（机械设计及理论专业论文）谷物颗粒流动特性的试验研究.pdf

摘要 在垂直管谷物流动试验台及测试系统中，对谷物流场进行测试分析，获取不同粒 径的谷物颗粒的动力学参数，并结合数值分析的方法，计算出不同粒径谷物颗粒的悬 浮速度和流化开始风速。研究发现精确的悬浮速度必须通过试验辅以理论来确定。运 用压力脉动法测得流化开始风速，压力脉动信号的方差与管内气流速度呈线性关系； 随着颗粒直径的增大，流化开始风速也随之增大。采用集虚拟仪器技术、传感器技术、 计算机技术于一体的动态测试方法，用虚拟仪器软件l a b v l e w 编写了数据采集和分析 程序，在谷物流动过程中可实时同步测得管内的压力脉动信号。运用数字信号处理的 手段，对压力脉动信号的频谱进行分析后发现，相同的气流速度下，随着加载量的增加， 气流的脉动主频趋于减小，脉动的动能增加。本文对设计和改进干燥设备及气力输送 装置提供参考依据。 关键词：谷物；悬浮速度；垂直管道；压力脉动信号 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f g r a i n a b s t r a c t e x p e r i m e n ti nt h ep l a t f o r mo ff l o wg r a i ns y s t e m f l o wc h 缸t e r i 鲥c so fd i 赶打t - s i p a r t i c l e sa r e o b t a i n e d s u s p e n s i o nv e l o c i t ya n dm l l l l m u mf l u i & z a t i o nv e l o c i t yc a nb eo b t a i n e db y 璐eo ft h em c a l h o fn u m e r i c a la n a l y s i s a c c u r a t es u s p e n s i o nv e l o c i t yi sg a m e db yt h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n ta n d t h e o r yc a l c u l a t i o n m i l t i m u l nf l u i d l z a 扛o nv e l o c i t yc a l lb eo b t a i n e db ym e “t h em c a l l $ o fp 1 e ! l s u l o f l u c t u a t i o ns i g n a t t h er e s u l ts h o wt h a tv a x i a n e eo fp r e s s l f l u c t u a t i o ns i g n a li sl i n e a rw i t ht h ev e l c c 睁 i nt h ep i p e w i t ht h ed t a m e t 日o fp a r t i c l ei n e r e a s m g ，i “i l l i n l t t mf l u i d i z a t i o nv e l o c i t yi si n c r e a s i n g m o d e m 由m a m i cm e a s u m e t h o d su n i t ev i r t u a lm s h a n n e n tt 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 r t e c h n o l o g y , e m p l o y e di nt l i i 窖p a p e rt h ep r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sw a sc o m p i l e di n s o f t w m - el a b v i e w t h es y s t e mc a nb eu s e dt om o a s u r et h ef l u e t a a t a o ns i g n a li nv e r t i c a lp i p e s i m u l t a n e o u s l yd u r i n gt h ef l o wp r o c e s s p l s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a li st e s t e db ys p e c l r u ma n a l y s i s r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so fp r e s s u r ef l u c t u a t i o ns i g n a l s w i t ht h es a m gv e l o c i t ya n di n c r e a s ei nf f d l q u m m t y ，t h em a i nc o m p o n e n t so f a i r f l o wf r e q u e n c ym i n i s ha n dt h ek i n e t i ce n e r g yo f p r e s s u r ef l u e t u a t a e n s i g n a lc n l l a l l c e s t h i sp a p e rp r o v i d e st h eb a s i st h e o r yf o rd e s i g na n di m p r o v e m e n to fd i ”n ge q m p m e n t a n da 口。由m a m i cf o r c et r a n s p o r t a t i o nf a c i h t y k e yw o r d s ：g r a i n ；s u s p e n s i o nv e l o c i t y ；v e r t i c a l p i p e l i n e ；p r e s s u r e f l u c t u a t i o ns i g n a l d ir e e f e db y ：p r o f t a n a a p p ii c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h a ox i a o g e n( m e c h a n m 】d e s l s n d 皿m 珂) ( c o l l e g eo f m e c h a m c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i x m e rm o n g o h a a g n e a l t m a lu m v e r m t y ，h u h h o t0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我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时 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 含为获得我校或其他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 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：盈盟报 日期：皇监堡 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：缴 指导教师签名：生翅2 日 期：2 垒z 仝 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 据中国国家统计局统计，2 0 0 6 年中国粮食产量达到了创纪录的4 9 0 亿吨，增幅 i 2 3 以上，2 0 0 7 年将保持其发展势头。粮食产量大幅增长说明中国粮食产量增长已 经从种植面积的扩张转移到了农耕技术的发展。2 0 0 5 年，我国粮食单产量达到6 2 0 斤亩，农机作业水平达到3 5 。2 0 0 4 年、2 0 0 5 年两年粮食产量增产5 0 0 亿公斤。科 技对粮食产量的贡献率将会有较大的提高。解决我国的粮食问题，一靠增产，= 靠节 粮。从粮食流通管理角度，加强粮食运输、装卸、储备、保管、加工等各环节的规范 化操作和管理，降低粮食损耗率。目前我国粮食资源的利用效率还不高，粮食流通、 再生产各环节，特别是消费环节中的损失浪费现象比较严重。这种状况，不符合党中 央关于树立科学发展观和确保粮食安全的要求，不符合建设和谐社会及节约型社会的 要求。 气力输送装置是许多国家广泛使用的散粮装卸设施，它工作效率高，适合于多种 散粮作业。国内对粮食气力输送的理论研究还比较薄弱，特别是未对不同粮食品种、 不同输送长度与输送风速、风压相互关系以及管道压损进行深入的研究，以至无法对 风速和风压等几个主要气力输送参数进行科学合理的确定，以达到能耗少而输送量大 的效果。为尽快解决粮食流通中的散运问题，我们急需适合我国国情的散装和散卸专 用配套设施。国外早已把气力输送装置作为散装粮食的装卸设备，近来国内也开始在 消化吸收国外技术的基础上，开发新型气力输送装置“。1 。 从应用基础层面上来看，干燥和气力输送是一个复杂的多相流动过程，颗粒在输 送管内的运动，涉及到气流速度的分布以及颗粒与管壁摩擦等各种条件。输送管道内 颗粒的运动状态既有滚动又有悬浮，同时还发生颗粒与颗粒、颗粒与管壁的碰撞，颗 粒的旋转还产生举力，完全考虑这些问题是相当复杂的。长期以来人们己在该领域进 行了大量的研究，但仍有许多问题没有得到很好解决，例如散装物料在管道内被气流 带走的过程中颗粒相互之间以及颗粒同管壁发生碰撞，碰撞的结果使得颗粒的破碎以 及造成管道磨损，这种情况显得愈加明显。为了减轻这些现象，可以降低输送气流的 速度，但随之而来的是容易引起流动的不稳定，甚至堵塞。另外，系统的输送率也是 一个重要问题，被送物料的尺寸，硬度，抵抗损坏的能力和输送系统的自身条件等因 素相互制约，共同决定了气力输送的效率，从综合的角度来考虑输送效果就变得非常 复杂，系统内气固两相流动的状况直接影响到系统的稳定性、高效的运行，因此，要 对气力输送系统的设计进行优化，就必须掌握系统运行时气固两相流动的特性及规 律，必须对颗粒在管道内的流动问题进行深入的研究。因而这些问题也成为应用基础 研究的重点“。 气力输送试验是研究最佳运行参数的最好的办法。研究气力输送过程中气流速 度、填充量、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 2 谷物颗粒流动特性的试验研究 测试和数值的分析。检测气力输送试验参数的传统方式是采用手工方法，应用传统的 仪表、仪器。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。获取准确、实时的试验参数，并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帆。目。 1 1 国内外研究现状与分析 1 1 1 国外现状 气力输送技术虽然已有一百多年的历史，但对颗粒流动特性的研究只是近几十年 来才发展起来，理论还不完善，需要作大量的研究工作啪。颗粒流动的研究始于2 0 世纪5 0 年代，早先的工作主要集中于一些简单的观测和近似分析，并为工程设计提 供一些经验公式。7 0 年代以后，人们开始对颗粒流动的物理机制发生了兴趣，颗粒 流动的研究进入了一个蓬勃发展的阶段，许多力学家、物理学家和应用数学家投入到 颗粒流动的理论研究中来。颗粒两相流的研究主要分为数值模拟研究和试验研究，数 值模拟方法又有利用计算流体力学原理的模拟和离散元法模拟两种，计算流体力学方 法是一种连续体理论，连续体理论对结合紧密的散体的静态分析是适合的，而谷物流 动是多相，松散和物料特性分散的颗粒群的动态变形和运动过程，所以计算流体力学 的方法对于谷物流动特性的研究并不适宜。1 9 7 9 年c u r t d a l l & s t r a c k 开发了第一个研 究颗粒介质力学行为的二维离散元模拟程序，得到与动光弹实验极为吻合的成果，成 为离散元模拟颗粒运动的开端。近年来国际颗粒离散元法研究十分活跃，其中 t h o r n t o n 对颗粒离散元法发展颇多建树；坂口泶一郎等从9 0 年代初采用离散元法对 颗粒在倾斜槽中的流动进行了分析研究。现在国外研究工作主要在以下几方面展开： 1 ) 流态化气固两相流动非线性动力学特性的研究；2 ) 流化床中气固两项流宏观运动控 制的研究；3 ) 建立两相流理论模型、离散化方法与离散化方程求解以及计算机程序的 研究”。 2 0 0 0 2 0 0 3 年，塔娜在日本岗山大学攻读博士期间对垂直管内颗粒的流化开始 风速进行了研究”。 1 1 2 国内现状 我国的散料颗粒学及气力输送技术的研究起步较晚，8 0 年代，在中科院化冶所 郭慕孙院士的倡议下，我国成立了“中国颗粒学会”。中科院化冶所、清华大学、西 安交通大学、浙江大学、大连理工大学、同济大学等单位在散料颗粒学及气力输送技 术方面作了大量的工作m “”。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 9 7 8 年，中科院化冶所的李洪钟，就垂直气力输送压降计算方法进行了深入的研 究。1 9 8 0 年，华东化工学院的杨华伦对脉动气刀式栓流密相气力输送进行了研究。 1 9 8 8 年陈越南、杨晓清对s i m p l e 的方法作了推广，提出了一种求解二维湍流稀相气 固两相流动的数值方法。1 9 9 6 年，北京科技大学的洪江、沈颐身等就低气速高混合 比水平气力输送临界速度进行了较深入的研究，在试验的基础上分析评价了用于描述 散粒体与机械结构相互作用的传统理论方法。我国离散元研究始于2 0 世纪8 0 年代， 王泳嘉引入c u n d a l i 的离散元法进行的岩石力学和颗粒系统的模拟。自王泳嘉把离散 元法引入我国以来，离散元法的块体系统在岩石工程领域发展较快，而农业工程中更 适用的颗粒离散元研究相对滞后“。1 9 9 8 年中国农业大学引入t h o r n t o n 的颗粒离 散元法，用颗粒离散元法模拟了料仓卸料过程，证明了离散颗粒模型比连续体模型更 符合实际“。 综上所述，目前尚缺乏散粒体的贮存、流动、和输送、颗粒间形体效应作用的研 究，需要进一步的工作，以便提出符合实际过程的机理模型。 1 2 选题意义及研究目的 随着谷物消费量的逐年增加，其加工、输送、储存设备呈现出向大型化、精密化、 自动化发展的趋势。由于不能准确的预测谷物颗粒的流动特性，农业及粮食食品加工 机械等在向精密化、自动化的发展过程中，存在很多具体的问题，造成直接经济损失， 因此有必要对谷物流动特性进行研究，为谷物加工过程中干燥和气力输送装置的机械 设计提供参考依据。 散粒体的气力输送具有一系列的优点：生产率高、设备构造简单、管理方便、易 装卸、不外漏、防潮、防污染。特别是在谷物颗粒的应用上，可将输送过程和加工过 程相结合，简化工艺过程和设备，并且整个过程不会污染谷物。粮食工业中采用气力 输送后，可在输送系统内同时进行物料清理、冷却、分级和设备的吸风冷却，气力清 理器可以除去9 0 以上的杂质。这样可以使车间的除尘设备大为简化。目前我国的 大型气力输送系统装置绝大多数是从国外成套引进的，国内只能参照国外系统设计小 型的气力输送系统，这种设计缺乏可靠的理论依据，并存在一些质量问题，如可靠性 差、寿命短、能耗大。造成这种状况的主要原因是，目前国内散粒体贮存和气力输送 的理论研究、试验研究不够，对于一些关键参数很难确定。设计能力不足，设计水平 较低，因此缺乏谷物颗粒的输送设备。针对这一现象，开展了本文的试验研究。 国内外研究中所采用的颗粒当量直径均小于i m ，而本课题中采用的谷物颗粒当 量直径均大于i n n 。所以有必要对谷物颗粒流动特性进行深入细致的分析研究。本课 题是内蒙古自治区自然科学基金资助项目离散元法在谷物流动特性分析中的应用 ( 项目批准号：2 0 0 4 0 8 0 2 0 7 0 3 ) 的一部分。 4 谷物颗粒流动特性的试验研究 1 3 课题研究内容 在本课题所设计的试验台及测试系统中，对垂直管内的流场进行测试分析，获得 谷物的流化开始风速和悬浮速度。运用数字信号处理的手段，对压力脉动信号的频谱 进行分析。具体内容包括： ( 1 ) 谷物流动特性试验装置的设计制作和安装 主要包括：风机、水平管道、竖直管道、整流装置、皮托管支架、顶部收集器、 变频调速仪、法兰、物料网。 ( 2 ) 测试系统硬件设计 测试系统硬件的设计主要涉及到数据采集卡、差压变送器、皮托管的选购及安装； 本文选用了电压型差压变送器。 ( 3 ) 测试系统的软件编写 测试系统软件主要实现数据采集、并能对通道、测量参数范围、采样频率及缓存 大小等采集参数进行设置，对于采集到的信号实现触发、滤波、波形显示、存储、有 效值计算一系列功能。 ( 4 ) 进行测试试验，验证测试系统的可行性，并对谷物颗粒的流化开始风速和悬 浮速度进行测定。 2 试验装置及数据采集系统 2 i 试验装置 本课题采用的试验装置如图l 所示m 1 。以1 i k w 的鼓风机作为风力源。管道是由 内径1 5 0 r a m 的透明有机玻璃组成，加载谷物颗粒的金属网夹置在法兰之间。a 为金属 网下方2 0 0 咖处的测量点，b 点为金属网上方8 0 0 咖处的测量点。整流装置在a 点下 方3 0 0 r a t a 处。本试验使用美国b e s t a c e 公司7 6 1 系列差压变送器( 电压型) 测定静压。 图1 试验装置简图 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 2 1 1 试验管道材料的选取 本课题主要是为了搞清谷物颗粒的空气动力学参数( 流化开始风速和悬浮速度) 与颗粒物理性质之间的相互关系。除了需要测定研究对象谷物颗粒的物理性质之外还 必须将谷物装入管道( 透明流动试验台) 中进行流动试验，同时还必须采取必要的摄 影手段进行详细的观察、记录、测试和分析。考虑到以上因素，决定本试验的垂直管 道选用便于观测和摄影的透明有机玻璃管。在管道上加工测量压力、风速的监测孔， 管道需要有一定强度，同时为了不影响观察和摄影，管壁又不可以太厚，综合以上因 素，试验装置选用壁厚为5 m m ，外径为1 6 0 r a m 的透明有机玻璃管。为满足整个试验装 置的密闭性要求，管道端面必须保证一定的加工精度。把竖直管道分为三段，每段为 一米，以便于车床加工。 试验装置的水平段主要承担输送风力和稳定风速的作用，不需要观察和摄影，因 而对该段的要求就大大降低，所以采用了比较经济的p v c 塑料管，长度为l m ，外径 为1 6 0 r a m 。 试验装置的风力源选用三相异步电动机，其规格为：i 。1 千瓦、5 0 赫兹、1 4 5 0 转分。但是由于风机的出风口尺寸与试验装置水平段的外径不相等，自行设计了过 渡管，来连接风机与水平管。试验装置的水平段与竖直段的连接采用了标准弯头。 竖直管道分为三段，有两个接头，由于对这两个接头的要求不同，分别采用了两 种不同的方法来实现连接。第一接头处因为要安装物料网，来承载谷物，因此采用了 法兰连接。两段有机玻璃管道重量较小，为了实现法兰与有机玻璃管道粘结方便、牢 固，采用了p v c 塑料板作为法兰盘的材料。第二个接口采用了塑料套筒实现两段有 机玻璃管道的连接。 放置研究对象的物料网属于试验装置的关键部分，具体的要求是：在物料放置较 多或风速较大时不会产生明显变形；便于更换和安装。这就要求物料网有较高的强度 和硬度，因此选用了钢丝网( 2 4 目) 。 为防止风速较大时物料颗粒被吹出试验管道，在试验装置的顶部设计、安装了收 集器，保证物料不会被吹出试验装置且起到收集的作用。 2 1 2 试验装置的加工 法兰是连接两段有机玻璃管道、固定物料网的重要部件，所以法兰的加工是整个 试验装置加工中的重要环节，考虑到与法兰粘结的有机玻璃管道的尺寸不是很大，法 兰的尺寸也不宜太大，因此把法兰的外径定为2 2 0 m m ，内径为1 6 0 m m 。为了使上、 下法兰的连接牢固，在法兰上均匀分布了6 个直径为7 毫米的孔，使用螺栓连接，同 时考虑到在机床上加工时由于产生热变形使上、下法兰连接时达不到连接紧密的要 求，气流会在法兰连接处泄露，所以下法兰上加工了一个宽度为6 m m 的密封槽，上、 下法兰盘具体尺寸见图2 。 6 谷物颗粒流动特性的试验研究 3 图2 上、下法兰结构示意圈 测量气流速度时，皮托管与差压变送器用胶管连接，由于胶管的重力和气流的影 响，皮托管探针轴线与气流方向不一致，管子前缘对不准来流，使得试验数据失真。 为了保证试验数据的准确性，设计了皮托管支架，结构如图3 所示。 围3 皮托管支架示意图 管道内的谷物颗粒在风速较大和更换谷物颗粒时，都要将谷物颗粒吹出试验管 道，这就要求在试验装置的项部必须安装收集装置，保证颗粒不被吹出试验垂直管道， 这样就可以保证谷物颗粒循环使用。图4 为收集器的结构简图。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 图4 收集器结构简图 该试验对上、下监测孔的位置有一定的要求，上下监测孔必须在同一铅垂面上而 且监测孔中心面必须和水平管道平行。由于上、下监测孔位于不同的两根透明有机玻 璃管道上，位于放置物料网的上、下方，气流在通过弯头到达竖直管道时弯头对气流 场的影响，使得竖直管道中流场不是沿轴向均匀分布蚴。为了避开气流通过物料层时 物料层所产生的气流的影响，把下监测孔定在距物料网的2 0 0 m m 处，考虑到了物料层 悬浮颗粒对测试仪器的影响，上监测孔的位置定在了距物料网8 0 0 m m 处，上、下监测 孔的直径均为2 2 r a n 。 由于气流从水平段向垂直段过渡时要经过弯头，气流经过后，流场的均匀性受到 了破坏，必须设计整流装置来恢复流场的均匀性，使气流方向平行于竖直管轴向“。 整流装置截面图如图5 所示，长度为7 衄，外径为1 5 0 m m ，小管直径l o m m 。 8 谷物颗粒流动特性的试验研究 图5 整流装置截面示意图 2 1 3 流场均匀性分析 首先确定测点位置。因测量在管道内进行，而由于管道内壁附近负面层的形成和 风机的结构，将导致管中风速的分布是不均匀的叫。一般管中心风速最大，越靠近管 壁风速越小。根据g b t 1 2 3 6 2 0 0 0 标准提供的测试方法来布置测量点阮“。对于本次 试验的圆形管道，可将圆管断面划分若干个等面积的同心环，测点布置在等分各小环 面积的中心线上，如图6 所示。各测点所在圆的半径由下式计算： ，：= 尺层 其中：，：一从管道中心到第i 环测量点的半径，r a m r 一测孔处圆形管道横截面的半径，n n i 一由管道中心起算的圆环圈数， m 一管道截面内分成的圆环数， 在本实验中r - - - - 7 5 r a m ，m = 3 ，则相应的，：值分别为： r l - - - - 3 0 6 2 r a m ，r 2 - - - - 5 3 0 3 m m ，玛= 6 8 4 7 m m 0 点为测孔处圆形管道的中心位置。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 围b 截面测试点分布圈 在未放入整流装置时，一定风速下( 变频调速仪3 0 1 t z ) ，在a 点测量截面( 图4 ) 处的动压，然后放置整流装置，继续对刚才的七个位置进行测量。经过对比试验，总 的来说，截面速度的均匀性大有改善，但是对风速有一定的损失。一共做了l o 组对比 试验，每次频率以5 1 1 z 递增，其它频率下的对比试验可参见附表( 1 8 ) 。 裹13 0 h z ( 风机转速8 9 6 r p , n ) 下的对比试验 谷物颗粒流动特性的试验研究 2 1 4 风机的参数 表3 风机参数表 2 1 5 试验装置的安装 风机出风口处的风速不稳定，为了气流速在通过物料层时状态稳定，除了利用 水平段起到稳定气流的作用外，在第一段竖直管的下端安装了自行设计的整流装置。 水平段要求放置水平且在气流通过时管道平稳不会来回摆动，设计了固定水平段的支 架。第一段竖直管道所承受的载荷比较大而且不需要经常拆卸，所以该段的固定必须 牢固，与竖直钢架采用了螺栓连接。法兰和有机玻璃管道采用胶水粘接，法兰之间用 螺栓连接，钢丝网夹在法兰之间，这样就实现了两段有机玻璃管道的连接。 物料网上方的有机玻璃管道需要经常拆卸以便更换物料网还需要在此段拍摄物 料的运动情况，使该段的固定不能像第一段那样限制了所有自由度实现与竖直钢架的 连接，因此我们只在该段的顶部靠近套筒部位限制左右摆动的两个自由度与竖直钢架 相连。最上面的那段有机玻璃管道只要能保证试验装置的竖直就可以，所以该段只用 套筒连接。顶部的收集装置利用自重固定在顶端。 2 2 数据采集系统 在线测试系统如图7 ，l 型皮托管( d w y e r 公司，1 6 6 - 6 ) 连接到高灵敏差压变送 器上( b e s t a c e 公司7 6 1 系列，量程：0 1 2 5 0 p a ) ，然后由差压变送器输出的标准电 信号接入采样频率高达5 0 0 k s s 的数据采集卡上，并对压力信号进行频谱分析。 圈7 测试系统流程图 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 2 2 1 数据采集卡 传感器输出的信号无论是开关量、数字量还是模拟量( 本课题所用主要为模拟量) 都不一定能直接被计算机接收，因此必须通过接口电路转化成计算机能接收的t t l 数字信号。接口电路主要解决信号的转换如模拟量转化为数字量( a d ) 以使计算机接 收、数字量转化为模拟量( d a ) 以实现对外部模拟信号的控制。l a b v i e w 软件获取数 据的方法是通过对i o 接口设备的驱动完成的。虚拟仪器系统中，i o 接口设备主要 是数据采集卡。数据采集卡作为仪器系统硬件的主要组成部分，是外界的电信号与 p c 机之间的桥梁。它不仅具有信号传输的功能，还具有信号转换和译码的功能。 通过数据采集板获取数据，在虚拟仪器中又称为p c - d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n 数 据采集) 式仪器。虚拟仪器的插入式数据采集卡由多路开关、放大器、采样保持器、 a d 转换器、d a 转换器组成嘶： ( i ) 多路开关：将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多路信号的分时采 集。 ( 2 ) 放大器：将前一级多路开关切换进入的待采集信号，放大( 或衰减) 至采样环 节的量程范围内。通常实际系统中，放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输 入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。 ( 3 ) 采样保持器：取出待测信号在某一瞬时的值( 即实现信号的时间离散化) ，并 在a d 转换过程中保持信号不变，如果被测信号变化很缓慢，也可以不用采样保持 器。 ( 4 ) a d 转换器：将输入的模拟量转换为数字量输出，并完成信号幅值的量化。 随着电子技术的发展，目前，通常将采样保持器和a d 转换器集成在同一块芯片上。 ( 5 ) d a 转换器：将计算机输出的数字量转换为模拟量，以实现控制功能。 数据采集卡的性能指标决定着数据采集卡的功能，所以在选用数据采集卡时应首 先清楚这些性能指标。 本测试系统采用e 系列的多功能数据采集卡，模拟接口、数字i o 接口和计数器 定时器功能于一体。数据采集卡的性能指标主要有： ( 1 ) 模拟信号的输入部分： 模拟输入通道：该参数表明数据采集卡所能采集的最多信号路数。 信号的输入方式。一般待采集信号的输入方式有： 单端输入：即信号的其中一个端子接地。 差动输入：即信号的两端均浮地。 单极性：信号幅值范围为 o a ，a 为信号最大幅值。 12 谷物颗粒流动特性的试验研究 双极性：信号幅值范围为 - a a 。 信号的输入范围( 量程) 。一般根据信号输入特性的不同( 单极性输入还是双 极性输入) 有不同的输入范围。 放大器增益：数据采集卡对信号的放大倍数。 模拟输入阻抗：数据采集板固有的参数，一般不由用户设定。 ( 2 ) a d 转换部分 采样频率：指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，是数据采集 卡重要的指标。 位数b ：指a d 转换器输出二进制数的位数。 分辨率与分辨力：指数据采集板可分辨的输入信号最小变化量。分辨率一般 以 d 转换器输出的二进制位数或b c d 码位数表示。 精度：一般用量化误差表示 ( 3 ) d a 模数转换部分 分辨率：指当输入数字发生单位数码变化即1 l s b 时，所对应输出模拟量的 变化量。常用d a 转换器的转换位数b 表示。 标称满量程：指相当于数字量标称值2 b 的模拟输出量。 响应时间：指数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围( 1 2 l s b ) 所经 历的时间。 本测试系统根据要求，选用美国n i 公司的数据采集卡p c i - 6 0 4 0 e 。p c i - 6 0 4 0 e 是一种性能优良价位低，适合p c 机及兼容机的采集板。它能完成信号采集( a d ) 、信 号模拟输出( d a ) 以及定时记数等功能。它有1 6 个模拟量输入通道( 对差分输入，有 8 对模拟输入通道) 、2 个模拟量输出通道，8 个数字量i o 接口、2 个1 6 位的计数器 ( 用于定时记数) ，其性能指标如表4 所示： 表4 数据采集卡主要性能指标 在本系统中，p c i - 6 0 4 0 e 数据采集卡上的端口分配如图8 ，模拟输入通道：6 7 ，6 8 端口连接与物料网上方皮托管相连的压差变送器，采集网上气流速度的压差信号：6 4 ， 6 5 端口连接与物料网上方皮托管相连的压差变送器，采集网下气流速度的压差信号。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 _ m _ _ _ da m * m ，；雌 b ；m 4 越雠 。# # 3 p m m 5 _ m * ￥ 料n = i b 4 雠 o o m _ h im t ww 0 8 s ” o a w d 8 柚 * ，：i 麟，4 i 纠群# + * m # t f * ni l # * o 镕 m f 田8 数据采集卡端口 2 2 2 传感器的选择 在测试系统中，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，其输出信号可直接进行 d 转换。气流速度的测试硬件 选用了差压变送器。 差压式变送器是目前技术最成熟、使用最多的一种压力测量仪，其使用量约占全 部压力测量仪的7 0 8 0 。差压变送器是将传感器的输出信号经适当的运算放大 电路转换成统一的标准信号o 5 v ( 或4 2 0 m a ) ，送到单元组合仪表及计算机进行工 业过程控制。本测试系统采用美国b e s t a c e 公司7 6 1 系列差压变送器( 电压型) ，其 技术指标如表5 所示。 袭5 差压变送器技术指标 变送器接线方式为三线制。差压变送器采用2 4 v 直流电源供电，输出信号通过数 1 4谷物颗粒流动特性的试验研究 据采集卡的模拟输入通道进入到计算机中进行处理。 2 2 3 皮托管的选择 托管结构简单，使用方便，用途很广。如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测 量相对空气的飞行速度，又称空速管测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管 状装置。由法国 l 皮托发明而得名。严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压 管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管乜7 1 。皮托管 的构造如图9 ，头部为半球形，后为一双层套管。测速时头部对准来流，头部中心处 图9 皮托管测试原理围 小孔( 总压孔) 感受来流总压肋，经内管传送至压力计。头部后约3 8 d 处的外套 管壁上均匀地开有一排孔( 静压孔) ，感受来流静压p ，经外套管也传至压力计。 气流速度的测试是通过在气力输送管内安装皮托管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。 皮托管测试气流速度的基本原理是理想流体的伯努利方程式。假设流体是不可压 缩的( 密度p 不变换) 、理想的( 流体没有粘性) 、定常流动( 管道内各点的参数不随 时间的变换) ，忽略其它损失，写出能量守恒方程： 墨+ 苴：墨+ 蓝 ，2 9y2 9( 2 ) 由于流体是不可压缩的，从截面a 。流入的流体体积一定等于a 。流出的流体体积，即 a 。v i = a ：k ( 3 ) 代入方程得： 式中： v = ( 4 ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 玮表示总压力 p 表示流体的密度 v 表示流体的速度 p 表示静压力 每次试验前需要计算出现场气体密度，所用公式如下： 口：鱼鲨 丁p 0 ( 5 ) 式中： 只一标准大气压力，p o = 1 0 1 3 2 5 p a 瓦一标准大气压力下的温度，瓦= 2 7 3 k 尸一现场大气压力( 单位p a ) p o 标准大气压力下的空气密度，p 。= 1 2 9 3 k g m 3 丁一现场实测温度( 单位k ) p 一现场气流密度( 单位k 鲫4 ) 在试验中通过测试和计算得出现场空气密度为p = 1 2 0 5 k g m4 ，标准大气压力为 e o = 1 0 1 3 2 5 p a ，现场温度为t = 2 9 3 k 。在本测试系统中，计算空气密度这一环节已经嵌 套在程序内部，但每次实验还必须测定实验室温度和大气压。 对于可压缩流动，测定伽和p 以后，根据能量方程可求出气流马赫数，进而再 求速度。但在超声速流动中，皮托管头部出现离体激波，总压孔感受的是波后总压， 来流静压也难以测准，因而皮托管不再适用。总压孔有一定面积，它所感受的是驻点 附近的平均压强，略低于总压，静压孔感受的静压也有一定误差，其他如制造、安装 也会有误差，故测算流速时应加一个修正系数孝，即 v = ( 6 ) 毒值一般在0 9 8 1 0 5 范围内，在已知速度之气流中校正或经标准皮托管校正而确 定。 本测试系统采用d w y e r 公司的1 6 6 系列的不锈钢皮托管。选择此系列的原因主 要是考虑到试验管道的内径为1 5 0 m m ，竖管的长度过长不利于固定，皮托管探针前 缘对不准来流，使得被测量失真。 表6 皮托管参数 1 6 谷物颗粒流动特性的试验研究 3 数据采集软件l a b v i 酬 数据采集软件既要满足数据采集、波形显示功能，又要适应测试技术的发展趋势， 本文选用了虚拟仪器设计软件l a b v i e w 来实现谷物流动特性信号的实时采集和分析。 1 9 8 6 年，美国n i 公司( n a t i o ni n s t r u m e n t ) 提出了虚拟仪器的概念，即“软 件就是仪器”的口号，打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。 虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其它技术领域密集渗透的过 程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。这一概念的核心 思想是：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回 放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控 件软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全 与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全新的仪器系统。它的特 点体现在灵活性上，能够充分利用和发挥现有计算机先进技术，使得仪器的测量、自 动化工业的系统测试和监控异常方便和快捷嘶。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种图 形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公 认是标准的数据采集和仪器控制软件。最大的特点在于：使用图形化编程g 语言在流 程图中创建源程序，使编程过程变得生动有趣。 l a b v i e w 在编程工具方面主要提供了如下三个模板来编辑虚拟仪器。 ( 1 ) 工具模板( t o o l sp a l e t t e s ) ：用来提供图形操作的各种工具，如移动，选 取，设置卷标、断点，文字输入等； ( 2 ) 控制模板( c o n t r o l sp a l e t t e s ) ：则提供所有用于前面板编辑的控制和显示 对象的图标以及一些特殊的图形； ( 3 ) 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e s ) ：包含一些基本的功能函数，也包含一些 能实现一些基本的信号处理功能的子仪器。 3 1l a b v i e w 的数据采集 要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个完整的数据 采集( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 系统。它包括：传感器和变送器、信号条理设备、 数据采集卡、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。使用不同的传感 器和变送器可以测量各种不同的物理量，并将它们转化成电信号；信号条理设备可对 采集到的电信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的要求；计算机通过数据采 集卡获得测量数据；软件则控制着整个测量系统，它告诉采集设备什么时候从哪个通 道获取数据，同时还对原始数据作分析处理。 l a b v i e w 的数据采集有许多方式，其中最简单，应用最灵活的方式是直接利用n i 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7 公司生产的数据采集卡和l a b v i e w 软件v i 来实现。l a b v i e w 数据采集系统的结构简 图如图1 0 所示嘲。 图l o 数据采集系统的结构衙图 3 2 数据采集软件的编程 数据采集软件编写是测试系统设计的关键部分。数据的采集，分析和处理都要靠 软件的运行。在l a b v i e w 的程序开发中，谷物颗粒流动特性参数测试系统的数据采集 过程需要在功能模板d a t aa c q u i s i t i o n 中调用a i c o n f i g v i 模块、a is t a r t v i 模 块、a ir e a d v i 模块、a ic l e a r v i 模块以及自编的子v i 模块即风速计算、存储、 波形显示、频谱分析功能来实现对电压信号的采集，程序的编写由如下四个步骤完成 嘶删a 第一步：调用a ic o n f i g v i ，其对数据采集卡进行配置，包括设备号、缓存、 通道配置。其中设备号在数据采集卡设置工具中设定，本测试软件中设为l ；缓存的 作用是存储采集数据，为保证采集到的数据不丢失，缓存区的大小应大于采样率的两 倍，本文设为1 0 0 0 ；通道配置设置成既可以单通道数据采集，也可以多通道数据采 集的数组形式。 第二步：调用a is t a r t v i 来启动模拟输入操作，它控制数据采集的速率、样本 数以及硬件触发器的使用。包括数据采样率设置和每通道样本数的设置。 第三步：在w h i l e 循环框图里调用a ir e a d v i ，利用w h i l e 循环和a ir e a d v i 模块将采集到的数据不停地从d a q 设备的缓存中读出，通过设置扫描数来确定每次 w h i l e 循环从d a q 缓存中读出的数据量。 第四步：调用a ic l e a r v i ，它的作用是数据采集结束后，停止d a q 设备的数据 采集，清除模拟输入操作和缓冲区的配置。数据采集流程图、主界面图及程序框图如 图1 1 、1 2 、1 3 所示。 18 谷物颗粒流动特性的试验研究 k a s u r e n t a u t o m a t i o ne x p l o t e 中设臀数搦采集通j 运i = l a b v i e w 程序，选搀进 数据纪永的通道 i 一 一 设置再通邂求精猢翠、采样点数， 实验窜凝搜丰口大气肤 m + 州 q 适茎畛 y ； 驻乐健打数描 图1 1 数据采集流程图 田1 2 主界面图 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 9 3 3 数据采集系统准确性对 e 图1 3 主界面程序框图 电机转数( 斫n j n ) 图1 4 试验对比图 2 0 谷物颗粒流动特性的试验研究 为了获取准确的试验数据，必须验证数据采集系统的准确性。图1 4 为三种测试 系统获得的试验对比图。由于数据采集卡采集数据量比较大，整个数据采集系统是比 较准确的。 4 试验方案 4 1 试验方法 用变频器调节风机的旋转速度，在a 、b 两点处同时测定静压和风速，获取风速 和静压降的关系曲线，通过理论计算和试验得到悬浮速度。将大米、绿豆、西米、b b 弹、大豆5 种颗粒的加载量每次以1 0 0 克递增。谷物颗粒的加载形式会影响其流动特 性，所以在每次实验之前，将管道内的颗粒全部吹起来，然后让其自由落下，从而消 除加载方式的差异。 4 2 试验研究对象的选择 在整个试验过程中颗粒密度和当量球径是测量颗粒特性的主要指标，是研究谷物 流动特性的一个重要因素，也是区分不同谷物颗粒特性的一项