（流体机械及工程专业论文）冲击式模型水轮机效率测试系统与性能研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = ：= ：= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = a b s t r a c t t h ef r a n c i st u r b i n et e c h n i q u eh a sg r o w n t oc o m p a r a t i v e l yh i g hl e v e l ，b u tt h a to ft h e p e l i o nt u r b i n ec a n ts a t i s f yt h en e e d so f p r o d u c t i o ni no u rc o u n t r yi ti si m p o r t a n t t oe n f o r c e m e s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o f t h ep e l t o nt u r b i n ew i t hc u r r e n te x p e r i m e n tf a c i l i t y t e s ts y s t e md e v e l o p m e n to fm o d e lt u r b i n ea n dp e r f o r m a n c es t u d yw e r ei n c l u d e di n t h i sp a p e r f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n gs t a t u so f t h ef o r e i g np e l t o nt u r b i n ea n dt h a ti nh o m e l a n dw a s c o m p a r e d t h ei n t e n t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i sw a si n d i c a t e di nt h i sc h a p t e ra tt h e g a l l i ct i m e r h ee m p h a s e so ft h i sp a p e rw e r ed e v e l o p i n gat e s ts y s t e mf o rt h en e e do ft h es t u d y l h i s s y s t e mc a r e dt h et e s te q m p m e n ta n dt h ec o n d i t i o no f t u r b i n ee x p e r i m e n te n o u g h d 1 f f e r e n ts i g n sw e r ec o l l e c t e di nd i f f e r e n tw a yi na c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r sa f t e rb e i n g d e a l ta h e a dt h ea u t h o rm a d ep r o g r a mw i t hm e t h o do fo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n ga n d m a d et h et e s ts y s t e ms i m p l ea n dr e l i a b l eb yi t se n c a p s u l a t i o n , w i t ht h ec l a s se n c a p s u l a t i n g t h ed i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e so f t h et e s ts y s t e m , a n db ys e n d i n gm e s s a g ea n di n h e r i t a n c e t h e a c c u r a c yo f t h e t e s ts y s t e mf i t st h ei n t e r n a t i o n a la n dn a t i v ec r i t e r i o n t h e nt h ef l o wi nt h eb u c k e to fp e l t o nt u r b i n ew a sa n a l y z e db yt h ew a yo fn u m e r i c a l c o m p u t a t i o n o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t ，t h ea p p l i c a t i o no f c f d t e c h n i q u ei nt h er e s e a r c h ( ) t h et u r b i n ew a si n s t r u c t e di nt h i sp a p e rt h ea u t h o rs e tf o r t hh o wt os i m u l a t e ，c o m p a r e a n da n a l y z et h em r b u l e n t j e tf l o w o ft h en o z z l et h r o u g has p e c i f i ce n g i n e e r i n gi n s t a n c ea l l o ft h e s ec a i lb eu s e dt oi n s t r u c tt h e d e s i g na n do p e r a t i o no f t h e t u r b i n e e v e n t u a l l yt h ea c h i e v e m e n ta n ds h o r t c o m i n gi nt h i sp a p e rw e r es u m m e du p a tt h e s a m e t i m e ，t h ea u t h o ri n s t r u c t e dt h ep r o s p e r i t yo f t h ep e l t o nt u r b i n e k 吖w o r d ：p e l t o nt u r b i n e t e s ts y s t e m o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g n u m e r i c a lc o m p u t a t i o nc f d t e c h n i q u ep e r f o r m a n c es t u d y 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 绪论 本章阐述了冲击式水轮机的优点、总结了国内外冲击式水轮机技术发展状况、提 本课题研究的方法和意义，最后扼要介绍了本文相关工作。 11 冲击式水轮机的优点 伴随着国民经济的高速发展我国的电力事业得到迅猛发展，尤其是水电，作为 一种既经济又清洁的能源资源，在环境这个主题日益被重视的今天，更是蒸蒸日上。 过去几十年的时间里，低水头的水力资源已经得到比较充分的开发，混流式和转 絮式水轮机获得了最为广泛的发展，无论是单机容量和机组尺寸还是安装这些水轮机 f r ! 水电厂容量都达到比较高的水平。相对而言，冲击式水轮机则应用的比较少。但是， 灌t 击式水轮机相对混流式水轮机具有以f 优点f l j ： ( 1 ) 冲击式比混流式水轮机更适合高水头，在我国广大的山区，拥有丰富的高 爪头天然水流，充分利用这些水资源，不仅是水电事业的需要，也是发展山区经济， 提高人民生活水平的需要； ( 2 ) 冲击式水轮机多采用多喷嘴，部分负荷时所有喷嘴不完全工作从而使水轮 机的效率比较高； ( 3 ) 冲击式水轮机工作特性曲线坡度平缓，而且冲击式水轮机结构简单、易损活 动件! 多，导水机构元件和转轮更换简单并且无复杂密封。 因此，大力发展适合于高水头的冲击式水轮机并进行持续的研究工作，丰富各种 转轮的型谱，开发效率高、大功率的冲击式水轮机，不仅有利于水电技术的发展，也 有利于国民经济的提高。 1 2 国内外冲击式水轮机技术发展状况 通过采用先进的研究和加工技术，国外的冲击式水轮机已经发展到相当高的水 乎单机出力和使用水头已经突破原来的极限( 瑞士的b i e u d r o n 电站净水头达到 l8 ( ，9 m ，单机容量4 2 3 m w ) ，冲击式水轮机的使用也更加广泛。下面以比较具有代表 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 绪论 本章阐述了冲击式水轮机的优点、总结了国内外冲击式水轮机技术发展状况、提 本课题研究的方法和意义，最后扼要介绍了本文相关工作。 11 冲击式水轮机的优点 伴随着国民经济的高速发展我国的电力事业得到迅猛发展，尤其是水电，作为 一种既经济又清洁的能源资源，在环境这个主题日益被重视的今天，更是蒸蒸日上。 过去几十年的时间里，低水头的水力资源已经得到比较充分的开发，混流式和转 絮式水轮机获得了最为广泛的发展，无论是单机容量和机组尺寸还是安装这些水轮机 f r ! 水电厂容量都达到比较高的水平。相对而言，冲击式水轮机则应用的比较少。但是， 灌t 击式水轮机相对混流式水轮机具有以f 优点f l j ： ( 1 ) 冲击式比混流式水轮机更适合高水头，在我国广大的山区，拥有丰富的高 爪头天然水流，充分利用这些水资源，不仅是水电事业的需要，也是发展山区经济， 提高人民生活水平的需要； ( 2 ) 冲击式水轮机多采用多喷嘴，部分负荷时所有喷嘴不完全工作从而使水轮 机的效率比较高； ( 3 ) 冲击式水轮机工作特性曲线坡度平缓，而且冲击式水轮机结构简单、易损活 动件! 多，导水机构元件和转轮更换简单并且无复杂密封。 因此，大力发展适合于高水头的冲击式水轮机并进行持续的研究工作，丰富各种 转轮的型谱，开发效率高、大功率的冲击式水轮机，不仅有利于水电技术的发展，也 有利于国民经济的提高。 1 2 国内外冲击式水轮机技术发展状况 通过采用先进的研究和加工技术，国外的冲击式水轮机已经发展到相当高的水 乎单机出力和使用水头已经突破原来的极限( 瑞士的b i e u d r o n 电站净水头达到 l8 ( ，9 m ，单机容量4 2 3 m w ) ，冲击式水轮机的使用也更加广泛。下面以比较具有代表 华中科技大学硕士学位论文 曩的s u l z e r 水电公司的情况作说明引。 s u k 斟公司在冲击式水轮机技术方面取得了许多新的开发成果，其中最重要的 霉：分归纳如下： ( 1 ) 在各种运行工况，对冲击式水轮机转轮旋转水斗不稳定压力分布进行了测 菱；：。这些测量的复杂性和实际关联远远大于对非旋转水斗进行的测量。并根据上述测 量和准确压力分布，采用有限元法对冲击式水轮机水斗和整个转轮部分进行详尽的应 ，分析； ( 2 ) 根据断裂力学，采用先进的理论工具和实践经验对残余寿命进行分析， 堪就使我们可以向用户提出有关冲击式转轮检修期的建议； ( 3 ) 用完整的三维转轮曲面( 水爿，根都和轮盘) 采用准确的数学符号表示方 毫，是使用c a m 技术制造高精度和具有相似性的真机转轮的基础： l 4 ) 对斗叶射流相互干扰的全过程中，关于飞溅水流的形成，进行详尽的研 + 。对于s u l z e r 公司提出的有关冲击式水轮机的空化保证的建议，i e c 有关部门已经 乎于考虑。 c 5 ) 采用了m i c r o g u s s 技术。m i c r o g u s s 技术特点是：转轮轮盘，包括承受高 奇载的水斗根部，采用艇块不锈钢全锻件，数控加工而成。水斗的其他部分采用全臼 匆，焊接机械手，逐层堆焊而成；水斗的最终翼型由数控加工，水斗全部表面进行铲磨。 隆于承受高负荷的根部采用了比较好的材料，冲击式水轮机寿命得以延长。由于整个 席j 、 表面采用数控加工，水斗几何尺寸具有较高的精度和均匀的几何翼型。 目前我国冲击式水轮机的研究、开发仍然停留在上个世纪七、八十年代的水平， 棱型转轮只有c j 2 2 、a 2 3 5 、a 2 3 7 等少数几种。c j 2 2 的模型最高效率为8 73 ，a 2 3 5 、 a 2 3 7 模型最高效率为8 9 8 ，都远远落后于国外水平。现阶段我国冲击武水轮机的 研究开发单位也很少，原有的研究单位由于种种原因也中断了研究。1 9 9 8 年华中理 【大学水力机械教研室建成冲击式水轮机试验台，恢复了国内冲击式水轮机方面的研 究一 作，并在冲击式水轮机数值模拟方面与日本合作、首次在国内开展冲击式水轮机 内部流动的数值模拟研究。 在电站建设方面冲击式水轮机的发展也远远不能满足生产和经济发展的需要， 华中科技大学硕士学位论文 单坷l 容量基本上都在1 0 m w 以下( 前文提到国外已经建成电厂单机容量达4 2 3 m w ) c 而我国西部蕴藏有丰富的高水头资源，建设大功率的冲击式水电站，发展西部经济， 是馔存冲击式水轮机研究前面的一个重大的课题。因此加强冲击式水轮机技术的研 究把现代新兴的工艺技术、计算机技术和流体力学计算技术应用于设计和生产- 已 经钱为刻不容缓的任务_ 。 i ： 模型水轮机效率测试系统及性能研究概述 华中科技大学水力机械实验室的冲击式水轮机试验台是与日本神奈川大学共建 足我国目前仍在使用于研究和开发冲击式水轮机模型转轮唯一的试验台。冲击式水轮 机的研究主要以模型试验为手段，通过性能的综合试验，分析比较不同型式转轮的性 能差别。解析计算水流通过过流部件的流动状况( 压力、速度分布等) ，进而研制出 高性能的冲击式水轮机。 r ，f 冲击式水轮机开发i i 一一一一 j 转轮设计一 i i 一i 一 流动解析卜一 一j i ! 一一i jj 转轮模型制作 l 一j l 一一 j 一性能试验1 1 1 1 一一 f f 一一 l 一性能评估1 l 一 图1l 冲击式水轮机研究方法 图】1 所示为冲击式水轮机模型转轮开发研究的基本过程，相对传统的研究方法 谶题组采用了最新的c f d 技术对喷嘴和转轮内部水流流动状况进行模拟。这样既可 # j 对转轮性能进行初步预测，避免模型过多改型从而大量减少了开发费用，又可以对 试验结果进行分析总结，为设计新的水轮机模型提供理论依据。同时为了研究出性能 优良的转轮，需要建立高精度的试验装置及可靠的试验测试系统。 一一_ - _ _ _ _ 一 3 华中科技大学硕士学位论文 单坷l 容量基本上都在1 0 m w 以下( 前文提到国外已经建成电厂单机容量达4 2 3 m w ) c 而我国西部蕴藏有丰富的高水头资源，建设大功率的冲击式水电站，发展西部经济， 是馔存冲击式水轮机研究前面的一个重大的课题。因此加强冲击式水轮机技术的研 究把现代新兴的工艺技术、计算机技术和流体力学计算技术应用于设计和生产- 已 经钱为刻不容缓的任务_ 。 i ： 模型水轮机效率测试系统及性能研究概述 华中科技大学水力机械实验室的冲击式水轮机试验台是与日本神奈川大学共建 足我国目前仍在使用于研究和开发冲击式水轮机模型转轮唯一的试验台。冲击式水轮 机的研究主要以模型试验为手段，通过性能的综合试验，分析比较不同型式转轮的性 能差别。解析计算水流通过过流部件的流动状况( 压力、速度分布等) ，进而研制出 高性能的冲击式水轮机。 r ，f 冲击式水轮机开发i i 一一一一 j 转轮设计一 i i 一i 一 流动解析卜一 一j i ! 一一i jj 转轮模型制作 l 一j l 一一 j 一性能试验1 1 1 1 一一 f f 一一 l 一性能评估1 l 一 图1l 冲击式水轮机研究方法 图】1 所示为冲击式水轮机模型转轮开发研究的基本过程，相对传统的研究方法 谶题组采用了最新的c f d 技术对喷嘴和转轮内部水流流动状况进行模拟。这样既可 # j 对转轮性能进行初步预测，避免模型过多改型从而大量减少了开发费用，又可以对 试验结果进行分析总结，为设计新的水轮机模型提供理论依据。同时为了研究出性能 优良的转轮，需要建立高精度的试验装置及可靠的试验测试系统。 一一_ - _ _ _ _ 一 3 华中科技大学硕士学位论文 为此，本文主要做如下两个方面的研究：( 1 ) 、采蹈面向对象的程序设计方法开 发性能试验的效率测试系统；( 2 ) 、冲击式水轮机性能研究。 1 3 1 模型水轮机效率测试系统简介 冲击式水轮机作为种动力设备的原动机，它的任务是把蕴藏在水流中的能量转 化为机械能，以便使水轮发电机把这种机械能转化为电能。因此，水轮机作为一种能 蛩转换装置，它的转换效率是头等重要的指标，是评价能量转换装置优劣的最重要的 精标。通过水轮机模型的效率试验既可以鉴定水轮机的效率特性，又可以为水轮机的 毋 究工作提供最基础最重要的技术资料。而且随着科学技术的发展，模拟理论的完 善，水轮机试验台精度的提高，水轮机制造精度的提高，国际上有减少原型实测项目t f 。模型验收试验代替原型验收试验的趋势。因此，模型效率试验是一项非常重要的工 ，对充分利用水力资源，充分发挥水力发电厂的经济效益以及整个电阚的节能工作 穗、有二非常重大的意义。 冲击式水轮机模型效率测试系统，就是运用计算机技术和现代控制技术，对模型 毋率试验的测量数据进行实时纪录、对测量过程进行直接控制与评估。 系统的最大特点是集成程度高，主要的测试和控制工作通过一块数据采集卡得到 蛮现，该采集卡安装在普通个人p c 机的扩展槽就可以进行测试，前处理工作在另外 一块i j 行开发的集成电路板上。系统同时具有通用性和可扩展性特点，对软件作部分 修改，就能够应用于水泵试验台甚至其他试验装置。由于结构比较紧凑，系统的稳定 性和可靠性都比较好。 1 7 j 2 水轮机性能研究概述 水轮机性能研究是整个冲击式水轮机研究的一个最重要的环节。其研究手段科学 t j 旨和研究结果正确与否关系到冲击式水轮机技术的发展。为此，我们课题组与神奈 川k 学的久保田教授合作，对水轮机在不同的工况下进行对比研究，以得出冲击式水 轮机性能的一些特殊规律。 本文简单介绍了数值计算的方法在模型水轮机水斗绕流分析方面的应用，具体通 过射流的相对轨迹研究水斗安装直径对水轮机性能的影响。 华中科技大学硕士学位论文 但是，从模型研究预估真机的性能时往往忽视了比尺效应的存在，传统的相似定 理计算结果存在的巨大偏差越来越明显，偏差的方向与反击式水轮机刚好完全相反。 擞句话说，真机的实际性能往往要比预估的性能差。为了更加准确地与预测真机的性 链，本文采用最新c f d 数值模拟技术对真机不稳定的喷嘴射流进行分析。这项技术 s j 性能试验相结合可以更好地预测电站喷嘴改造的效果，而改造后真机的优良性能， 也证明了模拟的准确性。同时这也是在国内首先对冲击式水轮机c f d 技术进行的 初步研究。 】4 研究的主要内容与本文撰写的结构安排 对一个实验台，模型试验的可靠性取决于测试系统的精度，因此开发一套简单可 氯的模型水轮机效率测试系统是本研究的主要1 作，在此基础上开展水斗绕流特性分 # 二、喷嘴射流的数值模拟是研究的另一个主要内容。目的就是克服国内在这方面的研 筝：工作的不足，把现代控制技术、计算机和数学技术应用于水轮机的开发和设计。为 虞，研究主要按照以下顺序展开： ( 1 ) 认真分析试验的功能需求，建立效率测试系统的硬件和软件逻辑结构，并 吞此基础上进行硬件设计和软件编程工作： ( 2 ) 对试验结果结合现代研究方法进行对比研究，总结冲击式水轮机性能特点。 在论文的撰写中，作者将详细介绍效率测试系统的设计和性能研究的相关工作。 越内容安排如下： 第二章冲击式模型水轮机效率测试系统，包括基本原理、硬件和软件设计； 第三章冲击式水轮机水斗绕流特性研究，并简单介绍数值计算在水轮机内流态 ，兮析中的应用； 第四章运用冲击式水轮机c f d 技术，对喷嘴射流进行数值模拟并比较分析； 第五章总结与展望，介绍课题研究取得的主要成果和有待于解决的问题，提出 后续研究工作的展望。 华中科技大学硕士学位论文 但是，从模型研究预估真机的性能时往往忽视了比尺效应的存在，传统的相似定 理计算结果存在的巨大偏差越来越明显，偏差的方向与反击式水轮机刚好完全相反。 擞句话说，真机的实际性能往往要比预估的性能差。为了更加准确地与预测真机的性 链，本文采用最新c f d 数值模拟技术对真机不稳定的喷嘴射流进行分析。这项技术 s j 性能试验相结合可以更好地预测电站喷嘴改造的效果，而改造后真机的优良性能， 也证明了模拟的准确性。同时这也是在国内首先对冲击式水轮机c f d 技术进行的 初步研究。 】4 研究的主要内容与本文撰写的结构安排 对一个实验台，模型试验的可靠性取决于测试系统的精度，因此开发一套简单可 氯的模型水轮机效率测试系统是本研究的主要1 作，在此基础上开展水斗绕流特性分 # 二、喷嘴射流的数值模拟是研究的另一个主要内容。目的就是克服国内在这方面的研 筝：工作的不足，把现代控制技术、计算机和数学技术应用于水轮机的开发和设计。为 虞，研究主要按照以下顺序展开： ( 1 ) 认真分析试验的功能需求，建立效率测试系统的硬件和软件逻辑结构，并 吞此基础上进行硬件设计和软件编程工作： ( 2 ) 对试验结果结合现代研究方法进行对比研究，总结冲击式水轮机性能特点。 在论文的撰写中，作者将详细介绍效率测试系统的设计和性能研究的相关工作。 越内容安排如下： 第二章冲击式模型水轮机效率测试系统，包括基本原理、硬件和软件设计； 第三章冲击式水轮机水斗绕流特性研究，并简单介绍数值计算在水轮机内流态 ，兮析中的应用； 第四章运用冲击式水轮机c f d 技术，对喷嘴射流进行数值模拟并比较分析； 第五章总结与展望，介绍课题研究取得的主要成果和有待于解决的问题，提出 后续研究工作的展望。 华中科技大学硕士学位论文 = = ：= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 效率测试系统 一套兼具可靠性和可操作性的测试系统对于一个试验台具有十分重要的意义。本 尊从硬件和软件设计两方面入手，介绍了如何建立一套完整的测试系统。 2l 效率测试原理： 冲击式试验台由机组段、水力系统、测试系统三部分组成，试验台各项参数的选 拶符合水轮机试验台标准f 3 l 。 其基本布置如图21 所示： 图2 1 冲击式水轮机模型试验台 图中，1 、水泵，2 、压力水箱，3 、旁通管，4 、涡轮流量传感器，5 、压力传感 裂，( 、冲击式模型水轮机，7 、扭矩仪8 、计算机、打印机。 模型水轮机的输入功率： p ，= 昭q 日 ( 2 - 1 ) 艇中，p 一水的密度，q 一流量，h 一静压水头与动能水头之和，考虑到传感器与射流中 曲的高度差等因素，还有位能z ，由实测决定，可能为正，也可能为负。 故： 只= 艘c 去屹+ 沼z ，只= 昭q ( 二+ z + )( 2 。2 ) p g2 9 模型水轮机的输出功率： 匕= m 印+ ， ( 2 - 3 ) 其中，m 一扭矩，u 一转轮角速度，w ，一。摩擦功( w 。= k u + c ，k 、c 为常数) 华中科技大学硕士学位论文 = = ：= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 效率测试系统 一套兼具可靠性和可操作性的测试系统对于一个试验台具有十分重要的意义。本 尊从硬件和软件设计两方面入手，介绍了如何建立一套完整的测试系统。 2l 效率测试原理： 冲击式试验台由机组段、水力系统、测试系统三部分组成，试验台各项参数的选 拶符合水轮机试验台标准f 3 l 。 其基本布置如图21 所示： 图2 1 冲击式水轮机模型试验台 图中，1 、水泵，2 、压力水箱，3 、旁通管，4 、涡轮流量传感器，5 、压力传感 裂，( 、冲击式模型水轮机，7 、扭矩仪8 、计算机、打印机。 模型水轮机的输入功率： p ，= 昭q 日 ( 2 - 1 ) 艇中，p 一水的密度，q 一流量，h 一静压水头与动能水头之和，考虑到传感器与射流中 曲的高度差等因素，还有位能z ，由实测决定，可能为正，也可能为负。 故： 只= 艘c 去屹+ 沼z ，只= 昭q ( 二+ z + )( 2 。2 ) p g2 9 模型水轮机的输出功率： 匕= m 印+ ， ( 2 - 3 ) 其中，m 一扭矩，u 一转轮角速度，w ，一。摩擦功( w 。= k u + c ，k 、c 为常数) 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 阅此，水轮机效率： 待测量为m 、u 、q 及p 。 图2 2 为测试系统结构图。 终端计算机 l j p c l 一8 1 8 l 型数据 流量传感器 一一r 一 流量信号 22 测试系统硬件介绍 1 ) 传感器 采集卡 一i 压力传感器 。i 一 压力信号 图22 测试系统结构图 扭矩仪 一1 一一 扭矩、转速信号 本测试系统使用涡轮流量传感器测流量，通过涡轮转速反映流量大小，输出为正 电脉冲电流信号；使用压力传感器测压力输出为模拟电流信号。涡轮流量传感器的 掣号为l w g y - 1 0 0 ，工作压力1 6 m p a ，上海自动化仪表九厂生产：压力传感器型号为 k y b g l 8 ，量程0 o6 m p a ，康字测控仪器仪表工程公司生产。 t 2 ) 扭矩仪 扭矩和转速通过扭矩仪来测量，由于扭矩仪本身自带有a d 转换器，其输出的信 号为数字信号，因此可以在扭矩仪与计算机之间采用串口通讯，计算机按一定的通讯 协议通过命令的形式主动向扭矩仅调数，扭矩仪依据不同的命令及自身的通讯状态送 7 荔 磊 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 阅此，水轮机效率： 待测量为m 、u 、q 及p 。 图2 2 为测试系统结构图。 终端计算机 l j p c l 一8 1 8 l 型数据 流量传感器 一一r 一 流量信号 22 测试系统硬件介绍 1 ) 传感器 采集卡 一i 压力传感器 。i 一 压力信号 图22 测试系统结构图 扭矩仪 一1 一一 扭矩、转速信号 本测试系统使用涡轮流量传感器测流量，通过涡轮转速反映流量大小，输出为正 电脉冲电流信号；使用压力传感器测压力输出为模拟电流信号。涡轮流量传感器的 掣号为l w g y - 1 0 0 ，工作压力1 6 m p a ，上海自动化仪表九厂生产：压力传感器型号为 k y b g l 8 ，量程0 o6 m p a ，康字测控仪器仪表工程公司生产。 t 2 ) 扭矩仪 扭矩和转速通过扭矩仪来测量，由于扭矩仪本身自带有a d 转换器，其输出的信 号为数字信号，因此可以在扭矩仪与计算机之间采用串口通讯，计算机按一定的通讯 协议通过命令的形式主动向扭矩仅调数，扭矩仪依据不同的命令及自身的通讯状态送 7 荔 磊 华中科技大学硕士学位论文 川相应的数据。测试系统使用的扭矩仪型号为j 0 2 g ，额定扭矩5 0 0 n m ，： 作转速 o 4 0 0 0 r p m ，湘仪动力测试仪器厂生产。 一3 ) 数据采集卡 采集卡的主要功能是将获得的模拟信号，通过a d 转换器变换成数字信号，输送 给计算机。本系统使用采集卡为研华公司生产的p c l 一8 1 8 l 型数据采集卡，此种型式 分l 采集卡具有以下方面特征： ；置用于a d 、d a 转换及定时与计数 使用多通道a d 转换 6 选1 或者8 选1 的模拟输入多路开关 + j2 - b i t a d 高达4 0 k h z 采样频率 1 6 个数字输入和输出，适合于1 ，d 1 1 l 琵活的触发机制：软件触发，程序定时触发，脉冲触发 通过程序控制，运用中断进行数据转换。 23 数据采集技术 23 1 采集系统前置处理 前置处理部分的作用为；将压力传感器送出的电流信号通过电流、电压变换，电 垃、放大及低通滤波，将其转换为采集卡所要求的5 v 模拟电压信号；并将涡轮流量 传感器输出的正弦弱电流信号整形放大为与流量成正比的标准脉冲方波信号，频率值 啊以通过计数器测量。 为此，我们专门开发了一块同时适用于试验室目前营遍采用的p c l - 8 1 8 l 和 p ( l 8 1 1 2 两种采集卡的前置处理电路板。电路充分考虑到我们水力机械测试涉及到的 各种信号，具有普遍实用意义。 图23 为流量传感器输出信号的整形电路。经过运算放大器的作用，正弦脉冲信 号转化为同频率的方波信号，反向器7 4 l s1 4 对波形进彳j = 整形，提高了信号波形的上 升沿和下降沿的陡度，7 4 l s7 4 分频器实现了对正负半周不对称波形的对称处理。 华中科技大学硕士学位论文 川相应的数据。测试系统使用的扭矩仪型号为j 0 2 g ，额定扭矩5 0 0 n m ，： 作转速 o 4 0 0 0 r p m ，湘仪动力测试仪器厂生产。 一3 ) 数据采集卡 采集卡的主要功能是将获得的模拟信号，通过a d 转换器变换成数字信号，输送 给计算机。本系统使用采集卡为研华公司生产的p c l 一8 1 8 l 型数据采集卡，此种型式 分l 采集卡具有以下方面特征： ；置用于a d 、d a 转换及定时与计数 使用多通道a d 转换 6 选1 或者8 选1 的模拟输入多路开关 + j2 - b i t a d 高达4 0 k h z 采样频率 1 6 个数字输入和输出，适合于1 ，d 1 1 l 琵活的触发机制：软件触发，程序定时触发，脉冲触发 通过程序控制，运用中断进行数据转换。 23 数据采集技术 23 1 采集系统前置处理 前置处理部分的作用为；将压力传感器送出的电流信号通过电流、电压变换，电 垃、放大及低通滤波，将其转换为采集卡所要求的5 v 模拟电压信号；并将涡轮流量 传感器输出的正弦弱电流信号整形放大为与流量成正比的标准脉冲方波信号，频率值 啊以通过计数器测量。 为此，我们专门开发了一块同时适用于试验室目前营遍采用的p c l - 8 1 8 l 和 p ( l 8 1 1 2 两种采集卡的前置处理电路板。电路充分考虑到我们水力机械测试涉及到的 各种信号，具有普遍实用意义。 图23 为流量传感器输出信号的整形电路。经过运算放大器的作用，正弦脉冲信 号转化为同频率的方波信号，反向器7 4 l s1 4 对波形进彳j = 整形，提高了信号波形的上 升沿和下降沿的陡度，7 4 l s7 4 分频器实现了对正负半周不对称波形的对称处理。 华中科技大学硕士学位论文 畸四4 闺2 4 是高频脉冲时钟信号发生装置，主要在系统要求使用外时钟或前处理装置 迪行测试时使用。x t a l 是一个晶振，发出高频脉冲频率为l 经过7 4 l s 7 4 的分频 盘 理输出频率为o5 m h z 。 c 1 c 2 4 高频信号发生电路 1 0 k+ 5 图25 仿真测试信号发生器 l s 7 4 熙25 是仿真信号发生器，通过调节电位器的电阻，获得不同频率的脉冲信号， ”i l 片来调试脉冲信号的前置处理电路。 _ _ - _ _ - _ - _ _ _ w _ h w _ 9 华中科技大学硕士学位论文 23 2 采集系统信号采集方法 1 ) 模拟信号采集 微机系统在进行数据采集时，计算机只能接受数字量，因此对于模拟信号必须进 ，模数转换( 即刖d 转换) 才能供计算机使用。 本系统采用逐次逼近型a d 转换，当向a d 转换器发“启动脉冲后，逻辑控 制茸先将n 位逐次逼近。寄存器最高位d n 1 置“1 ”，经过d a 转换器转换成模拟量 卜后，与输入的模拟量v x 在比较器中进行比较，由比较器给出比较结果，当v x b v 。时，则保留这一位，否则该位置“0 ”。再使d n - 2 = l 与上一位d 一一起进入d a 转 埠- 器转换成模拟量v c 再与输入的模拟量v x 进行比较，如此继续下去，直到最后，一 矗d n 比较完为止。此时n 为寄存器中的数字量即为模拟量v x 对应的数字量。其转 够的原理如图2 6 所示： r 一一 ir l ； 模拟量输入一一 ：，! ) 脉冲信号采集 一 jd a 转换k 一v n e r r 、逐次逼近寄存器 比较、t r i 一 器7 。 r f 。 i l 叫逻辑控制卜一一时钟 一t 一 启动信号_ l 一一转换结束 图2 6 逐次逼近型a d 转换原理图 8 2 5 3 8 2 5 4 芯片的每个计数器通道都有6 种工作方式可供选用l 舢。区分这6 种1 作_ 式的主要标志有3 种：一是输出波形不同；二：是启动计数器的触发方式不同：三 是l 数过程中门控信号g a t e 对计数操作的控制不同。本文所采用的2 方式一周期性 饬脉冲输出，是种具有自动姨入时间常数( 计数初值) 的n 分频器。其工作特点如 一一一_ _ _ _ _ _ _ _ - _ - 一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 r ： 1 计数器计数期间，输出o u t 为高电平计数器回零时，输出一个宽度等于时 铷周期的负脉冲，并自动装入原计数初值，一个负脉冲过去以后，输出又恢复高电平 q 晕新作减法计数。 ! ) 在计数器工作期间，如果向计数器写入新的计数初值，则计数器仍按原计数 健计数，直到计数器回零并在输出一个时钟周期的负脉冲之后，才按新写入计数值计 熬。 ：；) 门控信号g a t e 为高电平时允许计数。如果在计数期间，门控信号变为低电平， 崛。计数器停止计数，待g a t e 恢复高电平后，计数器将按原装入计数值重新开始计数。 测试系统中的脉冲信号，基于时间t 在空间坐标中的表述即为频率。检测频率信 号的疗法有两种。1 ) 、测频法，即检测在单位时间庆，通过的脉冲个数：2 ) 、测周法， 检测被测脉冲信号的宽度“t ”，通过f = l j t ，获取f 。工作原理介绍如下： 测频法 被测方波信号一一8 2 5 3 【 ! 计数器l _ 一o u ， l 一。一 l 一门控信号 图2 7 测频法8 2 5 3 计数器工作框图 从图2 7 可知，被测方波信号作为计数器的输入端。控制计数器工作的是门控信 弓，当门控信号为“l ”电平时，计数器开始计数，门控信号为“0 ”电平时，计数器 俜止计数，并通知c p u 从数据寄存器内将有关数据读出。用测频法测频，影响数字测 期精度有两个因素。( 1 ) 、生成门控信号的精度直接影响计数器的计数值；( 2 ) 、测频 电路的系统误差。 j 丑图2 8 知：门控信号与被测信号的不同步性，会引起最多漏计两个脉冲数的系 绩误差。由于测频法中门控信号的周期一般设计为t = i s ，而试验系统流量信号的频率 壤低达到3 0 h z ，相对误差达到2 3 0 = 67 ，精度太低，因此测试系统多不采用这种方 华中科技大学硕士学位论文 删方波信号一韭雕 一1 曩一l 一 门控信号一 一 o u t ， r 一一一 ；1234n 图28 测频法8 2 5 3 计数器工作时序波形图 ! 测周注 t j 测频法不同的是测周法将被测方波信写作为计数器的门控信号，高频测试脉 舟吖言号作为计数器的输入端，如图2 9 、21 0 所示。在门控信号工作期间，门挖信号 肄能| 己录n 个高频脉冲信号。因为高频脉冲信号的周期已知，所以被测波的周期为： r - n t i ，因此可以计算出被测方波的额率f = - 1 f = lf ( n t i ) 。 ( ；) 串行通信 厂 8 2 5 3 计数器r + 叫 i 一被测方波 图2 9 测频法8 2 5 3 计数器工作框图 高频脉冲一脚i 腿1 k 可1 一吐一 被测方波一j l o u t i 1234nf 图2 1 0 测周法8 2 5 3 计数器工作时序波形图 叶止_| 华中科技大学硕士学位论文 串行通信具有四个特点：第一、串行通信是在一根传输线上将数据一位一位地传 蛩，这根线既作数据线又作联络线，也就是说要在一根传输线上既传送数据信息- 叉 仁送联络控制信息；第二、它传送的数据格式有固定的要求( 即固定的数据格式) ， ，r 舜步和同步数据格式，与此相应，就有异步通信和同步通信两种方式：第三、串行 通信中对信号的逻辑定义与t t l 不兼容，因此，需要进行逻辑关系和逻辑电平转换； 弟网、串行传送信息的速率需要控制，要求双方约定通信传输的波特率 4 i 。 本文采用的通信方式为异步串行通信它与同步串行通信的区别在：前者是以字 符勾。言息单位传送的，每个字符作为一个独立的信息单位，可以随机出现在数据流中， l i 【发送端发出的每个字符在数据流中出现的时间是任意的，接收端预先并不知道。然 畹。望开始传送，收发双方则以预先约定的传输速率，在时钟的作用下，传送这个字 符中的每位，要求位与位之间有严格而精确的定时。 作为同步串行通信，以数据块( 字符块) 为信息单位，而每帧信息包括成百上千 个事彳奇，传送一旦开始，要求每帧信息内部的每位都要同步不仅字符内部的位传 送造同步的，字符与字符之间的传送也应该是同步的这样才能保证收发双方对每一位 都s 步。 由于异步通信时，被传送的字符出现在数据流中的相对时间是任意的、随机的。 陶此，为了确保异步通信的正确性，必须找到一种方法，使收发双方在随机传送的字 符与字符间实现同步。这种方法就是在字符数据格式中设鬣起始位和停止位，发送端 庄卟字符正式发送之前先发一个起始位，而在该字符结束时再发送一个结束位。接 收端在检测到起始位时，便知道字符已经到达，应开始接收字符；当检测到停止位时， 州鼍n 道字符已经结束。 起止式的异步通信的数据格式为：每帧信息( 每个字符) 由4 部分组成：1 ) 1 蔓起始位：2 ) 5 8 位数据位紧跟在起始位后面，是要传送的有效信息传送顺序是 低位在前高位在后依次传送；3 ) 一位校验位( 也可以没有校验位) ：4 ) 最后是1 位 或寿一位半或2 位停止位，停止位后面是不定长度的空闲位，停止位和空闲位都规定 勾癌电平，这样就保证起始位开始处一定有个下降沿。 一一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 24 测试系统软件设计 24 1 面向对象的程序设计方法 软件采用目前工业控制中非常流行的面向对象的程序设计( o o p ) 疗法编程，从 币：达到操作简单、可靠，界面友好的效果。 面向对象的程序设计方法自从产生以来己逐渐成为一种重要的软件开发语言，这 和：疗法和传统的自顶向下逐步求精的程序设计方法在本质上具有很大的不同p 】。传统 眼程序设计方法是采用基于功能分解的程序设计方法，把程序的功能逐步分解成更小 骱模块，直到分解为可以直接实现的模块为止。而面向对象程序设计的基本思想是在 焉序宅间内对客观世界中的实体，利用数据抽象的方法进行描述，即将一种数据结 砌和