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汽车冷却水泵测试系统 摘要 本课题是以虚拟仪器软件为开发平台，设计集传感器技术和计算机技术于 一体的汽车冷却水泵测试系统，进行水泵各种试验，完成了设备控制、参数测 试、数据采集与处理、图形绘制和误差分析等工作。 本文阐述了汽车冷却水泵测试系统软、硬件构建的全过程，采用开式试验 台进行系统的结构设计、试验管路的布置和安装与电气系统的设计，探讨了水 泵参数如流量、扬程、轴功率等和电动机参数如相电流、相电压等的测试原理 和测量方法。用感应线圈测量交流异步电动机的漏电势，用谱分析的方法从含 有噪声的信号中提取有用信号的主频率，对实际输出信号进行分析和处理，从 而求出水泵的转速值。使用数据采集卡进行数据采集与处理，通过l a b v i e w 软 件编程，得到相关参数的值，绘制泵的性能曲线和汽蚀余量曲线。此外，还对 系统进行了误差分析。 通过本论文的研究工作，尤其对所采用的转速测量方法和数据采集与处理 方面的研究，使汽车冷却水泵测试系统不断向智能化、集成化和多功能化方向 发展有重要的实际意义。 关键词：水泵虚拟仪器测试系统谱分析数据采集处理 a t e s t i n gs y s t e mo nm o t o rc o o l i n gw a t e rp u m p a b s t r a c t t h i st o p i cd e s i g n e dat e s t i n gs y s t e mw i t hs 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 yo nt h eb a s i so fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h ep r o j e c tm a i n l yc a r r i e s 0 1 1a l lk i n d so ft e s t so nm o t o rc o o l i n gw a t e rp u m p ，c o m p l e t e sd e v i c e c o n t r o l ， p a r a m e t e rt e s t , d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，a sw e l la sg r a p hd r a w i n ga n de r r o r a n a l y s i s t h i sa r t i c l ee l a b o r a t e dt h ee n t i r ep r o c e s so fh a r d w a r ec o n s t r u c t i o no nm o t o r c o o l i n gw a t e rp u m p st e s t i n gs y s t e m , u s e so p e nt e s t - b e dt or e s e a r c ht h es y s t e m s s t r u c t u r a ld e s i g n , s e t su pt h ea r r a n g e m e n ta n di n s t a l l m e n to f t h e p i p e l i n e ，d i s c u s s e s t h et h e o r yo ft e s t i n ga n dm e t h o d so fm e a s u r e m e n ta b o u tp a r a m e t e r s ，s u c ha sf l u x ， p r e s s u r e ，a x i a lp o w e ra n ds oo n , a n dm o t o r se l e c t r i c a lp a r a n a e t e r s ，f o re x a m p l e c u r r e n t , v o l t a g ec t c t h ep a p e rp r o v i d e st h em e t h o do fi n d u c t i v ew i n d i n gt om e a s u r e a s y n c h r o n o u sa cm o t o r sr o t a t i o n a l 删，e ：x 位m t st h eb a s i cf r e q u e n c yo fu s e f u l s i g n a ib a s e do nf f ts p e c t r u ma r i t h m e t i c , c a r r i e so na n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gt ot h e a c t u a lo u t p u ts i g n a l b yu s i n gd a qc a r da n dl a bv i e wt 0 0 1 w ec a nc a l c u l a t et h e p a r a m e t e r sa n dp l o tt h ep e r f o r m a n c ec u r v ee t o i na d d i t i o n , t h es y s t e me r r o r sa r e a n a l y s e d t h r o u g ht h es t u d i e si nt h ep a p e r , e s p e c i a l l yt h ea s p e c t so fm e a s u r e m e n t so f r o t a t i o n a ls p e e da n dt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，c a np r o d u c ei m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot h et e s t i n gs y s t e mo l lm o t o rc o o l i n gw a t e rp u m p ，w h i c h d e v e l o p st h ei n t e l l e c t u a l i z a t i o n , i n t e g r a t i o na n dm u l t i - f u n c t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d s ：w a t e rp u m p ，v l n u a li n s t r u m e n t ，t e s t i n gs y s t e m ，s p e c t r u m a n a l y s i s ， d a t a a c q u i s i t i o na n gp r o c e s s i n g 插图清单 图2 - l 开式试验台原理图：7 图2 _ 2 系统硬件结构框图8 图躺涡轮流量传感器结构示意图1 0 图2 - 4 用基准面计算泵扬程示意图。1 2 图2 - 5h m p h 型压力变送器的工作原理框图1 5 图2 _ 6 异步电动机空载试验接线图。1 7 图2 - 7 功率传感器接线图1 8 图2 - 8 日光灯法测转速的轴端标记2 0 图2 - 9 感应线圈中的感应信号图。2 l 图2 _ l o 电动机控制电路图2 3 图2 - 1 1 电动机楣电流、相电压测量图。 图2 - 1 2 电流传感器接线图2 4 图2 _ 1 3 电压传感器接线图2 4 图2 - 1 4 a i 5 1 8 型人工智能温度控制器接线图2 5 图2 - 1 5 固态继电器接线图2 6 图2 _ 1 6 用d f t 实现对连续信号作谱分析的过程2 8 图2 _ 1 7 二阶压控巴特沃兹低通滤波电路3 0 图2 _ 1 8i 转换电路图3 0 图2 - 1 9f v 转换电路图3 l 图2 - 2 0 感应线圈输出信号调理电路图3 1 图2 _ 2 l 模拟，数字信号转换图3 2 图2 - 2 2p c i - 9 1 1 4 h g 数据采集卡基本功能框图 图2 _ 2 3p c i 9 1 1 4 h g 数据采集卡p c b 布线图3 4 图2 - 2 4 典型的汽蚀特性曲线图3 6 图3 一l 汽车冷却水泵流量测量程序4 l 图3 _ 2 汽车冷却水泵流量益线图。4 l 图3 - 3 汽车冷却水泵压力曲线图4 1 图3 _ 4 汽车冷却水泵扬程曲线图。4 2 图3 - 5 汽车冷却水泵轴功率曲线图4 2 图3 _ 6 汽车冷却水泵效率曲线图4 2 图3 _ 7 电动机相电流测量程序。4 3 图3 - 8 电动机相电流曲线图。4 3 图3 - 9 电动机相电压曲线图 图3 - l o 电动机转予和定子频谱图“ 图3 一1 1 电动机转速测量程序4 5 图3 一1 2 汽车冷却水泵性能曲线图4 8 图3 一1 3 汽车冷却水泵汽蚀余量曲线图4 9 图3 - 1 4 汽车冷却水泵性能曲线数据处理程序5 0 图3 一1 5 汽车冷却水泵汽蚀余量曲线数据采集程序5 1 表格清单 表2 - l 涡轮流量传感器性能参数表l l 表2 - 2 压力变送器性能参数表。1 5 表2 _ 3 功率传感器性能参数表。1 8 表2 _ 4 电流和电压传感器性能参数表2 4 表3 - 1 汽车冷却水泵性能试验参数测量值。4 8 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 金世王些盔堂 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 学位论文作者签名： 兮矗譬t 譬 签字日期：泓嘭年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，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阅。本人授权金 胆兰些太堂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： 刁掂t 詹 导师签名 签字日期，劢d 存b 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 签字日期 电话： 邮编： 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了 我的导师张辉教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是到收集资料、 系统软硬件设计、论文成稿，都倾注了张辉老师的心血，我由衷地感谢张辉老 师! 张老师在学业指导及生活等各方面给予我关心和帮助。使我从其言传身教 中学到了很多为人品质和道德情操。老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人 不倦的教育情怀和对教育事业的忠诚，必使我终身受益，并激励我勇往直前。 在课题进行过程中，我得到了仪器科学与光电工程学院的支持，实验室老 师和我的很多同学为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学 习、试验的机会。在此向他们表示衷心的感谢。 同时，我还要真诚地感谢我的父母和家人，他们的理解、体谅和关爱，给 我创造了良好的学习、研究和生活氛围。 感谢所有给予我帮助的人。 作者：王玲玲 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 1 1 课题来源、研究内容及意义 1 1 1 课题来源及意义 本课题是某汽车有限公司的企业委托项目。 所研发的汽车冷却水泵测试系统采用虚拟仪器技术和计算机技术，在集成 的环境中，使用数据采集卡和相关的软件，实现了快速、准确地对汽车冷却水 泵各参数和状态信息的数据采集，缩短测试时间，降低测试成本。并进行数据 存储和处理，自动显示和打印汽车冷却水泵各种曲线，产生试验报告，过程控 制与测量的自动化程度较高，界面友好，操作省时、有序、简单。 在实际应用中，汽车冷却水泵测试系统自动生成性能曲线图和数据表格， 测试数据自动保存在文本文件中，将软、硬件技术的特点结合于一体，实现了 智能控制及测量显示、制表作图、出具测试报告等操作的自动化。测量数据的 精度较高，显示格式标准，克服了系统不稳定及人工测试、处理图表所带来的 误差，并且测试效率也大大提高。使汽车冷却水泵测试不断向高精度、高自动 化程度、多功能化方向发展。 1 1 2 课题研究内容 本课题设计了计算机技术、传感器技术、数据采集技术和虚拟仪器技术相 结合的汽车冷却水泵测试系统，系统的开发周期较短，控制操作灵活方便，测 试精度较高。系统主要完成如下内容： 1 汽车冷却水泵和电动机参数实时监测 研究了汽车冷却水泵和电动机参数测试的原理和方法，选择相应的传感器， 实现对汽车冷却水泵参数如水泵进、出口压力、流量、转速等和电动机电参数 如相电流、相电压、轴功率等的实时监测功能。符合中华人民共和国汽车行业 标准q c t 2 8 8 2 - - 2 0 0 1 汽车发动机冷却水泵试验方法和g b l 0 3 2 - - 8 5 三相异步 电动机试验方法的要求。 2 汽车冷却水泵性能试验 将所采集到的各参数数据进行分析和处理，绘制汽车冷却水泵的性能曲线， 即：汽车冷却水泵的流量一扬程曲线，流量一轴功率曲线和流量一泵效率曲线。 3 汽车冷却水泵汽蚀试验 对数据进行采集和分析处理，绘制汽车冷却水泵的流量一汽蚀余量曲线。 4 汽车冷却水泵耐久性试验( 可靠性试验) 汽车冷却水泵全速全负荷耐久性试验： 让汽车冷却水泵在一定的转速、一定的扬程下，运转一定时间，每2 4 小时 记录汽车冷却水泵进、出口压力、流量、转速、轴功率等参数的数据变化。 汽车冷却水泵锯齿耐久性试验： 让汽车冷却水泵的转速在周期内变化，在一定的扬程下，循环运转1 0 0 0 小 时，每2 4 小时记录汽车冷却水泵进、出e l 压力、流量、转速、轴功率等参数的 数据变化。 5 数据存储、显示和打印输出 6 误差分析与修正 本课题的主要任务是以虚拟仪器软件为开发平台，选用合适的测试方法， 进行汽车冷却水泵测试系统的试验管路和软、硬件设计。通过计算机采集数据， 完成设备控制、参数调节、各类信号处理、数据查询与图形绘制工作，实现智 能控制和测量、显示等操作的自动化 1 2 水泵测试系统的发展概况 水泵是一种特殊的通用机械，使用面广，种类繁多，广泛地应用于国民经 济的各个部门【l l 。水泵的工作是以输送流量、产生压力、功率及使用效率等来 体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起 其他参数相应的变化。为了正确选择、使用水泵，必须了解这些参数之间的相 互关系目前水泵性能参数的获取主要依赖于性能试验。随着水泵调速节能技 术的发展和应用的越来越普及，变速调节下的水泵性能参数的变化也越来越值 得研究 2 1 。 由于水泵特有的流道型式和叶轮的旋转运动，流体在水泵中的运动过程非 常复杂，使泵体内部特别是叶轮内流场始终存在随机变化的旋涡、脱流和二次 回流等现象，无法用完整的数学解析式描述水泵在不同工作状态下的运动特征。 因此，水泵测试技术对水泵基础理论的研究和发展、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等，都有着极其重要的作用。 1 2 1 国内汽车冷却水泵测试技术的发展 长期以来，我国的汽车冷却水泵测试手段比较落后。很多单位的汽车冷却 水泵测试设备以手动操作试验、手工测量数据、手工绘制曲线为主，测量方法 较落后，测量精度不高，劳动强度大。但从2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初开始， 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，在汽 车冷却水泵测试方面，我国取得了较大的进步 江苏大学、山东农业大学、西安理工大学等高校致力于汽车冷却水泵计算 机性能测试系统的研究和开发，为汽车冷却水泵自动测试系统的不断完善发挥 了先导作用。西安理工大学开发的内燃机冷却水泵综合性能计算机辅助测试系 统涉及仪器仪表装置、电气自动化装置、电机变频控制装置、液压驱动装置、 机械制造技术、计算机软件等各个学科。系统以计算机为中心进行工作，通过 可编程控制器、变频调速器、流量调节系统和温度控制系统来模拟水泵的实际 2 运行条件，辅以精确的数据采集，实现对水泵各项性能指标的综合测试和数据、 图表输出。系统操作安全，使用方便、可靠，自动化程度高。控制方式合理、 灵活。系统完全满足国家对内燃机冷却水泵进行测试的专业要求，达到国外同 类产品的性能指标【3 】。 杭州拓天科技有限公司、河南华恒实业有限公司、沈阳新科精密仪器设备 有限公司和浙江三花通产实业有限公司等单位也研制出了精度较高的汽车冷却 水泵性能试验台，并应用于工业生产中，均取得了较高的经济效益。杭州拓天 科技有限公司生产的汽车冷却水泵综合测试台，采用计算机辅助的自动测试技 术，可以实现自动控制水泵的各种工况，自动测试参数；实时采集和自动处理 数据、绘制性能曲线以及生成测试报表，提高了冷却水泵的测试精度与自动化 水平，降低了测试的劳动强度。河南华恒实业有限公司研发的汽车冷却水泵综 合性能测试系统用工业计算机进行控制，操作简单方便，测试精度和效率较高， 可实现数据的自动存储和处理，并有良好的可扩展性。沈阳新科精密仪器设备 有限公司生产的汽车冷却水泵性能测试台可以进行水泵的多种试验，使用计算 机可编程控制器，进行全过程自动控制和实时监控，有较完善的功能，较高的 精度和稳定性。浙江三花通产实业有限公司的冷却水泵综合性能测试台适用于 各类发动机水泵的综合性能检测，以工业计算机为主控单元，能自动测试并采 集水泵的性能参数数据，信号分析处理功能强大，能根据需求绘制曲线，实现 报表保存和打印1 4 _ ” 1 2 2 国外汽车冷却水泵测试技术的发展【2 1 在国外很多国家，汽车冷却水泵测试领域的研究起步较早，汽车冷却水泵 计算机辅助性能测试系统的使用很普遍，其测试精度、自动化程度较高。尤其 是美国、英国、德国和俄罗斯等国家。汽车冷却水泵测试技术的发展走在我们 的前列。 国外汽车冷却水泵测试系统呈现高集成、小体积、可移动、多功能、设备 全和易操作等特点。俄罗斯伏尔加铁路局谢纳亚机务段开发的2 t 3 1 0 m 型内燃 机车水泵试验台可以实时显示水泵试验时水的压力，并设有固定用的支架和移 动式滑板，可检查水泵的质量及其排量，缩短机车的停留时间。印度d y n a m i c e 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进行驱动， 吸入管路安装真空计，出口管路安装压力测量仪表和调节阀门，可以方便地得 到泵的特性 英国t q e d u c a t i o na n dt r a i n i n gl t d 研发的离心泵测试台结构紧凑，操作方 便灵活，采用数字式仪表实时显示所测得的转速、转矩和功率值，用文丘里管 测量水泵的流量，研究分析了泵的汽蚀现象。通过使用t q 公司的通用数据采 集系统和相关的软件，得到离心泵的性能。如泵的流量和扬程特性，泵的流量 和效率特性等等。 德国f l u i d o nc o m p a n y 公司生产的汽车冷却水泵试验台用于测量快速 转动的泵的效率、磨损和流量，可以测试转速高达7 5 0 0r p m 的快速旋转泵，其 允许的最大流量是1 5 0l m i n ，电动机的最大驱动功率是3 0 k w 。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，加热部分允许系统的温度在2 0 - - 8 0 之间变化。 英国a r m f i e l dl i m i t e d 公司设计的多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，能够测量离心泵、涡轮 泵、轴流泵和齿轮泵的扬程、流量、功率和扭矩等参数，并绘制泵的性能曲线， 可以得到不同类型泵的特性比较，以及离心泵的汽蚀对泵本身的影响。 1 2 3 汽车冷却水泵测试技术的发展趋势 传统的汽车冷却水泵测试方法测试周期较长，人为误差较大，测试精度和 效率较低，采用高精度、高自动化的综合测试技术是汽车冷却水泵测试技术的 普遍发展趋势。基于计算机技术，自动进行数据采集和实时分析处理，缩短测 试周期，提高测试的速度和精度。多功能化也是汽车冷却水泵测试技术的方展 方向，一个功能完善的测试系统应该能对多种型式、多种规格的水泵进行测试， 并可以完成性能试验、汽蚀试验以及振动试验、轴向力测定、流速分布、压力 脉动等内特性的测试研究。 但在汽车冷却水泵生产厂家，真正建有汽车冷却水泵计算机自动化辅助试 验系统的并不是很多，测试设备多为传统的半自动化结构。因此，研制汽车冷 却水泵计算机测试系统，对消除人为误差，降低测试的劳动强度，不断提高试 验装置的自动化程度和测试精度至关重要。 1 3 虚拟仪器技术在汽车冷却水泵测试系统中的应用 上世纪八十年代末美国首先研制成功虚拟仪器。虚拟仪器是现代仪器技术 与计算机技术相结合的产物，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用 户设计定义具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种测试技术。虚拟仪 器系统概念不仅推进了以仪器为基础的测试系统的改造，同时也影响了以数据 采集为主的测试系统的传统构造方法的进化应用虚拟仪器系统技术，用户可 以用较少的资金、较低的系统开发和维护费用，用比过去更短的时间开发出功 能更强、质量更可靠的产品和系统，推动传统仪器向数字化，模块化、虚拟化、 网络化方向发展【j “。 虚拟仪器技术在科研、测控和计量等领域都有着广泛的应用前景，2 0 世纪 9 0 年代中期以来，哈尔滨工业大学、西安交通大学、中科泛华科技公司等院校 和高科技公司，在虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台等方面做了很多有益的工 4 作，并取得了一定成果。 与传统仪器相比，虚拟仪器从设计开发到用户使用都具有很多优点随着 计算机和微电子技术的发展，它必将成为下一代的一种仪器标准。由于虚拟仪 器不依赖于功能和结构复杂的仪器模块，使得开发成本大幅度降低，为快捷地 进入测试系统领域提供了可能。可以预见在不远的将来，虚拟仪器技术将取代 传统的测试设备，成为测试系统的主流。 第二章汽车冷却水泵测试系统的硬件设计 2 1 汽车冷却水泵试验装置 2 1 1 汽车冷却水泵试验概述 水泵的结构比较简单，但是液体在水泵中的运动十分复杂，至今还不能完 全用解析的方法确定水泵在不同工况下的特性。目前必须利用试验的方法来测 量水泵的流量、扬程、轴功率和转速等参数，并且以测量结果来评价水泵在性 能上是否达到规定的设计要求。因此，水泵试验对于水泵的设计、生产和使用 都具有非常重要的意义，是提高水泵技术水平的重要措施之一 水泵的试验种类有【1 4 1 ： 1 外特性试验：可靠性试验、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、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：密封性试验、材料试验和能量平衡试验等。 外特性试验又分为型式试验和出厂试验。 ( 一) 型式试验 型式试验包括可靠性试验、性能试验、汽蚀试验和噪声振动试验等【1 5 】。 可靠性试验【1 6 1 可靠性试验主要是检查水泵的工作能力，水泵在规定工况下运转，考核其 总成及零部件可靠性。试验时，应该检查水泵轴承和填料的温升，填料函的泄 漏和密封、噪声、振动的大致情况，密封环、平衡盘、轴承等处的磨损情况可 以在试验后进行检查。所选择的试验点应该在水泵规定的使用范围内，试验时 间一般至少持续3 0 分钟以上。 性能试验 性能试验是测量水泵的性能参数值，并确定水泵的扬程、轴功率、效率与 流量之间的关系。试验应该从功率最小的工况开始顺次进行，离心泵从零流量 开始至少要测到大于使用范围最大流量的1 5 ；混流泵、轴流泵和旋涡泵从阀 门全开状态开始，至少要测到小于最小流量的1 5 。测点应均匀分布在整个曲 线上，对离心泵、旋涡泵要多于1 3 点，轴流泵、混流泵要多于1 5 点。 汽蚀试验 汽蚀试验是确定临界汽蚀余量与流量之间的关系，或者是验证水泵的临界 汽蚀余量小于或等于规定的必需汽蚀余量。应该在至少包括最小流量点至额定 流量的1 2 0 点等三处不同的试验点上进行试验 ( 二) 出厂试验 出厂试验是密封性试验，对水泵工作范围内，包括小流量点、规定流量点、 6 大流量点三个以上的流量点进行试验，检查水泵的扬程和功率等。并与其规定 值进行比较，判断是否达到规定的要求，确定产品的精度级别。 2 1 2 汽车冷却水泵试验装置 水泵试验装置是完成水泵试验的主要手段之一，符合标准要求的试验装置， 可以进行汽车冷却水泵的各项试验。水泵试验装置，必须采取一切有效措施来 保证通过测量截面的液流有如下特性：轴对称的速度分布；等静压分布； 无装置引起的旋涡。此外，对直管段长度、圆度、同轴度、插入深度与水箱 四壁和底部的距离，安装密封性和测压管、导压管、流量测量稳流段长度等均 应满足标准规定的要求。水泵的试验装置，按照结构形式分为开式试验台和闭 式试验台两种【1 4 1 ”】。 7 8 9 1 0 65 4 3 2 l 一测功机；2 - - 水泵：3 一出口测压管；4 一差压计：5 一流量计； 6 - - 出口调压阀；7 一水位计；8 - - 开放式水箱：9 一水箱进水阀；1 0 一放水阀； i l 一加热器；1 2 一温度计；1 3 一水泵进水阀；1 4 一水泵进水管 图2 1 开式试验台原理图 开式试验台的主要特点是： 安装操作方便。入口管路系统、出口管路系统、流量测量段和驱动电机 等均在宽敞的试验基面上按照各种不同的结构型式及不同大小水泵的要求，可 不受各方面的限制，任意安装、连接。 适应性强。各种类型的水泵均可在开式试验台上进行试验。 散热条件好，温升易控制。由于从水箱吸水，又向水箱吐水，水箱表面 大，有较好的散热效果。 造价低。这种试验台的造价费用是最低的。 进行汽蚀试验时，所采集数据的重复性和精度相对较差。 和开式试验台相比较，闭式试验台安装困难，没有开式试验台的任意性， 噪声大，有时甚至会引起共鸣。造价较高。根据有关标准和规定的要求，以及 所设计的汽车冷却水泵测试系统的实际需要，选用开式试验台进行水泵的各种 试验。 2 1 3 汽车冷却水泵测试系统的硬件结构设计 汽车冷却水泵测试系统的硬件部分主要是通过各种传感器完成现场物理量 的数据采集和处理，试验测得的水泵参数，如压力、流量等和电动机的电参数， 如电压、电流、转速等，通过相应的传感器转变为电信号，信号调理系统对采 集到的电信号进行处理，使之成为稳定的物理量，满足数据采集卡的要求i l 羽。 计算机通过数据采集卡获得测量数据，在软件的运行下完成各物理量的数据采 集、分析处理，并进行显示及存储。 图2 2 系统硬件结构框图 2 2 汽车冷却水泵性能试验 2 2 1 汽车冷却水泵性能试验方法与装置 汽车冷却水泵生产或更改设计时，应该进行性能试验。测试汽车冷却水泵 在不同转速下的性能参数：流量、扬程、轴功率、转速和泵效率等值，以及它 们之间的相互关系，即流量一扬程曲线、流量一轴功率曲线和流量一泵效率曲 线 根据汽车冷却水泵的相关标准和规定要求，进行性能试验的试验要求为； 测试水泵在不同转速下的流量、扬程和轴功率等参数，并绘制其扬程、 轴功率、泵效率与流量之间的关系曲线图。 转速范围约为4 0 一1 2 0 的额定转速，在规定的范围内均匀间隔选取 4 种或4 种以上的不同转速进行试验，或者根据发动机的典型工况点选取转速。 每一种试验转速下，流量从最大值到流量传感器最小稳定测量值，均匀 选取至少8 个流量点进行试验。 测量数据时，对所有的仪表应该同时读数。 8 2 2 2 汽车冷却水泵流量测量原理与传感器选择 流量是水泵在单位时间内所输送的液体数量，是单位时间内流过管道某一 截面的流体数量的大小【卯。体积流量是单位时间内从水泵出口排出并进入管路 的液体体积，单位为m 3 $ ，质量流量是体积流量和流体密度的乘积，单位为k g s 或k g h 。 一、流量测量方法【1 9 1 在汽车冷却水泵性能试验和汽蚀试验中，流量是一个非常重要的待测量。 目前有很多流量测试方法和测量仪表，如节流式流量计、电磁流量计和涡轮流 量计等。 1 节流式流量计测流量 节流式流量计由节流装置和差压计组成，是利用流体流经节流装置时产生 的压力差来实现流量测量，是目前工业生产中应用最广泛的一种流量测量仪表。 通用的节流装置有：孔板、喷嘴、文丘里管和文丘里喷嘴等，常用的差压计有 双管差压计、双波纹管和差压变送器等。 连续流动的流体遇到安装在管道内的节流装置时，流体流通面积突然缩 小，在压头的作用下，流体流速增大，挤过节流孔，形成液流收缩。当挤过节 流孔之后，液流又由于流通面积的变大而使流速降低。根据流体能量守恒的数 学表达式( 贝努利方程式) ，液流在节流装置前后的管壁处的流体静压力产生差 异，形成静压差p 。过流量越大，节流装置产生的压差也越大，因此，可以通 过测量压差来计算流体流量的大小。 流量和压差的关系是： q = o 0 0 3 9 9 9 0 t 雪d 2 卸偌 ( 2 - 1 ) 式中：1 2 l 一流体的体积流量，m 3 l l ； 矗一工作状态下节流装置的孔径，m m ； p 一压差，p a l p 一工作状态下流体的密度，k g m 3 i 窖一自由落体加速度，m s 2 ； 口一流量系数； r 一流体的膨胀校正数。 2 电磁流量计测流量唧1 电磁流量计利用法拉第电磁感应定律制成，由传感器和信号转换器组成。 传感器将管道中的液体流量值变换成感应电动势信号，并传送至转换器。信号 转换器的作用是将传感器送来的信号进行比较、放大，转换成标准的输出信号。 在磁力线密度为口的均匀磁场中，当平均流速为可的导电液体流经绝缘导 管时，在导线内径为d 的管道壁上设置的一对电极中，所产生的电动势为： e = 历d ( v ) ( 2 2 ) 9 式中：可一液体的平均流速( m s ) ； 彦一磁场的磁通密度( t ) ； d - - 导管的内径( m ) 。 液体流动的容积流量： q ：7 r d v _ r dp(m3，s)(2-3) 。44 b 容积流量q 与电动势e 成正比，当磁感应强度为常数时，感应电压正比于 平均流速。可以通过对电动势的测定，求出容积的流量。 使用电磁流量计测量流量，无压力损失，只需要较短的前置直管段，原始 信号已经是电压信号，与平均流速成精确的线性函数，测量与流速分布和介质 无关，测试的精度较高。但是，只有当测量液体的电导率大于水的电导率时， 才可以用电磁流量计进行测量。 3 涡轮流量计测流量 涡轮流量传感器与相应的流量显示仪表配套，可以用于测量液体的瞬时流 量或累积流量 2 q ，广泛用于石化、科研等领域的计量、控制系统。主要由壳体、 前导向架、轴、叶轮、后导向架、压紧圈和带磁电感应转换器的放大器组成。 壳体是传感器的主体部件，起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件、 连接管道的作用，常用不导磁不锈钢或硬铝合金制造。前、后导向架安装在壳 体中，轴安装在导向架上，导向架上有几片呈辐射形的整流片，可起一定的整 流作用，使流体基本上沿平行于轴线的方向流动，前、后导向架是用压紧圈固 定在壳体上的。叶轮中有轴承，套在轴上，可以灵活地旋转。叶轮上均匀分布 着叶片，流体流过时冲击叶片使叶轮产生转动。 2 345 6 7 i 一放大器2 一壳体3 一前导向架4 一轴5 一叶轮6 一后导向架7 一压紧圈 图2 3 涡轮流量传感器结构示意图 1 0 当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转， 传感器为一套有感应线圈的永磁铁，线圈用交流电来激励。涡轮叶片是铁磁性 材料，当涡轮转动，叶片经过磁铁下面时，会周期性地改变磁电感应转换系统 中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。 在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量 成正比田】。在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成 正比，其比值称为仪表常数，用f ( 次l ) 表示。每台传感器都经实际标定测 得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率，和某段时间内的脉冲总数n 后，分别 除以仪表常数f ( 次l ) ，便可求得瞬时流量q ( l s ) 和累积流量q ( l ) 。即： g = 手 c q _ - 警( 2 - s ) 传感器配普通型前置放大器，用于一般情况的环境中。放大器( 含检出装 置) 的检测线圈感应叶轮的转动，产生交流信号，该信号经放大后输出。放大 器的第一级放大是电压并联负反馈放大电路，用稳流二极管作负载输出采用 复合射极输出形式。 传感器采用非螺纹密封的管螺纹连接。传感器应水平安装，并且只能安装 在水平管道中，应使传感器铭牌上的流向指示箭头与流体流动方向一致。传感 器的上、下游应设置直管段，以消除管道内流速分布畸变和旋转流，保证流量 测量的精度。放大器通过m 1 4 x1 的螺纹安装在传感器壳体上。 涡轮流量传感器具有很高的精确度，重复性好，输出信号适于总量计量及 与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强。可以获得很高的频率信号，信号 分辨率强，结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大，测量范围度宽。但是 其不适于较高粘度介质和脉动流、混相流的测量，受来流流速分布畸变和旋转 流的影响较大田】。 二、流量传感器的选择 根据汽车冷却水泵测试系统的需要，并参照有关规定和标准，选用上海自 仪九仪表有限公司生产的l w g y 型涡轮流量传感器。传感器的性能参数为： 表2 一l 涡轮流量传感器性能参数表 公称流量频率供电输出 型号精度壳体材料 其它 压力 范围范围电源信号 6 30 6 - - 41 0 9 一1 5 直流 脉冲双相叶轮 l w g y 1 5 a0 5 级 l c r l 8 n i 9 m p am ，1 1姗1 2 v频率石墨轴承 三、流量测量结果按规定转速的换算 在汽车冷却水泵流量测量中，若电动机的转速与规定转速不符， 到的水泵流量值应该换算为以规定转速为基准的流量值【1 4 】。 若实测电动机的转速与规定转速之间的差异在4 - 2 0 的范围内， 换算公式为： q o ：q f 笠1 k 疗 式中：以。一电动机的规定转速，r r a i n ： ，r 电动机的实测转速，r m i n 。 此时所得 则流量的 ( 2 - 6 ) 2 2 3 汽车冷却水泵扬程测量原理与压力传感器选择 泵的扬程是泵的出口与入1 3 的单位重量液体能量的差值，或者为泵的出口 总水头( 动能) 与入口总水头的代数差扬程通常用日表示，单位为n l 。对扬 程的测量实际上就是对压力的测量，即对泵入口压力、出口压力的测量【1 1 图2 4 用基准面计算泵扬程示意图 面 泵的入1 3 总水头和出1 3 总水头分别为： 甄：z + 1 0 0 0 p 1 + 竖 1 昭2 9 h 2 ：z + 1 0 0 0 p 2 + 堕 昭2 9 泵的扬程计算公式为【1 5 l ： 肌1 0 0 0 ( 昭e 2 - e , ) + ( z 2 一z 。) + 1 v ；- f v l 2 式中：抒一扬程，m ； p 试验温度下水的密度，k g m 3 o 尸2 、p l 一出1 3 与入1 3 的压力，k p a ： 圪、h 一压力p 2 和p i 取压部位断面上的平均速度，m s ： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) z 2 、z 1 一测量压力见和p l 处至水泵中心的垂直高度，m ； f 一自由落体加速度，g = 9 8 1n v d 。 并且，出口压力和入口压力取压部位断面上的平均速度分别为： 坎；等 ( 2 1 0 ) 扛d i k ：粤( 2 - 1 1 ) 缸截 式中：9 一流量，n 1 3 s ； d 卜出口取压部位断面内径，m ； 西入口取压部位断面内径，m 。 在一般情况下，测量压力兄和p l 处至水泵中心的垂直高度历和z l 接近相 等，z i a z 2 。则扬程为： 日：! 壁! 旦鱼二盟4 - v 2 - v - 2( 2 - 1 2 ) p g2 9 经单位换算，扬程的计算公式为： 日= i 1 0 0 0 a p + 2 2 9 5 错q 2 ( 2 - 1 3 ) 偌吼口2 式中：卜入口和出口压差，k p a ： 如一出口取压部位断面内径，m n l ； 函一入口取压部位断面内径，m l u | q 一流量，l m i n 。 压力是均匀垂直作用于单位面积上的力，常用的压力测试仪表有液柱式压 力计、弹性压力表、活塞压力计和压力传感器等。 一、压力测量方法 1 电容式压力传感器测压力 电容式压力传感器由硅膜片、衬底、下电极和绝缘层构成。平板电容的电 容表达式为 2 0 1 ： c = 8 号 ( 2 小) 式中：p 一两极板之间介质的介电常数； 咖一两极板之间的距离； 么一两极板相互对应的有效面积。 当f 、d 、a 变化时，都会引起电容量的变化。电容式压力传感器主要利用 硅膜片在压力作用下产生变形，使得两极板之问的距离发生变化，从而使电容 产生变化，以此作为测量的基础。因此得到： c = j f 印2 + 7 r b c o ( g s o e 一, d 丽r乒+ s l 谵一v h ( 2 - 1 5 ) 式中：5 0 真空介电常数； 一空气的相对介电常数； q 一绝缘层材料的相对介电常数； 卜一绝缘层厚度； 矿一初始间隙； m r 一硅膜片上某一点的挠度。 电容式传感器结构简单、测量精度高、测量重复性好、动态响应快、对温 度静压的敏感性小、制造重复性好，其误差主要是系统结构上的非线性误差和 处理电路上的误差。 2 液柱式压力计测压力 液柱式压力计有三种：v 型管压力计、单管压力计和斜管压力计。( ，型管 压力计是将一根玻璃管弯成u 型，或是将两根平行的玻璃管用橡皮管、塑料管 连通起来，然后将其垂直固定在平板上，两管之间有刻度尺，刻度零点在标尺 的中央。根据被测压力的大小，管内充满液体，并使液面与刻度零点相一致【2 3 1 。 测量压力时，u 型管的一端通大气。这样高压侧液面下降，低压侧液面上 升，分别从刻度上读出两管液柱从零点位置的上升高度和下降高度，两个高度 之和即为被测压力( 以液柱高度表示) 。 若压力单位以p a 为单位，可以用下式换算： p = j d g - h ( 2 1 6 ) 式中：严一被测介质压力( 表压) ； p 一压力计工作液体的密度； 卜液柱高度； r 重力加速度。 测量压力时，若通大气一侧的液面上升，则介质压力为正压。若通大气侧 的液面下降，则所测压力为负压。 3 陶瓷厚膜压力变送器测压力 具有国际先进水平的陶瓷厚膜压力变送器是以陶瓷厚膜压力传感器作为弹 性元件，并经信号处理电路将压力信号转换成标准的电流( 电压) 信号的在线 检测装置。其工作原理为：介质压力作用于陶瓷膜片上，使得测量膜片产生相 应的形变，因此印烧在膜片上的厚膜电阻构成的惠斯顿电桥就输出一个与压力 信号成正比的电信号，经过电子部件放大后，转换为标准信号输出。 陶瓷厚膜压力变送器，是以陶瓷膜片为力敏芯片，用不锈钢外壳封装而成， 适用于各种腐蚀性和非腐蚀性的气体、液体的压力测量。这种变送器的精度较 高，抗干扰性强，可以满足恶劣工作环境的要求加之电路补偿和传感器芯片 1 4 本身的性质，可以提供较宽的工作温度范围。具有耐腐蚀、抗磨损、抗冲击和 振动性能，长期稳定性好，安装维护方便，并有电源反向保护功能。 压 俭 信 _ 1 竺i 力 号 信 处 理 号 电 一一冈 路 图2 5 蹦p i l 型压力变送器的工作原理框图 二、压力传感器的选择 根据汽车冷却水泵测试系统的要求，并参照有关规定和标准，选用安徽合 肥天神电器有限责任公司生产的h m p h 型陶瓷厚膜压力变送器。变送器的性能 参数为： 表2 2 压力变送器性能参数表 测量综合工作输出 名称型号其它 范围精度电压信号 入口压力h 栅 o 0 一一1 直流4 - 2 0= 线制 0 5 级 变送器n l 、a 勺5 a a a bk p a2 4 vm a螺纹连接 出口压力 蛐m n 孓a n 50 - 5 0 0 直流 4 - 2 0 二线制 0 5 级 变送器 - bk p a2 4 vm a螺纹连接 三、扬程测量结果按规定转速