（机械设计及理论专业论文）对旋式风机实验平台的研制及风机气动性能分析.pdf

摘要 捅姜 本课题研究的是对旋式风机实验平台的研制及风机空气动力性能分析。风机 实验平台分为硬件与软彳牛部分 ， 硬件部分包括对旋式风机实验装置平台和自行设计的电路采集板。该对旋风 机由两个直径、轮毂比相同的而旋转方向相反的叶轮与风筒组成，可以进行进气 实验、出气实验和进出气实验而电路采集部分是将所用的硬件如各传感器和所 使用的供电电源在采集板上分布和进行电路设计，并对所设计的系统进行了可靠 性分析和标定实验。 软件部分是对旋风机数据采集及处理系统，该系统以计算机为核心，采用高 精度传感器、信号转换电路、p c 总线结构的数据采集卡以及g r m d o w s 环境下的 c + + b u i l d e r 处理软件编写程序，结合硬件电路能对风机的多个参数进行自动采 集、计算并绘制出风机性能曲线( f a n p e r f o r m a e ec u r v e ) 及生成实验报告。 并对对旋风机的空气动力性能迸行分析比较。基于对旋风视的结构特点，我 们将它与普通的两级轴流通风机的性能特点进行比较。对其在相同流量的条件下， 两级叶轮同时工作时的全压与每一级叶轮单独工作时的全压之和进行了分析、比 较，从而为安全使用对旋式通风机提供了理论依据。 图【4 0 表【1 1 】参考文献【3 8 关键词：对旋式通风机；性能测试；数据采集；计算机 分类号：( 1 以) ： a b s t r a e t a b s 订a c t t h et a s ki ss m d y i n go nt e s t st h ep l a t f o r mo fc o u n t e r - r o t a t i n gf a na n da i r - p o w e r p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，t h ep l a t f o r mo ff a nt e s t i n gd i f i d 铭i n t ot h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ep a r t i a l h a r d w a r ep a t i a li n c l u d e sc o u n t e r - r o t a t i n gf a na n de l e c t r i cc i r c u i tg a t h e r i n gb o a r d w h i c hi n d e p e n d e n t l yd e s i g n s c o u n t e r - r o t a t i n gf a ni sc o m p o s e db yt h et w oi m p e l l e r s o ft h es a l l l ed i a m e t e r , w h e e lh u ba n dr o t a t i o no p p o s i t ea n dt h ew i n dt u n n e l i tc a nd o i n - g a se x p e r i m e n t ；o u t - g a se x p e r i m e n ta n di n - o u t g a se x p e r i m e n t e l e c t r i c c i r c u i t g a t h e r i n gp a r t i a li sd e s i g n i n gt h eh a r d w a r e sd i s t r i b u t i o nf o re x a m p l ec o n v e r t o l s , p o w e r si ne o u e e t i n gb o a r d i n ga n dd e s i g n i n gt h ee l e c t r i cc i r c u i t a n dc a r r i e do i lt h e s t a b i l i t yt oa n a l y z ea n dd e m a r c a t e t h ee x p e r i m e n tt ot h es y s t e mw h i c hd e s i g n e d * s o r w a r ep a r t i a li sd a m - c o l l e c t i n ga n dd a t a - p r o c e s s i n gs y s t e mo f c o u n t e r - r o t a t i n g f a n t h ec o m p u t e ri st h ec o r eo ft h i ss y s t e m i ta d o p t sh i 曲p r e c i s ec o n v e r t o r , s i g n a l c o n v e r t i n gc i r c u i t , p c ib u ss t r u c t u r ed a t ac o l l e c t i n gc a r da n dd e v e l o p ss o f tb yc + + b u r d e rd i s p o s i n gs o f t w a r eu n d e rw i n d o w sc i r c u m s t a n c e i tc a na u t o m a t i cc o l l e c t i n g d a t a , c a l c u l a t i n ga n dd r a w i n gf a np e r f o r m a n c ec u r v ea n dg e t t i n gt e s t - r e p o r tw i t h h a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t a n di tc a na n a l y z ea n dc o m p a r et ot h ea i r - p o w e rp e r f o r m a n c eo f c o u n t e r - r o t a t i n g f a n b a s e do nt h ec o u n t e r - r o t a t i n gf a nu n i q u ef e a t u r e ，w ec o m p a r e di tw i t ht h e o r d i n a r y t w ol e v e l sa x i lf a np e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es a n l e c a p a c i t y , t o t a lp r e s s u r eo ft w o - s t a g ei m p e l l e r ss i m u l t a n e o u sw o r k i n ga n dt h es u mo f t o t a lp r e s s u r et h a ts i n g l es t a g ei m p e l l e rr u na l o n ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d , s oi t p r o v i d e st h e o r y b a s i sf o rs a f er u n n i n go f c o u n t e r - r o t a t i n gf a n f i g u r e 4 0 】t a b l e 1 1 】 r e f e r e n c e 3 8 】 k e y w o r d s ：c o u n t e r - r o t a t i n gf a n , p e r f o r m a n c et e s t i n g ，d a t ae o l l e c t i n g c o m p u t e r c h i n e s e b o o k sc a t a l o g ：( 1 - 2 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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的地方以外， 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 壹筮堡王太堂 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 学位论文储魏垄娅味哔碰月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理三太堂有保留、使用学位论文 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 塞熬翌三太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阋本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：杏永枷 导师签名：降畅 签字日期：劢7 年多月6 日 签字日期：誓声歹月石日 引言 引言 局部通风机广泛应用于矿山井下，是改善矿山井下劳动条件的重要设备，然 而由于通风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯理论计算方法十分准确地 求得通流部分的各种损失的数据。所以尚不能以理论计算方法获得全部特性曲线。 ，这样利用试验的方法开展通风机的研究或对已有产品求得其真实性能就尤其显得 重要。， 然而利用传统手段即人工测试由于效率低、误差大等缺点已经逐渐被淘汰。 随着信息社会的发展，很大程度上使用自动测试来代替人工测试。现在，电子计 算机技术的高速发展使得风机的性能测试技术在观念上产生了深刻的变革，在手 段上开辟了崭新的局面，如智能化、高速多通道数据采集处理、图像处理和各种 场合下的采集和处理等。在软件方面，不断推出功能强大的性能试验软件，计算 机技术更加成熟。 本课题是为学校已有的一台对旋式通风机的实验平台研制一个性能测试装 置。用自动测试手段来代替人工测试，并不断完善该测试系统，使其成为今后进 行有关通风机课题研究的试验平台。 并对现有的一种说法，对旋式风机在井下工作时，如果其中的一台电机损坏， 理论上另一台可以继续工作。对于这一说法，在通过结合管网的性能曲线分析后 可知，其中任何一级叶轮独立工作的风量都远小于两叶轮正常工作时的风量，而 且有无法工作的可能。因此，也就不能满足井下的通风要求。 - v 第1 章绪论 1 i 绪论 1 绪论 通风机是用于输送气体的机械，从能量观点来看，它是把原动枧的机械能转 变为气体能量的一种机械。通风机广泛她用于各个工业部分，矿井用通风机，它 有两种：一种是主通风机( 又称主扇) ，用来向井下输送新鲜空气，其流量较大， 采用轴流式较合适，也有用离心式的；另一种是局部通风机( 又称局扇) ，用于矿 井工作面的通风，其流量、压力均小，多采用防爆轴流式通风机。 局部通风机是改善矿山并下劳动条件的重要设各，是并下工作面必备的安全 设施，它可把新鲜风流送入工作面，同时将枵风排至回风道。 ，由于通风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯理论计算十分准确地求 得通流部分的各种损失的数据。所以尚不能以理论计算方法获得( 或绘制) 全部特 性曲线。这样利用试验方法开展通风机的研究或对已有产品求得其真实性能就尤 其显得重要【“。 ， 然而，随着信息社会的发展，很大程度上使用自动测试来代替人工测试【9 】。 自动测试是指整个测试过程的进行，数据的获取、分析与处理以及结果的昱示与 通报，均由一定的设备自动地完成的测试。在高度自动化的测试系统中，人员的 介入被减少到最低的限度。 当前在电子测量技术领域中，自动测试显然优越于人工测试。所以，只要在 条件许可的场合，都应考虑组建自动测试系统。软件和硬件是自动测试系统不可 缺少的两个基本组成部分 1 0 】。 而获取实验数据的传统手段& h 人工测试，主要是通过模拟仪表、人工读数。 这样就存在着模拟表针的指示误差和人工读数的误差。而且由于采集点多而分敖， 使数据的读取不便。特别是在数据的处理和绘制性能曲线的过程中，由于外界和 人为等主观因素的影响，更不可避免地要出现一些误差【4 】这些误差往往会导致 错误的结论。所以有必要采用一种新的方法，克服不利因素，减小以至消除各种 误差。随着电子计算机技术的高速发展和广泛普及应用，这样新的测试方法已经 成为可能 电子计算机技术的高速发展使得风机的性能测试技术在观念上产生了深刻的 变革，在手段上开辟了崭新的局面，如智能化、高速多通道数据采集处理、图像 处理和各种场合下的采集和处理等田。在软件方面，不断推出功能强大的性能试 安徽理工大学硕士学位论文 验软件，计算机技术更加成熟。 计算机实现风机性能试验数据自动采集与分析属于计算机辅助测试的一部 分，它是随着计算机技术的进步而发展起来的。计算机技术应用于试验的数据采 集和处理始于8 0 年代初，由于受当时计算机技术水平的限制，基本使用8 位微机 和非工业用的8 位单片机作为中心控制单元【3 j 由于测量精度低和可靠性低，影 响其在生产和要求精度较高的鉴定行业上运用。处于研究和开发阶段。随着微机 技术和相关外围设备的迅速发展，微机位数从8 位发展到3 2 、6 4 位，速度大幅度 提高，可靠性大大加强，价格大幅度下降，为风机性能试验数据采集及处理提供 了良好的技术保证。精度和可靠性的问题在数据采集和处理方面已基本解决 随着当前计算机技术应用水平进一步的提高，风机性能参数的实时采集、分 析、处理，以及试验过程的实时控制在风机测试技术领域开始普及【卯。 1 2 课题的研究意义 通风机性能试验的目的，在于通过测试与计算，求得通风机在给定转速下的 流量、压力、所耗功率、效率、噪声等是否达到设计时规定的要求及其相互关系， 并绘制其特性曲线。 目前，学校已经具有一台对旋式通风机，但性能测试实验还是使用手动的方 法进行。用传统手工方法和测量手段测量气体压力、温度、流量等参数，不仅糯 度低，速度慢、可靠性差，而且测量时耗费人力；采用以计算机为基础的数据采 集及处理系统可快速、准确测量气体压力、温度、流量等参数，测量精度高，测 量数据可靠，并可自动完成数据处理、存储等任务。数据采集及处理系统可大大 节省人力，降低成本；减轻劳动强度，改善劳动环境；测量速度的提高，可减少 测量时间，提高工作效率；采用数据采集及处理系统，可大大提高测量数据精度 及可靠性，为新产品开发设计、科研提供强有力的保证。 采用数据采集及处理系统，可摆脱传统手工测量落后局面，进入自动化、智 能化测量新时代，提高企业形象和在市场中的竞争力。 1 3 课题的研究内容 本课题研究魄主要内容有以下几个方面： f 对旋式通风机性能测试系统的方案研究。 2 各种类传感器和采集卡的选用。 3 数据采集板的设计和调试。 一2 - 第1 章绪论 4 系统的标定实验。 5 数据采集及处理分析软件的开发与调试。 6 对旋风机空气动力性能的分析。 系统的测试功能可包括自动完成数据采集和处理，对所有试验数据和性能曲 线图进行有效管理。人机交互界面友好，操作简单易学。软件结构合理，易修改、 补充。 3 一 2 对旋式轴流通风机的运行特性 2 对旋式轴流通风机的运行特性 2 1 对旋式风机的特点 通风机堪称煤矿的“肺脏”，通风机的运行效率的高低以及可靠性问题是煤矿 关心的焦点。由于部分老矿井风机老化，运行效率低，正逐渐被高效节能风机所 替代，各种各样的风机应运雨生，在两级的轴流风机中，有一种很好的设计方案。 它是将一个叶轮装在另一个叶轮的后面，而叶轮的转向彼此相反，称为对旋型轴 流通风机【1 1 。对旋风机就是弓l 迸国外8 0 年代新技术经消化吸收后研制生产的矿用 通风机的更新换代产品【6 】。它以其压力高、流量大、高效、结构紧凑、反风容易 等特点深受煤矿的青睐。 这种风机具有以下几个特点：( 1 ) 可以省略导叶，因而具有较短的结构尺寸。 但它要求两个彼此分离的按相反方向回转的驱动装置。叶轮可以通过皮带驱动， 也可以把驱动装置直接装在轮彀内。( 2 ) 效率高，它比同样的帝后置导叶的二级风 机效率高5 ，比带前置导叶的风机高约8 。( 3 ) 反风性能好，一般动叶固定的风 机，其反风量约为4 0 ，而二重反转风机的反风量可达6 0 - - 7 0 。这种风机主要 用于矿山、隧道、船舶的换气通风以及风洞、冷却塔和锅炉上。 结构特点：对旋式轴流通风机一般集流器、前后主风筒、扩散器组成。一级， 二级叶轮直接连在电机轴上，电机均置于风筒内，两级叶轮互为导叶，工作时两 级叶轮反向旋转。结构简图如图1 。 图1 对旋式轴流风机结构简图 卜支撵板 叶轮3 - 电机 f i g 1t h es 扛u c t i l r ed r a w i n go f c o u n t e r - r o t a t i n ga x i sf l o wf a n 速度三角形：对旋式轴流风机的前叶轮l 和后叶轮的速度三角形如图2 所 示。气流进入风机的速度为q ，流出风机的速度为岛。c 。= c 。，前叶轮和后 叶轮的叶片安装角分别为9 0 6 一量和9 0 。一参。 安徽理工大学硕士学位论文 图2 对旋式通风机速度三角形 f i g 2t h ev e l o c i t yt r i a n g l eo f c o u n t e r - r o t a t i n gf a n 2 2 对旋轴流风机的优越性 1 传动效率高。叶轮直接安装在电机轴上，改变了传统的传动结构，既避免 了传动装置的频繁损坏，消除了能量损耗，也提高了风机装置的传动效率，同时 也提高了使用效率。 2 对旋轴流风机最高压力点的压力值较高，一般比普通带后导叶的轴流风机 的压力高1 2 1 3 倍。 3 静压效率高。由于采用对旋结构，减少了两级工作轮之间的导叶，降低了 风机内部阻力损失，提高了风机的静压效率。 4 最高效率高，高效运行范围广。对旋风机比前置导叶两级风机的最高效率 高出约8 ，比后置静叶型两级普通通风枫最高效率高4 0 o - 5 ，其高效运行范围 广。 。 5 对旋轴流风机使用灵活。对旋风机两级工作轮分别由两台电机驱动，因而 对旋风机对应不同的使用状态，可进行各式各样的组合，使其中一级空转可组成 前导叶加动时级或动叶加后导叶级，亦可配备一个静叶作为附件，可以调节栅距 以实现变风量调节。对旋风机可变转速和两转子的转速比来调节流量，这是对旋 风机所特有的。 6 轴流对旋风机，有良好的逆向送风性能，回风量可达到6 0 0 一7 0 的送风 量。由于对旋风机可以利用电机的反转反风，既不需要扩散器和扩散塔，也不需 建风机房和反风道，施工工艺简单，因此可大大缩短工期。与其他风机相比，其 辅助设备少，控制环节少，安全可靠性好，可节约7 0 的土建工程费。 6 2 对旋式轴流通风机的运行特性 2 3 通风机的性能曲线 流量q 、压力p 、功率及效率刁是表示通风机性能的主要参数，称为通风 机的性能参数。将通风机的压力尸、功率和效率叩等随通风机理论流量q 的不 同而变化的关系绘成曲线，称通风机的性能曲线( 或特性曲线) 。 由于流动损失等在不同工况下的数值难以精确计算，则理论性能曲线就粗糙 不准。一般都是通过试验测得的，称通风机的实际性能衄线。 轴流式风机在设计工况下，基本上能消除气流豹径向流动，但当流量大于设 计值时，叶轮下游侧气流将由内向外朝直径较大处偏斜；反之，气流将朝较小处 偏转，情况严重时，会发生二次回流现象。 轴流通风机的特性趋线表示为在既定转速下，风压p 、功率及效率r 与流 量q 之间的关系。轴流式风机的性能曲线特点如图3 。 图3 轴流式风机的性能曲线 f i 9 3 t h ep e r f c u r v eo f a x i sf l o wf a n i p q 曲线( 压力一流量曲线) ：轴流风机是按照最佳工况点设计的。当风 机处于小流量情况下运转时，风机将表现为非稳定状态。此时，叶片内部气流的 流动情况趋于复杂化，图3 为轴流风机的典型特性曲线。 曲线分成四个区域，这四个区域中叶片内部的流动情况大体对应于图4 的四 个流型。 ，7 一 安徽理工大学硕士学位论文 量量显盟 4 )坤0由 图4 叶片内部流动情况图 f i 9 4 t h ed r a w i n go f l e a f b l a d ei n t e r i o rf l o w ss i t u a t i o n ( 一) 当风机在正常流量下运转时，其工作范围在最佳工况点附近，对应于图3 中的区域口。 ( 三) 当流量减小时，人们观察到，在动叶顶部的进口端最先出现逆流见图4 ， b 1 。进口端旋涡的产生，使得流入叶轮的气流挤向轮毂，导致轴向速度增加，出 口气流绝对速度的旋绕减少，因而使得风机的排出压力随着流量的减少而下降， 见图3 范围b 。 ( 三) 当流量继续减小时，叶片进口侧的旋涡区继续扩大，挤向轮毂。此时， 叶片问流道内的气体离心力与径向压力己不能维持平衡，气流不再沿轴线方向流 动，而开始沿倾斜方向流动叶片根部附近的轴向速度开始减少，并开始出现逆 流。如图4 ，c ) 所示。 ( 四) 当流量进一步减小时，叶片进口侧旋涡区迅速扩大，气流在离心力作用 下沿径向流向壳体。叶片出1 2 侧根部发生失速，导致逆流区扩大。如图4 ，d ) 所 示。此时，随着轴向速度的减少，出口气流绝对速度的旋绕增加，使得压力重新 上升，如图3 ，d 所示。 轴流通风机在小流量区域出现凹部特性属于不稳定工况。凹部的有无，与叶 栅设计所取的参数有关。但仅以设计参数在判断是不完全可靠的。 2 i v q 曲线( 功率一流量曲线) 一q 曲线在流量为零时最大。当流量增大时，压力p 下降很快，轴功率 ( = q p ，7 ) 也有所下降，这样往往使轴流式风机在零流量下启动时的轴功率为最 大。因此，与离心式风机相比，轴流式风机应当在管路畅通下开动，尽管如此， 当启动与停车时，总是会经过最低流量的，所以轴流式风机所配用电机要有足够 的余量。这在风机测试过程中特别注意。 3 刁一q 曲线( 效率一流量曲线) 刁一q 曲线在最高效率点附近迅速下降。流量不在设计工况下的气流情况迅速 变坏，以至效率下降很快，所以轴流式风机的最佳工作范围较窄，一般都没有调 8 2 对旋式轴流通风机的运行特性 节阀门来调节流量。由此上三点知，p q 曲线和一q 曲线都是在流量从4 , n 大 增加时先下降，再上升，然后再下降，有两个拐点，正常工作工况点应选在p q 曲线的二次下降段，也就是驼峰点的右侧，它可近似用三次方程来拟合，但在整 个趋势中它和p q 曲线的拟合方法一样，选用有两个拐点的三次方程，能很好 的反映风机工作情况的性能。，7 一q 曲线在整个流量变化过程中是先增大后减少， 为此可用二次方程来拟合它的形状。一般工作的工况点选在效率大于6 0 的曲线 段。 至此，由p q 和r 一q 曲线也就决定了轴流式风机的正常工作范围，即 p - q 曲线驼峰点右侧，r 一q 曲线效率大于6 0 的公共部分。风机测试过程的流 量范围。同样是由于在风量较小的情况下，风机二次回流现象的影响，使得到某 一流量时，在风机转速的增大和减小的回复，这也就是风机喘振点，在风机性能 测试过程中，一般由此点开始或到此点结束，所以大多数的风机性能曲线的流量 不是从零开始。 本章小结： 本章简单介绍了对旋式轴流通风机的结构，运行特点及优越性和运行特性。 并利用轴流风机的性能曲线对风机的特性加以分析。 3 测试系统硬件配置 3 测试系统硬件配置 数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、 存储、处理等内容。7 0 年代以来，由于微机技术的快速发展，现在的计算机，只 需要在其扩展槽内插上一块数据采集卡，并辅以应用软件，即可组成一套微机数 据采集与处理系统，实现信息处理功能【l l 】。 本章从系统硬件设计的角度出发，完成风机的数据采集及处理系统的硬件设 计。该系统以计算机为核心，采用高精度变送器、信号转换电路、p c i 总线配置 数据采集卡通过设计构成数据采集系统的硬件装置。再对这些装置进行电路设计 及调试，即可到测试系统的硬件系统。 3 1 对旋风机实验装置及安装类型 根据国家标准g b l 2 3 6 t - 2 0 0 0 规定，对于在管道中使用的风机，实验方法可 分为四种：a 型自由进口和自由出口；b 型自由进口和管道出口；c 型 管道进口和自由出口；d 型管道进口和管道出1 3 。由于a 型装置在实际 中使用较少，又为了实验类型应该尽可能模拟工作条件，因此本课题规定了三种 试验装置。即b 型、c 型、d 型。下面分别介绍一下这三种装置： b 型：也称为出气实验，使用该装置进行性能实验时，在出口端测流量、压 力。本次实验所使用的对旋风机装置如图5 所示 图5 出气实验装置图 f i 9 5 t h es e t - u pd r a w i n go f o u t - g a se x p e r i m e n t c 型：也称为进气实验，使用该装置进行性能实验时，在进口端测流量、压 ； 力。本次实验所使用的对旋风机装置如图6 所示。 测压孔 风机 图6 进气实验装置图 f i 9 6 t h es e t - u pd r a w i n go f i n - g a se x p e i j i n o l l t 1 1 安徽理工大学硕士学位论文 d 型：也称为进出气实验，使用该种装置进行性能实验时，在进气口测流量， 出气口测压力。本次实验所使用的对旋风机装置如图7 所示。 图7 进出气实验装置图 f i 9 7 t h es e t - u pd r a w i n go f i n - o u t - g a se x p e r i m e n t 被测通风机的主要技术指标见表1 。 表被测风机技术指标 t a b l e1f a nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n 电压风量 风压 功率介质温度主轴转速效率 ( v )( m h )( p a )( k w ) ( ) ( r m i n )( ) 3 8 05 4 0 0 - 9 0 0 01 2 0 0 2 4 0 04 x 22 02 9 0 00 8 5 5 测试原理：在管道中流动的流体，具有动压能和静压能，在一定条件下这两 种形式的能量可以互相转换，但参加转换的能量总和不变在进行出气实验( 即使 用b 型装置) 时用孔板法测量，用孔板法测量流量时，流体流过孔板前后产生压力 差，且流过的流量越大，孔板前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定的对 应关系，这就是孔板法的测试原理。在进行进气实验( 即使用c 型装置) 时用9 0 0 圆 弧进口喷嘴( 即集流器) 测定流量。 3 2 系统部件的介绍 3 2 1 数据采集卡的选择 数据采集卡是数据采集系统的基本组成部分。选择什么型号的采集卡对于在 该装置测量数据的精确度有着至关重要的作用【1 甜。由于本系统需要对多种模拟 量：其中包括动压、静压、功率、温度等进行采集，还需要对转速等数字量进行 数据的采集。通过改变试验管道阻力来调节风机的工况点参数，采集模拟信号， 通过信号转换电路送入数据采集卡，采集卡将信号进行滤波，放大或整形，然后 进行a d 转换。由于实时信号处理、数字图象处理等领域对高速度、高精度数据 采集卡的需求越来越大，i s a 总线由于其传输速度的限制而逐渐被淘汰。因此本 1 2 3 测试系统硬件配置 系统选择了p c i 2 0 0 0 模拟数据采集卡和p c i 2 3 6 1 数字数据采集卡进行数据采集。 1 模拟数据采集卡p c i 2 0 0 0 本系统所选用的是p c i 2 0 0 0 卡，该卡综合了国内外众多同类产品的优点，使 用便捷、性能稳定、性价比较高，且提供w i n d o w s 9 5 ，9 8 棚下的多种语言的驱动， 具有采集、显示、存盘，数据回放等功能。p c i 2 0 0 0 卡是一种基于p c i 总线的数 据采集卡，可直接插在i b m - p c a t 或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，构 成实验室、产品质量测量中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。它 接收来自变送器的信号( 电流、频率要转换为电压信号) ，将各变送器的输出信号 进行滤波、放大或整形，然后进行a d 转换。计算机读取转换好的数据，进行数 据处理。该p c i 2 0 0 0 板上装有1 2b i t 分辨率的a d 转换器，为用户提供了1 6 双 3 2 单的模拟输入通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调整到合适的 范围，保证最佳转换精度。程控增益可选择1 、2 、4 、8 ( p g a 2 0 3 ) 或1 、1 0 、1 0 0 、 l o o o ( p g a 2 0 2 ) 倍，a d 转换器输入信号范围5 v 、i o v 、0 - - 1 0 v 。 p c i 2 0 0 0 卡的特点：( 1 ) 3 2 位p c i 总线，支持p c l 2 2 协议，真正实现即插即 用；( 2 ) f p g a 接口芯片设计，具有极高的保密性，特别适合o e m 合作；( 3 ) i o o k h z l 2 位a d 转换器，最高通过率为1 0 0 k ；( 4 ) 3 2 通道单端模拟输入或1 6 路双端模拟输 入；( 5 ) 支持软件查询方式、中断方式，两种方式的传输率均可达到1 0 0 k ；( 6 ) 1 k 深度的f i f o 保证数据的完整性；( 7 ) 1 6 路开关量输入，1 6 路开关量输出；( 8 ) 程 控增益选择：1 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 或1 、2 、4 、8 倍。 p c i 2 0 0 0 卡模拟输入信号的连接方式有两种：即单端输入方式和双端输入方 式。， 1 1 单端输入方式： p c i 2 0 0 0 板可按图8 连接成模拟电压单端输入方式，3 2 路模拟输入信号连接 到c h o 阻c h 3 l 端，其公共她线连接到a g n d 端。单端输入方式，主要应用在噪 声干扰不高的场合。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 褒弱德号 图8 单端输入方式 f i 9 8 t h es i n g l ei n p u tw a y 2 ) 双端输入方式： p c i 2 0 0 0 板可按图9 连接成模拟电压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰 信号，提高采集精度。1 6 路模拟输入信号正端接到i n 0 0 + i n l 5 + 端，其模拟输入 信号负端连接到i n 0 0 玳1 5 端，并在距离x s l 插座近处，在i n 0 0 一i n l 5 端与 a g n d 端各接一只几十k q 至几百k q 的电阻( 当现场信号源内阻小于1 0 0 q 时， 该电阻应为现场信号源内阻的1 0 0 0 倍；当现场信号源内阻大于1 0 0q 时，该电阻 应为现场信号源内阻的2 0 0 0 倍) ，为仪表放大器输入电路提供偏置。双端输入方 式，主要应用在噪声干扰高的场合。 雀 掇 输 入 辩 a 现场信碍 现菊攘罨 现菊倍肆 几十x q 几百e q 图9 双端输入方式 f i 9 9 t h ed o u b l ei n p u tw a y 由于本系统只采集8 个模拟量，因此只需要使用该采集卡的8 个通道，同时 也为保证采集数据的精度，本数据采集系统采用的是双端输入方式接线。在使用 p c i 2 0 0 0 采集卡过程中，p c i 2 0 0 0 的启动方式、工作方式都通过自身编写的软件 1 4 一 3 测试系统硬件配置 来实现。在数据采集的同时，把数据显示在窗口的数据表格中，并且也可以通过 数据报表和文件存储两种形式把采集的数据永久保存。 2 p c i 2 3 6 1 计数器及开关量卡 对于电机转速的测量，本系统通过旋转编码器发出脉冲信号，再用p c i 2 3 6 1 计数器及开关量卡对发出的脉冲信号迸行计数，从而计算出电机的转速。p c l 2 3 6 1 卡可以广泛地应用于计数、定时、测频、频率发生、数字量控制，特别是在计数、 测频等领域可以灵活、方便地组合，满足用户的多种不同需求特别是通道0 提供 正、反向输出，可以方便的对其余通道的g a t e ( i 控制) 进行控制，以方便测频应 用。p c i 2 3 6 1 板上有9 个计数，定时器，每个计数，定时器各自独立。计数定时器的 c l k ( 时钟输入) ，g a t e ( f 控) ，o u t ( 输出) ，g a t e ( ( 控) 全部外接，其中g a t e 输入内部有上拉电阻以方便计数应用，c l k 、o u t 端满足标准阻电气特性。输 入低电平小于0 4 v ，高电平大于2 6 v ，o u t 的最大输出驱动电流1 毫安。计数器0 提供o u t 正、反向输出。( 反向输出应用于对其余的通道的g a t e 的门控) ，通道0 的 输出驱动能力为6 毫安，r r l 电平p c i 2 3 6 1 板上提供两种频率的时钟输出，分别为 o 5hs ，6 4ps ，由x f 3 选接其中之一，时钟输出电平为们 l 电平，驱动能力6 毫安。 9 个计数定时器的输入输出及路中断输入、时钟输出由3 7 芯d 型头插座x s i 输 入、输出。 二p c i 2 3 6 1 的工作方式一共有6 种： 方式o 计数结束中断：当写入方式0 控制字后，计数器输出立即变成低电平， 当赋初值后；计数器马上开始计数，并且输出一直保持低电平，当计数结束时变 成商电平，并且一直保持到重新装入初值或复位时为止。当控制字中d 5 d 4 - - - - 1 1 时，在写入低字节后计数器还不计数，当写入高字节后，计数器才开始计数，如 果对正在做计数的计数器装入一个新值，则计数器又从新装入的计数值开始，重 新作减量计数。可用门控端g a t e 控制计数，当g a t e = 0 时，禁止计数，当g a t e = 1 时，允许计数。： ，方式1 一可编程单次脉冲方式 该方式要在门控信号g a t e 作用下工作。当装入计数初值n 之后，要等g a t e 由低变高，并保持高时开始计数，此时输出仪j t 变成低电平，当计数结束时，输 出变成高电平，即输出单次脉冲的宽度由装入的计数初值n 来决定。当计数器减 量计数未到零时，又装入一个新的计数值n 1 ，则这个新值，不会影响当前的操作， 只有原计数值减到零且有一个g a t e 上升沿时，计数器才从n l 开始计数。如当前 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 操作还未完，又有一次g a t e 上升沿时，则停止当前计数，又重新从n l 开始计数， 这时输出单次脉冲就被加宽。 方式2 频率发生器方式 在该方式下，计数器装入初始值，开始工作后，。输出端将不断输出负脉冲， 其宽度等于一个时钟周期，两负脉冲闻的时钟个数等于计数器装入的初始值。在 方式2 中门控信号相当于复位信号，当g a t e = 0 时，立即强迫输出为高电平，当 g a t e = l 时，便启动一次新的计数周期，这样可以用一个外部控制逻辑来控制 g a t e ，从而达到同步计数的作用。当然计数器也可以用软件控制g a t e 而达到同 步控制目的。 方式瑚波频率发生器方式 与方式2 类似，当装入一个计数器初值n 后，在g a t e 信号上升沿启动计数， 定时计数器此时作减2 计数，在完成前一半计数时，输出一直保持高电平，而在 进行后一半计数时，输出又变成低电平。若装入的数n 为奇数，则在m + 1 ) 2 个计 数期问，输出保持高电平。在( n 一1 ) 2 个计数期间，输出保持低电平。若在一次 计数期间，将一个新的初值装入计数器，那么在当前的计数发生跳变时，计数器 马上又按新的计数开始计数。 方式4 一软件触发选通方式 用控制字设置该方式后，输出即变为高电平，在g a t e = 1 时，计数器一旦装 入初值，便马上开始计数，每当计数结束，便立即在输出端送出一个宽度等于一 个时钟周期的负脉冲。如果在一次计数期间，装入了一个新的计数值。则在当前 的计数结束，送出负脉冲后，马上以这个新的计数开始计数。在g a t e = 0 时，禁 止计数，这些均与方式2 同，但这不是用g a t e 的上升沿来启动计数的。 方式5 一硬件触发选通方式 当采用该方式工作时，在g a t e 信号的上升沿启动计数器开始计数，输出一 直保持高电平，当计数结束时，输出一个宽度等于时钟周期的负脉冲。在此种方 式下，g a t e 是高电平或低电平都不再影响计数器工作。但计数操作可用g a t e 信 号的上升沿重新触发，便又从原来的初值开始计数，计数期间，输出又一直保持 高电平。， 由于对旋风机有两个电机运转，因此本系统中需要测量两个电机的转速，需 要使用p c i 2 3 6 1 板上的2 个计数，定时器。由于只使用该卡的计数功能，因此在工 作方式上选择可编程单次脉冲方式。 1 6 3 测试系统硬件配置 3 2 2 传感器的选择 1 传感器的作用 传感器的定义：将感受到的物理量作为输入并按一定规律转换成测量所需物 理量后输出的一种装置称为传感器。传感器通常由敏感元件和转换元件组成，它 是测量的关键元件之一【1 7 】。 传感器能感受( 或响应) 规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的 器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的 转换元件以及相应的电子线路所组成。它获取的信息，可以是各种物理量、化学 量、生物量，而转换后的信号也有各种形式。在风机性能试验的信号采集中传感 器作为信号的输入元件起着重要作用。无论何种传感器，作为测量与控制系统的 首要环节。通常都必须具有快速、准确、可靠且又经济的实现信息转换的基本要 求。因此，对传感器有以下要求：( 1 ) 足够的容量。传感器的工作范围或量程足够 大；具有一定过载能力。( 2 ) 与测量或控制系统相匹配性好，转换灵敏度高，线性 程度好。( 3 ) 反应快，工作可靠性高。( 4 ) 精度适当且稳定性好，即传感器的静态响 应与动态响应的准确度能满足要求，并长期稳定。( 5 ) 适用性和适应性强，即动作 能量小，对被测量的状态影响小；内部噪声小，而又不易受外界干扰的影响，使 用安全等。( 6 ) 使用经济。即成本低、寿命长，且易于使用、维修和校准。 2 传感器的选用原则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象 以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。 当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结 果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1 ) 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分 析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的 传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传 感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小：被测位置对传感器体积的 要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量； 传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的 具体性能指标。 安徽理工大学硕士学位论文 2 ) 灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵 敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要 注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放 大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量 减少从外界引入的干扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较 高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感 器的交叉灵敏度越小越好。 3 ) 频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保 持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越 好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影 响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机等) 响应特性，以免产 生过火的误差。 4 ) 线性范围。 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内， 灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测 量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要 求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所 要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看 作线性的，这会给测量带来极大的方便。 ，5 ) 稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器 长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使 传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择 合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定， 1 8 3 测试系统硬件配置 以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传 感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 d 精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的 一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度