这些功能，还可以对这些功能加以扩展，因此虚拟仪器具有更多的灵活性。 随着集成电路技术的发展进步。现成即用的元件价格更低廉、功能更强大，由其制成的插入 式数据采集板使虚拟仪器系统具有更高的数据采集速率、测量准确度、精度以及更好的信号隔离 功能。用户可以通过功能强大的软件创建具体的应用系统与用户界面，自己定义应用程序如何并 何时从硬件设备中采集到数据、如何处理、分析并储存数据及如何显示结果。软件所能提供的一 个重要优势就是模块化。处理一个大项目时，可以根据不同功效将其分成几个单元。分割之后的 子任务更加容易处理，也容易进行测试。 将虚拟仪器应用于本课题能彻底改变传统测量仪器功能固定的限制，自定义气力输送试验参 数的测试仪器功能。虚拟仪器软件与其它软件的结合更丰富了软件的数据处理功能。本系统将 m a t l a b 与l a b w i n d o w s c v i 相结合，建立基于神经网络的虚拟仪器实现固气浓度比参数的软测 量。测试硬件与模块化的虚拟仪器软件共同组建的测控系统能自动采集气力输送参数信号，自动 分析处理并保存数据，实现气力输送试验参数测试的自动化。 2 3 2 总体设计方案 根据以上试验参数测试方法的选择，基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统采用孔板和 压差变送器、管道压差传感器、扭矩传感器及数据采集板等硬件实现气流速度、固气浓度 b 和能 耗指标等试验参数的实时检测。测控系统试验工况的自动调控利用变频调速器、可控硅等执行机 构完成。测控软件对采集的试验数据信号自动处理，自动分析参数间的数值关系。测控系统总体 方案如图2 一l 。 在气力输送试验装置的等速段安装有孔板和压差传感器用于测量气流速度：管道两端有橡皮 管与管道压差传感器相连用于测量压降，应用基于神经网络的软测量法预测出固气浓度比：在电 机与风机轴联处安装扭矩传感器用于测量电机的轴功率，进而得到能耗指标。数据采集板接收各 个传感器测量到的气流速度、固气浓度比与能耗指标这些试验参数的输出信号，经a d 转换输出 数字信号给计算机，测控软件对数据进行分析、处理。 9 河北农业大学硕士学位论文 系统按照试验方案自动控制试验工况。系统软件根据不同气流速度试验值向数据采集板发出 控制信号，通过d a 转换输出模拟电信号给变频调速器。变频调速器通过调节电源频率来调节异 步电动机的转速从而控制气流速度。对固气浓度比的调控则是将不同的固气浓度比的控制信号发 给数据采集板，经d a 转换输出o - - - 3 v 的模拟电信号到控制箱，通过调节触发可控硅的导通角， 来控制电磁振动给料机的给料量，调节浓度比。 注：l 压差变送器2 管道压差传感器3 扭矩传感器4 变频调速器5 电磁振动给料机控制箱( 可控硅) 图2 1气力输送试验装置测控系统 软件的数据处理模块能实时地显示气流速度、固气浓度比与能耗指标的变化，基于最小二乘 法理论的曲线拟合能分别显示气流速度、固气浓度比与能耗指标的关系曲线。试验优化模块应用 正交二次旋转回归统计分析法建立试验数据的回归方程，法式分析法优化能耗最小时的气流速度 与固气浓度比。总体设计的原理框图如2 - 2 。 1 0 图2 - 2 总体方案设计原理框图 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 2 4 测控系统实现的目标 在现有的气力输送试验装景的基础上组建测控系统。系统采用孔板和压差变送器检测气流速 度 应用神经网络的软测量法用电容式压差传感器预测固体物料的质量流量；用变频调速器控制 电机和风机的转速：触发可控硅导通角控制电磁振动给料机的给料量；采用插入式数据采集板实 现计算机与硬件输出信号的接口以及虚拟仪器软件组成测控系统，实现阻下功能。 ( 1 ) 自动采集压差变送器、扭矩传感器等的输出信号，结合神经网络软测量实时检测气力输送的 运行参数。 ( 2 ) 对采集的信号进行公式换算等数据处理得出气力输送试验装置的运行参数，如气流速度、固 气浓度比和能耗指标。 ( 3 ) 自动调控试验工况，控制每个试验工况的给料量和输送气流速度。 ( 4 ) 自动进行数据分析和处理，能向用户显示参数值及参数间的关系曲线。 ( 5 ) 按照正交二次旋转回归试验设计进行统计分析得出气流速度、固气浓度比、能耗指标间的回 归方程，优化算法得出能耗最低时气流速度、固气浓度比的最佳参数配比。 ( 6 ) 能实现采集信号的历史查询，试验方案及结果的历史查询。 河北农业大学硕士学位论文 3 测控系统的硬件设计 硬件系统是整个测控系统的物理基础，在满足系统功能要求的同时，还要考虑系统精度、分 辨率、传输速度等技术指标，对硬件系统进行优化设计。本测控系统的硬件包括气力输送装置、 试验参数的检测硬件、数据采集板和控制单元。下面分别进行介绍。 3 l 气力输送装置 气力输送装置采用自行设计的p c s - 2 0 型试验台。该装置属于稀相吸送式气力输送试验装置。 其主要机构包括g z l 型电磁振动给料机、诱导式接料器、巾1 0 8 m m 输送管道、卸料器、 4 7 2 1 2 - n 0 2 8 型风机、y 9 0 s 一2 型电动机。如图3 - 1 。 注：l 料斗2 电磁振动给料机3 接料器4 输科管5 卸料器6 排风管7 风机8 电机 圈3 - l 气力输送试验装置 3 2 试验参数的检测硬件 在测控系统中，信息的采集离不开各种传感器，传感器感受外界的各种“刺激”并做出迅速 的反映。它能感受被测物理量并将其转换为便于传输或处理的另一种物理量”“。一般传感器是将 被测的非电量转换为电量。信号调理电路将传感器输出的微弱信号进行放大或其它变换等加工处 理，以便使传感器输出信号与a d 相适配。变送器集中了传感器与信号调理电路，其输出信号可 基于虚拟仪器的气力输送试验装置测控系统研究 直接进行a d 转换。气流速度的测试硬件选用了压差变送器，固气浓度比的测试硬件选用电容式 压差传感器，能耗指标的测试选用扭矩传感器。 3 2 1 气流速度测试硬件 气流速度的测试是通过在气力输送的等速段管程安装孔板和压差变送器测量压差信号，再由 软件对数据进行分析处理，换算成流量和气流速度。在管道的等速段测试气流速度是因为垂直上 升管流的浓度场和速度场较之水平管流更均匀对称，粉料混合更均匀。 ( 1 ) 测试原理 试验过程中观察有机玻璃输送管道中输送物料处于悬浮状态时，根据流体连续方程【4 ，此时 风量q = v a 。在等速段的适当位置安装节流孔板，气流经过孔板后，压力发生改变，根据孔板前 后的压力差即可计算出经过风管的体积流量f 州，进而计算出气流的临界速度。孔板法不仅可一次 测定风机流量，而且测值准确，虽然气体和固体的混合的两相流体流过孔板会有能量损耗，但由 于固气浓度比非常小，基本可以忽略。 节流装置测量流量依据的基本理论和方程式都是理想流体的伯努力方程式。假设流体是不可 压缩的( 密度p 不变化) 、理想的( 流体没有粘性) 、定常流动(