（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm嵌入式系统水泵效率检测仪的研制.pdf

哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 基于a r m 嵌入式系统水泵效率检测仪的研制 摘要 水泵效率是反映水泵经济性能和综合性技术指标的参数。随着我国节能 减排工作的深入开展，用泵企业要求准确、经常性地测试水泵的效率值，掌 握设备的能源利用率和设备自身状况，评估设备运行经济状况的合理程度。 目前，国内水泵效率检测仪器的测量精度低、实时性和可靠性较差，现场可 操作性差，人机界面不够友好。 本课题是利用a r m 嵌入式系统来实现水泵效率检测仪器的研制，旨在 开发一种操作简单、便于携带又能满足指导经济运行精度要求的泵效测量装 置，将计算机技术、传感器技术、数据采集处理技术、嵌入式系统技术相结 合，实现水泵效率检测的同时，也实现了水泵各项主要参数的测试、数据保 存、传输及曲线拟合等功能。研究了数据采集与处理、曲线拟合、数据库开 发、通信等实现中的重点、难点问题，并采取了有效的硬件和软件抗干扰措 施，确保了系统的稳定性和可靠性。 本文以模块化和结构化的思想搭建了基于a r m 9 的硬件平台，设计了 专用模拟电路，研究了嵌入式操作系统w i n c e 4 2 的移植，利用p l a t f o r m b u i l d e r 进行了操作系统内核的定制和编译，分析了w i n c e 4 2b o o t l o a d e r 的 工作原理和架构，根据系统的功能需要和硬件资源分配、设计了设备的 b o o t l o a d e r 。 应用层开发使用e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 开发工具，集成i d e 环境， 快速的开发w i n d o w sc e 应用程序。主要内容包括：开发友好的人机界面、 实现仪器的基本功能、显示水泵机组的性能参数、绘制水泵性能曲线并显示 和构建水泵性能数据库、实现通信。 在样机试制完成后，对多台水泵进行了试验，试验结果证明本检测仪器 具有稳定可靠、测试精度和自动化程度高、管理维护方便的特点，具有较好 的技术经济性能。 关键词泵效；a r m 9 ；w i n c e 4 2 ；e v c ；数据采集 哈尔滨理- t 人学丁学硕i j 学位论文 d e s i g no f w a t e rp u m pe f f i c i e n c yt e s t e rb a s e do n a r me m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t w a t e rp u m pe f f i c i e n c yi st h e p a r a m e t e r t h a t r e f l e c t st h ee c o n o m i c a l p e r f o r m a n c e a n di n t e g r a t e d t e c h n o l o g y i n d e x o fw a t e rp u m p w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni nc h i n a ，t h ee n t e r p r i s e w h i c hu t i l i z e sw a t e rp u m pn e e d st o t e s tt h ee f f i c i e n c yo ft h ew a t e rp u m p a c c u r a t e l ya n dr e g u l a r l y ，m a s t e rt h eu t i l i z a t i o nr a t eo fe n e r g ya n dt h es i t u a t i o no f t h ef a c i l i t y ，a n da s s e s st h eo p e r a t i o n a lr e a s o n a b i l i t yo ft h ef a c i l i t y a tp r e s e n t ，t h e d o m e s t i cw a t e rp u m pe f f i c i e n c yt e s t e r sh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fl o wt e s t i n g p r e c i s i o n ，p o o rr e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t y ，a n dp o o ro n - s i t eo p e r a t i o n a la b i l i t y ，a n d f u r t h e rt h eo p e r a t i o n a li n t e r f a c ei sd i f f i c u l tt oo p e r a t e u s i n gt h ea r me m b e d d e ds y s t e m ；t h ed e s i g no fw a t e rp u m pe f f i c i e n c y t e s t e ri sa c h i e v e d t h ea i mi st od e v e l o paf a c i l i t yo fp u m pe f f i c i e n c yt e s t e r w h i c hi ss i m p l et oo p e r a t ea n dc o n v e n i e n tt ob r i n gw i t h ，a n df u r t h e rt h ep u m p e f f i c i e n c yt e s t e ri sa b l et om e e tt h ea c c u r a c yn e e do fe c o n o m i c a lo p e r a t i o n i t c o m b i n e st h e t e c h n o l o g i e s o fc o m p u t e r ，s e n s o r ，a n dd a t ac o l l e c t i n ga n d p r o c e s s i n g ，a n de m b e d d e ds y s t e m ，t h e r e b y ，t h et e s t i n go fw a t e rp u m pe f f i c i e n c y i sa c h i e v e d ；m e a n w h i l e t h ef u n c t i o n so ft e s t i n gt h em a i np a r a m e t e r so ft h ew a t e r p u m p ，d a t as a v i n g ，t r a n s m i s s i o na n dc u r v ef i t t i n ga n dt h el i k ea r ea c h i e v e d s o m e i m p o r t a n tp o i n t sa n dd i f f i c u l tp r o b l e m ss u c ha s d a t ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n g ， c u r v ef i t t i n g ，d a t a b a s ed e v e l o p i n g ，a n dc o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d e n s u r i n g t h es t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h ee f f e c t i v ea n t i - j a mm e a s u r e so f h a r d w a r a n ds o f t w a r ea r ea d o p t e d t h i sp a p e rc o n s t r u c t sah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do na r m 9w i t ht h e t h i n k i n go fm o d u l a r i z a t i o na n ds t r u c t u r e ，d e s i g n sas p e c i a l u s e da n a l o gc i r c u i t ， a n dr e s e a r c h e st h et r a n s p l a n to ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i n c e 4 2 f u r t h e r ，t h ec u s t o m i z a t i o n a n dt r a n s l a t i o no ft h e c o r eo fo p e r a t es y s t e mb y u t i l i z i n gt h ep l a t f o r mb u i l d e r t h ep a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h e 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 c o n s t r u c t i o no fw i n c e4 2b o o t l o a d e r ，a n dd e s i g n st h eb o o t l o a d e ro ft h ef a c i l i t y a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dt h eh a r d w a r er e s o u r c e sd i s t r i b u t i o no ft h es y s t e m t h e a p p l i c a t i o np r o g r a mo fw i n d o w sc ei s e x p l o i t e db yu s i n g t h e d e v e l o p m e n tt o o lo fa p p l i c a t i o n l a y e ra n dm a k i n gu s eo fe m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 ，a n di n t e g r a t i n gt h ei d ee n v i r o n m e n t t h i sa s s i g n m e n tc o m p r i s e st h e d e v e l o p m e n to ft h ea m i c a b l eo p e r a t i o n a li n t e r f a c e ，t h ea c h i e v e m e n to fb a s i c f u n c t i o n so ft h ef a c i l i t y ，a n dt h ee x h i b i t i o no ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h e w a t e rp u m p f u r t h e rt h ep a p e rp r o t r a c t st h ec u r v eo fp u m pp e r f o r m a n c ea n d d i s p l a y s ，c o n s t r u c t st h ed a t a b a s e o fw a t e rp u m p ，f i n a l l yc o m m u n i c a t i o ni s a c h i e v e d a f t e rt r a i l p r o d u c i n go ft h es a m p l em a c h i n e ，s e v e r a lw a t e rp u m p sh a v eb e e n t e s t e d ，a n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h et e s t e rh a st h ea d v a n t a g e so fs t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y ，h i 曲t e s t i n gp r e c i s i o na n da u t o i m m u n i z a t i o nd e g r e e ，a n dc o n v e n i e n t m a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e t h et e s t e rh a sag o o dp e r f o r m a n c eo ft e c h n o l o g y e c o n o m y k e y w o r d sp u m pe f f i c i e n c y ；a r m 9 ；w i n c e 4 2 ；e v c ；d a t aa c q u s i t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文， 作者签名：高陡 日期沙秒年；月7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于虚拟仪器的频谱分析仪的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保彬。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：高够陡日期：纱准岁月伊 导师躲- - 、4 乡7 , - 寝成嗍如夕年弓月历 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 第1 章绪论 基于a r m 嵌入式系统检测水泵效率仪是指采用检测技术、控制技术、嵌 入式技术的处理水泵性能参数的仪器与系统。它的研制不仅是提高管理水平的 需要，也是微电子和计算机技术迅速发展的需要；不仅能节约人力资源，更重 要的是可提高水泵效率检测的精确性，指导企业节能生产，提升用泵企业的竞 争力。 1 1 课题背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 检测是指在生产、科研、试验以及服务等各个领域为及时获得被测或被控 对象的有关信息而实时或非实时地对一些参量进行的定性检查和定量测量。对 工业生产而言，采用各种先进的检测技术对生产全过程进行检查、监测，对确 保生产安全、保证产品质量、提高产品合格率、降低能耗和原材料消耗、提高 企业的劳动生产率和经济效益有很大意义【。 水泵效率是反映水泵经济性能和综合性技术指标的参数。水泵效率的高低 不仅直接反映了设备的能源利用率，还可以对设备自身状态和运行经济状况的 合理程度做出评价，同时也是设备安排检修的主要依据。因此，要开展节能工 作，首先就要准确、经常性地测试水泵的效率值。 目前水泵、风机的耗电量约占全国用电总量的4 3 ，其中，水泵用电量至 少占2 1 ( 离心泵用电量又占其中的7 0 ，占全国供电量的1 4 7 ) 。当前存在 的问题是：运行泵和泵产品( 泵+ 电动机) 效率普遍偏低：泵组选型过大、系统损 耗过大与运行控制方式落后也普遍存在。同时，国内水泵的运行状态较差，能 源利用率较低。因此，水泵用量多、容量大的矿山排水、油田注水、城市供水 等许多行业、部门，都把其作为节能工作首当其冲的重点。而水泵性能测试和 监测是开展节能工作必不可少的前提和基础。许多行业、部门，水泵的耗电量 都是其生产成本的重要组成部分( 例如自来水系统，各类水泵的耗电成本占企 业总成本的比率很高，油田注水及煤矿排水的耗电量平均占企业总用电量的也 非常高) 2 1 。 由于水泵工作现场条件的限制，流量、轴功率的测量相当繁杂，影响测试 哈尔滨理t 人学t 学硕f j 学位论文 精度的因素较多，很难测准，许多场合甚至无法开展测试工作。因此，对于煤 炭、石油、化工、给排水等行业和部门，多年来一直需求准确而又方便的水泵 效率测试方法及测试设备付诸应用，以满足开展节能、运行管理及设备管理等 多方面工作的需要。热力学方法测量水泵的效率，不需要测量水泵的流量和轴 功率，只需测量出水泵的进、出口之问的压力差和温度差，就可以根据热力学 的原理方便、准确地确定水泵的效率。经过多年应用调查发现，在多数水泵的 工作现场都设有压力、电流、电压等测量和指示装置。利用这些已有的条件， 开发出一种操作简单、便于携带又能满足指导经济运行精度要求的泵效测量装 置是势在必行的【3 】。 1 1 2 课题的研究意义 本课题采用高性能的3 2 位a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 和w i n c e4 2 嵌入式操 作系统，开发一种集数据采集，检测，数据处理于一体的嵌入式便携仪器。主 要应用于煤矿主排水泵、油田注水泵、城市供水系统等用泵企业现场检测水泵 效率，对于企业掌握经济运行指标，指导节能高效生产有着实际意义。在贯彻 科学发展观、改变经济增长方式和强调以人为本、安全生产的大环境下，水泵 运行的节能降耗是提高经济效益的重要方面之一，例如，井下矿山排水系统的 水泵是抵御水患的主要设备。在今天，随时掌握水泵的实际运行状态有着重要 的意义。 1 2 国内外研究现状 确定流体机械效率的热力学方法，是一种与传统方法完全不同的新方法， 它为流体机械和液压元件的效率测定提供了一条新途径。所谓热力学方法，就 是根据热力学定律，通过测定流体的热力学参数，从而确定流体机械效率的方 法【4 1 。 1 2 1 国外研究现状 1 8 4 7 年，j a m e sp r e s c o t tj o u l e 首先提出了由于水头损失而引起水温变化的 设想。1 9 1 4 年，法国p o i r s o n 提出了将其应用于水轮机效率测定的原理，并断 言，水轮机内每英尺水头损失可使水温升高l 1 4 0 0 ，并于1 9 2 0 年发表第一 篇有关试验方法的论文。1 9 3 7 年，德国的k 。j u m p f e n b a t h 开始对测热法确定 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论义 水轮机效率进行研究。1 9 5 4 年，法国的w i l l m 和c a m p m a s ，首先将热力学方 法应用于水轮机的效率测定，至此，热力学方法开始由理论研究进入了工业试 验、应用阶段l 5 1 1 6 。 六十年代以后，热力学方法的应用才有了较大的发展。迄今为止，据有关 文献报道，已先后发表了上百篇有关论文和资料，发展较快的国家有法国、德 国、英国、意大利和挪威等国。在应用范围方面，热力学方法已由最初的水轮 机效率测定发展到电站锅炉给水泵、抽水泵、蓄能泵、液压元件和矿井扇风机 等方面。1 9 7 3 年，国际电工委员会讨论了确定水轮机和水泵效率热力学方法的 第一个草案，1 9 7 4 年和1 9 7 5 年又分别讨论了第二稿和第三稿。1 9 7 8 年，国际 电工委员会在i e c 6 0 7 中将热力学方法正式规定为水轮机和水泵效率测定的一 种标准方法。法国电力局经过现场试验得到结论：当锅炉给水泵进出口温差测 量准确度达到0 0 1 时，热力学方法就比传统方法精确【7 l 【8 】。 1 2 2 国内研究现状 1 9 8 3 年9 月，挪威工学院肖勒博士首次在国内介绍了国外热力学法的理论 研究和应用于水轮机效率测试的情况。之后，国内一些大专院校、科研院所开 始对热力学法的理论和应用开展了探讨和研究【9 l 。河北理工大学( 原河北矿冶学 院) 率先在流体机械1 9 8 5 年第六期发表了研究成功的论文，并率先攻克了 精确测量微小温度差的技术难关，研制出于国内第一代专用的温差测量装置， 于1 9 8 6 年进行了“确定水泵效率的热力学方法”的科技成果鉴定，从此，热 力学方法在我国得到了推广和应用【l o i i l l 。经过多年来的理论完善、仪器升级换 代，目前热力学方法已经成为国内水泵效率现场测定的主流，广泛用于煤矿排 水、油f f l 注水、城镇供水、供热等行业的水泵性能现场测定。为了进一步发挥 热力学法在节能降耗和煤矿安全生产方面的作用，中华人民共和国标准g b t 2 0 0 4 3 2 0 0 5 ( i e c6 0 0 4 1 ；1 9 9 1 ，m o d ) 规定了水轮机、蓄能泵和水泵水轮机水力 性能现场验收试验规程，中华人民共和国煤炭行业标准m 们1 0 1 2 - - 2 0 0 6 规定 了煤矿主排水系统节能监测方法和判定规则，中华人民共和国标准g b t 1 6 6 6 6 1 9 9 6 泵机组液体输送系统节能监测也正在进行增加热力学法为主 要内容的修订工作。 2 0 0 0 年，国内曾以单价6 0 多万元引进过挪威b e r d a ls t o m m e 公司生 产的f 3 0 0 型温差测量装置，其体积庞大，重量达6 0 奴，如果引进该公司的全 套温差法测试设备，单价将超过1 0 0 万元，因此，从性价比等诸方面考虑，走 哈尔滨理丁人学t 学硕l ：学位论文 设备引进的路是行不通的。2 0 0 8 年，采用热力学法研制的b s c 手持式泵效速 测仪经鉴定为国际先进水平，热力学方法测定水泵效率的发展趋势主要是： 1 进一步完善测试方法和测试仪表，实现效率测试自动化。 2 进一步简化计算公式和测试过程，便于应用。 3 扩大该方法的应用范围、领域。 4 进行更广泛的试验，进一步探讨各种因素对测量精度的影响。 5 探求最合理的测温探头插入位置和深度，以期提高测量精度。 1 3 课题的特点 本课题涉及热力学测试原理、水泵工作机理及其测试技术、嵌入式系统技 术、信息科学、智能检测等多学科领域，将如何保证测试精度和可靠性与设备 经济、高效运行密切联系，实现了泵的进口压力、出口压力、进出口温差的测 量，水泵性能测试计算及性能曲线的拟合，水泵实际运行效率、流量、扬程等 技术指标合理性的判定，数据的保存、查询，各类报表生成、打印等功能。 具有下列主要特点： 1 本仪器检测速度快、精度高、可靠性好。 2 本仪器软件、硬件采用模块化结构，组建测试系统较传统方法更为灵活 方便，数据处理更为便捷。这种模块化结构为以后系统的维护和系统的功能扩 展提供了便利。 3 检测流程、操作提示和检测结果以直观易懂的方式呈现在操作人员面 前，操作方便。 1 4 课题来源与主要研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题是在哈尔滨理工大学测通学院电测技术及仪器研究室与哈尔滨四远 测控技术有限责任公司合作的基础上形成的。 1 4 2 主要研究内容 本课题研究设计的基本内容是利用a r m 嵌入式系统来实现检测水泵效率 仪器的研制，具体来说有以下个方面： 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 1 构建开发平台。包括硬件平台的搭建和实时操作系统的移植嵌入，这是 本课题的关键和重点。 2 应用程序的开发。为了实现人机交互功能，本系统包括串口通信，数据 校验算法，应用程序图形界面在l c d 上的绘制，触摸屏的操作，水泵测试数 据处理，测试数据分析，绘制效率曲线图等几个方面。 3 增强抗干扰能力。由于现场环境复杂，测试仪器容易受到干扰，所以在 设计中优先考虑提高产品的抗干扰能力。 4 对设计的系统进行硬件和软件两方面的调试。 5 对样机进行了大量的试验，并对试验结果进行了分析。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 第2 章水泵效率检测原理及方法 测定水泵性能的经典方法是水力学法。这种方法应用功率平衡的原理，用 水泵流量和总扬程的乘积( 即有效水功率) 与输入水泵的轴功率之比测算水泵效 率。但绝大多数供水系统都不具备水泵单机安放流量计所要求的直管段，水泵 轴功率测定的繁杂程度也超出现场的承受能力，因此现场基本不具备采用水力 学法的测试条件。热力学法不需要测量流量和轴功率，只要测量水泵进出水之 间的温度差和压力差就能够以高于水力学法几倍的精度确定水泵效率，而且在 现场又具备特别简单方便的特点，在较高扬程水泵的效率测定发挥了不可低估 的作用。 2 1 检测水泵效率的工作原理及理论推导 2 1 1 热力学法测水泵效率的原理 水泵的工作简图如图2 - 1 所示。 图2 1 水泵f ：作简图 f i g 2 1s k e t c ho fb u m po p e r a t i o n 根据热力学原理，可把假想控制面i i 、和i i i l 内的泵体抽象为一开口 热力系。于是，泵效率可以定义为： 等熵流动水流吸收的能量 吖 实际流动供给泵的能量 哈尔滨理t 人学t 学颀 j 学位论文 假设水在流经泵体时没有任何能量损失，即水由入口状态等熵压缩到出口 压力状态。此过程中由水泵传递给水流的能量最小，它等于水泵出口与入口之 间的水流的能量差。但在水的实际流动过程中，存在着摩擦、冲击、涡流、紊 流等能量损失，使一部分机械能转化为热能，这些能量损失使水流在流动过程 中温度升高，水泵出口和入口的水流产生了温差。因此测算出这一温差和水泵 的进口压力，就可计算出水泵的效率。即采取热力学法测量水泵的效率。 2 1 2 热力学法的水泵效率测算表达式 k 。0 ：一p 1 ) + ( z ：一z i ) + 华 ，7 = i - 忑_ _ 一( 2 - 1 ) k ：0 ：一p 1 ) + ( z ：一z i ) + 华+ c ，佤一互) + 瓯+ e ，+ e 。 - - g 式中：k ，、k ，、c 。表征水的物理性质变化的系数； p l 、p 2 水泵进口、出口的压力，m p ； ( z ：一z ，) 、2 储一口) g 动水头和位置水头，m ； 正、正水泵进口、出口温度，； 瓯流经泵体的水流与外界的热交换损失，m ： e 机械摩擦损失，m ； 瓦泄漏损失，m ； 刁水泵效率，。 1 表征水物理性质变化系数的确定系数k 、k ，和c 。通常是查表求得 或根据水的状态方程和热力学关系直接计算求得。查表时，系数足，的对应温 度用互，k ：、c p 对应的平均温度和平均压力分别为t = ( 互- - i - 互) 2 、 p = 怕l + p 2 ) 2 。 2 热交换损失的确定一般在试验中，可通过使泵体绝热邑= 0 来免去对 热交换损失的计算，瓯也可按下式计算： 矿 乜= - - ，w a ( t 一疋) ( 2 - 2 ) 蟛 3 泄漏损失的确定泄漏损失包括叶轮密封坏处、平衡盘和填料函处的 泄漏损失以及级f a j 泄漏损失。当精度要求较高时，实验中应同时测定平衡盘泄 漏量；当精度要求不高时，对平衡盘泄漏损失的修正，可直接选取其相对泄漏 量进行计算。其值在0 0 2 - 0 0 8 之间，高扬程小流量泵取大值，低扬程大流量 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 泵取小值。 4 机械摩擦损失的确定当精度要求很高时，应对轴承和填料函处的摩 擦损失的功率进行实验来确定。方法是在不充水的情况下，测定泵空转时消耗 的功率。此功率即为轴承和填料函处的摩擦损失的功率。当精度要求不高时， 轴承和填料函处的摩擦损失可按轴功率的( 1 3 ) 选取。小泵取大值，大泵取 小值。 2 1 3 实际应用的泵效测算数学模型 在满足工程测试精度的前提下，对某些参数、系数进行适当的忽略和简化 处理后，本课题实际采用的泵效测算模型为： 1 栌1 j 汀万( 2 - 3 ) k + 生一 a p 其中，r 为水泵出水与进水之间的温度差，由本仪器安装在水泵进出口 的温差测量装置测出；静压差矽从水泵机组配备的测压装置读取p 、p ， a p = 1 0 6 0 2 一p 1 ) p g ；系数k 是水的压缩性、膨胀性的综合系数；c 。为定压 比热，利用实测的温度、压力由软件中的数学模型计算得出。键入泵型系数e 之后，将通过软件对所测水泵的泵体与外界的热交换、泵的泄漏损失及机械摩 擦损失进行综合修正。 2 2 各参数的定义及计算 2 2 1 扬程 扬程就是单位重量的液体通过水泵后所获得的能量，通常用符号h 来表 示，单位为米水柱，简称m ( 米) 。对扬程的测量实际上就是对压力的测量，也 就是对水泵进e l 压力、出1 2 1 压力的测量。扬程的计算公式为： 日= i p 2 p g p + ( 警卜_ ， 亿4 ， 式中： v 。、h 水泵进口、出口的水流速度，单位为m s 。 哈尔滨理t 大学t 学颀。f ：学位论文 2 2 2 流量 流量又称排水量或扬水量，用符号q 来表示。流量表示泵在单位时间内排 出泵外的液体量，单位为m 3 s 。热力学法测量流量，根据功率平衡的原理，由 泵效、扬程、轴功率的关系测算，公式如下： q ：型孥堕( 2 - 5 ) - - 式中：p 7 水泵轴功率，k w 。 2 2 3 轴功率 轴功率是指原动机输送给水泵的功率，用符号芝表示，单位k w 。实验室 中一般用扭矩测量仪来测量，现场则不具备这种测试条件。现场实测电流、电 压或读取电流表指示值，、电压表指示值【，实测电机功率或读取电机铭牌的 功率n ( k w ) ，大部分情况下，电机与水泵由联轴器直接连接，可取电机的输 出功率近似等于水泵的轴功率。 2 3 检测装置 水泵效率检测仪现场采集温度、压力等检测信号，为了达到精确测量的目 的，需要安装测量信号取样装置。本课题采用专利z l2 0 0 720 19 5 6 7 0 9 “温 度、压力测量信号取样一体化装置”，如图2 2 所示。 1 工作场所外壁； 2 球阀座； 3 球阀； 4 连接装置： 5 测温套管； 6 压力传感器接头； 7 顶丝。 球阀座与工作场所外壁焊接固定，球阀的一端与球阀座连接，另一端与连 接装置连接且装有密封件，测温套管和压力检测连接件可以固定在连接装置 上，也可以拆卸或调整插入深度，测温套管插入侧的顶端有高度尺寸不限、外 形形状不限的直径增大部分。 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 图2 2 温度、压力测量一体化装置 f i g 2 2i n t e g r a t i v ee q u i p m e n tt ot e m p e r a t u r e & a i rp r e s s u r em e a s u r e m e n t 2 4 检测结果分析 在性能检测中都需要将测试的数据进行曲线拟合，得到被测泵的性能曲 线，以便进行检测结果分析，并指导生产与运行。 通常采用最小二乘法作数据拟合，数据拟合的最小二乘法就是根据一组试 验数据( x ，y j ) ( f = 1 , 2 ，甩) ，要求在某个函数类中寻求一个函数d ( x ) ，使 误差平方和如下： 萋霉= 萋b g ，) - y ij 2 = 。m i n d ( x ，) y ，2 ( 2 - 6 ) 这种求近似函数的方法称为数据拟合的最小二乘法，函数d b ) 称为这组 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 数据的最小二乘函数。设d b ) 具有如下形式 d g ) = r ( a 。，口。，口。，x ) ( 2 7 ) 其中m 0 ( 七= o ，1 ，m ) ( 2 一1 9 ) i = 1 慨，妒，j = 0 ( 七j ) ( 2 - 2 0 ) 则方程组( 2 1 6 ) 的系数矩阵成对角形，法方程组极易解出，其解为 咖蹦= 厂k h k ) i = 1 妒；“) f = l ( 七= 0 , 1 ，m )( 2 - 2 1 ) 现在我们根据给定数据扛，抛= 1 , 2 ，z ) ，构造不规则点的正交多项式 乞g ) ，m 彪，用递推公式表示丘g ) ，即 其中 p o ( x ) - - 1 鼻g ) = x - i 峨g ) ( 七：1 ，2 ，m 一1 ) ( 2 2 2 ) 只+ 。g ) = x 一以+ 。皿g ) 一b 。只一。g ) 钆。= 端= 黼叫，旷2 彩， b 。：裂：龋”1 , 2 ，矿1 ，c 2 - 2 4 ，t = 掣一= 考半( 七= ，聊一) ( ) 磋。g ，) l 吒一1 ，吒一1 ， 用正交多项式 只g ) ) 的线性组合作最小二乘曲线拟合，只需根据公式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 逐步求解只g ) 的同时，相应计算出系数如下： 哈尔滨理t 大学t 学硕 ：学伊论文 旷矧= 鬻i = 1 叫，川p 2 5 ， 并逐步把吼只g ) 累加到d g ) 中去，最后就可以得到所求的拟合曲线 y = d b ) = t l o p o ( d + 。冀( 石) + + 口。巴g ) ( 2 2 6 ) 2 5 本章小结 这章主要介绍了检测水泵效率的原理与测试方法；各参数的定义及计算公 式；论述了水泵检测装置的结构及工作原理；提出了检测数据的处理及性能曲 线的绘制方法。为水泵效率检测仪器的设计奠定了必要的理论基础。 哈尔滨理t 大学t 学硕f j 学位论文 第3 章水泵效率检测仪的硬件设计 3 1 总体设计 3 1 1 系统设计任务 基于a r m 嵌入式系统水泵效率检测仪主要用于对油f f l 注水离心泵、煤矿 排水离心泵以及城市供水离心泵等不同类型、不同规格、不同功率等级的生产 现场用泵的效率检测、性能检测。仪器应符合国家标准g b t2 0 0 4 3 2 0 0 5 水 轮机、蓄能泵和水泵水轮机水利性能现场验收试验规程、煤炭行业标准m t t 1 0 0 2 2 0 0 6 煤矿井下主排水系统节能监测方法及判定规则、安全行业标准 a q l 0 1 2 - 2 0 0 5 煤矿井下主排水系统安全检验检测规范、石油行业标准s y 厂r 5 2 6 5 1 9 9 6 油f f l 注水地面系统效率测试和单耗计算方法等标准中，对运用 热力学法现场检测水泵效率的相关要求，其主要功能如下： 1 设置初始条件和相关的参数系数。 2 温差测量的零点自动校准。 3 水泵效率和机组其他运行参数的测算。 4 显示记录各项参数：泵效率、管道效率、电机效率、单位耗电量、水泵 流量、扬程、轴功率、进出水压力、进出水间温差、电动机的电流、电压、输 出功率、功率因数、电机效率。 5 具备通信功能。 我们所设计的水泵效率检测仪具有水泵效率检测和机组效率检测两种模 式。设计两种模式有两个原因：一是增加系统的灵活性；二是在不增加硬件设 备的情况下，使系统具备了冗余的功能。 当现场不具备精确检测条件时，水泵效率检测仪仍能独立完成检测过程。 水泵效率检测模式下，仪器内设有多种电动机的效率、功率因数等性能曲线供 自动调用，在流量无法测量或测量困难时，可以用计算的方法确定水泵流量， 并可达到与目前现场流量计相接近的测量精度。机组效率检测模式下，需要与 电机性能检测仪联机检测，测试精度更佳。本仪器为联机检测预留了串口，由 于第一种模式可以满足大部分的现场测试要求，电机性能检测仪不属于本文讨 论的范畴，我们不再赘述。 哈尔滨理t 大学t 学硕f ：学位论文 3 1 2 系统设计原则 系统设计时应遵循以下几条原则： 1 完整性原则从系统论的观点来看，若要使系统发挥其应有的作用，系 统必须完整。因此在对本系统进行设计时，首先要考虑系统的完整性，否则在 安装和使用时就会出现这样或那样的问题，并带来许多不必要的麻烦。最好使 设计好的系统的性能略高于实际要求，按这样设计的系统扩展性较好，这是课 题选择模块化设计的初衷。 2 可靠性原则可靠性原则考虑的是设计好的系统能否可靠地工作，即系 统在规定的条件下和规定的时白j 内完成规定功能的能力。能否满足重要场合下 的可靠性要求、是否进行冗余配置。对检测系统来说，无论其在原理上如何先 进、功能如何全面、精度如何高级，但如果可靠性差，故障频繁，不能长期可 靠的j 下常运行，则该系统就没有使用价值。因此系统的可靠性设计应该贯穿整 个设计和制造过程中。 3 发展性原则发展性原则有两个重要内涵：一个就是留有发展余地，在 作系统配置时，要考虑系统的规模增大了怎么办? 第二个就是要选择技术寿命 长，维修及部件的补充比较方便的系统。 4 经济性原则为了获得较高的性能价格比，在进行系统设计时并不是 一味的追求复杂的高级方案，在满足性能指标的前提下，尽可能采用简单实用 的方案。由于本仪器系统是专用的检测设备，决定系统造价的主要是研制成 本，所以尽可能选用成熟的检测方法和设备，降低研制成本。本仪器采用 a r m 9 核心的$ 3 c 2 4 1 0 开发板和嵌入式实时操作系统w i n c e 4 0 相结合，丰富 的系统与应用外设及标准接口，满足了高性能、低成本的开发原则2 1 。 5 开发周期短对于这个发展速度越来越快的社会，时间就是会钱，所 以要尽量缩短开发周期，尽早让系统投入正常运行，以期获得较高的经济效益 和社会效益。 6 操作维护方便在系统总体设计时应考虑到操作维护方便，使系统易学 易用，w i n c e 4 0 操作系统较l i n u x 操作更易掌握，具有图形界面友好、可操 作性高等特点。降低对操作人员的专业知识要求，努力做到使用户无须专门的 训练，就能很快地掌握本系统的使用方法。当设备出现故障将要造成停机，如 不能迅速维修，必然产生较大的损失，因此检测系统不仅要求可靠，而且一旦 出现故障必须能够维护方便，保证检测系统连续运行【1 3 】。 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 3 1 3 系统总体结构 根据功能要求及系统的设计原则，我们设计的仪器主要有开发板的选择 ( 包括核心板和底板) 、模拟电路设计与选择、数据采集部分、通信部分四大块 组成。系统总结构如图3 1 所示。 图3 1 系统总结构图 f i g 3 1s t r u c t u r eo f t h ew h o l es y s t e m 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器及片内外围简介 本课题采用的g e c 2 4 1 0 开发板是以三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 处理器为核 心，$ 3 c 2 4 1 0 是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器， 主要面向手持设备，以及高性价比、低功耗的应用。它在尽可能小的电路板面 积上集成了6 4 ms d r a m 、6 4 mn a n df l a s h 、1 mn o rf l a s h 、r j 4 5 网卡、音频 输入输出接口、u s bh o s t 、u s bs l a v e 、标准串口、s d 卡插座、液晶屏接口、 用户按键和一些用户灯等，并且引出了c p u 的大部分信号引脚。通过这个平 台可以针对$ 3 c 2 4 1 0 进行系统级的硬件和软件设计，并且能够很方便地在该平 台上进行相关的功能扩展，以及进行所需的产品设计【1 4 1 1 1 5 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 在包含a r m 9 2 0 t 核的同时，增加了丰富的外围资源，包括： 1 1 个l c d 控制器，支持s t n 和t f t 液晶显示屏； 2 外部存储器管_ 理( s d r a m 控制器和芯片选择逻辑) ； 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 3 3 个通道的u a r t ； 4 4 个通道的d m a ，支持存储器和i o 口之间的传输，以触发模式提高传 输率： 5 4 个具有p w m 功能的1 6 位定时计数器和1 个1 6 位内部定时器，支持 外部时钟源； 6 8 通道的1 0 位a d c ，最高速率可达5 0 0 k b s ，1 0 位分辨率； 7 触摸屏接口； 8 i i s 总线接口； 9 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； l o 2 个s p i 接口； 1 1 s d 卡接口和m m c 卡接口； 1 2 1 6 位看门狗定时器； 1 3 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 1 4 。8 通道1 0 位a d 控制器； 1 5 电源管理。 s 3 c 2 4 1 0 采用f b g a 封装，共有2 7 2 个引脚，主要分为总线控制信号、各 类元器件接口信号、以及电源、时钟控制信号。$ 3 c 2 4 1 0 内置内置1 2 8 k b 的 r a m ，其地址范围是o x 0 0 3 0 0 0 0 0 0 x 0 0 3 f f f f f 。$ 3 c 2 4 1 0 的一些外部设备每个 都分配了4 k b 的地址空间，以o x 0 0 2 0 0 0 0 0 作为起始地址。a r m 9 2 0 t 内核对 这些模块的任何一个“写”访问都要经过两个等待状态；a r m 9 2 0 t 内核对这 些模块的任何一个“读”访问都要经过一个等待状态。其他的$ 3 c 2 4 1 0 外部设 备每个也都分配了4 k b 的地址空间，以0 x 0 0 2 1 0 0 0 0 作为起始地址，遵守相同 的a r m 9 2 0 t 内核读写访问规则【1 6 】1 1 7 1 。其中一些模块的内部寄存器地址范围 如下所示： i 外部接口模块内部寄存器分配了4 k b 地址空间，地址范围是： o x 0 0 2 2 0 0 0 0 0 x 0 0 2 2 0 f f f 2 s d r a m 控制器内部寄存器分配了4 k