（流体机械及工程专业论文）多功能水泵综合试验台测控系统研究.pdfVIP

江苏大学硕士学位论文 摘要 多功能水泵综合试验台不仅可以进行水泵的内外特性试验，而且还可以进行 水轮机试验和小水洞试验。试验台测控系统不仅自动化程度好而且系统的精度等 级也高。本文所研究的课题正是来自与国家财政部资助的江苏大学流体工程技术 研究中心的多功能水泵综合试验台的建设项目。对其测控系统进行分析和研究是 一份很有实际意义的工作。本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 进行了试验台的系统结构的研究。详细介绍了多功能水泵综合试验台 的整体结构设计，包括硬件设计和系统软件的设计，以及本试验台的特点； ( 2 ) 研究了试验台测量系统的设计。分析了多功能水泵综合试验台的测量 系统的测量原理和方法，以及本试验台的测试仪表的选择： ( 3 ) 在简要介绍了误差的基本理论后，针对本试验台的具体结构详细分析 了测控系统的主要误差来源，以及各主要误差因素对试验台的精度等级的影响， 对试验台的系统精度等级进行了详细的计算； ( 4 ) 归纳总结了不同精度等级要求的试验台建设中各主要误差分配的原则 问题，以及在建设试验台时选择测试仪表应注意的问题； ( 5 ) 最后，在试验台上进行了产品的分析对比试验，试验结果也验证了本 试验台在建设时选择仪表的合理性和可靠性。 关键词：泵试验台测量控制误差分析精度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i p l e f u n c t i o np u m pt e s t - b e dc a nn o to n l yt e s tp u m p si n n e ra n do u t e r p e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc a r r yo u tt ot e s tw a t e rt u r b i n ea n ds m a l lt y p eo fw a t e rh o l e t h e m e t e r - c o n t r o l s y s t e mf e a t u r e sh i g ha u t o m a t i o na n dt h ee x a c t n e s s t h ep r o j e c t c o n c e m e dw i t ht h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o nf i n a n c ed e p a r t m e n tw h i c hn a m e d m u l t i p l e f u n c t i o np u m pt e s t b e do fj i a n g s uu n i v e r s i t yf l u i dm a c h i n e r yc e n t e r i ti s s i g n i f i c a n tt os t u d yo nt h em e t e r - c o n t r o ls y s t e ma saw h o l e t h em a i nw o r ki nt h i s p a p e ri so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) r e s e a r c h i n gt h es t r u c t u r eo f t h et e s tb e d t h ew h o l es t r u c t u r eo f t h et e s tb e d w a si n t r o d u c e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n dt h ec h a r a c t e r ( 2 ) r e s e a r c h i n gt h ed e s i g no ft h em e t e r - c o n t r o ls y s t e m t h em e s s u r ep r i n c i p l eo f t h em e t e r - c o n t r o ls y s t e mw a sa n a l y s e d a tt h es a m et i m et h et e s ti n s t r u m e n t sw e r e c h o o s e d ( 3 ) r e s e a r c h i n gt h em a i ns o u r c eo ft h em e t e r - c o n t r o ls y s t e mi nt h et e s t b e da f t e r as i m p l ei n t r o d u c t i o nt ot h ee r r o rt h e o r y , a n dt h ee x a c t n e s si n f l u e n c e db yt h em a i n e r r o rf a c t o r s 1 1 1 ee x a c t n e s sv a l u eo ft h et e s t b e dw a sc a l c u l a t e da l s o ( 4 ) t h ep r i n c i p l eo ft h ee r r o rd i s t r i b u t i o nw a ss u m m e du p ，a n ds o m ed e t a i lm u s t b er e g a r d e d ( 5 ) a n a l y z i n ga n dc o n s t r a c t i n gt h em e t e r - c o n t r o ls y s t e m o ft h et e s t b e d t h e r e l i a b i l i t ya n dt h er a t i o n a l i t yw a sp r o v e d k e yw o r d s ：p u m p ，t e s t b e d ，m e a s u r e ，c o n t r o l ，e r r o ra n a l y s i s ，e x a c t n e s s 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，同意学位保 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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。 学位论文作者签名：磕兆袭者 ) 悬5 只 1 日 指导教师签名 年月 目 书权授本用适后密解年在 口0 密 密噪 保 不 于属文沧使学本 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。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包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，均已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。 学位论文作者签名：拟 日期：p 拆占月，日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1概述 纵观整个科学技术的发展史，科学理论的产生和科学技术的进步，在很大程 度上都归功于科学试验。通过对客观事物的试验、测量以及对获得的测量数据进 行准确处理等中间环节，人们就能实现从客观世界中获取有益的信息量，达到对 客观事物更为真实的认识。可以这么说，测试的方式方法、测试的准确度、灵敏 度以及测试范围，在很大程度上决定着科学技术的发展水平，一般来讲，测量技 术水平愈高，科学成就就愈深愈广。 水泵是一种常见的通用机械，它广泛用于农业排灌、水利电力、石油化工、 矿山机械、航空航天等国民经济各部门。由于水泵内部特有的流道型式和叶轮的 旋转运动，造成泵体内部特别是叶轮内流场始终存在着随机变化着的旋涡、脱流、 二次回流等现象，由此使得泵内非定常紊流流动变得更加复杂，正是因为流体在 水泵中的运动过程十分复杂，以致不能完全用完整的数学解析式来描述水泵在不 同工作状态下的运动特征，所以，即使采用较完善的流体力学理论，也无法给出 完整的数学模型，或者用完整的数学解析式来描述泵内流体运动的真实情况，而 且，也不能从理论上为水泵提供完整的使用特性。 正由于泵类产品在结构上和在运行过程中特有的复杂性使得长期以来，水 泵过流部件的水力设计和计算只能建立在某些假设理论的基础上，水泵专业设计 人员常常利用现代优化设计技术( 如直觉优化、试验优化、价值优化、数值计算 优化等) q 通过简化其边界条件，并结合水泵的各种试验进行修改、鉴别选择 来完成。因此，研制新型水泵，尤其是研制大型水泵，做水力原型或模型的测试 试验仍是水泵开发人员获取水泵技术数据的基本手段。尤其对水泵的汽蚀，离心 泵叶轮中流场的流速分布、压力分布等许多复杂问题也只能依靠可靠而详细的液 体流动测量来解决。 总之，水泵测试技术对于水泵基础理论研究和发展、水泵性能的不断改进。 水泵设计方法的完善和设计水平的提高、水泵中疑难问题的解决等，都有着极其 重要的不可替代的作用。可以肯定地说，水泵技术是一门半理论半经验的试验学 科，试验研究在水泵发展中具有举足轻重的地位和作用。所以，许多资料也明确 地表明，水泵试验的研究水平在一定程度上可以用来表征水泵生产和科研单位在 江苏大学硕士学位论文 基础理论研究、水泵业开发及生产制造的潜在能力。 1 2 课题背景 一、国内外测试系统技术概况及发展趋势 水泵产品设计开发的基本流程是根据产品的额定流量、扬程、汽蚀和效率等， 设计产品各部件几何形状参数并进行投产前的性能试验，验证其合理性与正确性， 为产品改进和完善提供准确而可靠的性能试验数据。十八世纪l e o n a r de u l e r 在 一定的假设条件下推出e u l e r 方程：h r = ( u 2 圪2 一u 圪1 ) g 建立了理论压力( 扬 程) h ，与叶轮前后流动参数u 、k 之间的定量关系。流体机械行业实用的工程 设计至今沿用着这种基于e u l e r 和相似理论基础上的相似设计法( 如速度系数法 等) ，因此良好的试验条件、可靠的测试数据和大量的技术资料是产品设计开发成 败与否的关键。 水泵行业的工程技术人员在长期的产品设计实践中，积累了大量工程设计理 论和实践经验，设计了许多性能良好的产品。然而传统的工程试验方法不可避免 地存在着重复性试验、计算和数据处理工作量大、效率低、精度差和周期长的弊 病。随着计算机技术的发展，计算机辅助试验方法被广泛应用于各行各业，完成复 杂重复的试验过程，达到降低设计开发周期及成本的目的。 自动测试系统的发展可以分为四个过程口j ，在五十年代末期出现了一种集中式 的半自动数据采集系统，其主要功能是对测量结果进行统计，处理和间接测量的计 算等，到六十年代未和七十年代初，随着检测技术和计算机的进一步结合，出现所 谓的第二代计算机测试系统，即使用计算机的数据采集系统、数据自动分析系统和 自动检测系统。其特点是检测过程可以对数据进行处理并将结果存储、显示、打印 或形成文件。到七十年代中期又产生了第三代计算机自动测试系统。由于通用标准 接口总线的出现，解决了仪器仪表相互之间和仪器仪表与计算机之间的联系问题， 这样就形成了以计算机为核心，由多台可程控的仪器和仪表按积木的方式组合成成 套装置。这种测试系统占领了仪器仪表市场，而且还在不断的完善和发展。目前正 在发展的为微处理机为基础的智能化测试系统是属于第四代计算机测试系统。这种 测试系统的特点是把微处理机和仪器仪表结合在一起并构成一个整体，其特点是许 多仪表中的硬件功能可以由软件代替，这样不仅使系统大大简化、降低成本、减小 体积和重量以及提高系统的可靠性：而且由于软件编程工作具有很大的灵活性，因 此可以使系统的功能大大加强。这种智能仪表一般具有与计算机相连的标准接口， 2 江苏大学硕士学位论文 作为一台智能程控仪表单元接入系统从而构成功能更强。规模更大的早点检测系 统，还可以通过软件编程将各种数据处理技术应用于检测系统中，使系统精确性更 加提高。可以肯定的是，随着计算机技术的进一步发展、传感器等信号采集技术的 进一步完善，自动测试系统的性能还将进一步提高。 资料表明，尤其美国、德国等发达国家，微机水泵性能测试与试验装置均己 普遍化，其测试精度、自动化程度均比较高，己走在了我们的前列。1 9 7 3 年， 美国a c 公司就初步实现水泵模型试验台的数据采集与计算机处理。日本以富士 重工为代表的水泵生产厂家也建立了以计算机为中心的水轮机模型实验室d i 。自 八十年代起，w i n d o w s 环境下开发的软件已开始用于一些实时性相对较低的工业 控制场合。我国八十年代初也开始了水泵模型试验台的数据采集与计算机处理， 但发展相对迟缓。国内部分研究单位和水泵制造厂家曾全套引进国外的先进测试 技术。但这些引进的设备以今天的眼光来看，一是在经济上昂贵，二是在操作上 复杂，三是在技术上已经相对过时，计算机辅助测试技术( c a t ) 发展到九十年代， 已广泛应用于国民经济各行业，国内多数c a t 软件也已相当成熟并且已商品化。 但由于c a t 技术应用的对象不同，领域不同，处理方法上的差异很大，这些c a t 商品软件要应用于水泵试验台的性能测试，还需要很大调整。基于此，国内水泵 行业开始自行研制相关的专f q n 试软件，如葛洲坝水电厂的水轮机双微机测试系 统，华中科技大学水机教研室的多功能水力机械计算机测试装置等。这些水机计 算机辅助测试系统大多采用单片机技术或d o s 技术实现。w i n d o w s 环境下也出 现了一些产品，这些测试装置都侧重于对试验工况某一方面的检测和分析，综合 自动化程度还有待提高。 众所周知，精度是试验台技术性能中最主要的综合技术指标。水泵试验台必 须有足够的精度才能鉴别出水泵性能的微小差别。水泵的基础研究、应用研究以 及产品出厂性能的确定都必须有相应精度的试验装置，而精度的高低可用误差来 衡量：精度与误差都是用以说明测量结果与客观真值之间的差异，误差大精度低， 反之误差小则精度高。由于试验工况的波动，使人们不可能像对静止对象那样进 行多次重复测量以减少测量数据的离散程度，以提高测量精度减小误差。因此精 度与误差分析在水泵试验中显得十分重要，而要在原有产品基础上进一步提高其 精度，往往要付出巨大的代价。 对泵试验台的精度与误差进行分析为水泵测试技术的提高得到了有利的科 学依据。采用微机自动采样，实现实时测试这样从根本上消除了因工况波动所造 江苏大学硕士学位论文 成的影响，最大限度地减少了随机误差，加之选用高精度传感器就可获得精度高， 重复性好的测试结果。要减小测试中的系统误差，就必须提高仪器仪表本身精度。 由于高精度仪表价格昂贵，因此只能根据实际情况，对泵试验精度与误差进行分 析，找出影响大的误差及影响因素而加以改进，使资金投入比较经济合理。本文 所作的误差分析与计算基本反映了泵试验中存在的各种误差因素，同时也符合国 家标准有关规定。 目前国内对于水泵试验台的可靠性、精度等研究的文章己经屡见不鲜，但对 于水泵试验台的整体性能的系统分析尚是刚刚起步。因此将计算机辅助测试系统 与水泵试验台的整体的系统分析结合起来可以作为一个新的研究发展方向。 二、水泵测试技术的发展趋势 ( 1 ) 高精度、高自动化程度是水泵测试的普遍发展趋势 传统的人工测量系统进行水泵测试时，测量一个单项参数一般需要多个测量人 员参与，测试周期较长，测量效率很低，而且人工读数( 采集数据) 及原始测量数 据处理也容易带来随机误差、过失误差和计算误差，从而使水泵测试精度大大降低， 与此相反，以微机控制系统为核心的数据采集、数据的实时处理装置往往能实现以 较少的测试人员、较短的测试周期并能避免测试过程中人为因素造成的误差。因此， 现代水泵测试系统有必要实现l 殛4 试过程的微机化、自动化。并且，精度低的测试系 统还不能鉴别水泵设计上的微小差异，这很容易埋没水泵开发人员在水力模型上花 费的大量研究工作。所以，对水泵性能参数测量试验还必须力求高精度化 4 1 。 ( 2 ) 多功能化是水泵测试的发展方向 以计算机辅助测试的多功能水泵综合试验台可进行型式试验、出厂试验，同 时也自动完成性能曲线和测试报告。除此而外，还可以进行轴向力测定、振动试 验以及流速分布、压力脉动、汽蚀等内特性的测试研究。因此作为一个功能完善 的微机水泵综合测试系统一般应能对多型式、多种规格的水泵进行测试，以此增 加试验装置的适应性、多功能性。 1 3 本课题的研究内容 一、系统结构设计研究 对多功能水泵的整体结构进行分析和研究，研究其硬件配置和软件设计，在 充分了解其水力特性的基础上分析其实现的测试功能。 江苏大学硕士学位论文 二、测控系统分析和研究 在系统研究的基础上，对多功能水泵综合试验台的测控系统进行分析研究， 了解其测控的方式和手段，如何确保系统的j 下常测试和监控功能。 三、系统误差分析 由误差理论可知，水泵试验台的误差主要由两方面组成：系统误差和随机误 差，而多功能水泵综合试验台的系统误差的理论来源则可以归结到不同工况下系 统的运行状态，环境因素等，本文在对试验台的测量系统以及监控系统分析的基 础上，进一步提出了各个因素在试验台的系统误差中的作用，然后针对建设不同 精度等级水泵试验台的要求提出不同的经济性选择方案。求解出江苏大学多功能 水泵综合试验台的精度等级。最后的试验结果也验证了试验台具有良好的重复性。 1 4 课题的意义 由于现阶段水泵的设计方式主要是采用半经验半理论相结合，因此水泵设计 的结果主要就要依靠流体机械试验台来检测，而试验台的精度等级和稳定性就直 接决定了试验的结果，对流体机械生产厂家来说是企业生存和发展的关键设备， 所以提高水泵的设计质量也就必须要首先保证水泵检测的结果的精度，反过来改 进水泵的水力设计，从而提高水泵产品设计质量。 本文结合当今最先进的计算机辅助测试技术对江苏大学流体中心多功能试验 台进行系统的分析，提出了多功能水泵综合试验台的测控系统中误差的来源，进 行了详细的系统精度分析，提出了泵试验台建设过程中的设备的选型问题，将试 验台的建设中如何保证其精度及可靠性与设备选型的经济性问题密切联系起来。 同时提出的不同精度等级泵试验台误差分配理论对今后水泵试验台的建设具有借 鉴意义。 江苏大学硕士学位论文 第二章多功能水泵综合试验台系统设计 2 1 概述 由于当前无法给出流体在泵内部流动的准确数学模型，所以目前还必须利用 试验的方法来测量水泵的重要技术指标，尤其是测量水泵的流量、扬程、轴功率、 效率、转速等参数，并以测量结果来评判该泵在性能上是否达到规定的设计要求。 泵试验台是水泵试验和验收试验的重要设备，其精度直接影响了验收试验的 结果。因此，试验台的水平决定了一个企业和单位的科研和开发能力。通常情况 下在试验室中要进行泵的试验主要有以下几种： 1 外特性试验：运转试验、能量试验、汽蚀试验和噪声振动试验等 2 内特性试验：速度场测定，叶片表面压力测定、流动显示和压力脉动测 定等。 3 强度试验：轴向力和径向力测定、水力矩测定、零件应力测定和可靠性 试验等。 4 其它项目试验：密封试验、材料试验和能量平衡试验等。 江苏大学原有的水泵试验台建于八十年代，技术已相对落后，已经不能完全 满足当今社会技术研究和试验验收的需要，因此，江苏大学在原有技术的基础上 建立了新的水泵试验台。新的水泵试验台在解决原有问题的基础上，着重提高了 系统的性能和智能化，自动化程度，提高了系统的自诊断能力以及可靠性和准确 性，最终结果也提高了水泵试验台的系统精度和稳定性。江苏大学多功能水泵综 合试验台的主要设施的基本参数和基本技术要求如下所述。 2 2 多功能水泵综合试验台设施简介 泵试验装置按循环管路分为丌式和闭式两种，在本文中以闭式试验流程为例 简要介绍该试验台。江苏大学多功能水泵综合试验台主要设备立面图如图2 1 所 不。 该试验台主要由进水流道、出水流道、模型泵、扭矩仪、电磁流量计、进口 稳流简、出口稳流筒、电机等组成，水自汽蚀筒流入进口稳流筒后进入模型泵进 口，水流经水泵获得能量后，流入稳压筒i ，再流入稳流筒i i 后，经流量测量仪 表、稳流筒i i i 进入管路流回到汽蚀筒，形成回路。当泵扬程较低无法使系统中 江苏大学硕士学位论文 水流f 常流动时，开启增压泵，使系统恢复正常运行。 图2 - 1多功能水泵综合试验台立面图 l 一稳流简i i i 2 一电磁流量计 3 一稳流筒i i4 一增压泵 5 一出口稳压筒6 一稳流筒i7 一模型泵8 一进口稳流筒9 一汽蚀筒 一、试验台主要的设备及作用 1 驱动电机：带动模型泵以及对增压泵进行无级调速。 2 增压泵：对水泵特性试验起增压，克服流道水力损失的作用。 3 电动调节阀：调节试验工况。 4 稳流筒：起减小水流波动的作用。 5 电动闸阀：改变系统中水流的循环方向。 6 稳压筒：稳定出口水压。 7 汽蚀简：存储液体，阻尼液体波动作用，调节系统压力。 8 电气控制设备及电源。 9 控制计算机及外部设备。 l o 测量仪器和仪表。 试验回路的管道铺设、管道直径与水泵的配接参数、测试仪表和其它设备的 安装按有关国家标准( g b t 3 2 1 4 - - 9 1 和g b 3 2 1 6 - - 8 9 ) 1 5 6 】所规定的要求来确定。 二、试验装置适用范围 本试验台可以进行如下的测试： 1 内特性试验和外特性试验：包括普通离心泵、混流泵、轴流泵、小型潜 水电泵、污水污物潜水电泵、井用潜水泵、化工离心泵、塑料离心泵、屏蔽离心 泵、磁力离心泵、热水离心泵、石油化工离心泵、多级离心泵、喷灌自吸泵等各 种类型的水泵； 江苏大学硕士学位论文 2 水泵及多功能水泵装置试验； 3 小水洞试验： 4 水轮机试验。 三、试验装置参数测量范围见下表： 表1 1 江苏大学多功能水泵试验台测量基本参数 控制方式 试验参n 开式系统闭式系统 流量( m 3 h )0 1 00 0 00 2 5 0 0 压力( m p a ) 0 1 2 5- 0 1 l 功率( k w ) 4 0 02 2 0 转速( r r a i n )1 3 2 6 0 0 01 3 2 6 0 0 0 水洞：流速6 m s 四、测量精度 设计时该试验台的测量总精度( 即泵的效率精度) 和各单项测量精度，均达 到g b t 3 2 1 6 一1 9 8 9 离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法规定的水泵i 级精度要求。大部分项目也达到国际标准g b 厂r 1 8 1 4 9 2 0 0 0 离心泵、混流泵和 轴流泵验收试验规范精密级的试验精度要求【7 】 8 1 。 五、多功能水泵综合试验台系统结构方案 在分析对比了以往的水泵试验台的结构后，考虑到江苏大学的多功能水泵综 合试验台的检测任务的复杂性和繁重性，多功能水泵综合试验台的结构设计方案 如下： 1 为满足汽蚀试验及水洞试验时溶汽的需要，试验装置采用立式结构。流 量测量位于3 米层面，测量管路直径为中2 5 0 ，中3 5 0 ，m 5 0 0 三种，以保证各种 工况下流量测量的准确性。泵及装置的试验位于模型段i 。泵及多功能水泵装置 试验和水轮机试验位于模型段i i 。水洞试验位于泵进口管路中，不用时可以拆下。 自吸泵自吸高度试验装置位于开式系统和闭式系统之间。 2 泵的试验安装台由t 型槽基础和升降底座组成。要求安装台操作方便， 移动灵活，稳定可靠适应性强，能满足各种类型泵的安装要求。另外进口稳流 筒位于可移动的基础上，在规定的长度内可移动至任意位置上，以满足不同类型 的水泵和多功能水泵装置的安装要求。 3 为保证试验系统满足泵全性能试验的要求，在一3 m 层面设增压泵一台， 江苏大学硕士学位论文 该泵电源由直流调速柜控制，以满足不同试验状态的要求。管路中水流方向的改 变可通过阀门的启闭来实现。流量的测量采用电磁流量计，以保证测量的精度。 4 在进口稳流筒和汽蚀筒中设有稳流装置，以保证当泵内出现汽蚀时，不 影响回路的稳定性、试验装置的正常运行和泵性能的测量。 5 在+ 5 米层面设汽蚀筒一只，通过管路与真空泵相连。通过真空泵可改变 汽蚀筒内的压力，从而改变试验系统的压力，满足汽蚀试验的要求。 6 在一3 米层面设m 2 2 0 0 稳流桶两只，以增加流量测量系统的稳定性和准确 性。同时可溶解试验时水流中的气体，保证水的物理特性在容许的变化范围内。 7 在+ 5 米层面设进口稳流桶和稳压筒各一只，以满足泵和多功能水泵装置 及水轮机试验的安装要求。 8 在+ 5 米层面设出口稳压筒一只以稳定水流，同时可满足不同类型泵的安 装要求。 六、本试验台的特点： 从多功能水泵综合试验台的结构设计中，我们可以发现本试验台同以往同类 试验台相比有以下几个显著的特点： 1 采用微机辅助水泵测试系统，进一步提高了测试系统的测试精度； 2 试验台为开式和闭式综合试验台，结构紧凑，占地面积小： 3 采用电动和自动控制两种方式，满足不同情况下的要求； 4 试验台的进、出口管路均设计为伸缩节和锥形连接管。在试验各种不同 口径的水泵时只需更换少量的管道，从而大大减轻了安装人员的劳动强度： 5 在水泵进出口管路上设置有一个球阀。在水泵测试任务繁忙时，关闭该 阀，排掉进出口管路中很少一部分水，即可拆装水泵。这一措施缩短了安装时间， 提高了效率。 2 3 多功能水泵综合试验台测控系统简介 多功能水泵综合试验台测控系统包括下面几个部分： 一、水循环系统：主要用于形成稳定的液流，以达到提供试验水泵各种工况 参数的要求。在本试验台中离地面3 米处，设有水池提供稳定的水源。 二、电气控制系统：该系统用于向被测试的电动机提供符合要求的电源。电 气控制系统主要由电压调压器、开关柜、配电柜、交流接触器、过流保护装置等 部分组成。电气控制的主要功能为向被测水泵装置的配套电机供电和实现电机的 江苏大学硕士学位论文 正反转切换、向电动闸阀供电使其开启或关闭、向计算机及其外围设备( 如打印 机和显示屏等) 和一些二次显示仪表供电、实现在发生过流过压情况下的瞬间断 电保护。 本试验台设3 1 5 k w 、2 2 0 k w 和1 1 0 k w 降压启动柜各一只，1 6 0 k w 直流调 速柜2 只，4 0 0 k v a 调压器1 只，满足各种类型泵对电源的要求。电压可调范围 4 2 v 4 2 0 v ，调频可满足6 0 0 6 0 0 0 f f m i n 的调速要求。操作方式为柜上操作和计 算机操作。为了防止突然断电影响试验，在计算机供电系统中还配备不间断电源。 为了提高多功能水泵综合试验台的抗干扰能力和保证试验台的精度等级，在配电 柜和计算机、二次仪表的供电线路中安装有抗干扰装置。 三、测控系统：主要由系统监控和参数测量组成。该系统由各类仪器仪表组 成，用于泵试验中的整个试验现场的监控以及各种参数的测量。这些仪表大致可 分为电工仪表、热工仪表、各种传感器和电子仪表。所用的仪器仪表的精度等级 应符合g b t 1 8 1 4 9 - - 2 0 0 0 、g b t 3 2 1 6 8 9 i 级、g b 厂r 3 2 1 4 9 l 和g b t 1 2 7 8 5 9 1 以及试验台建设的经济性等要求。 2 4 多功能水泵综合试验台测控系统结构设计 泵试验的总体质量，很大程度上取决于测量技术和试验控制水平。要提高试 验精度，不仅要有高精度的测量仪器，而且还要有先进的采集与控制技术。智能 化采集与自动化控制相结合是种较为先进的测控技术。此技术的使用使得试验 数据的采集与试验过程控制更加精确可靠，是提高试验精度的重要手段之一。过 去的水力机械物理模型试验，采集与控制处于手工或半自动化的水平，不但试验 人员的工作量大，而且无法做到实时、连续、同步检测和控制试验过程1 0 1 。为 此，本试验台采用了一套智能化采集与控制系统，该系统具有较强的智能性和较 高的自动化程度，如图2 2 所示。在实际应用中，不论是泵的性能试验还是泵的 汽蚀试验，不必考虑具体的试验模型，系统就能根据预先设定的参数自动完成试 验过程川。 一、测控系统工作及试验的基本过程 系统以微型计算机为核心通过接口实现对水泵的试验过程的实时控制，通信 控制器直接与主机进行命令和数据的传送。计算机通过各种外部设备与试验人员 交换信息，记录并保存试验数据，绘制试验曲线，打印试验报告。计算机对试验 数据的采集是通过配有与通信控制器接口的可程控二次仪表、一次传感器实现 o 江苏大学硕士学位论又 的。计算机对试验过程的控制经两条路径实现：通过输出控制器、中间继电器， 控制强电配电柜的各种交流接触器和继电器的通断，调节电压及流量；也可通过 接口向阀门伺服放大器送去4 2 0 m a 的模拟量信号控制阀门的开度达到调节流 量的目的旧。 试验过程分为几个基本阶段 1 试验准备阶段 江苏大学硕士学位论文 待测模型的额定参数( 流量、扬程、转速、功率、电流、电压等等) 、试验 项目及与之相应的试验条件、仪表系数用下拉窗口菜单方式设定，人工键盘输入。 2 起动及预运转阶段 起动的基本过程是：手动接通低压电源( 隔离开关、空气开关和调压器等) 一接通接口和操作台总电源、各仪表电源一自动手动设定试验设备的状态一自 动，手动起动机组一自动手动将流量调到额定值一进入预运转。 3 试验阶段 试验可分为人工控制、微机自动控制( 开环控制和闭环控制) 两种控制形式。 微机闭环控制试验时，主机首先根据试验项目的要求进行试验工况的调整，通过 输出控制器发出控制命令，使流量调节阀或感应调压器动作，调节流量的大小或 电压的高低到需要值为止。主机发出数据采集命令，全部或部分收集各种参数 并对数据进行计算、比较等简单处理后存入内存和磁盘，同时送打印和屏幕显示， 再进入下一工况的调节。重复上述过程，直至所有需要的工况全部做完为止，完 成试验。人工控制方式，试验工况的调整和控制由试验人员使用鼠标或操作按钮 完成。两种形式用户可自由选用。 4 试验数据的处理阶段 此阶段，系统执行数据处理程序，完成逐点计算、曲线拟合、插值、打印试 验报告、绘制特性曲线等工作，并根据需要生成数据库文挡备查。 数据处理可以在全部试验项目完成后集中处理，也可以在每个试验结束后立 即进行，试验人员可以自由选择。但处理数据的先后次序应考虑各参数间的依赖 关系，以免得出错误的结果。 根据计算机在多功能水泵综合试验台监控和管理中的作用，多功能水泵综合 试验台综合测控系统可包括两个子系统：1 计算机硬件测控系统：2 墩件系统。 多功能水泵综合试验台综合测控系统适用于多种水泵物理模型、水轮机，不 仅可对水泵、水轮机等水力机械在各种工况下的参数进行精确测量，而且可对整 个试验过程实行自动控制，从而达到提高多功能水泵综合试验台参数测试精度、 提升自动化测试水平和降低试验人员工作强度的目的。 二、计算机测控系统 经过对通常工业现场设备控制逻辑关系的分析和归纳【3 】，本试验台采用两台 工控机( 研华i p c 6 1 0 l ) 和p l c ( s i m e n s 系列p l cs 7 2 0 0 ) 组成上两级计算机监控 系统，为方便集中操作将监控单元放入主控制室中。 江苏大学硕士学位论文 在本试验台中采用两台工控计算机分别控制不同的试验台位，为了便于集中 控制，测控系统将操作台和水泵控制室立式控制柜集中在一起。在操作台上可以 显示水头、管道流量、真空度、水泵电机转速、电机转速等参数，而扭矩需要经 过计算才能得到，因而只能在计算机中显示。试验参数的调节通过电动调节阀及 调压，调频电源的调节来实现。同时显示系统的运行情况，包括水流流动的方向， 控制阀门的启闭，系统运行是否正常等，并用大屏幕显示泵的运行工况点的有关 参数，便于现场的调控。数据的采集与处理通过传感器及有关二次仪表与数据采 集电脑相连，数据采集全部自动化，实现自动采集，自动处理及打印输出。 根据试验台测试系统中电压的高低，在本试验台中将计算机测控系统分为强 电监控系统和弱电监控系统。 1 强电监控系统 强电控制系统由强电配电柜、强电控制柜、保护装置和抗干扰装置组成。强 电控制系统的功能主要是控制供电系统的通断、电机的正反转、电动闸阀的开启 与关闭、调压器的电压升降、电流互感器和电压互感器变比的切换、各测量信号 的通断、保护与抗干扰等。 2 弱电监控系统 在检测时多功能水泵综合试验台的管路中水流是不断循环的，在此过程中系 统需要采集和监控的参数有：电源进线的有功及无功功率，电机电压，电机电流， 水温和水位，水压和流量、水泵的开停。为检测这些运行参数，分别在配电室、 电机、水池及管道上安装功率、电流、电压、温度、液位、压力和流量变送器等 测量仪器和仪表。测控系统硬件组成见图2 3 所示。 图2 - 3多功能水泵综合试验台测控系统硬件组成 在多功能水泵综合试验台中，弱电系统主要由传感器部分、信号调理部分、 微机处理部分、数据通讯部分、上位p c 机处理部分五大块组成。在传感器这一 垂 己 卫一西雾 江苏大学硕士学位论文 部分，主要由变送器来完成，实现把流量、入口压力、出口压力、电机转速、输 入电压、输入电流、输入功率等原始信号转换成相应的电信号。在这些信号中， 有的是数字量，有的是脉冲方波信号，有的是4 2 0 r m 信号，还有的是微弱的模 拟信号：信号调理部分主要进行信号的滤波、放大、整形和倍频功能：微机处理 部分主要完成各类数据的信号采集、各种数据的处理和计算，是水泵性能测试系 统的核心组成部分：状态信号的监测与控制部分主要实现对各种可能出现的故障 和异常信号的及时处理，达到对试验现场实时监控和实时处理的目的；数据通讯 部分主要完成上位p c 机与微机的数据通讯：作为上位机的p c 机则主要实现人机 对话、接受测试人员的命令、显示试验测得的数据、数据报表的打印和水泵性能 曲线的绘制等功能。 这套多功能水泵综合试验台测控系统具有常规手动控制和微机自动控制两 种操作方式，且两种控制方式互锁，具有集中统一控制和分散控制功能，保证了 系统运行的安全可靠性。系统所使用的硬件外部设备中，除了现有的各种测量仪 器和现成的计算机板卡之外，还有自行研制的卧式操作台、控制室立式控制柜和 信号处理等设备。 2 5 多功能水泵综合试验台的软件系统 水泵微机测试系统作为一种先进的检测手段因其显著的优越性在水泵行业 中得到了越来越广泛的应用。以往的测试软件很多都是在d o s 环境下运行，在数 据采集和数据处理、性能曲线绘制、软件操作等方面均有不尽人意之处。随着 w i n d o w s 操作系统和功能更强大的编程语言的出现，人们期待水泵微机测试系统 的操作界面应更加友好、使用应更加方便。 为了实现智能化数据采集与控制试验过程并考虑到多功能水泵综合试验台 的工作特点，多功能水泵综合试验台采集与控制系统软件采用了目前较流行的模 块化结构，按要求分成几大功能模块，每个模块仅完成相应的任务，再将其集成， 这样各模块之间既可单独操作，也可相互调用完成指定功能。本软件是用v i s u a l c + + 6 0 高级开发语言在w i n d o w s 2 0 0 0 平台上开发运行的。 一、系统结构 系统软件是一个功能强大的应用软件，可分为三部分，图2 - 4 是水泵微机测 试系统软件设计的主要流程图，按照完成的功能，程序分为数据采集和数据处理 两个部分。v i s u a lc + + 6 0 是一种高级程序设计语言【1 4 】【1 5 】，它可以很好解决实时 江苏大学硕士学位论文 情况下需要的多任务问题。下图是系统软件测试过程主要流程图。 图2 4 程序设计流程图 二、原始参数设置部分 为了完成水泵测试的各项任务，需进行原始参数的设置。参数设置模块用于 对模型试验中相关传感器( 主要有电磁流量计传感器、压力变送器、温度传感器、 转矩转速仪等) 进行参数设置。其参数主要包括水泵的设计参数、水泵进出口连 接管的管道尺寸和粗糙度、各种传感器的参数、试验介质参数、试验温度和大气 压力等。系统自动保存预置参数，试验数据采集与控制时读取这些参数后将自动 建立仪器与参数之间的关联并完成试验跟踪采集，从而保证了模型试验测试的灵 活性、可靠性和精度。 三、数据采集部分 模块控制与数据采集模块分为两部分l l6 】：一部分为控制输出；另一部分为数 据采集。采集包含了采集显示方式、存盘、显示历史状态等功能。采集显示方式 有2 种：一种为直接显示模型试验物理量；另一种为显示采集的相关电压量。在 数据的采集时采用了先进的数字滤波技术，可以最大限度的减小采集误差。选择 “存盘”，采集数据开始保存，无需存盘时将选择“不存盘”。显示历史工况是指 显示试验中不同的采集点记录情况，它显示的是每个采集点存盘数据的平均值。 数据采集系统对传感器输出的信号进行自动采集，待数据合适后把测试的各 参数自动保存到由a c e s s 2 0 0 0 制作的水泵测试系统数据库中。本系统也可以人 工输入数据进行数据处理。 江苏大学硕士学位论文 四、试验数据处理模块 多功能水泵综合试验台的数据处理是将试验测量数据进行分析计算，得出水 力机械模型性能数据，并以图表的形式表示出来。本模块的设计使得试验采集的 数据由计算机处理并生成试验曲线，减少了人工计算量，提高了计算精度，缩 短了模型试验的时间。本模块主要完成数据处理、曲线绘制以及试验结果判断等 功能。 根据试验需要，数据处理分为能量试验数据处理和汽蚀试验数据处理两部 分，由测量数据计算出模型试验结果。模块提供试验曲线的拟合生成、保存、打 印等功能。 1 数据计算 按扬程、有效功率、汽蚀余量公式分别计算水泵在试验转速的扬程日、有效 功率p 、汽蚀余量n p s h 。如果试验转速不等于额定转速，则应按水泵比例律公 式把扬程、有效功率、轴功率、汽蚀余量换算到额定转速，然后根据额定转速的 参数按效率公式计算效率百分值。此外应将以上各计算值保存到水泵测试系统数 据库中。 2 数据报表和曲线绘制 数据报表只需从水泵测试系统数据库自动读取数据传递到表格的相应位置 显示即可。对于g 一日、q p 、q 一，7 、q 一 r p s h 四条曲线的绘制，通常用 的是线性最小二乘法进行拟合。 3 试验结果判断 用计算公式对水泵流量、扬程之间的性能进行判断博j 。公式如下： ( 警) 1 + ( 訾) 2 ( 2 _ 1 ) 式中x 。泵扬程允差，对i 级精度x 。= 0 0 2 ； 泵流量允差，对i 级精度x 。= 0 0 4 ； 比规定点的扬程； q 。规定点的流量； h 规定点与试验曲线的垂直距离： 0 规定点与试验曲线的水平距离。 公式( 2 1 ) 表示试验曲线上至少有一个点是落在以规定性能点为中心，以误差 江苏大学硕士学位论文 限x 。和h ，x 。为两半轴的椭圆内，如图2 5 所示。当计算公式的值大于 或等于1 时，即可认为满足了规定性能，如果小于1 ，即表明没有满足规定性能。 图2 - 5 检查规定点用的q h 曲线 q 江苏大学硕士学位论文 第三章多功能水泵综合试验台测量系统原理 3 1 概述 在水泵试验台中测量系统主要由测量仪器和率定设备、数据采集和处理装置 两大部分组成。江苏大学流体中心多功能水泵综合试验台的多功能水泵测量系统 以工业控制计算机为核心，对水泵试验全过程进行自动控制自动采样和计算机 处理数据的开，闭环兼有的水泵综合测试系统。 3 2 水泵测控系统性能参数测量理论与测试仪表的选择 3 2 1 水泵流量测量原理与流量变送器选择 在水泵性能参数试验中，流量是一个非常重要的待测量。它是指泵在单位时 间内通过泵出水1 ：3 的体积量，通常用o ，单位常用l s 或者m ，s 表示。目前流 量测试方法和仪器仪表有很多，如节流流量计、流量转速仪、超声波流量计、涡 轮流量计和电磁流量计等，测量方法和测量原理都各不相同。虽然涡轮流量计测 量比较方便，但由于它在测量时般试验管路的直径比较小，因此在本试验台中 不予采用。在参照了国家标准g b 3 2 1 4 - - 9 1 后，考虑到电磁流量计同其他几种流量 计相比测量流量比较简单和普遍，自动化程度与测量精度容易得到保证，利用计 算机进行流量数据的采集也特别简单，所以在进行多功能水泵综合试验台设计 时，优先采用电磁流量计作为测量水泵流量的传感器。 一、电磁流量计测量原理 众所周知，法拉第电磁感应定律就是当导体在磁场中作切割磁力线运动时， 导体两端就会产生感应电动势。此感应电动势屿通过回路面积的磁感应通量的 变化率成正比。 电磁流量变送器就是利用法拉第电磁感应定律制成的“，只是其中切割磁力 线的导体不是一般的金属导体，而是具有一定电导率的液体流柱，切割磁力线的 长度是两电极之问的距离，近似等于液体流柱的直径，即测量管内径d ( 如图 3 一1 ) 。在磁场的作用下，液流中的离子以一定的方式移动，并把自己的电荷传给 电极，在电极上产生与液流的速度v 成比例的电动势e 。此电动势的数值可由法 拉第电磁感应定律得知，若在恒定磁场的情况下： 1 8 江苏大学硕士学位论文 图3 1电磁流量变送器工作原理 e = b v d ( 3 一1 ) 式中占磁极间的磁感，g s ： v 液流的速度，m s ： d 管道内径，m 。 电磁流量计是测量导电液体体积流量的仪表。整个仪表由电磁流量变送器和 转换器两部分组成。变送器安装在工艺管道中，它的作用是将流经管道内的液体 流量值线性地变换成感应电动势信号，并经过传输线将此信号传送到转换器中 去。转换器的作用是将变送器送来的流量信号进行比较、放大，并转换成标准的 输出信号，以实现对被测液体流量的指示、记录、积算或调节”“。电磁流量计的 工作原理方框图如图3 2 所示： 图3 2电磁流量计的工作原理 又因流量： q ：掣( m ，s ) ( 3 2 ) 可得： q 2 了x e 面d ( m 3 ，5 ) 如果磁场以频率f 随时间变化，则 e ：竺。i n 2 施：k q 这表明流量q 与电动势e 成线性关系。 二、流量测量结果按规定转速的换算 在流量测量中，若电机的转速n 与规定转速”。不符 9