（机械设计及理论专业论文）基于labview水泵性能试验系统.pdf

摘要 删 l i f f l i l i l f f l i l f f | | i i f f i f | l f l i f f 删 y 17 3 5 2 4 9 水泵是一种应用广泛的通用型机械。水泵的性能关系到水泵的质量和应用， 水泵的性能测试方法和装备的研究一直是众多学者和专家及生产企业所关注的 课题。本论文结合企业需求，对水泵的性能测试进行了大量的研究。本文参阅国 内外有关文献资料，探讨了水泵流量、扬程、轴功率、转速的测试原理和测试方 法，并对各项测试参数、误差分析和测量数据的采集及处理进行了理论研究。 水泵性能测试是理论与实践紧密结合的技术，本文基于虚拟仪器( l a b v i e w ) 平台下设计出了水泵试验系统，在通讯方式上运用了l a b v i e w 与p l c 的o p c 通讯， 以及与扭矩仪传感器和变频器的串口通讯技术，实现了虚拟仪器与下位机的多通 讯功能，具有较高的集成度。通过l a b v i e w 与p l c 的o p c 通讯实现了对水泵进口 压力、出口压力、流量、轴功率的快速精确采集；通过l a b v l e w 与扭矩仪的r s 2 3 2 串口通讯实现了对转矩和转速的精确采集；通过l a b v i e w 与变频器的r s 4 8 5 串口 通讯实现了上位机对电机的变频调速控制，完善了上位机与变频器的通讯控制功 能，提高了系统通讯的准确性与自动化的能力。本文研究的水泵测试系统中，流 量的控制应用了p i d 闭环控制技术。从控制理论上对流量控制系统的性能进行了 分析，实现了流量的自动化控制。在测量数据的处理中，采用了中值滤波与二次 曲线拟合技术，从软件上尽可能保证测量值的准确性。经过实际检测该测试系统 达到国家规定的b 级精度要求。 本文提出了采用电测法并结合电机效率特性曲线测量水泵轴功率，从而避 免了损耗分析法中大量复杂的中间过程，满足了试验装置的自动化测量要求。 通过本论文的研究工作，尤其在测量方法、通讯方式、精度分析和数据处 理的研究，对今后提高水泵测试系统的精度及自动化程度具有一定的实际意义。 关键词：水泵试验系统虚拟仪器数据处理测量自动化 a b s t r a c t p u m p sh a v eb e e nw i d e l yu s e di ng e n e r a l - p u r p o s em a c h i n e r y p u m pp e r f o r m a n c e r e l a t e dt ot h eq u a l i t ya n da p p l i c a t i o no fp u m p s ，t h et e s tm e t h o d sa n de q u i p m e n tf o r t e s t i n gp u m pp e r f o r m a n c eh a v eb e e nm a n yr e s e a r c h s c h o l a r sa n de x p e r t sa n d m a n u f a c t u r e r sa r ec o n c e r n e da b o u tt h ei s s u e t h i sp a p e rc o m b i n e st h eb u s i n e s sn e e d s ， o nt h ep u m pp e r f o r m a n c et e s tc o n d u c t e de x t e n s i v er e s e a r c h t h i sp a p e rr e v i e w st h e d o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e ，o ft h ep u m pf l o w , h e a d ，s h a f tp o w e r , s p e e do ft e s t i n g p r i n c i p l e s a n dt e s t i n gm e t h o d s ，a n dt h et e s tp a r a m e t e r s ，e r r o ra n a l y s i sa n d m e a s u r e m e n td a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go ft h et h e o r y p u m pp e r f o r m a n c et e s t i n gi sc l o s e l yi n t e g r a t e dt h e o r ya n dp r a c t i c eo ft e c h n o l o g y , t h i sv i r t u a li n s t r u m e n t b a s e d ( l a b v l e w ) p l a t f o r md e s i g no ft h ep u m pt e s ts y s t e m ，t h e c o m m u n i c a t i o no nt h eu s eo fl a b v i e wa n dt h ep l c ，o p cc o m m u n i c a t i o n s ，a sw e l l a s t o r q u e m e t e rs e n s o ra n dt r a n s d u c e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ,v i r t u a l i n s t r u m e n ta n dm u l t i 1 0 w e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n s ，h i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n t h r o u g ht h eo p cc o m m u n i c a t i o n ，l a b v i e wa n dt h ep l c r e a l i z e dt h ed a t ao fp u m p i n l e tp r e s s u r e ，o u t l e tp r e s s u r e ，f l o w r a t e ，s h a f tp o w e rb ea c q u i r e dq u i c k l ya n d a c c u r a t e l y ；b yl a b v i e wa n dt h et o r q u em e t e rr s 2 3 2s e r i a l c o m m u n i c a t i o nf o r p r e c i s et o r q u ea n ds p e e do fc o l l e c t i o n ；b yl a b v i e wa n dc o n v e r t e rr s 4 8 5s e r i a l c o m m u n i c a t i o no ft h em o t o rf r e q u e n c yc o n t r o l ，a n di m p r o v e dc o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca n di n v e r t e rc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , p u m pt e s t i n gs y s t e m ，f l o wc o n t r o l a p p l i c a t i o no ft h ep i dc l o s e dl o o pc o n t r o lt e c h n o l o g y f l o wc o n t r o lf r o mt h ec o n t r o l t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mt oa c h i e v ea u t o m a t i cc o n t r o lo f f l o w i nt h em e a s u r e m e n td a t ap r o c e s s i n g , u s i n gm e d i a nf i l t e ra n daq u a d r a t i cc u r v e f i t t i n gt e c h n i q u e ，a sf a ra sp o s s i b l ef i o mt h es o f t w a r et oe n s u r et h ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n t s a f t e rt h ea c t u a ld e t e c t i o no ft h et e s ts y s t e mt om e e tt h es t a t e sb - l e v e l p r e c i s i o n i nt h i sp a p e r , c o m b i n e dw i t he l e c t r i c a lm e a s u r i n gm e t h o do fm e a s u r i n gm o t o r e f f i c i e n c yw a t e rp u m ps h mp o w e rc u r v e ，t h u sa v o i d i n gt h el o s sa n a l y s i si nt h em i d d l e o fal a r g en u m b e ro fc o m p l e xp r o c e s s e s ，a u t o m a t e dt e s te q u i p m e n tt om e e tt h e m e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s t h r o u g ht h i st h e s i s r e s e a r c hw o r k ，e s p e c i a l l yi n t h em e a s u r e m e n tm e t h o d ， c o m m u n i c a t i o n , p r e c i s i o na n a l y s i sa n dd a t ap r o c e s s i n go fr e s e a r c ho nt h ef u t u r et o i m p r o v et h ea c c u r a c yo fp u m pt e s ta n da u t o m a t i o ns y s t e m sh a s s o m ep r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i i k e yw o r d s ：p u m pt e s ts y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t ap r o c e s s ，m e a s u r i n g i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图清单v i i 附表清单i x 第一章绪论1 1 1 研究的目的与意义l 1 2 国内外水泵测试技术的研究现状2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状3 1 3 水泵测试技术的发展趋势4 1 4 研究内容和技术路线及主要工作4 1 4 1 研究内容4 1 4 2 技术路线5 第二章水泵性能参数测量的基本原理7 2 1 水泵试验概述7 2 2 水泵性能参数测试理论7 2 2 1 水泵扬程的测量与压力变送器的选择7 2 2 2 水泵流量的测量与流量变送器的选择1 1 2 2 3 水泵轴功率的测量与功率变送器的选择1 2 2 2 4 水泵效率的计算1 8 2 2 5 水泵转速的测量1 8 2 2 6 水泵汽蚀余量( n p s h ) 性能试验2 0 2 3 本章小结2 2 第三章水泵性能试验台的总体设计2 3 3 1 系统结构设计2 3 3 2 供电系统设计2 4 3 3 电力控制及测控系统设计2 4 3 3 1 强电控制系统2 4 3 3 2 测控系统设计2 6 3 3 3 测控系统工作原理2 6 3 4 试验系统通讯设计2 7 3 4 1o p c 通讯设计2 7 i v 3 4 2 串口通讯设计2 8 3 5 关键部件的选型2 8 3 5 1 拖动系统2 8 3 5 2 数据采集系统选型3 0 3 5 3 电磁调节阀的选型3 0 3 6 本章小结3 1 第四章水泵性能试验系统的软件设计3 2 4 1 试验系统软件概述3 2 4 1 1m i c r o w l ns t e p7v 4 0 3 2 4 1 2p ca c c e s sv 1 0 3 2 4 1 3 虚拟仪器( l a b v i e w ) 3 3 4 2 测试系统的软件总体设计3 5 4 3 基于l a b v i e w 的试验系统的通讯设计：3 7 4 3 1o p c 技术3 7 4 3 2o p c 通讯服务器端的建立3 8 4 3 3o p c 通讯客户端的建立3 9 4 3 4 串行总线( r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 ) 4 2 4 3 5l a b v i e w 与扭矩仪的r s - 2 3 2 串口通讯4 3 4 3 6l a b v i e w 与变频器的r s - 4 8 5 串口通讯4 5 4 4 基于l a b v i e w 的试验系统的流量控制设计4 6 4 4 1p i d 原理介绍4 6 4 4 2 流量控制系统原理4 8 4 4 3 基于l a b v i e w 的流量控制实现4 8 4 5 基于l a b v i e w 的数据库管理模块设计4 9 4 5 1 数据库访问简介4 9 4 5 2 基于l a b s o l 的试验系统数据库设计5 0 4 6 基于l a b v i e w 的报表模块设计5 2 4 7 基于l a b v i e w 的系统前面板设计5 3 4 8 本章小结5 5 第五章水泵性能试验系统的数据的处理及性能曲线的绘制5 7 5 1 现场采集数据的数据滤波处理5 7 5 2 曲线拟合水泵参数关系图5 8 5 2 1 曲线插值5 8 5 2 2 曲线拟合5 9 v 5 2 3 基于l a b v i e w 实现性能曲线拟合6 0 5 2 3 水泵性能曲线拟合结果分析6 0 5 3 本章小结6 2 第六章工作总结及展望6 3 6 1 工作总结6 3 6 2 展望6 3 参考文献6 5 致谢6 8 作者简历6 9 攻读硕士学位期间发表论文7 0 插图清单 图1 1 技术路线图5 图2 1 用u 型管压力计测量水泵扬程示意图( 吸上情况) 8 图2 2 用u 型管压力计测量水泵扬程示意图( 吸上情况) 9 图2 3 用u 型管水银压差计测量水泵扬程示意图1 0 图2 4 双瓦特表法测电机输入功率原理图1 3 图2 5 互感器双瓦特表法测量电机输入功率接线图1 4 图2 6 异步电机空载试验接线图1 5 图2 7 电机工作效率特性曲线1 7 图2 8t x y - 1 0 0 扭矩仪实物图1 9 图2 9j z 型转矩转速传感器工作原理1 9 图3 1 试验系统流程原理图_ 2 3 图3 2 异试验主台架图2 4 图3 3 试验装置辅助系统图2 4 图3 4 系统测控原理图2 6 图3 5 系统数据通讯框图2 7 图3 6 拖动系统原理图2 8 图3 7m 4 4 0 变频器o o ooo q 2 9 图3 8p l c 及其扩展模块实物连接图3 0 图4 1 虚拟仪器数据采集流程图3 3 图4 2 水泵性能检测软件系统功能模块图3 6 图4 3 水泵性能检测软件系统流程图3 6 图4 4p ca c c e s s 主界面设置图3 8 图4 5o p c 服务器项目建立3 9 图4 6d a t a s o c k e t 访问o p c 服务器的软件结构框4 l 图4 7 基于d a t a s o c k e t 访问o p c 服务器的o p cd e m o 4 1 图4 8l a b v i e w 中控件绑定数据项示意图4 2 图4 9 串口操作程序图o 0o0 00 4 3 图4 1 0 从串口发送数据o oooo oooqiq 4 4 图4 1 l 从串口接收数据4 4 图4 1 2 设置缓冲区大小q oo ooo qo 4 4 图4 1 3 清空缓冲区o 9 ooo ooooo oo ood oo 4 4 图4 1 4 结束会话线程d oq oooom l 4 4 v l l 图4 1 5 扭矩仪r s - 2 3 2 串口通讯程序图4 5 图4 1 6 变频器r s - 4 8 5 串口通讯程序图4 6 图4 1 7p i d 控制原理图4 7 图4 1 8 系统组成原理图4 8 图4 1 9a c c e s s 的d s n 配置5 0 图4 2 0a c t i v e x 动态配置数据库5 1 图4 2 1 数据库建立程序图s o b 0 10 0 00ooo 5 2 图4 2 2 报表生成模块部分程序图5 3 图4 2 3 部分w o r d 报表图5 3 图4 2 4 系统主操作界面5 4 图4 2 5 试验运行主界面( 1 ) 5 4 图4 2 6 系统运行的主界面( 2 ) 0 000 00 5 5 图5 1 中值滤波程序实现图5 8 图5 2 水泵性能参数关系图6 1 图5 3 拟合实现程序图6 l v i i i 附表清单 表2 1m p m 4 8 0 变送器主要技术性能指标( 典型值) 1 l 表2 2 临界比例参数整电动机杂耗系数( k 。) 表定公式1 2 表2 3l u g b 0 6 1 2 2 1 1 满管式涡街流量传感器技术参数表1 6 表3 1 系统主要测量参数2 6 表3 2 电机技术参数2 9 表4 1 基于d a t a s o c k e t 访问o p c 服务器的典型v i s 4 0 表4 2 串口通讯模块表4 3 i x 1 1 研究的目的与意义 第一章绪论 任何科学理论的产生和科学技术的进步，都离不开科学试验和测试，这一点 在科学技术的发展史已经得到证明。人们在探求客观事物的发展从实现从客观世 界中获取有益的信息量，达到对客观事物更为真实的认识，需要通过对客观事物 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。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， 测量技术水平愈高，科学成就就愈深愈广。 水泵已经有了很长的发展历史，它是一种特殊的通用机械，也是较为复杂的 机器之一。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 影响国民经济发展的各部门。水泵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脱流、旋涡、二次回流等现象， 由此使得泵内流体技术的研究试验更加复杂。目前，即使采用较完善的流体力学 理论或者用完整的数学解析式，也无法给出完整的数学模型，来准确详细的描述 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，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。 伴随微电子、计算机和信息技术的发展，控制技术己由经典的反馈控制、数 字控制发展为以状态参量为基础，由多变量自适应控制、模式识别、系统仿真、 人工智能等新技术所构成的现代控制技术。控制技术的发展和应用，使机械设备 及工程系统产生了新的飞跃，也必然为水泵性能测试带来变革性的影响。如何利 用先进的控制技术来代替传统的开关、继电器控制，从而提高系统的可靠性，及 时发现故障并进行故障诊断，故障排除等一系列的问题，己愈来愈受到国内外生 产厂家和学者的关注。 对于水泵基础理论研究和发展、水泵性能的不断改进、水泵中疑难问题的解 决水泵设计方法的完善和设计水平的提高等，水泵试验技术都有着极其重要的甚 至是不可替代的作用。水泵技术是- 1 7 半理论半经验的试验学科，试验性研究在 水泵发展中具有举足轻重的地位和作用。所以，水泵试验的研究水平在一定程度 上可以用来表征水泵研制生产和科研单位在基础理论研究、泵业开发及其制造的 潜在能力。2 1 1 2 国内外水泵测试技术的研究现状 1 2 1 国内研究现状 由于水泵在国民经济发展中有着广阔的应用市场，也由于水泵试验在水泵制 造和水泵研究电又起到的巨大作用，所以为了设计并制造出能满足各行各业要的 高性能、高质量的水泵，我国从2 0 世纪八十年代末九十年代初开始，在伴随着 电子技术的广泛应用和测试仪器仪表、自动控制技术的飞跃发展，浙江机械研究 所、江苏大学( 原江苏工学院) 、华北水利电力学院等单位相继对水泵试验装置进 行了研究与开发，建立了各具特点的试验装置，他们为水泵质量的不断提高，水 泵性能的不断完善发挥了先导性作用。但笔者曾去一些水泵生产厂家作过实际调 研，感觉真正建有水泵微计算机自动化辅助试验装置的厂家还不是很多，即便有， 它们的结构也多为传统的半自动化设备。因而我们深感加快水泵微机自动化辅助 试验装置的开发与推广、不断提高试验装置的自动化程度和数据处理精度很有必 要。 国内的水泵性能测试系统有两种类型：一种是7 0 年代研制的以单板机为核 心外加许多分立元件组成的测试系统：另一种是8 0 年代以来采用智能测试仪器 或标准化仪器与计算机组成的测试系统。前者自动化程度不高，大部分已经瘫痪： 后者造价高，中小型水泵厂难以承受。因此研制一种既能满足科研、生产和教学 检验使用要求，又操作方便、造价低、自动化程度高、能采用多种传感器信号的 水泵多功能检测系统已是当务之急。一些高等院校和科研单位对水泵性能检测与 处理系统的研发和改进做了大量的工作。 浙江省机械科学研究所研制成功了水泵性能测试成套技术及其设备，并获得 机械部科技成果二等奖。按照国际标准i s 0 3 5 5 5 - - 1 9 7 7 和国家标准g b 3 2 1 6 1 9 9 8 的有关规定，对各规格的水泵全性能参数采用微机进行自动采集、处理， 自动打印报告和绘制试验曲线，自动判别性能容差。测试精度达到了国家标准b 级精度。成套技术的微机系统由a p p l e 一1 1 型主机，r x 一8 0 打印机，s p 卜4 0 0 绘图仪和接口柱等部分组成。 涂建平、裴凌等人和江西省农机鉴定站合作，依据水泵性能测试国家标准， 引入虚拟仪器技术通过数据采集卡与计算机实现了自动化数据采集，运用图形化 2 编程语言数值分析和信号处理能力完成数据实时显示，拟合分析和结果判定等功 能。整个测试系统界面友好、操作方便，减轻了水泵测试的劳动强度，提高了测 试精度和工作效率，降低了开发难度，缩短了开发周期，扩展了测试系统的网络 功能和数据库功能 沈阳新科精密仪器设备有限公司生产的水泵性能测试台可以进行多种水泵 试验，使用可编程控制器进行全过程自动控制和实时监督，有较高的精度和稳定 性以及较完善的功能。 安徽莱恩电泵公司经过安徽经贸委立项的一个技改项目，主要进行水泵性能 参数测试的理论研究、测量数据的处理和误差分析，并确保测试系统达到国家规 定的b 级精度的要求。 1 2 2 国外研究现状 在国外，很多大的水泵厂家都有自己的性能测试系统，但各厂家产品通用测 试系统尚未见诸报道。在一些发达国家，如美国、英国、德国等国家水泵测试领 域的研究起步较早，水泵计算机辅助性能测试系统的使用较普遍，其测试精度、 自动化程度较高。这些国家水泵性能检测和处理技术比较先进，水泵性能测试系 统呈现出高集成、设备全、体积小和操作易等特点。 英国的t qe d u c a t i o na n dt r a i n i n gc o ，l t d 公司研发的离心泵测试台结 构简洁，操作方便，采用数字式仪表实时显示测得的转速、转矩和功率，采用文 丘里管测量流量，研究水泵的汽蚀现象。通过使用通用数据采集系统和相关软件， 可以得到所测离心泵的性能，如流量和扬程特性，流量和效率特性等。 英国的a r mf i e l dl i m i t e d 公司设计的水泵试验台可以得到不同类型泵的运 行特性，通过用直流半导体闸流管控制器进行变速调节，能够测量涡轮泵、轴流 泵、离心泵和齿轮泵的流量、扬程、扭矩和功率等参数，并绘制出性能曲线，得 到不同类型泵的特性以及泵的汽蚀对泵本身的影响。 德国公司f l u i d o nc o m p a n y 生产的汽车冷却水泵试验台用于测量快速转动泵 的流量、效率和磨损，可测试高转速的旋转泵，允许的最大流量和电动机的最大 扭矩比较高，试验台的结构可以灵活配置，使用压力控制阀门，电动机的速度采 用闭环控制，同时还有加热器和冷却器。 j i o k o m o t h b 等人在俄罗斯伏尔加铁路局谢纳亚机务段开发的z t o i o m 型内燃 机车水泵试验台可实时显示水泵压力，并设有固定用的支架和移动式滑板，可检 查水泵质量及其排量，从而缩短机车的停留时间。 印度d y n a m i ce n g i n e e r i n ge q u i p m e n t s 公司研发的离心泵试验台由三相交 流电动机驱动，在进口管路上安装真空计，出口管路上安装压力测量仪表和调节 阀门，可以比较方便地得到泵的特性 1 3 水泵测试技术的发展趋势 1 高精度、高自动化 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、粗大误差和计算误差，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测试过程的微机化、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。 2 多功能化 以计算机辅助测试的水泵试验装置可进行型式试验、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。口1 1 4 研究内容和技术路线及主要工作 1 4 1 研究内容 水泵技术是一门理论与实践并举的试验性学科，试验研究在水泵发展中具有 十分重要的地位和作用。课题设计了基于计算机技术、虚拟仪器技术、数据采集 技术、通讯控制技术、传感器技术相结合的水泵性能测试系统。设计的水泵性能 检测与处理系统测试精度高，控制操作方便灵活。通过设计搭建的虚拟仪器硬件 系统，采用l a b v i e w 8 5 开发软件，构建了水泵性能检测的虚拟仪器平台，进行 水泵性能检测与处理：再具体地探讨水泵转速、流量、扬程、轴功率的测试原理 和测试方法，将虚拟仪器技术引入本性能试验台，完成上位机与下位机多方式通 讯及自动化控制，并将采集数据进行实时显示，自动分析、结果计算、试验数据 管理及报表生成。主要研究内容如下： 水泵性能试验平台设计和搭建 水泵性能数据采集系统硬件设计与搭建 水泵性能数据采集系统各个模块软件设计 4 1 4 2 ( 1 转速传 件方面 转速、 最终组 硬 拟 件 发 图1 1 技术路线图 f i g1 1t e c h n i c a lr o u t 5 ( 2 ) 进行水泵流量和扬程、流量和轴功率、流量和效率的性能试验研究，对 水泵性能数据进行采集、运算、显示、记录和分析，确定绘制水泵流量和扬程、 流量和轴功率、流量和效率的关系曲线。 ( 3 ) 进行水泵性能检验试验研究，对采集记录的流量、扬程、轴功率和效率 等数据分别进行分析和处理，研究水泵流量与扬程、轴功率、效率的关系。具体 技术路线如图1 1 所示。 6 第二章水泵性能参数测量的基本原理 2 1 水泵试验概述 由于流体在水泵中的运动过程十分复杂，不能完全用完整的数学解 述水泵在不同工作状态下的运动特征，探知水泵的各方面性能特征，目 利用试验的方法来测量水泵的重要技术指标，主要是测量水泵的流量、 程、轴功率、效率等参数，并以测量结果作为评判该泵在性能上是否达 设计要求。 根据水泵试验的目的，进行水泵试验的类别主要有水泵的型式试验和水泵的 出厂试验。其中型式试验又称典型试验，它包括水泵的运转试验、性能试验、汽 蚀试验和噪声试验。水泵的运转试验应在规定转速及输送液体允许最高温度等条 件下进行，所选择的试验点应落在水泵规定的使用范围内，运转试验时间一般至 少持续3 0 分钟以上。运转试验主要是检查水泵工作的可靠性，例如密封部分的 泄漏、检查水泵轴承和填料的温升、密封环和轴承的磨损、水泵各部位的振动及 其运转噪声等情况：水泵的性能试验则是为了测得水泵的主要性能参数值，并确 定各个性能参数之间的相互关系，即绘制泵的流量扬程、流量轴功率、 流量效率曲线，试验范围应从水泵关闭点( 或称最小流量点) 开始到至少高于 泵最大流量的1 5 之间，而且流量测试点( 一般不少1 0 点) 要分布在整个流量坐 标轴上：作水泵汽蚀试验却是为了确定水泵在额定转速下，临界汽蚀余量与流量 之间的关系，或者是验证泵的临界汽蚀余量是否小于或等于规定的必需汽蚀余 量，并绘制出流量临界汽蚀余量曲线图，作水泵汽蚀试验应在至少包括最小 流量点至额定流量的1 2 0 点等三处不同试验点上进行。水泵的出厂试验则是在 泵的工作范围内( 至少包括小流量点、规定流量点、大流量点三点) ，检查泵的扬 程、功率、泵效率及转速等性能参数值，并与该产品的规定值进行比较，判断其 是否达到规定要求，确定产品的精度级别。崎。 2 2 水泵性能参数测试理论 2 2 1 水泵扬程的测量与压力变送器的选择 扬程是单位重量的液体通过水泵后所获得的能量，或者就是水泵的出口总水 头( 动能) 与入口总水头的代数差，通常用h ( 水柱高) ，单位用m ( 米) 来表示。 1 扬程测量原理 水泵的扬程是评判水泵质量优劣的重要技术指标。扬程测量实质就是对压力 的测量，既对水泵进口压力、出口压力的测量。压力单位为p a 或者水柱高。常 7 用压力测试仪表有很多，以液柱式压力计为例来说明水泵扬程测量的基本原理如 下所述。钔 n 图2 1 用u 型管压力计测量水泵扬程示意图( 吸上情况) f i g u r e2 1u s eu - t u b ep r e s s u r eg a u g em e a s u r e m e n to nt h ep u m p ( s u c t i o ns i t u a t i o n1 ( 1 ) 当水泵进口压力小于大气压力( 吸上情形) 时，其测压系统简图如图 2 1 所示。 进口扬程 h i2 + z l k 2 2 9 ( 2 1 ) 出口扬程 h 12h 2 + z 2 一。2 9 ( 2 2 ) 水泵总扬程 日= 何l + 日2 = ( + 吃) + z 2 z i + ( 2 一k z 12 9 ) ( 2 3 ) 式中啊、j l z ：为水泵进口、出口压力计水银柱高度差，m ； z l 、z ：水泵进口、出口压力计的零位至基准面间的垂直距离，当零位 在基面以上时，z 1 取“一 号，反之取“+ 号； g 为重力加速度，与地理位置有关，在多数情况下，此值取9 8 1m s 2 不 会给试验结果带来显著的偏差； k 、分别为流体在水泵入口和出口处的平均流速，其大小等于体积 流量与管理横截面积相除所得的商。分别为： k = q 奶2 ( 2 4 ) 8 圪= q 矾2 ( 2 5 ) 式中，l 、，2 分别为泵入口与出口的截面半径( 管径) ，m m q 为水泵的流量测得值，肌3 s l i - 嘞- l c - _ _ f 二j - 一， ( w )i 一 卜r - 山 - 一 h = j i z z + ( 2 - g , 2 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 式中z 为压差计的零位至基准面间的垂直距离，当零位在基面以上时， z 取“+ 号，反之取“一号。k 、的含义及计算方法同第一种情形。 图2 3 用u 型管水银压差计测量水泵扬程示意图 f i g u r e2 3u s eu t u b em e r c u r yd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e m e a s u r i n gp u m pr a i s i n gh e i g h tc h a r t 2 扬程的测量结果按规定转速的换算 g b 3 2 1 6 8 9 第8 条规定，在水泵性能参数测试中，若电机的转速与规定的转 速不相符，此时所得到的水泵扬程应换算为以规定转速为基准的扬程日。值阳1 。 若实测电机转速与规定转速间的差异在2 0 范围以内，则扬程日。可用下式 ( 2 1 1 ) 换算而得： h o = h ( n 印n ) z ( 2 1 1 ) 式中以电机的实际转速，r m i n ： 测试标准中规定的电机转速，r m i n 。u 们 3 扬程测量的压力传感器的选择 对压力测试仪表的正确选择是保证水泵扬程准确测量的重要环节。参照国标 g b 3 2 1 6 8 9 离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法有关水泵扬程试验测 量仪表系统误差要求：对b 级试验，压力变送器允许的系统误差范围为1 0 ，c 级试验，允许的系统误差范围则为2 5 。在测试结果的最大总误差限中，泵扬 程测量值允许范围：b 级为1 5 ，而c 级为3 5 ，结合国标及合同方相关要 求我们首选了中外合资得麦克传感器有限公司生产的m p m 4 8 0 压阻式压力变送 器。这种变送器采用半导体硅材料的压阻效应，利用惠斯通电桥法实现压力信号 向电信号的线性变换，传感器输出为4 2 0 m a 的标准传感信号，而且稳定性较好， 1 0 零点与满量程均可精确调校，测量范围为卜1 0 m p a ，过载能力可达1 5 倍满量 程压力。表2 1 为m p m 4 8 0 型压阻式压力变送器的主要性能技术指标。1 表2 1 m p m 4 8 0 变送器主要技术性能指标 t a b l e2 1m p m 4 8 0t r a n s m i t t e rm a i nt e c h n i c a ii n d i c e s 2 2 2 水泵流量的测量与流量变送器的选择 流量就是指水泵在单位时间内通过泵出水口的体积量，通常用q ，单位常 用l s 或者m 3 s 表示。 流量在水泵性能参数试验与水泵汽蚀试验中是一个重要的物理参量。流量的 大小关系到水泵其他参数的大小，也关系到水泵性能检测与处理系统各种硬件设 备的选择及使用，比如驱动电动机、流量传感器、压力变送器等选型和使用等， 为此必须对流量参数予以高度重视，并对流量进行快速、准确地测定。目前流量 测试仪器仪表和测试方法有很多，如节流流量计、量水堰、超生波流量计、涡轮 流量计等，测量方法和测量原理都各不相同。考虑到涡轮传感器测量流量比较简 单和普遍，自动化程度与测量精度容易得到保证，利用微计算机进行流量数据的 采集也特别简单。1 根据待测水泵基本性能参数数值，所选择的流量传感器必须能与之相匹配， 能准确地测定水泵的流量值，并输入到数据采集卡。根据这些测量参数值的大小、 精度要求和测量使用环境以及基于所测流量信号的特点和工作环境，选择北京昆 仑海岸传感技术中心生产的l u g b 一_ 0 6 1 2 2 11 满管涡街流量传感器，能很好地满足 待测水泵的测定要求。l u g b - - 0 6 1 2 2 11 满管涡街式流量传感器是采用国际先进技 术推出的新型流量传感器，具有测量压损小、范围广、准确度高、性能稳定、安 全可靠和安装使用方便等诸多优点，并解决了抗振动、耐高温等关键性问题，适 用于测量饱和蒸汽、过饱和蒸汽、压缩气体和一般气体以及各种液体的质量流量 和体积流量等。此传感器的特点有：检测探头采用优化组合结构和特殊工艺技术 封装，耐高温度达到3 8 0 ：压电元件镶嵌在探头体中，检测元件不接触