（机械电子工程专业论文）矿用水泵性能测试虚拟仪器的研制.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 矿用水泵性能测试虚拟仪器的研制 机械电子工程 陈贺( 签名) 李曼( 签名)产j 出词 摘要 本课题采用虚拟仪器、单片机、开关电源等技术，研究开发了一套矿用水泵性能综 合测试系统，解决了原有检测设备的自动化程度低，设备功能单一，检测精度低和人为 因素对测量结果影响大等问题。本文根据煤矿实际情况，针对井下无法使用普通计算机 等非防爆设备，提出了基于串行总线，由上、下位机组成系统的总体方案；对水泵现有 的两种测试方法进行研究与对比，确定了适合煤矿实际情况的测试方法；在此基础上， 研究开发了测试系统的硬件和软件；并对下位机软、硬件协调能力与功能进行了验证。 系统硬件由数据采集、数据存储、数据传输、实时时钟、电源等模块组成。数据采 集模块由传感器、信号调理和a d 采样等部分组成，可实现水泵的流量、扬程、转速和 输入功率等参数的数字化测量；数据存储和传输模块为测试数据的“井下采集，井上处 理”提供硬件基础；数据存储容量达1 6 m b ，可满足多台水泵测试数据的存储需求，数据 传输模块采用r s 2 3 2 转c a n 总线的方式，实现测试系统与计算机之间的数据交换；实时 时钟提供测试数据时间标签，为非在线测试提供时间依据。系统采用蓄电池供电方式， 实现仪器便携化，也为后续防爆设计提供方便。 系统软件包括下位机软件和上位机软件。下位机软件以k e i lc 5 1 为开发平台，由数 据采集、数据存储、数据传输、实时时钟管理等模块组成。针对井下大量强电干扰对测 试系统的影响，采用软件滤波技术对测试数据进行预处理；数据存储部分设计了一种简 易的文件系统，实现多台水泵测试数据的管理。上位机软件以l a b v i e w 为开发平台，采 用数据库技术，实现多台水泵设备测试数据的统一管理。编写软件测试程序，来测试软 硬件的协调能力，并对系统的功能作了验证。 研制的应用系统为水泵性能测试工作提供重要数据支持，减小了测试过程中人为因 素对设施结果的影响，提高了水泵测试设备的自动化程度，并为建立水泵设备的技术档 案提供了可靠的依据。 关键字：矿用水泵；虚拟仪器技术；单片机；f a t 文件系统 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t i nt h em a i np a r am e t e r s a c q ui s i t i o ns y s t e mf o r t h em i n e u s ep u m p s p e c i a l t y ：m e e h a t r o n i c se n g i n e e r i n g n a m e：c h e ny u n i n s t r u c t o r ：l im a n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t ur e ) 丝丝 t h es y s t e mf o rt e s t i n gt h em a i np a r a m e t e r s o fm i n e u s ep u m pb er e s e a r c h e da n d d e v e l o p e db ya d o p t i n gt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，s i n g l ec h i pt e c h n o l o g y , s t c h p o w e rs u p p l yt e c h n o l o g ya n ds oo n ，w h i c hc a ns o l v es o m ep r o b l e m sl i k e t h eo l dt e s t i n g d e v i c ep o o ri na u t o m a t i z a t i o n ，s i m p l yi nt h ea b i l i t yo f d e v i c e ，l o wi nt h et e s t i n gp r e c i s i o na l l d t h eb i gm a n m a d ei n f l u e n c ei nt h et e s t i n gr e s u l t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo f c o a lm i n e ，t h i s t l l e s i sa d v a n c e da no v e r a l lp l a nm a d eu pb ys i n g l ec h i ps y s t e ma n dp cs y s t e ma n d b a s e do f f s e r i a lb u s w h i c hf o c u so nt h ep r o b l e mo ft h en o n e x p l o s i o n p r o o fd e v i c e s l i k ec o m m o n c o m p u t e rc a n n o tb ea p p l i e di nm i n e ；b yr e s e a r c ha n dc o m p a r et h et w o k i n d st e s t i n gm e t h o d o fp u m pa i la p p r o p r i a t em i n et e s t i n gm e t h o db ew o r k e do u t ；o nt h i sb a s i s ，t h es o f ta n d h a r d 础f o rt e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ；t h ec o o r d i n a t i o na b i l i t ya n df u n c t i o no fs o f ta n dh a r e w a r eo fs i n g l ec h i ps y s t e mi sv a l i d a t e d h a r d w a r ei nt h i ss y s t e mi sm a d eu pb yd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ， da _ t at 啪s p o r tm o d u l e ，r e a l t i m ec l o c k ，p o w e rs u p p l ya n ds oo n d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e i s m a d eu pb ys e n s o r , s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n da ds a m p l i n g ，w h i c hc a nm a k e t h ep a r a m e t e r d i g i t a l i z a t i o nt e s t i n go ff l u x ，l i f t ，r o t a t i o n a ls p e e da n di n p u tp o w e r o fp u m pb er e a l i z e d d a t a s t o r a g em o d u l ea n dt r a n s p o r tm o d u l ep r o v i d eh a r d w a r es u p p o r t f o rd a t at e s t i n gw h i c hc o u l d b ec o l l e c t e di nm i n e ，p r o c e s s e do u tm i n ea n di t h a v ef u l f i l l e dt h er e q u i r e m e n t so ft h e m u l t i - p 啪pt e s t i n gd a t as t o r a g e d a t at r a n s p o r tm o d u l ea d o p t st h em e t h o do f r s 2 3 2 c a n c o n v e r t e rt or e a l i z et h ed a t ae x c h a n g eo ft e s t i n gs y s t e ma n dc o m p u t e r r e a l t i m ec l o c kp u t f o r v m r dat i m et e s t i n gt a gf o rt h eo u t l i n et e s t i n g t h es y s t e m u s eb a r e r ya sp o w e ra n dr e a l i z e d e v i c ep o r t a b l ea n da l s os u p p l yc o n v e n i e n c e f o re x p l o s i o np r o t e c t i o nd i s p o s ed e s i g n t h i ss v s t e mi n c l u d e sp cs o f t w a r ea n ds i n g l ec h i ps o f t w a r e t h es i n g l ec h i ps o f t w a r e r e g a r d sk e i lc 5 1a sd e v e l o p m e n tp l a t ，w h i c hi n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t as t o r a g e m o d u l e ，d a t at r a n s p o r tm o d u l e ，r e a l - t i m ec l o c km a n a g e m e n tm o d u l ea n d s oo n d u et ot h e i n f l u e n c eo fm a s sh i g hc u r r e n ti n t e r r u p t i o nt ot e s t i n gs y s t e m ，s o f t w a r ef i l t e rt e c h n i q u e 1 su s e d t op r o c e s st e s t i n gd a t a ；d a t as t o r a g em o d u l ed e s i g n sas i m p l ef i l es y s t e m ，w h i c hm a k e s t h e m a i l a g e m e n to fm u l t i p u m pt e s t i n gd a t ab e c o m ep o s s i b l e p c s o f t w a r er e g a r d sl a b v i e wa s d e v e l o p m e n tp l a t ，m a k eu s eo ft h et e c h n o l o g yo f d a t a b a s e si no r d e rt or e a l i z et h e 唧f o n n m a l l a g e m e n to fm u l t i p u m pt e s t i n gd a t a w r i t e s o f t w a r et e s t i n gp r o c e d u r et o t e s tm e c o o r d i n a t e da b i l i t yo fs o f ta n dh a r dw a r ea sw e l la st ov a l i d a t et h ef u n c t i o no f t h i ss y s t e m t i f f ss v s t e mp r o v i d e sd a t as u p p o r tf o rm ew o r ko fm i n e 。u s ep u m pp a r 锄e t e r st e s t l n g ，m t h i sc a s em em a n m a d ei n f l u e n c e t oi n s t r u m e n td u r i n gt e s t i n gi sr e d u c e d ，t h ed e g r e e o f m i n e u s ep u m pt e s t i n gd e v i c e sa u t o m a t i z a t i o ni se n h a n c e d ，r e l i a b l eb a s i sf o r t h eb u i l d i n go f m i n e - u s ep u m pd e v i c et e c h n i q u ei sp r o v i d e d k e y w o r d s ：t h em i n e u s ep u m p v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n 。1 0 9 ys i n g l ec h i p f a tm a n a g e m e n ts y s t e m r e s e a r c ht y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弥处 日期：瑚土 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 讯突 指导教师签名： 加多年弓月7 尹日 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 1 绪论 1 1 1 矿用水泵在煤矿生产中的重要性 煤矿突水被认为是煤矿安全生产的重大灾害之一，也是世界产煤国家面对的一大安 全开采难题。我国煤田地质条件十分复杂，受水威胁的煤炭储量占探明储量的2 7 ，采 矿中频繁发生的突水事故严重威胁着煤矿的安全生产。开滦范各庄、皖北任楼矿、安阳 铜冶一矿、徐州青山泉一号井、刘桥一矿、徐州大黄山、肥城国家庄、山西西山、阳泉、 晋城、霍州等煤矿均发生突水淹井的重大事故，其中，1 9 8 4 年6 月2 同，开滦范各庄矿 2 1 7 1 综采工作面发生世界采矿史上罕见的岩溶陷落柱透水灾害，最大涌水量达 2 0 5 3 m 3 m i n ，造成巨大经济损失和不良社会影响【l j 。随着开采深度和强度的增加，开采 环境日趋复杂，水压、地应力和瓦斯不断增大，水害问题更加突出。 在矿井生产中，突然涌水是一种必然存在的事故隐患。目前，大多数矿山属深井开 采且涌水量较大，排水费用高，排水电耗占原煤生产电耗的1 0 一3 0 ，涌水量大的矿 井可达6 0 t 2 1 。近年已发生突然涌水事故，造成矿井瘫痪和大量人员伤亡。煤矿主排水 设备的作用是把水从井下排到井上，其扬程一般不超过1 0 0 0 米。它可以用来输送清水、 污水、水煤浆和泥浆等；是煤炭企业的固定设备之一，在煤炭生产中承担排出井下全部 涌水的重要任务，是保障煤矿安全生产的关键设备，对于促进我国矿业经济的发展具有 重要意义【3 1 。 随着最近几年煤炭生产形势的好转，矿井的产量也在不断增加，加上周围小煤窑乱 挖乱采存在的隐患，使得开采环境更加恶劣，突然涌水现象更加严重，这就要求矿井主 排水设备的能力有所提高。同时对设备运行的可靠性和经济性也提出了更高的要求。 1 1 2 矿用水泵安全检测手段的现状 近年来，我国国民经济快速发展，矿用绞车、水泵、风机等危险性较大的特种设备 的使用量与r 俱增，设备的安全问题亦日益突出，由此引起的设备和人身事故不断发生。 因此矿用设备的稳定性、安全性和可靠性的检测便显得尤为重要1 4 j 。而当前我国大部分 地区对矿井主排水设备的维护和管理方式主要采用点检、巡检、定期检修相结合的方式， 对设备故障的检测常用的方法是听声、触摸和观察等手段，虽然也采用了记录压力、温 度、电流、电压数据的方法，但是主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工 绘制曲线为主，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度大等缺剧5 1 ，还不能对水 西安科技大学硕士学位论文 泵的各个参数和运行的工况建立一个完备的档案，为现场的管理和维护提供依据。随着 电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得水泵参数的自动采 集和计算机处理成为可能。近年来，我国少数单位在水泵测试技术方面有了新的研究。 但总体来说，测试设备以相对固定的形式确定下来，所实现的测试功能较单一，用户无 法改变其测试功能或应用场合。 1 2 虚拟仪器技术的现状以及在本系统中的应用 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 的概念是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t c o r p o r a t i o n ，简称n i ) 在2 0 世纪8 0 年代最早提出的。所谓虚拟仪器，实际上就是一种基 于计算机的数字化测试仪器。它采用计算机开放体系结构，能对各种各样的数据进行计 算处理、显示和存储。它可以使用相同的硬件系统，通过软件实现不同的测试功能，即 软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，所以有“软件就是仪器”之说1 6 】。 虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以 数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚 拟仪器系统的概念下，j 下在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚 拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能 化功能，同时把传统仪器的专业功能软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观 到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分利用计算机智能资源的全新仪器系统。 应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的 时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统1 7 q 1 。 虚拟仪器技术在国外一些发达国家的应用非常普遍，许多科学家和工程师把虚拟仪 器应用在测试设备中，成绩显著。例如在矿山提升设备检测中，瑞典a b b 公司的提升 机钢丝绳张力监测系统a b b d 町a m a t e ，较之传统的提升设备钢丝绳张力监测已有较 大进步，功能和自动化程度有较大提高。我国对虚拟仪器的研制起步于1 9 8 6 年，多年 来一批高等院校和科研单位在通用仪器卡和专用测试仪两个方面展开了研究工作。例如 青岛建筑工程学院的闫业翠、田志勇和哈尔滨工业大学的刘金琪、武健对提升机钢丝绳 的监测系统进行了虚拟仪器的研究；安徽理工大学的裴九芳、张新利用虚拟仪器对压缩 机的性能测试进行了研究；江西省煤炭科研所的林秀敏和江西省轻工学校的陈捷研制了 b x 1 型矿用水泵效率监测仪；陕西能源职业技术学院的李志、吴革新提出了基于 l a b w i n d o w s c v i 的煤矿主排水泵自动监控系统的初步设计方案；浙江大学的武钢、朱 祖超利用虚拟仪器技术对水泵瞬态特性进行实验研究等等 1 2 - 1 6 j 。 本测试系统利用单片机技术、虚拟仪器技术与开关电源等技术，将数据采集与数据 处理两项功能分离开来，这不仅可以满足煤矿现场恶劣的环境，而且能够将数据处理的 任务交给功能强大的p c 机，利用l a b v i e w 软件开发平台提供的仪器软面板设计工具 2 1 绪论 和各种数据处理工具，大大简化了本测试系统的软件设计工作及测试设备的复杂性，缩 短了产品的开发周期。而且在测量任务需要改变时具有更大的灵活性，价格比具有相似 功能的传统仪器低廉。 1 3 本课题的主要工作与研究意义 1 3 1 主要工作 本课题按照中华人民共和国安全生产行业标准一煤矿在用主排水系统安全检测检 验规范的要求，研究分析水泵的测试方式，确定适合于矿井下水泵测试的测试方法； 研制数据采集板卡，用于完成对水泵性能信号的调理、采集转换、存储、显示及与计算 机的通信；研究开发仪器软件，下位机软件以k e i lc 5 1 为开发平台，包括数据采集、存 贮、数据传输、实时时钟等模块；上位机软件以l a b v i e w 为丌发平台，采用数据库技术， 数据可通过串行口由下位机转入上位机机并导入数据库，通过这些数据来完成对水泵性 能的验算与评判。 1 3 2 本文研究的意义 在煤矿生产中大量使用着排水泵。排水泵工作性能的好坏直接影响着煤矿的安全生 产。因此，保证煤矿排水设备尤其是主排水泵状况的完好和性能的稳定具有重要的意 义。 煤矿主排水泵不仅承担排出井下全部涌水的重要任务，而且消耗大量电能。据有关 资料报导，我国风机、水泵、空气压缩机总量约4 2 0 0 万台，装机容量约1 1 亿千瓦。但 系统实际运行效率仅为3 0 - 4 0 ，其损耗电能占总发电量的3 8 以上。这是由于许多风 机、水泵由于磨损、管路积垢等原因，使工况点偏移，效率下降，造成大量的能源浪费。 而且对矿用主排水设备的检修模式存在一些弊病，例如在检修过程中，8 0 9 0 的检修 是过剩维修，对企业的人力、物力造成严重浪费；另外经常拆装水泵，也会降低设备的 机械性能。要彻底解决这个问题，需要采用一种简便、高效的、能满足井下工况的测试 仪器，对水泵的性能做出客观的判断，保证其可靠而经济地运行，这对于煤矿企业的安 全生产、节能提效、对国民经济的发展都具有十分重要的意义。 总之，煤矿主排水泵的性能测试在煤矿生产过程中有着举足轻重的作用。由于煤矿 主排水泵性能的测试是一个繁杂的过程，采用传统的工程测试和分析方法，费时费力， 劳动强度大，效率和测试精度都较低，而且人为因素的影响较大。因此，研制一个结构 简单、操作方便，而且具有良好人机交互界而的性能测试系统将是本文着重探讨的问题。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章从课题的选题背景开始，论述了矿用水泵在煤矿生产中的重要性、以及当前对 矿用水泵的测试现状、存在的问题；提出了利用虚拟仪器技术，将数据采集与数据处理 分开来处理的方式来完成对水泵的测试的理念。并对本课题的主要工作与研究的意义作 了阐述。 4 2 测试系统总体方案 2 测试系统总体方案 2 1 水泵性能测试的基本原理 在进行水泵性能测试时，常用流量作为测试的基础，在各种不同的流量下，测量并 计算出相应的扬程、效率、轴功率和转速的工况参数，最后绘制出水泵的性能曲线。其 方法通常是利用排水管路上的调节闸阀来改变水泵的流量，流量的控制可由小到大( 闸 阀由全闭而逐渐开起) ，或由大到小( 闸阀由全开而逐渐关闭) ，也可以两种方法交替进 行，以便相互调节和修正各测点读数。为了准确地绘出性能曲线，流量至少要改变5 “ 次，即5 “个测点，可通过增加测点数，来提高测试的精度与准确性；在水泵的工业利 用区和效率最高点附近应多测几个点。每一个测点的流量、扬程、功率、转速的数据必 须同时测取。由于水泵在不同工况时，电动机出力不同，用异步电动机拖动水泵时，各 工况点的转速是不同的，所以必须把各测点的参数值换算为额定转速下的数值之后。才 能绘制曲线。这有利于与水泵技术说明书上的性能曲线进行比较分析。 2 2 系统设计要求与系统的总体目标 本系统主要是对矿用水泵安全性能参数的检测，采用传统的水力学测试方法，考虑 到井下的环境因素，采用数据采集与数据处理分离的办法；首先在井下测量出水泵的流 量、扬程、轴功率等主要参数后，并将这些数据存储起来。在井上通过通信接口将数据 交给计算机来处理，并绘制出水泵的效率图，计算出吨水百米电耗值。 整个系统最终实现的功能包括： ( 1 ) 矿用水泵各种性能参数的采集：包括测量出水泵的流量、扬程、轴功率、转速 等参数。 ( 2 ) 性能参数的存储：将采集到的性能参数按文件的形式保存到下位机的f l a s h 中。 ( 3 ) 数据的传输：存储在f l a s h 中的性能参数传输到计算机上进行数据处理。 ( 4 ) 各种性能参数的记录和回放：应用程序软件用n i 公司的l a b v i e w 软件编写，将 下位机传来的各种性能参数存储到数据库中，工作人员可以选择任何一组参数进行分析 与处理。可以对各种数据存储进行显示、特性曲线的绘制，并根据这些性能参数对矿用 水泵的总体性能做一个评判，并可以将评判的结果通过报表的方式打印出来。 2 3 矿用水泵测试方法的研究与本系统的测试方案 所要进行的性能测试的类型取决于想要达到的结果。对于许多性能测试的系统来 5 西安科技大学硕士学位论文 说，其选择的方法不同，实现难度是不一样的，其中一些方法实行起来要比其他方法困 难。如果不进行合理的规划，设计一套测试系统时就会产生混乱现象，而且使问题变得 复杂。因此，在设计前必须弄清楚测试的内容，需要制定合理的测试方法，这是保证测 试系统能够j i l 页n 完成的前提。对于一个矿用水泵来说，它的主要性能参数有：流量、扬 程、轴功率、转速、泵的输出功率、泵的效率、排水系统效率、排水电耗等。了解了矿 用水泵性能参数后，需要制定一种高效、准确地测试方法。下面将介绍两种水泵性能测 试的方法，一种是水力学方法，另一种就是热力学方法，并讨论这两种方法的区别并提 出测试方案。 2 3 1 水泵热力学测试方法 热力学方法测试水泵的性能，不需要测量水泵的流量，只需测量出水泵的进、出口 之间的压力差和温度差，就可以根据热力学的原理计算出水泵的效率与水泵的流量以及 管道效率，吨水百米电耗等。 ( 1 ) 水泵效率的计算 仇2 二砭i 而1 0 0 ( 2 1 ) 1 0 0 0 2 7 t - i 一二二= 二二 吃 t l 一水泵吸水温度，；可用温度传感器测试 a t 一水泵出入端之间的温差，；由温差测试装置直接读取 l l c一水泵的静扬程，m ；l l c = p 2 - p l ； e 一水泵机械损失的修正值： ( 2 ) 流量q 的计算 d ：3 6 7 r l b p a o( 2 2 ) h t 1 b 一水泵效率； p d o 一电动机输出功率，由功率测量得出，k w ； h 一水泵扬程h = h & a h ； 1 1 c 一水泵静扬程，m ； h _ 压力表与真空表的安装高度差，m 。 ( 3 ) 管道效率的计算 5 鲁1 0 0 ( 2 3 ) 唿= 丸+ h p ( 2 4 ) 6 2 测试系统总体方案 式中，h g 一水泵测地高度； h x 一吸水高度： h o 一水泵排水高度： h 一水泵扬程，m 。 对于斜管道来说，其中水泵排水高度为： h p = l p s i n a( 2 5 ) 式中，h 一为倾斜管道的长度 q 一倾斜管路的中心线的夹角 ( 4 ) 吨水百米电耗的计算 形：0 2 7 2 3 3 1 0 6 ( 2 6 ) r b r l g r l e 式中，”d一电动机的效率，由电- r n 量得到 t 1 b ，r l g 一分别为水泵效率和管道效率 2 3 2 水泵水力学测试方法 传统的水力学测试方法需要测量出水泵的流量、扬程、轴功率、转速参数，然后计 算出水泵效率、管路效率、吨水百米电耗。如果采用异步电动机拖动水泵，由于其在不 同工矿下的转速不同，必须要将各工况点的数值换算成额定转速i l e 下的数值【17 1 。 ( 1 ) 工况参数的转换 若闸阀不同开度的工况值为：q l ”h i 、p l 、n l ；q 2 v 、h 2 、p 2 、n 2 ；q 3 ”h 3 、p 3 、n 3 ；q i ” h i 、p i 、n i ；将其转换为额定转速下的工况值为。 ”憎 7 ， q 。，：q v , 一n e ( 2 8 ) 旺9 ， ( 2 ) 水泵效率计算 r：=i p g q v , h i 1 0 0 0 p 或 驴甓 7 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 西安科技大学硕士学位论文 式中，1 1 i 一第i 个工况下水泵的效率； q v i 一第i 个工况下水泵的流量，m 3 s ； h i 一第i 个工况下水泵的扬程，m ； p i 一第i 个工况下水泵的轴功率，k w ； 1 1 。i 额定转速1 1 e 下第i 个工况点水泵的效率； q v 。i 一额定转速i l c 下第i 个工况点水泵的流量，m 3 s ； l l e i 一额定转速i l e 下第i 个工况点水泵的扬程，m ； p 。i 一额定转速i l e 下第i 个工况点水泵的轴功率，k w ； ( 3 ) 管路效率的计算 管路效率是实际扬程( 测地高度) 与总扬程( 水泵工况扬程) 之比。其计算见式2 3 ( 4 ) 系统效率 系统效率是排水设备的总效率，是水泵效率、电动机效率、管路效率、传动效率之 积，即： r x = r r d 礁仉 ( 2 1 2 ) 式中，t 1 x 一系统效率 t 1 。一传动效率，联轴器传动时，”。= 0 9 8 1 1 一水泵效率 ( 5 ) 吨水百米电耗 吨水百米电耗是排水装置将1 t 水的水位提高l o o m 的耗电量， 当排水装置稳定在某一工矿运行时，其电耗可用下式计算 e ： 幽! 丝 10 0 0 3 6 0 0 7 7 v d r c 式中，e _ t 小时的耗电量，k w h ； 用符号w t l o o 表示。 ( 2 1 3 ) p 矿井水密度，k g m 3 ，一般矿井水取1 0 5 0k g m 3 ，或采用相对密度瓶实测； q 厂水泵的工况流量m 3 s ； h 一水泵的工况扬程，m ； t 一排水装置工作的小时数， 用耗电量除t 小时排水的吨数和排水的高度，在乘以1 0 0 可得吨水百米电耗。 形t100-而两pg面qvht而x 1 0 0 ( 2 1 4 ) 经化简得： o o2 赢 q j 5 比较这两种测试方法中需要测试的参数，我们可以看出热力学方法需要测试的参数 8 2 测试系统总体方案 少，通过测试泵出入口的温差来计算水泵的效率，继而得到水泵的流量，这种做法不能 够准确地得出水泵效率一流量、扬程一流量、功率一流量、单位电耗一流量等关系，只 能对水泵的性能做一个粗略评价。从公式2 1 可以看出，热力学的测试方法对温度测量 传感器的要求很高，现在普通的测温传感器很难满足其精度要求。而水力学的方法，虽 然其测试的参数比热力学方法多，但从以上公式可以看出，通过测试每一个工况下的参 数，可以更为准确的得出水泵效率一流量、扬程一流量、功率一流量、单位电耗一流量 的关系。这将为矿用水泵的性能计算提供更为准确的数据，为水泵的维修做出客观的指 导，为建立设备的技术档案提供准确的信息。 综上所述，本课题拟选用水力学的方法来测试水泵性能。当确定了系统的测试方法， 也就是说确定了需要测试的参数，即水泵的流量、扬程、轴功率、转速参数。但是这些 参数的测量方法也很多，而且各有特色，适用于不同的场合与精度等级之下，因此还需 要从这些性能参数的测量方法中找到适用于矿井下工作环境的测量方法。下面重点讨论 水泵性能参数的测量方法，并根据本系统的需要，选用合适的性能参数测量方法。 2 3 3 水泵性能参数的测量方法 ( 1 ) 水泵流量的测量 流量不属于基本物理量，不可能直接测得，一般都是通过测量其它物理量而间接测 量流量，如常用的差压流量计就是通过测量节流件前后的压力差而间接测得流体流经节 流件时的流量。流量测量仪表的种类比较多，各种流量测量仪表的工作原理也不尽相同， 在矿山大型机电设备流量测量中常用到的有差压流量计、均速管流量计、涡轮流量计、 电磁流量计、超声波流量计。其中差压流量计、均速管流量计、涡轮流量计属于接触式 测量。电磁流量计、超声波流量计，属于非接触式测量。 在井下对设备的测试，如果采用接触式测量，在测量前必须要拆卸水泵管路，来安 装传感器，势必给测试工作带了一定的难度，如果采用非接触测量就会简化测试工作。 在非接触测量中，电磁流量计是利用电磁感应的原理进行流量测量的，它的应用范围很 广，主要用来测量电导率大于1 0 4 s c m 的任何介质。但在测量过程中需在管道两侧各插 入一根电极，来引出感应电动势，这不 利于以后系统的防爆处理。而超声波流 量计是利用声波在介质中的传播速度来 进行流量测量的。对测量介质的导电率 没有要求，也不用引出电极。因此本系 统选用超声波流量计来测量流量。下面 对超声波流量计测量流量的原理作一简 介。 9 图2 1 时差法测量原理 西安科技大学硕士学位论文 超声波流量计是一种新型的非接触式测量仪表，通过检测流体流动时对超声束( 超 声脉冲) 的作用，以测量流体的流量。数学分析表明，超声波流量计测量时，管径越小， 测量误差越大，所以它非常适合矿用水泵这一大管径、大流量场合。测量方法包括：传 播速度差法、多谱勒效应法、波束偏移法、流动超声法。 时差法是根据超声波在流动的流体中顺流与逆流传播时的速度之差与被测流体流 速之间的关系来求流速或流量的【1 8 】。时差法其基本原理如图2 1 所示。取静止流体中的 声速为c ，流体流速为v ，从上、下游两个作为发射器的超声换能器t 1 、t 2 发射两束超 声波脉冲，各自到达下、上游作为接收器的两个超声换能器r 1 、i 毪，显然，顺流( 由正一r ，) 的传播时间为： 三 f l = ( 2 1 6 ) c + 1 ， 逆流( 由乃jr ，) 的传播时间为 三 t 22 c v ( 2 1 7 ) 一般情况下，液体中的声速c 在1 0 0 0 m s 以上，而工业上多数流体的流速v 不超 过每秒几米，即c 2 v 2 ，所以 & = 丝孝 ( 2 1 8 ) 当声速c 一定时，流速v 和时差x t 成正比，只要测出时差x t ，就可以求得流体流 速v ，这就是时差法。用时差法对管道流量进行非接触测量时，其传感器的安装方式常 采用管外斜置式结构。 ( 2 ) 水泵扬程的测量 水泵的扬程是指单位重力液体从水泵 进口截面经叶轮到水泵出口截面所获得的 机械能。离心式水泵扬程的测量相对来说 比较简单( 测量关键是对进出口压力的测 量) 。测量扬程可通过读取装在水泵进出口 法兰盘小孔上的真空表和压力表的值，并 根据下面的公式来计算扬程；也可将压力 传感器安装在水泵进出口处( 可用法兰盘 小孔上的真空表和压力表的位置来安装压 力传感器) 来测量水泵的扬程，本系统就是采图2 2 扬程测量示意图 用安装传感器的方式测量水泵扬程，其测量原理图如图2 2 所示。 1 0 2 测试系统总体方案 日= 型p g+ z + 去gc 去一扣 眩，9 ， 氕n nd x h 一扬程，1 7 1 ： p ：一真空表读数，m p a ； p 。一压力表读数，m p a ； z 一两表盘表位差，聊： g 一重力加速度，g = 9 8 1 m s 2 ； p 一矿井水密度，取1 0 5 0 堙m 3 ； d 。一排水管内径，朋； d ，一吸水管内径，m ( 3 ) 水泵轴功率的测量 泵的轴功率可以通过测定转速的扭转力矩得出，也可以由测量与泵直接连接的已知 效率的电动机的输入功率来确定。测量扭转力矩可采用天平式测功计和扭转式测功计， 这种测量方法需要在水泵的拖动电机与水泵之间安装测试仪器，对一个井下的固定设备 来说，这样做是极其不方便的。因此采用间接测量的方法，先测量与泵直接联接的电动 机输入电功率，然后通过电机的效率来计算水泵的轴功率。 水泵的轴功率 轴功率是指水泵的输入功率，是电动机传到水泵轴上的功率，单位为k w 。 n o = 乃r d ( 2 2 0 ) 匕一电动机输入功率 锄一电动机效率 p 7 7d = 1 0 0 ( 2 2 1 ) 匕一电动机输出功率 如在现场电动机的效率无法测量时，可按铭牌效率选取。 泵的输出功率p u 通过水泵的液体在单位时间内从水泵获得的能量称为水泵的输出功率，单位为k w 。 只。：p g q h ( 2 2 2 ) ( 4 ) 水泵转速的测量 转速是指水泵单位时间内的转数，用n 表示，单位为r m i n 。测量转速的方法很多， 转速测量方法根据其所采用的原理可以分为离心式测转速、电动式测转速、固定磁性测 西安科技大学硕士学位论文 转速、光电式测转速和磁电式测转速。还有一些新型的测量转速的方法。如：利用霍尔 开关测量转速、利用无触点接近丌关测量转速、利用光学轴编码测量转速。 其中，利用光电式测转速、利用霍尔开关测量转速、利用无触点接近开关测量转速。 这些测量方法都是利用开关量来进行转速测量，通过一定的方式使被测旋转体旋转时产 生一系列开关量，对这些开关量进行计数，从而测得被测旋转体的转速。这些测试方法 均可实现非接触测量。 本系统采用反射式光电传感器测量转速。在传动轴上均匀粘贴上个反光标记，选 择适当位置安装一个光电传感器，使光电传感器对准反光标志。可以用测周法，即通过 测量记录脉冲信号的脉冲宽度，来计算出传动轴的转速；也可以采用测频法，即通过测 量一段时间的脉冲数来计算出传动轴的转速。 2 4 系统的总体方案 2 4 1 总体方案设计 本系统主要有下位机与上位机两部分，下位机主要完成对矿用水泵性能参数的采集 并将其存储起来。上位机主要完成从下位机读取水泵性能数据，并对这些数据进行处理， 根据处理结果评判水泵的性能、生成报表、建立水泵技术文档。 ( 1 ) 系统的总体结构布局 本系统的结构布局如图2 3 所示，水泵扬程的测量是通过压力传感器，将其( 水泵 入口压力传感器和水泵出口压力传感器) 分别安装在水泵的进出口端；水泵流量的测量 是通过超声波流量传感器，将其安装在管路平直的地方；电机输入功率的测量通过电压、 电流变送器，从电机接线盒接线，也可以从电机控制柜内接线。最后将传感器的输出接 入数据采集板，完成数据的采集并存储于下位机的f l a s h 中。在井上通过通信接口完 成数据的读取，对矿用水泵的性能做进一步的分析与评判。 ( 2 ) 测试部分的方案设计 在测试系统中，通常由一个主控计算机( 上位机) 和一系列数据采集板卡构成，它 们之间通过一定的物理媒介连接在一起，以完成必要的通信功能，并可以组成网络，对 多个测试对象进行监控。 本系统采用单片机为控制核心，设计开发多路数据采集卡。由于煤矿环境比较恶劣， 将采用数据采集与数据处理分离开来的方法，首先在井下将数据采集到单片机，再通过 存储电路将数据存储到f l a s h 或r o m 中。数据记录中不仅要记录水泵的性能参数， 而且要记录水泵的测试时间。等水泵数据测试完毕后。在井上将数据传给计算机，再借 助计算机的强大功能，完成水泵性能的评价，并建立水泵技术档案，方便设备的管理。 在与计算机通信的设计中，本系统不仅要考虑到数据传输的准确、可靠，而且要考虑到 1 2 2 测试系统总体方案 可以利用其采集板卡组成网络，对整个泵站进行测控。 厂i i i i 司 目 詈盆型! 銎箔术。桌下 岩- 咕 喀 拳弭“一 1 _ ，_ 。f j f e ，、 - 【r1 c r 厂j 厂i 群 泵产品测试 分析软件包 。；， ；。土一， ，lj ：。托； r 7 ， 晴 价 ；u 转速传感器 l 广一进厕 匮虱 瞳翻酬 压，变送器 。j 2 - f r t r 1 1 1 _ r r r l 了h 一1 “ 三相电参数传感器 图2 3 水泵性能测试系统的整体结构 2 4 2 系统硬件设计方案 硬件设计中，将水泵的各个性能参数经传感器通过信号调理电路和滤波电路后，送 入a d 转换，最后采集到c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机中；将水泵拖动电机的输入电压、电流信 号经传感器、信号调理、滤波电路后送入专用电能测量芯片a t t 7 0 2 2 ，将模拟信号转换 为数字信号。然后将每台水泵的性能参数数据存储在存储器中。系统通过r s 2 3 2 转c a n 总线的方式与计算机通信，实现数据的读取。系统中设计了人机接口电路( l c d 液晶和 键盘) ，可以方便数据的存储，修改以及参数的设定。系统原理框图见图2 4 。 图2 4 系统原理图 本测试系统的硬件主要包括实时时钟模块、数据存储模块、数据采集模块、电源模 1 3 西安科技大学硕士学位论文 块和数据通信模块，各模块功能如下。 ( 1 ) 实时时钟模块：主要对测试的时刻做记录，对建立水泵的技术档案提供时间 依据 ( 2 ) 数据采集模块：根据主要技术参数要求，建立相应的测试电路，实现性能参 数的采集。 ( 3 ) 数据存储模块：根据测试的需要，将水泵性能参数记录在存储芯片中。 ( 4 ) 电源模块：通过相应的电压转换电路和各种稳压模块，为主控芯片、传感器 等提供稳定的工作电压。 ( 5 ) 通信电路模块：通信模块用于实现单片机系统与计算机的通信。 2 4 3 系统软件设计方案 本测试系统