（机械电子工程专业论文）煤矿井下水泵性能监测和故障诊断系统的研究.pdf

摘要 摘要 本课题研究的是水泵性能参数在线监测和故障诊断系统，可降低煤矿井下的 事故发生率，也可为水泵的科学管理运作提供现场参数。水泵的性能参数监测主 要包括硬件设计、软件设计和仿真调试三部分，水泵故障诊断系统主要介绍转子 轴向位移的检测方案。 水泵性能参数监测的硬件设计主要是根据所设计的总体方案和模块功能选择 出相应的硬件，主要包括数据信号采集、串口通信、最小系统、按键电路和液晶 显示部分设计。根据硬件设计原理图和系统p c b 图制作出相应电路板，并对电路 板进行调试，以确认电路板的正确性。 软件部分设计是使用k e i lu v i s i o n 4c 5 1 软件开发系统，设计程序包括主程序、 数据采集处理子程序、菜单子程序、显示子程序和串口通信子程序。数据采集处 理子程序是采集水泵的流量、扬程、功率和转速四路信号。 仿真调试是用p r o t e u s 仿真软件对单片机和外围器件进行仿真调试，为了验证 系统工作的正确性和合理性需对系统进行现场试验。 水泵故障诊断系统是根据确立的转子轴向位移检测参数、以单片机为控制核 心建立的系统，根据系统的方案阐述其硬件组成和软件设计要点。 图 4 6 】表【15 】参【4 1 关键词：水泵；性能测试；单片机；故障诊断；轴向力 分类号：t h 3 1 1 ； a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti st h es t u d yo f t h ep u m pt e s t sa n df a i l u r ed i a g n o s i ss y s t e m ，r e d u c i n g t h ei n c i d e n c eo fa c c i d e n tm i n e r s ，a n dp r o v i d i n gt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to ft h e p a r a m e t e rf o r t h es u b m e r s i b l ep u m p t h ep u m pp e r f o r m a n c et e s t i n c l u d e st h et h r e e p a r t so ft h es o f t w a r e ，t h eh a r d w a r ed e s i g na n de m u l a t i o n ，t h ed i a g n o s es y s t e mo f t h e p u m pi n t r o d u c e dt h em a i na x i so f t h ed e t e c t i o np r o g r a m m e t h ep u m pt e s t so ft h eh a r d w a r ed e s i g ni sb a s e dm a i n l yo nt h eo v e r a l lp l a na n d s e l e c tm o d u l ef u n c t i o n a l i t yo ft h e i rh a r d w a r ec o u n t e r p a r t s ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ed a t a c o l l e c t i o n ，a n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ek e ye l e c t r i c a l c i r c u i t sa n dt h e l c dd i s p l a ys e c t i o nd e s i g n a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ea n ds y s t e md e s i g np r i n c i p l ea p e r f o r m a n c et e s tt h ep c bb o a r d ，a n dd e b u g g i n ga p p e a r st oc o n f i r mt h e c o r r e c t n e s so f t h eb o a r d t h es o f t w a r ed e s i g ni st h eu s eo ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e mk e i lu v i s i o n 4 c 5 1 ，t h ep r o g r a m i n c l u d et h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r e sa n dt h ed a t ac o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g t h ea p p l i c a t i o n ，a p p l i c a t i o np r o g r a m s ，s h o w i n gal i s ta n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o na s u b r o u t i n e t h ed a t ac o l l e c t i o n 谢t 1 1as u b r o u t i n ei sc o l l e c t i n gt h ef l o wo fp u m p c a p a c i t y , p u m ph e a d ，a c t i v ep o w e r o fp u m pa n dp u m ps p e e d t h ee m u l a t i o ns o f t w a r ei st h ep r o t e u sm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a n d p e r i p h e r a ld e v i c i n go f t h es i m u l a t i o nd e b u g g i n g ，t ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m w o r k sa n dr a t i o n a l i t yn e e dt om a k et h ee x p e r i m e n t t h ep u m pt od i a g n o s et h es y s t e mi se s t a b l i s h e dt od e t e c t ，t of o r c et h em o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i t st oc o n t r o lt h ec o r es e to f t h es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h es c h e m es e to u t i nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h em a i np o i n t s f i g u r e 4 6 】t a b l e 15 】 r e f e r e n c e 【41 】 k e y w o r d s - p u m p ；t h et e s to f t h ep e r f o r m a n c e ；m c u ；t h ed i a g n o s eo ft h ef a i l u r e ； t h e f o r c eo ft h ea x i s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 311 i i - 引言 引言 煤矿井下排水系统是煤矿生产中不可或缺的一部分，它对保证煤矿安全生产 起着非常重要的作用，传统的排水系统是以水泵、电机等主要部分组成的，水泵 在长时间运转时，由于存在水击现象和轴向力不平衡等原因会产生噪音和振动现 象，其可能会使泵体受损，从而影响煤矿的正常生产。 因此在煤矿生产时需定期对水泵的性能参数进行测定分析，掌握设备的运行 状态。传统的人工测试方法由于其测试周期长、效率低下和实时性较差已不能满 足当今煤矿的自动化生产发展趋势。而以单片机为控制核心的自动监测系统有取 代人工测试的趋势，它以体积小、运算效率高和成本低等优点被普遍运用到煤矿 生产的性能测试监控、故障诊断和数据通信等方面，以降低事故的发生率。 本课题是以单片机为控制核心设计出采集水泵性能参数信号和故障诊断的系 统，并借助本校流体实验室的泵特性曲线试验平台做验证性试验，提高水泵智能 化程度，从而保证煤矿的安全生产。 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究的依据 在矿井建设和生产过程中，会有来自各种渠道的水不断的涌入矿井。如果不 能及时的排除，势必会影响煤矿的安全和正常生产【l 】。所以，必须设置排水设备， 将涌入矿井的水及时排出地面。此外，由于煤层地质的复杂性，有可能大量的涌 水进入矿井，这时需要排水设备抢险排水，以尽快恢复生产。因此，煤矿井下排 水系统是煤矿建设和生产中不可缺少的一部分，它对保证矿井正常生产起着非常 重要的作用，传统的煤矿井下排水系统是由水泵、管路和配套电机等组合而成的。 水泵在运转时，叶轮进口压力当低于该水温度下的汽化压力时，会形成大量水泡， 这些水泡随着水流向前运动，进入叶轮内部的高压区域时，产生水击现象，使水 泵产生强烈的噪音和振动现象，其振动可以引起机组破坏或机座的振动，若任其 发展下去，会将出现水流中断，泵体遭到严重破坏和机组无法工作【2 训。 煤矿安全规程中对大型机电设备的性能参数提出明确的要求，为满足性 能要求须定期对设备的性能参数的全面检测，并进行系统分析，以确保设备处于 良好的运行状态。所以必须做好日常设备的检修和性能监测工作，对其进行在线 “体检”，实时掌握设备的性能状态，及时发现和消除隐患，做到科学使用和科 学管理是非常重要的。 在矿井主排水泵中，多级叶轮转子会产生很大的轴向力，为此一般多级泵采 用平衡装置用以平衡轴向力，避免转子在轴向力的推动下向吸水侧窜动，从而对 水泵的结构造成危害。然而平衡装置在水泵运行中会与泵壳发生摩擦，致使其轴 向间隙逐渐增大，当间隙达到一定叶轮转子和导流壳会发生碰撞磨损，从而造成 严重事故。 因此研究煤矿主排水泵的性能监测和故障诊断，确保排水设备可靠、高效运 转，对于煤矿安全生产具有很大的现实意义。 1 2 课题研究的背景 煤矿安全生产是煤矿生产工作的重中之重，国家也颁布了关于煤矿安全生产 的法律法规，提出了“安全第一，预防为主”的方针。近年来，单片机以其体积 小、运算速度快、成本低等诸多优点被广泛应用于国民经济建设的各个行业，对 社会的发展产生了极大影响。而许多煤矿安全领域的专家也以单片机为控制核心， 3 安徽理工大学硕士学位论文 将智能控制运用于通信、测试监控和故障诊断等方面来降低煤矿事故的发生率1 5 。 传统的对水泵的性能测试是通过多个测量人员共同工作完成的，测量周期较 长且效率低下，而且人工读数( 数据采集) 和原始试验数据处理也会带来计算误差、 随机误差和粗大误差等，从而会使水泵性能参数测试的精度降低1 9 j 。判断水泵故障 的基本方法是通过观察水泵工作时真空表和压力表的读数变化来了解水泵是否发 生故障，但其明显的缺点是实时性较差且不能快速准确的发现故障并发出报警信 息。与此相反，以单片机为控制核心的数据采集系统能实时监测出水泵的性能参 数和进行故障检测来降低矿井排水系统的事故发生率，可作为水泵运转的质量监 测手段之一，也可为水泵的科学运行管理提供有价值的现场参数【1 0 。”j 。 1 3 国内外研究现状 由于水泵在国民经济发展中存在着广阔的应用市场，而水泵试验在水泵制造 和运转中起到的巨大作用，所以为了设计并制造出能满足各行各业要求的高质量、 高性能的水泵，我国从二十世纪九十年代初开始，在伴随着微电子技术、测试技 术和自动控制技术的飞速发展，清华大学、华北水利电力大学、江苏大学等单位 相继对水泵的试验装置进行了设计与研究，建立了具有各自优点的试验装置，他 们为水泵性能检测的不断完善和水泵技术的不断发展发挥了先导性作用【1 4 j 6 1 。但 其真正能够建立智能监测水泵性能参数的单位还不是很多，且他们的结构多半为 半自动设备，所以作者强烈感觉蛰j j h 快水泵智能化试验装置的研究与推广的步伐、 不断提高试验装置的自动化程度和试验设备精度是很有必要的。 在国外，由于微电子技术的发展较早较快，其水泵性能测试和故障诊断系统 的性能也较高。美国、法国和日本等国都可以根据水泵设备不同型号的特性和运 行性能，实现不同的性能测试和故障诊断，例如机组的振动监测，转子平衡监测、 轴承故障诊断及机组运行间隙检测等，都采用了具有微机性能的动态测量分析系 统进行诊断。到九十年代开始可以实现数据传输并进行远程监控，真正实现了“无 人值守 的管理模式，通过计算机装置实现对水泵运行工况的实时监测和整个系 统中所有水泵的集中管理模式。其功能包括水泵运行监控、故障诊断和多环节控 制等【1 7 之1 1 。 1 4 课题研究的内容 本课题研究的内容主要有以下几个方面： 1 水泵的性能监测以试验为基础，确定水泵性能参数的提取方法。 4 1 绪论 2 确定水泵的性能监测方案。 3 根据拟定的水泵性能监测的方案，选择所需的硬件和传感器，并完成硬件 设计和仿真调试。 4 根据设计的p c b 图，制作出实际的电路板。 5 完成相应的软件设计和仿真调试，完成水泵性能监测的现场试验，并完善 其系统。 6 对水泵的故障诊断系统进行方案设计。 5 安徽理工人学硕士学位论文 2 水泵性能测试的基本原理 2 1 水泵性能监测概述 在每台水泵的泵壳上都有一个铭牌，上面标有水泵的型号、主要技术参数和 出厂日期等，其主要性能参数包括：流量、扬程、功率、效率和转速等。泵在运 转过程中，当其中某一参数改变时，其他参数也会随之发生变化，所以各性能参 数之间，不仅互相联系且互相影响，所以我们不能孤立地看待这些参数，应该把 它们有机的结合起来加以分析，以便找到各参数之间的变化规律，从而评判该水 泵的工作性能上是否满足规定的要求2 2 , 2 3 】。 2 2 水泵性能测试试验 水泵性能测试的目的是为了评估水泵在实际运行工况中是否满足工作要求和 水泵是否需要检修。因为水泵在长期的运转过程中，由于种种原因实际运转特性 将会发生变化，所以必须对水泵进行性能测试，以便得到水泵的实际运行工况。 为了实时反映水泵的运行特性，以便及时发现设备的故障先兆，就要进行性能参 数的实时监测。根据试验的目的，在做水泵的性能参数测试时应在水泵的额定转 速和额定功率等条件下进行，所选择的试验点也应在水泵所允许的使用范围内， 试验时间应在3 0 分钟以上。利用本校流体实验室的泵特性曲线试验平台对流量、 扬程和效率等性能参数做基础性试验，如图1 所示为仪器装置简图。 1 7 l i1 图1 泵的性能曲线测定装置图 f i g 1t h em e a s u r i n gd e v i c ed r a w i n go f t h ep u m pp e r f o r m a n c e 6 2 水泵性能测试的基本原理 l 一功率表；2 w 电机电源插座；3 一光电转速仪；4 - - 电动杉l ；5 - - 稳水压力表：卜功率表开关；卜瑜水管道； 8 p l o o 白吸条：卜流量调节阀；1 卜压力表；1l 一压差传感器：1 2 一文丘罩流量计；1 3 一蓄水箱； 1 4 一进水阀；1 5 一压力真窄表；1 6 一压差电测仪；1 7 一电测仪稳压筒；1 8 一压力表稳展筒；1 9 一进水管道。 在做性能参数测试前应根据水泵及管路系统的具体要求拟定相应的测试方 案，并对仪表进行必要的检查和校准，测试时，闸阀开度至少要改变8 1 2 次，即 最少有8 1 2 个测试点，特别是在水泵工作区域和最高效率附近多分布几个测试点， 这对分析水泵的性能参数是有益的。在操作上，闸阀开度可以由大到小( 闸阀可由 全开而逐渐关闭) ，也可以由d , n 大，这两种方法也可以交替进行，以便进行互相 校对。 在记录各读数时，每调节一次工况，应停留2 - 3 m i n ，待各仪表上的读数稳定 之后，在读取各参数值，随测随记，并及时整理数据，发现问题应及时补测，得 到的实验记录如表1 所示。 表1 试验记录表 t a b 1t h er e c o r do ft h ee x p e r i m e n t 2 3 传感器概述 7 安徽理工大学硕士学位论文 2 3 1 传感器的定义与组成 传感器是自动检测控制系统必不可少的部分，它通常包括敏感元件、转换元 件、处理电路和辅助电源四部分，敏感元件可将被测量转化为另一物理量，转换 元件通常只能感受敏感元件输出的与被测量成一确定关系的另一种物理量，并将 其转换为电压电流输出，而处理电路是将转换元件输出的信息转换为便于测量的 电量，并进行放大等处理，传感器的组成如图2 所示 2 4 1 。 2 3 2 传感器选用原则 图2 传感器的组成 f i g 2t h ec o m p o n e n t so f t h es e n s i n gd e v i c e 传感器种类较多，性能各异，每一种传感器都有各自的特性，因此在选择传 感器时要考虑的要求很多，但无需满足所有的要求，应根据实际使用目的、环境 和指标等不同的侧重点，如若需长时间连续使用的传感器则必须重视传感器长期 稳定性的问题，而对机械加工、动态分析等时间较短的工序过程，则需要动态特 性和灵敏度较好的传感器。选择传感器时也需要选择其响应速度，目的是找到输 入信号的合适频带宽度，合理的选择工作场所和安装方法也是比较重要的。 为了提高测试精度，应注意平常使用时的测量值在传感器满量程的5 0 左右 来选择测定范围。还必须熟悉所选的传感器性能特点，若应用的要求较简单，则 可以通过对传感器的性能参数的了解来选择相应传感器；若应用要求较高，综合 环境复杂，则还需要从传感器的测试原理等方面对传感器的性能进行全面了解， 如可以从传感器的工作原理出发，分析被测物体中可能会产生的负载效应等问题， 以确定选择哪一种传感器合适。 2 4 水泵性能参数检测 2 4 1 水泵流量检测 1 水泵流量测量原理 水泵的流量是指在单位时间内从水泵出口截面流出的液体体积，通常用符号q 8 2 水泵性能测试的基本原理 表示。流量是水泵最重要的工作参数，运行时，如果水泵流量发生改变，其他参 数也会随之改变，一般来说，泵的尺寸越大，转速越高，流量也就越大。一般水 泵的流量都有一定的变化范围，在其额定流量下运转时，能量会被充分利用，效 率也就最高，当水泵流量大于或小于额定流量时，虽然可以工作，但浪费能源且 效率低。 目前测量流量的方法有许多种，主要有电测的流量计法、速度法和容积法等。 电测的流量计不能长期工作在煤矿水质恶劣的排水管中，速度法及容积法使用不 方便。而使用弯管流量计法来测量管道中流量具有复现性好等特点，它的是一种 利用流体的惯性产生压差的差压式仪表，利用弯管中流体在其惯性离心力下发生 流向偏转时管壁内外侧静压差与流体流速之间的关系来测量流量，它具有以下特 占 、 1 ) 结构简单，性能稳定，维护费用少； 2 ) 弯管内没有附加的阻力元件，从而减少压力损失； 3 ) 适应性强，对弯管内的工作介质没有较高的要求； 4 ) 压差重复性好。 目前，在煤矿井下排水系统中还鲜见使用该种流量计的报道，本文研究方案 中拟采用在煤矿主排水泵吸水管段弯头上装置该弯头流量计。试验中采用标准的 9 0 0 弯管作为流量传感器件，弯头取压口在轴平面上采用4 5 0 打孔，孔径大约为 l m m ，弯管的弯径比是传感器模型中唯一的几何特征参数，对测量流量起着非常 重要的作用，是弯管传感器加工时的主要控制参数，如图3 所示为实验所用9 0 0 标准弯头力n - r - 成的4 5 0 取压弯管流量计。 参考一些科学文献，通过比较强制涡流理论和自由涡流理论的优缺点，本文 以强制涡流理论公式作为试验用的弯管流量计流量公式： 岫悟孚睁 p ， 式中q _ 一流量，m l s ； 占流量系数； r 弯管的曲率半径，m ； d 弯管的内径，m ； p 弯管4 5 0 方向的内外侧压力差，p a ； p 流体介质的密度，k g m 3 。 9 安徽理工大学硕士学位论文 图3 弯管流量计简图 f i g3t h es k e t c hf o rt h ee l b o wf l o wm e t e r 在试验设计中，要考虑弯管尺寸精度对流量系数的影响，取r = 2 5 m m ，d = - 2 0 m m 的弯管尺寸，采用水作为介质，试验结束后利用数据分析法来分析数据，最后得 出流量系数s 。为了标定流量系数g ，在试验研究中利用本校流体实验室的泵性能 曲线试验平台来测得流量和弯管处的压差，将原有试验台管路进行改造，以弯管 流量计取代原弯头。流量用试验台所配备的电测文丘里流量计来测量，传感器用 数字显示仪。弯管压差是将弯管4 5 0 内外侧取压口分别连接液柱测压计测量，用水 柱高表示，然后计算弯管的压力差，弯管外侧压力用p l 表示，内侧压力用p 2 表示。 经过在图1 所示泵性能曲线测定装置上试验后得到1 1 组数据，如表2 所示，并用 公式a p = p l - p 2 和q = a ( a h ) b “和b 为在图1 试验台上预先经标定得出的系数， a = 3 4 6 ，b = 0 5 0 5 ；a h 为文丘里流量计的测压管水头差，单位为c m 水柱) 来得出系 数占。 表2 试验数据 t a b 2t h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t a l 1 0 2 水泵性能测试的基本原理 通过对试验数据进行分析，可知弯管的流量系数占、弯管的内径d 与曲率半 径r 之间有某种定量的关系，当取r = 2 5 m m ，d = - 2 0 m m 时，占约为0 2 1 7 7 。将 占- o 2 1 7 7 、r = 2 5 m m 和d = - 2 0 m m 代入公式( 2 1 ) 可得： p = 3 4 2 1 0 曲卸( 2 2 ) 2 流量测量的差压传感器选择 选择正确的差压传感器是保证水泵流量测量精度的重要步骤，根据对水泵试 验设备的精度要求，选用量程为0 - 5 k p a 的c y b 2 2 系列通用型差压传感器，它采 用高稳定性和高精度的力敏芯片，经严格精密的温度补偿，信号放大，v i 转换， 逆极性保护，压力过载限流量等信号处理，将压差参数可靠的转换成工业标准的 1 5 v d c 信号输出，具有精度高、长期稳定性好、抗电磁干扰能力强、体积小、 安装方便、本安防爆等特点。该系列差压传感器的主要技术指标如表3 所示： 表3c y b 2 2 系列通用型差压传感器主要技术指标 t a b 3t h em a i nt e c h n i c a li n d e x e s0 ft h ec y b 2 2g e n e r a ld i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s d u c e r 差压传感器的外形尺寸如图4 所示： 安徽理：i = 大学硕士学位论文 图4 外形尺寸图 f i g 4t h eo u t l i n ed i m e n s i o nd r a w i n go ft h ei n s t r u m e n t 差压传感器安装连接如图5 所示，固定安装变送器，将高低介质压力通过引 压管和平衡阀引入到变送器的“h ”高压腔和“l 低压腔。注意静压参数，严禁 单向过载加压和御压，以免造成损坏。 p hh 亚 衡 阀 图5 差压传感器安装连接图 f i g 5t h ei n s t a l l a t i o nd i a g r a mf o rt h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r et r a n s d u c e r 2 4 2 水泵扬程检测 1 水泵扬程测量原理 泵的扬程日是表示单位重量的液体( 水) 通过水泵后所获得的能量( 即能量增加 的数值) ，单位为水柱高度，本文测试水泵的扬程，是通过测出水泵出口断面与进 口断面之间的总能头差，即测得泵进、出口压强，流速和两只压力表中心位差后， 经计算求得，列出水泵进出口断面伯努利方程得： 乙+ 争+ 善2 9 + 日= z ：+ 等+ 兰2 9 ， 1y 式中z 1 、乞泵进1 3 、出口位置水头。 局、仍泵进口、出口断面压强，p a 。 m 、泵进1 3 、出口断面液体流速，m s ； 日水泵扬程，m 水柱。 用安装在水泵进口、出口处的压力表读数代换式2 - 3 中的a 和见，得扬程h ： 1 2 2 水泵性能测试的基本原理 h = 盟+ 笔g 毒一壶 + 他咳 c 2 q y 乃一 id jd ij 式中a z l = z 2 一z l ； 仇出口压力表读数，p a ； 凤进口压力表读数，p a ； q 水泵流量，m 3 s ； 位，两只压力表中心位差，m 。 吒，呔进、出口管径，m ； y 水的重度，n m 3 。 2 测量扬程的压力传感器选择 对压力传感器的正确选择是保证准确测量水泵扬程的重要步骤，根据对水泵 试验设备的精度要求，选用量程为0 - 5 0 0 k p a 的c y b 系列压力传感器，该系列压 力传感器配合高精度电子元件，经严格的工艺过程装备而成，采用先进的压力测 试技术，使传感器具有优异的性能，膜片材料采用3 1 6 l 不锈钢，密封材料采用氟 橡胶，防爆等级为e x i a l i c t 6 ，电气接口采用赫斯曼接头，抗过载和冲击能力强， 温度漂移小，稳定性高，具有很高的测量精度。c y b 系列压力传感器具有许多显 著的优点： 1 ) 精度高，经线性处理最高优于0 i f s ； 2 ) 全焊接结构，坚固耐用； 3 ) 高精度、高稳定性、高可靠性； 4 ) 普通型、本质安全防爆型； 5 ) 耐磨损、抗冲击、防腐蚀； 6 ) 优异的稳定性：年漂移量小于0 2 f s ； 7 ) 极宽的使用温度范围：常温产品为2 0 。c 一8 5 ，高温产品为4 0 。c 2 0 0 。 c y b 系列压力传感器的主要技术指标如表4 所示。 表4c y b 系列压力传感器主要技术指标 t a b 4t h em a i nt e c h n i c a li n d e x e so f t h ec y b p r e s s u r es e n s o r 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 c y b 系列压力传感器的外形尺寸如图6 所示： 图6 压力传感器外形尺寸图 f i g 6t h e o u t l i n ed i m e n s i o nd r a w i n go ft h ep r e s s u r es e n s o r 压力传感器的电气连接图如图7 所示： 直流电源 图7 压力传感器电气连摄图 f i g 7t h ee l e c t r i c a lc o n n e c t i o ng r a p hf o rt h ep r e s s u r es e n s o r 1 - 5 v d c ( - - - 线制) 接线定义： 1 ) 红线：电源2 4 v d c + 2 ) 黑线：电源2 4 v d c - 3 ) 黄线：信号+ 2 4 - 3 水泵轴功率检测 1 水泵轴功率测量原理 本文所测的轴功率既是指电动机传递给水泵传动轴的功率，用符号表示， 1 4 2 水泵性能测试的基本原理 轴功率一般可以用功率表测出电动机输入功率只，然后与电动机效率相乘得到， 如下式： n = e o 魂 ( 2 5 ) p o = k p ( 2 6 ) 他= l 口( 盏) 3 + 6 ( 孟) 2 + c ( 盖) + dl 1 0 。 c 2 忉 式中轴功率( w ) ； 只电动机输入功率( w ) ； 魂电动机效率； k 本试验装置所用功率表读数转换成实际功率的转换系数； 尸功率表读数值( w ) ； a 、b 、c 、d 电机效率拟合公式系数，预先标定提供。 在此试验中，电动机效率换算公式系数为：a = 2 4 4 6 ；b = 一3 1 0 ；c = 1 2 6 0 ； d = 一1 0 4 5 ，功率表转换系数为：k = 5 。 2 轴功率测量的功率传感器选择 根据对水泵试验设备的精度要求，系统选用w b p l1 2 s 9 1 型有功功率传感器， 采用特制隔离模块，高速数据同步采集和处理及时，隔离测量单相电路的有功功 率，将其变换为0 5 v 的直流电压输出，具有高准确度、高隔离、低功耗和抗干扰 能力强等特点，采用卡装式结构，端子接线，无需考虑输入信号的极性，安装方 便。 w b p l l 2 s 9 1 型有功功率传感器的主要技术指标如下表5 所示，其端子定义图 ( 俯视图) 如图8 所示。 表5w b p l1 2 s 9 1 型有功功率传感器主要技术指标 t a b 5t h em a i nt e c h n i c a li n d e x e so f t h ew b p l12 s 9 1p o w e rs e n s o r 安徽理工大学硕士学位论文 图8 功率传感器端子定义图( 俯视图) f i g 8t h eo v e r h e a dv i e wo f t h et e r m i n a lp o w e rs e n s o r 2 4 4 水泵总效率的计算 水泵运转时，由于水泵内部存在许多能量损失，因此泵的有效功率( 即输出功 率) 必然会小于轴功率( 即输入功率) ，有效功率与轴功率之差，就是泵内损失的功 率。水泵的效率7 7 通常是水泵的有效功率与轴功率的比值，反映了水泵性能的好坏。 水泵有效功率是指单位时间内水泵运转时所做的有用功，它是泵传递给液体的功 率，故可称为输出功率，用符号系效表示，其值可用水泵的流量和扬程进行计算， 即： 泵效= p g h q ( 2 8 ) 式中泵效水泵有效功率，w ； p 水的密度 0 0 0 k g m 3 ； g 重力加速度，g = 9 8 m s 2， 日扬程，m 水柱； p 流量，r n 3 s ； 所以，可以得到水泵的总效率为： 1 6 2 水泵性能测试的基本原理 2 4 5 水泵转速的测量 刁= 1 p g h 广q 1 0 0 ( 2 9 ) 水泵叶轮在每分钟时问内转动的圈数叫转速，用符号，2 表示，单位为r r a i n ( 转 分) 。转速是水泵的重要性能参数，直接影响水泵的性能。它们之间的关系是：水 泵的流量与转速成正比、扬程与转速的平方成正比、轴功率与转速的立方成正比。 目前测试转速的方法有很多，如离心式、光电法和磁电式等。本文采用光电 式转速传感器来测量。在水泵的传动轴的合适位置安装光电转速传感器，并在旋 转轴上均匀布置个反光片，分别记录接收两脉冲信号的时间间隔t ，则水泵的转 速为： 枷。售0 ( 2 1 0 ) 根据对水泵试验设备的精度要求，可选用s z g b 7 型光电转速传感器，采用调 制光结构的单头反射式光电转速传感器，具有测量距离远及不受环境光干扰的特 点，传感器内藏调制光发射和接收光电转速单元，能将被测物反射回来的光信号 转变成电脉冲信号，能与各种转速数字显示仪配套使用及计算机接口电路直接连 接，能无接触测量转速。s z g b 7 型光电转速传感器主要技术指标如表6 所示。 表6s z g b 7 型光电转速传感器主要技术指标 t a b 6t h em a i nt e c h n i c a li n d e x e so ft h es z g b - 7p h o t o e l e c t r i ct a c h o m e t r i ct r a n s d u c e r 按上面的公式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 计算出的实验结果如 - 1 7 表7 所示。 表7 数据处理表 t a b 7t h et a b l e o ft h ed a t ap r o c e s s i n g 转速一 流量q 总扬程 泉输入功率泵效率 庳署 ( r m i n ) m l s h ( m )n ( w )，7 ( o o ) l2 8 6 2 22 8 5 8 3 2 8 5 1 4 2 8 4 7 52 8 3 4 62 8 2 9 72 8 1 6 82 9 1 3 92 7 8 8 1 02 7 6 5 l l2 7 5 9 1 22 7 3 3 1 32 7 0 1 4 9 3 51 0 21 9 1 13 1 l 4 7 5 1 4 5 5 9 4 3 6 0 4 1 5 1 3 8 9 8 3 6 1 1 3 3 9 4 3 0 6 2 2 7 5 9 2 3 3 9 1 8 9 5 1 3 5 8 1 7 3 2 4 5 3 。4 7 4 5 9 5 9 2 7 1 4 8 3 6 9 9 5 1 1 3 7 1 3 7 2 1 4 9 9 1 7 8 5 1 9 4 4 2 0 4 3 2 1 2 1 2 2 3 6 2 2 9 2 2 3 2 5 2 3 5 8 2 4 0 6 2 5 4 8 2 7 1 6 2 7 5 8 2 7 7 7 5 0 5 6 7 6 8 7 l 1 0 6 3 1 2 4 0 1 3 2 2 1 4 3 0 1 4 6 1 1 4 4 9 1 4 0 6 1 2 1 5 9 8 7 根据实验值绘制出，7 一q 曲线、h - q 曲线和- q 曲线，分别如图9 、1 0 和1 1 所示。 水泵日。q 曲线 图9 水泵r l q 曲线图 f i g 9t h e1 1 - qg r a p hf o r t h ew a t e rp u m p 1 8 o 8 6 4 孳一f 料餐 2 水泵性能测试的基本原理 2 5 本章小结 0 j 1 i 0 三e 2 2 0j 强3 5 64 二j 00 准量1o s 图1 0 水泵h - 0 曲线图 f i g 1 0t h eh qg r a p hf o rt h ew a t e rp u m p 痢r 2 0 2 6 0 2 5 0 善2 4 。i 曙 墨2 3 0 簿 2 2 霉 图1 1 水泵n - 0 曲线图 f i g 11t h en - qg r a p hf o rt h ew a t e rp u m p 本章主要介绍了水泵的性能参数( 流量、扬程、功率、效率和转速) 的概念和计 算公式的推导，并根据其检测原理、传感器的量程和测量的环境来确定传感器的 类型，介绍了所选用的传感器的特点、性能指标和电气连接图等。本章也介绍了 利用本校流体试验室的泵特性曲线试验平台对流量，扬程和功率等性能参数做基 础性试验的一些问题。 1 9 安徽理工大学硕十学位论文 3水泵性能测试的方案设计和硬件配置 3 1 测试系统的总体设计方案 本系统主要运用于矿井水泵的性能参数的监测与记录，系统要完成4 路信号 的数据采集，这些信号包括：流量、扬程、功率和转速，主要实现数据采集、数 据传输、数据存储和数据处理四个功能，要实现以上功能可以以单片机为控制核 心，利用单片机的算术逻辑处理能力和各种算法来进行数据采集、处理和存储， 从而使控制结构简单化，以p c 机显示输出为上位机，系统具体要求如下： 1 ) 具有独立的4 路信号采集通道( 最多可扩展到8 路) ； 2 ) 单通道的信号采集频率为1 h z ； 3 ) 能通过中文液晶显示其试验参数和试验日期； 4 ) 通过串口与p c 机相连实时显示液晶显示屏上的内容，便于试验数据的统 计与管理； 5 ) 具有历史数据查询功能； 6 ) 输入模拟信号范围：0 5 v d c ； 7 ) 系统具有抗干扰功能。 基于上述系统具体要求和试验参数要求，系统的总体设计方案和硬件配置如 图1 2 所示： 图1 2 系统总体设计方粟图 f i g 12t h eg e n e r a ld e s i g np l a no f t h es y s t e m 该系统主要包括a d 信号采样、数据处理、l c d 显示和数据传输4 个部分组 成，主电路包括a d 信号采样电路、串口传输电路、复位时钟电路和液晶显示电 路，涉及的主要内容包括：芯片的选型，应根据系统的具体要求选择合适的芯 片；硬件电路设计，根据系统的总体设计方案和芯片的选型设计出合适的电路； 硬件电路的合理性分析，看是否能达到具体的设计要求和电路逻辑性是否符合 2 0 3 水泵性能测试的方案设计和硬件配置 要求；系统的软件设计；通过软件的仿真调试和电路板的实验达到预期的目 的。 3 2 模块功能定义 1 传感器模块 该模块主要是将需检测的流量、扬程、功率和转速等物理量转换为电信号， 输出共有4 路信号，输出电压为0 5 v d c 的标准电压。 2 数据处理模块 该模块主要是利用单片机的数据处理功能，将通过a d 转换得到的电压信号， 利用传感器的参数转换公式和第二章得到的参数公式进行公式问的转换。 3 数据存储模块 4 数据传输模块 该模块是负责在数据采集处理时与上位机间的通信，与串口调试助手相连实 时显示液晶显示屏上的内容，可提供串口仿真和程序下载的功能，主要由m a x 2 3 2 的接口芯片完成。 5 液晶显示模块 该模块主要是负责时间显示与设定、显示性能参数和历史参数自查询三个功 能。 6 电源模块 该模块主要是负责给传感器提供2 4 v d c 的标准电压，和a d c 0 8 0 9 、a t 8 9 s 5 2 、 液晶显示器等提供5 v d c 的标准电压，并保持电源系统的稳定。 3 3 系统的硬件配置 3 3 1a d 转换器的选型 1 a d 转换器的概述 a d 转换器是把输入的模拟信号转换为数字信号，便于单片机获取传感器的 信息，a d 转换器型号较多，根据a d 转换电路的工作原理可分为双积分式和逐 次逼近式两类，双积分式一般具有抗干扰性强、精度高和价格便宜等优点，但其 转换速度较慢，影响系统的整体响应时间，而逐次逼近式a d 转换器在抗干扰性、 速度和精度都适中，与同分辨率的双积分型相比较，它不需高精度的运算放大器， 且成本较低。 - 2 1 安徽理工大学硕士学位论文 a d 转换器的主要技术指标有： 1 ) 分辨率由数字量的位数表示，有8 位、1 2 位和1 6 位等，分辨率越高表 示对输入量的微小变化越灵敏。 2 ) 量程表示所能转换的最大电压，如5 v 、1 0 v 等。 3 ) 精度表示转换后的结果相对于实际值的准确度，通常有相对精度和绝对 精度两种。 4 ) 转换时间不同型号的a d 转换器其转换时间也不同，在选择时要根据实 际要求和成本来考虑。 5 ) 输出逻辑电平大多数需要与t t l 电平配合使用，在考虑数字输出量与 数据总线的逻辑关系时，要考虑一些其他问题。 2 a ，d 转换器的选型 a d 转换器的选型应根据使用的具体条件、场合和参数要求来决定，另外根 据第2 章传感器选型部分可知，本文所选用的传感器的输出模拟信号为o 5 v d c 的电压，所进行的转换速率不高，可选用性价较高的a d c 0 8 0 9 。它是一个8 位逐 次逼近式，由一个地址锁存译码器、一个8 路模拟开关、一个三态输出锁存器和 一个a d 转换器组成( 见图1 3 ) ，模拟量开关最多可选通8 路模拟通道，都共用 a d 转换器进行转换，三态输出锁存器用于锁存a d 转换完的数字量，当o e 端 为高电平时，才能从三态输出锁存器取出转换完的数据。 a b c 图1 3a d c 0 8 0 9 内部结构图 f i g 13t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f t h ea d c 0 8 0 9i n s t r u m e n t a d c 0 8 0 9 的转换流程是逐位判断二进制，其转换流程图如图1 4 所示。 3 a d c 0 8 0 9 的引脚定义 a d c 0 8 0 9 外部引脚图如图1 5 所示： 2 2 3 水泵性能测试的方案设计和硬件配置 图1 4a d c 0 8 0 9 转换流程图 f i g 14t h ef l o w - p r o c e s sd i a g r a mf o rt h et r a n s l a t i o no f a d c 0 8 0 9 l n 3i n 2 i n 4i n l ： i n 5i n o ； i n 6a ； l n 7b s tc e o ca l e - d 3d 7 ： 0 ed 6 ： c l kd 5 v c cd 4 ； v r e f + d 0 g n dv r e f d ld 2 图1 5a d c 0 8 0 9 外部引脚图 f i g 1 5t h ea p p e a r a n c eo f t h ep i no f a d c 0 8 0 9 其中i n 0 i n 7 为8 位模拟量输入通道，通道的电压为0 5 v d c ，信号呈单极 性，a 、b 、c 和a l e 为4 条地址输入控制线，其中a l e 为地址锁存允许输入线。 当a l e 线为高电平有效时，地址锁存译码器将a 、b