（机械制造及其自动化专业论文）基于labview的水泵性能测试系统的研究.pdf

摘要 水泵作为重要的流体机械，被广泛地应用于工农业生产和人们生活的各个 部门和领域，在生产生活中占有重要地位，在国民经济各个行业中得到广泛应 用。现阶段，水泵设计主要是采用半经验半理论相结合方式，因而水泵测试技 术对于研究和发展水泵的基础理论、改进水泵的性能、完善水泵的设计方法等 都有着极其重要的作用。目前，国内的水泵测试系统大部分仍是传统的半自动 化形式，其测量部位相对分散，整体测量信号没能综合管理，而且操作界面不 够人性化，与国外相比，技术水平相对落后。 本文正是基于这种情况，将水泵测试原理和方法作为研究对象，在n i 的 l a b v i e w 2 0 l o 平台上，根据测试系统具体的要求，将传感器技术、微机技术、 数据采集处理技术融入虚拟仪器技术中，构建了基于虚拟仪器技术的水泵测试 平台，开发出一个完整的水泵测试系统。此系统能够实现水泵各项参数的测试、 性能试验、汽蚀试验、数据保存、曲线拟合、生成报表等功能。 此测试系统整体上采用了模块化设计。根据测试原理和试验类型将各个功 能编写为相互独立的子程序模块，便于修改和系统功能扩展及升级。测试系统 程序首次编写完成后，先利用l a b v i e w 仿真模块进行软件模拟仿真。再不断 修改和完善程序。然后在实验室进行实测验证测试系统的可行性，通过误差 分析，测试系统已经达到b 级精度。并与由中国农业机械化科技研究院开发的 p s m 水泵自动测试系统的数据处理结果和结论进行对比。试验对比发现基于 l a b v i e w 的水泵测试系统与p s m 水泵自动测试的测试结果、性能拟合曲线、 汽蚀试验拟合曲线一致，而且在此基础上增加了网络模块功能，可实现界面远 程操作，同时具有系统结构更紧凑、操作灵活方便、界面友好、容易维护、造 价低等诸多优点。硬件配置中采用了n i 的p c i l 6 4 3 数据采集卡，直接连接微 机，保证系统运行速度快、效率高，而且提高了水泵测试系统的精度和自动化 程度。 本测试系统是利用虚拟仪器技术结合模块化设计思路开发的。具有很强的 通用性和扩展性，还可增加流量调节自动控制、多种类型泵的测试、泵运行故 障诊断、泵状态监测报警等多种功能模块，使整个系统功能更强大、自动化程 度更高。 关键词：水泵，测试系统，虚拟仪器，l a b v i e w i a b s t r a c t a sai m p o r t a n tf l u i dm a c h i n e r y , i sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o na n dp e o p l e sl i f ei na l ls e c t o r sa n da r e a s ，o c c u p y i n ga ni m p o r t a n t p o s i t i o ni np r o d u c t i o na n dd a i l yl i f e ，b e i n gw i d e l ya p p l i e di nn a t i o n a le c o n o m y e a c hi n d u s t r y a tt h i s s t a g eo ft h ep u m pd e s i g n ，s e m i - e m p i r i c a lc o m b i n a t i o ni s t h em a i n l yw a y , s ot h ep u m p t e s t i n gt e c h n o l o g yp l a yae x t r e m e l yv i t a lr o l ei np u m p f o u n d a t i o nt h e o r yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，i m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ea n d d e s i g nm e t h o do fp u m p a tp r e s e n t ，d o m e s t i cp u m pt e s ts y s t e m sm o s t l ys t i l la r e t r a d i t i o n a ls e m i - a u t o m a t i cf o r m ，i t sm e a s u r i n gp o s i t i o ni sd i s p e r s i v e ，a l lm e a s u r i n g s i g n a l sa r en o tc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n t ，a n dt h eo p e r a t i o ni n t e r f a c ei sn o t h u m a n i z a t i o n e n o u g h c o m p a r e d w i t h f o r e i g nc o u n t r i e s ，t e c h n i c a l l e v e li s r e l a t i v e l yb a c k w a r d t h i sp a p e rb a s e do nt h i ss i t u a t i o n ，u n d e r t a k es t u d yt h ep u m pt e s tp r i n c i p l ea n d f m e t h o d i nt h en il a b v i e w 2 010p l a t f o r m 。a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t s o ft e s ts y s t e m s ，b l e n d e dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s e n s o rt e c h n o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , b u i l dp u m p t e s t i n g p l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , d e v e l o p e dac o m p l e t ep u m p t e s t i n gs y s t e m i tc a na c h i e v et h ep u m pp a r a m e t e r st e s t i n g ，p e r f o r m a n c et e s t i n g ， c a v i t a t i o nt e s t ，d a t a p r e s e r v a t i o n ，c u r v ef i t t i n g ，r e p o r tg e n e r a t i o na n do t h e r f u n c t i o n s t h i st e s ts y s t e m a d o p t sm o d u l a rd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f m e a s u r e m e n ta n dt e s tt y p e s 。e a c hf u n c t i o ni sp r e p a r e da s i n d e p e n d e n ts u b r o u t i n e m o d u l e s ，f o re a s yt om o d i f y ，e x t e n df u n c t i o na n du p g r a d es y s t e m w h e nt h et e s t s y s t e mp r o g r a mw a sf i r s tp r e p a r e d ，u s i n gl a b v i e ws i m u l a t i o nt os i m u l a t ei t ，t h e n t oc o n s t a n t l ym o d i f ya n di m p r o v et h ep r o g r a m a f t e rt h a t ，u s el a b o r a t o r yt e s t t o v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，a n dt h r o u g he r r o ra n a l y s i s ，t h et e s ts y s t e m h a sr e a c h e dt h ec l a s sba c c u r a c y a n dc o m p a r ew i t hd a t ap r o c e s s i n gr e s u l t sa n d c o n c l u s i o n so ft h ep s m p u m pa u t o m a t i ct e s td e v e l o p e db yt h ec h i n aa g r i c u l t u r a l m e c h a n i z a t i o ni n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i tf o u n dt h a tt h e i rt e s tr e s u l t s ， p e r f o r m a n c ec u r v e 。c a v i t a t i o n st e s tc u r v ef i t t i n gl i n ea r ee x t r e m e l yc l o s e a n do n h t h i sb a s i s ，ii n c r e a s et h en e t w o r km o d u l ef u n c t i o nt o i t ，m a k i n gi tc a nr e a l i z e r e m o t eo p e r a t i o n s y s t e mi n t e r f a c e a n dm o r et h a nt h a t ，i th a sm o r ec o m p a c t s t r u c t u r e ，f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s ym a i n t e n a n c e 。 l o wc o s t a d v a n t a g e s h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n u s e dt h en ip c i - 16 4 3d a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，d i r e c t l yc o n n e c t e dp c 。e n s u r es y s t e mr u n n i n gs p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y , a n di m p r o v et h ep u m pt e s ts y s t e mp r e c i s i o na n dd e g r e eo fa u t o m a t i o n t h et e s t i n gs y s t e mi sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i t h t h em o d u l a rd e s i g nt ob ed e v e l o p e d ，h a ss t r o n gu n i v e r s a l i t ya n de x p a n s i b i l i t y s o a f t e rf u r t h e rs t u d y , c a ni n c r e a s ef l o wr e g u l a t i o na u t o m a t i cc o n t r o l ，v a r i o u st y p e so f p u m p s ，p u m pr u n n i n gt e s t ，p u m pf a u l td i a g n o s i sc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga l a r mt o m a k et h es y s t e mf u n c t i o nm o r es t r o n ga n dh i g h e rd e g r e eo fa u t o m a t i o n k e yw o r d s ：p u m p ，t e s ts y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w m 基于l a b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 l 绪论 1 1 研究背景 水泵是一类能将原动机的机械能转换成被输送流体的压力势能和动能的流体 机械j ，其功能完善，种类丰富，规格繁多，生产量大，被广泛地应用于工农业生 产和人们生活的各个部门和领域，在生产生活中占有重要地位，在国民经济各个 行业中得到广泛应用。如在水电、火电和核电的电力生产系统中，在城市管网和 企业的给排水、消防系统中，在炼钢、矿山、煤炭开采生产系统中，在农田的排 灌系统中等都大量使用各种类型的水泵i j j 。 中国水泵行业是在新中国成立以后发展起来的，特别是改革开放以来，水泵 行业得到了快速发展一j 。中国经济的飞速发展以及基础水利设施工程的大量开工建 设为水泵制造商带来了无限的挑战和机遇，水泵行业市场前景异常广阔，但水泵 行业的相关技术水平与欧美等国家仍然存在着较大的差距。 由于现阶段水泵的设计方式主要是采用半经验半理论相结合的方式，水泵设 计的结果主要是依靠流体机械测试试验台来检测，从而验证设计的合理性与正确 性，为产品改进和完善提供准确而可靠的性能试验数据。而测试系统和试验台的 精度等级和稳定性就直接决定了试验的结果的质量，提高水泵的设计质量也就必 须要首先保证水泵检测结果的精度，从而改进水泵的水力设计，达到提高水泵产 品设计质量的目的。因此，良好的试验条件、可靠的测试数据和大量的技术资料 是产品设计开发成败与否的关键。随着机组向大容量、高效率、自动化方向发展， 对水泵的安全可靠性也提出了越来越高的要求。因此设计出一个高精度、性能稳 定、多功能的自动化水泵测试系统显得非常重要。水泵的性能测试是水泵研制、 开发以及生产中必不可少的重要环节。由于综合性能试验是一个繁杂的过程，采 用传统的人工测试和分析方法，费时费力。劳动强度大，测试效率和测试精度都 较低，而且增加了人为因素。随着时代的发展，泵类产品的需求的变化速度越来 越快，对产品的要求也越来越高。为了缩短泵类产品的研发和生产周期，基于微 机的自动控制测试系统成为各水泵研制和生产单位的首选。现在的很多测试系统 存在操作复杂、人机交互界面友好性差等问题。因此，开发一个运行快、效率高、 结构简单、操作方便和人性化操作界面的水泵性能测试系统将是本文着重探讨的 问题【5 - 6 】。 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 1 2 国内外研究现状与分析 目前水泵性能测试系统主要分为两类，一类是分立式器件测试系统，这种系 统主要采用相应的分立式模拟、数字仪表测量各种参数，体积庞大、造价高、可 靠性差，测试费时费力，劳动强度大，测试效率和测试精度较低，人为因素影响 较大，不可避免地存在着重复性试验；另一类是以标准化仪器与计算机共同组成 的自动测试系统，系统通过标准化仪器测得各种参数的模拟信号并将它们转换为 电信号，然后通过数据接口与计算机通信，计算机上的测试软件负责数据处理与 系统控制。这种系统测试精度高，实时性好，自动化程度高，但系统复杂，造价 较高r 刀。 1 2 1 国外研究现状 在国外，很多大的水泵厂家都有自己的性能测试系统，但各厂家产品通用测 试系统尚未见诸报道。在一些发达国家，如美国、英国、德国等国家水泵测试领 域的研究起步较早，水泵计算机辅助性能测试系统的使用较普遍，其测试精度、 自动化程度都较高。这些国家水泵性能检测和处理技术比较先进，水泵性能测试 系统呈现出高集成、设备全、体积小和操作易等特点p j 。 1 9 6 1 年，英国国立工程试验室( n e l ) 建立了自己的水力机械试验台，能够进行 水泵和模型水轮机的性能试验，可以在开式和闭式两种循环方式进行效率和汽蚀 试验，实现部分参数的半自动控制，计算机自动采集和处理试验数据，并能自动 绘制试验曲线和打印试验结果p j j l o k o m o t h b 等人在俄罗斯伏尔加铁路局谢纳亚机务段设计的2 t 0 1 0 m 型内 燃机车水泵试验台可实时显示水泵进出口压力并设有固定用的支架和移动式滑 板，可检查水泵质量及其排量，从而缩短机车的停留时间l 1 w 。 英国的a r m f i e l dl i m i t e d 公司开发的水泵试验台可以得到不同类型泵的工况特 性，通过用直流半导体闸流管控制器变速调节流量，可用来测量涡轮泵、轴流泵、 离心泵和齿轮泵的流量、扬程、扭矩和功率等参数，并自动绘制出试验曲线，得 到不同类型泵的特性以及泵的汽蚀对其本身的影响l l 。 英国t qe d u c a t i o na n dt r a i n i n gc o l t d 公司研发的离心泵测试台结构简洁，操 作方便，采用数字式仪表实时显示测量转速、转矩和功率，采用文丘里管测量流 量，通过通用数据采集系统和相关软件，能够画出所测离心泵的试验曲线，如流 量和扬程性能曲线，流量和效率性能等l l 引。 印度d y n a m i ce 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的水泵由三相 2 基于i j b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 交流电动机驱动，在进口管路上安装真空计，出口管路上安装压力计和调节阀门， 可以比较方便地得到泵的特性u 川。 德国公司f l u i d o nc o m p a n y 研发的汽车冷却水泵试验台用于测量高速转动 泵的流量、效率和磨损，可测试高转速的旋转泵，允许的最大流量和电动机的最 大扭矩比较高，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控制系统温度l l 4 。 1 2 2 国内研究现状 长期以来，国内水泵性能的测试技术和方法相对落后，很多以人工手动操作 试验、人工记录测量数据以及人工绘制性能曲线为主，所以测量精度不高、劳动 强度大。从上世纪8 0 年代初开始，得益于自动控制、测量仪器仪表和电子技术得 到了飞速的发展和广泛的应用，国内的泵测试技术水平和测试方法取得了长足进 步。但是国内很多水泵测试系统还是传统的半自动化，其测位分散，测试参数信 号没有综合管理，真正建立有水泵微机自动化辅助测试平台的厂家还不是很多。 开发水泵自动测试系统的软件一般是用v c 、v b 等基础软件，开发时写程序代码 繁多，容易出错，不容易检查，开发出的系统也不便于升级l i 弘埔j 。 涂建平、裴凌等人和江西省农机鉴定站合作。依据水泵性能测试国家标准， 引入虚拟仪器技术通过数据采集卡与计算机实现了数据采集的自动化，运用 l a b v i e w 的g 语言、强大的数值分析和信号处理能力，实现采集数据实时显示、 试验曲线拟合和结果判定等功能。整个测试系统操作方便、界面比较人性化，降 低了水泵测试的劳动强度，提高了测试精度和测试效率，降低了系统的开发难度， 缩短了开发周期，增加了测试系统的网络功能和数据库功能l l w 。 中国农业机械化科学研究院设计研制的p s m 水泵自动测试系统是原机械工业 部技术发展基金项目，获1 9 9 1 年机械工业部科技二等奖、1 9 9 2 年国家科技进步三 等奖、1 9 9 9 年国家机械局科技进步二等奖。该测试系统是以微型计算机为核心， 由通信接口、各种仪表和传感器所组成，采用v b 高级语言编程在w i n d o w s 平台 下应用的自动化成套测试设备。适用于潜水电泵、离心泵、混流泵、轴流泵、长 轴深井泵、屏蔽电泵、自吸泵等各种泵型试验和出厂检查。具有人工或自动控制 试验过程、自动采集试验数据、计算处理试验数据、打印试验报告、绘制性能曲 线等功能。能完成的试验项目有：泵的性能试验、汽蚀试验：潜水电机的空载试 验、负责试验、温升试验、堵转试验及潜水电泵的轴向力测试。测量的主要参数 有：流量、扬程、真空、转速、扭矩、电流、电压、功率、功率因素、电机直流 电阻、轴向力和水温室温等。具有对产品合格判定、测试系统误差分析及产品试 3 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 验数据的统计、查询等功能，主要用于生产泵类的企业、产品质量监督检验机构、 科研院所作为产品出厂检验、产品开发及产品质量监督管理的测试设备。系统在 硬、软件及结构上可随用户要求变化和调整，可大可小，可简可繁，通用性强， 适用范围广，运行稳定可靠。对系统参数的准确度可溯源，计量方便。已在全国 2 6 个省市1 0 0 多个单位投入使用，用户反映良好。为我国泵业产品及测试技术的 发展和完善发挥了巨大的作用i 加j 。 浙江省机械科学研究所研发成功的水泵性能测试成套技术及其设备，获得了 机械部科技成果二等奖。系统按照国际标准i s 0 3 5 5 5 1 9 7 7 和国家标准g b 3 2 1 6 1 9 9 8 的相关规定，对各规格水泵全性能参数采用计算机进行自动采集和处理，自动绘 制试验曲线和生成试验报告并打印，自动判定试验结果并对出结论。测试精度达 到了国家标准b 级精度。成套技术设备的计算机系统由a p p l e i i 型主机，r x 8 0 打印机，s p l - 4 0 0 绘图仪及相应接口柱等部分组成。 河南华恒实业有限公司研发的水泵综合性能测试系统用计算机进行控制，测 试精度和效率较高、操作简单方便，可实现数据自动处理和存储，并有良好的可 扩展性【2 2 1 。 西安理工大学研制的水泵性能测试系统以计算机为中心进行工作采用变频 调速器、流量调节系统、p l c 和温度控制系统仿真水泵实际运行情况，结合精确 的数据采集，完成水泵性能参数的综合测试和试验数据及性能图表的输出，系统 操作方便，性能可靠、控制方式科学灵活、自动化程度高，操作系统安全，能满 足国家对水泵测试的各项基本要求，并已达到国外同类产品的性能指标“川。 沈阳新科精密仪器设备有限公司研发的水泵性能测试台能够进行多种类型的 水泵试验，使用p l c 进行全过程自动实时监控，有较高的测量精度和稳定性以及 相对完善的测试功能”j 。 杭州拓天科技有限公司研发的水泵综合测试台采用微机辅助自动化测试技 术，能够实现自动控制水泵运行。自动测试各性能参数、实时采集和自动化处理 数据，并绘制性能曲线和生成测试报表，提高了冷却水泵的测试精度和自动化水 平，同时也降低了测试的劳动强度弘) 。 安徽莱恩电泵公司通过安徽经济贸易委员会立项的一个技改项目，主要针对 水泵各性能参数测试的理论研究、测试数据的处理及误差分析并确保测试系统 达到了国家b 级精度的要求弘引。 淄博泰姆电气有限公司生产的t m p t s 1 水泵性能测试系统对流量信号、压力 信号、温度、频率、转速直流电阻、电参数等信号采用一套智能数显仪表集中显 基于l a b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 示所有的测试参数，方便直观。同时，通过r s 4 8 5 系统总线技术，应用m o d b u s 和p r o f i b u s 通讯协议由微机自动测试软件实时采集各种试验数据，并对试验数据进 行计算和绘图。根据各种试验类型，可以进行电机性能试验和水泵性能试验，对 试验结果进行打印、绘图，以方便技术存档和对试验结果进行分析。微机自动测 试软件适用微机操作系统w i n d o w s 9 8 、w i n d o w sm e 、w i n d o w sx p 等各种版本。 通过通讯软件，计算机和各种智能仪表能够进行双向通讯，可以很方便地更改仪 表参数等各种数据，有友好的人机界面、系统整体性能高，可扩展性强m 。 杭州三花研究院有限公司生产的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。该测试系统以工业计算机作为主控单元，能够自动完成在规定 水温条件下，测试水泵在不同转速下的转速、流量、扬程、功率、转矩、水泵进 出口压力、水温等，软件界面友好，测试数据自动采集，信号分析处理功能强大， 自动控制测试过程，带报警和异常停机功能耗并根据用户需求绘制测试曲线，生 成测试报表，并对结果保存和打印u 引。 华中农业大学的彭中军同学的硕士论文 基于虚拟仪器的水泵性能多功能检 测与处理系统的研究的测试系统能够对离心泵进行流量和扬程、流量和轴功率、 流量和效率等特性的试验，采用e x c e l 和m a t l a b 软件分析处理水泵的性能特 点、描绘其性能曲线【2 们。 1 2 3 国内外水泵测试系统研究现状的分析 分析国内外现状及其现有水泵测试系统发现，现有水泵测试系统都存在一些不 足。比如华中农业大学彭中军的基于虚拟仪器的水泵性能多功能检测与处理系统需 要调用e x c e l 和m a t l a b 软件分析处理数据，没有充分利用l a b v i e w 的强大数 据处理功能；大多数测试系统都没汽蚀实验模块，而且系统体积庞大，造价高； 这些水泵测试系统也基本上没有网络功能，不能实现远程操作。 但是随着计算技术的飞速发展和现实中对水泵测试技术的要求的不断提高 水泵测试技术正朝着以下几个方面发展：( 1 ) 高精度、自动化的智能测试技术： 传统的测试方式，由于缺乏先进的控制方法，使得测量精度的提高受到限制，不 能鉴别设计上的微小改善。所以水泵测试系统需要打破传统的测量手段，综合采 用现代的测试技术、网络技术、自动控制技术、电子技术和计算机及其外部设备 使参数测试、传送和分析处理实现自动化和智能化。采用实时自动调节流量，并 有高的采样频率和采样速度进而可以提高系统的测试精度和自动化程度。 ( 2 ) 内特性方面的深入测试：深入水泵各个流道内不同工况下压力的分布、压力的脉 5 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 动、流速的分布、汽蚀的形态、汽蚀的侵蚀部位、汽蚀的强度等进行内特性的研 究，对发展水泵理论、提高设计水平全面以及提升测试水泵的性能有重要意义。 因此，国外一些厂家和有关高等院校对内特性的深入测试研究非常的重视。 ( 3 ) 多功能化：一个功能完善的微机水泵综合测试系统一般应能对多型式、多种规格 的水泵进行测试，以此增加试验装置的适应性、多功能性。此外，还要求尽量缩 短研制周期和降低成本【3 0 - 3 4 1 。 因此，采用虚拟仪器技术研究和开发新的水泵性能测试系统，就能够弥补现 有国内外水泵测试系统的不足，此外，还具有性能高、运行速度快、精度高和可 扩展性强等优点。 1 3 研究内容和技术路线及主要任务 1 3 1 研究内容 一个完整的水泵测试系统包括硬件和软件两部分，涉及流体机械、信息科学、 测试技术、虚拟仪器技术等多学科领域。本课题是在对水泵的测试原理及方法进 行大量研究和分析的基础上，根据水泵测试的具体要求，将计算机技术结合传感 器技术和数据采集处理技术，以实现水泵各项性能参数的测试、性能试验测试、 汽蚀试验测试，以及试验中的数据保存、传输及曲线拟合和生成打印试验报表等 多种功能【3 5 1 。同时研究了数据采集与分析处理、曲线拟合、通信等实现中的关键 性技术问题，并采取有效的硬件和软件抗干扰措施，确保系统的稳定性和可靠性。 通过l a b v i e w 图形化设计平台，采用模块化编程设计思路，将传感器采集到的数 据通过配套数据采集卡输入系统进行保存、数据分析处理、结果显示和生成报表。 论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析本项目的研究背景与意义，介绍水泵测试系统发展现状，分析水泵测 试系统的特点与难点； ( 2 ) 研究现有水泵测试系统的原理和方法，为新型测试系统开发奠定理论基 础： ( 3 ) 根据系统的具体要求，进行系统硬件、软件的开发，研究数据采集与分析 处理、曲线拟合、控制算法、数据库开发、串口通信等实现中的重点、难点问题， 描述系统各个模块的具体实现； ( 4 ) 分析可能影响测试精度的干扰因素，采取有效的抗干扰措旌； ( 5 ) 对设计的系统进行硬件和软件两方面的调试； 6 基于l a b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 ( 6 ) 进行大量的试验，并对试验结果进行分析，改善测试系统。 1 3 2 技术路线 针对本课题的主要研究内容制定了如下技术路线： ( 1 ) 构建水泵测试实验平台。构建一个典型水泵测试的闭式试验台，主要有 被测泵、汽蚀罐、汽水分离罐、真空泵、传感器和仪器仪表等组成。 ( 2 ) 开发水泵测试程序。在l a b v i e w 2 0 1 0 上采用模块化设计，将数据采集、 数据保存、数据分析、结果显示保存和生成报表等都设计为相互独立的子程序， 然后统一有主程序调用。 ( 3 ) 在电脑上仿真水泵测试系统。利用l a b v i e w 2 0 1 0 的d a q 数据采集模块 建立一个虚拟通道，对水泵测试系统进行仿真，检验程序的可行性及其优化测试 系统。 ( 4 ) 在构建的水泵测试实验平台上实测。试验中采用n i 的数据采集卡，将 传感器采集的实时数据传入测试系统，完成水泵性能试验和汽蚀试验，分析实验 结果，改善测试系统。 1 4 本章小结 本章主要从水泵性能测试系统的国内外研究现状出发，分析了课题的研究背 景，从技术和经济等多个方面说明了课题是切实可行的，并据此详细阐述了课题 的主要研究内容和技术路线。 7 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 2 水泵测试的原理和方法 水泵是最常见的流体机械，结构和原理都很简单，但是其内部流体的流场却 是极其复杂的。到目前为止都无法用精确的方法来设计水泵，因为泵的特性至今 都不能用纯理论的方法精确确定，而是采用试验的方法近似求得【3 6 1 。首先来具体 介绍下水泵测试的基本原理和方法。 2 1 水泵测试平台的设计和构建 水泵性能试验台通常采用典型的闭式试验装置结构，由汽蚀罐、进口管路、 水封闸阀、出水管路、调节阀、流量计、转速转矩传感器、被试泵、信号调理及 其转换装置、n i 数据采集卡和计算机等组成，装置示意图如图2 1 所示，实物如 图2 2 所示l ”】。 0 置 1 一电动机；2 一转速转矩仪；3 一转速转矩传感器；4 一压力表：5 一试验泵：6 一真空表：7 一 稳流器：8 一流量计：9 一水封闸阀；l o 一流量显示仪：l l 一调节阀：1 2 一汽蚀罐 图2 1 水泵闭式试验台示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fp u m pc l o s e dt a pt e s tb e n c h 1 蟹， 图2 2 水泵闭式试验台实物图图2 3 抽真空装置 f i g 2 2p r a c t i c a n t yd i a g r a mo fp u m pc l o s e dt a p t e s tb e n c h f i g 2 3v a c u u m i z ee q u i p m e n t 8 基于l a b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 由于试验水泵是离心泵，为使水泵安装后能抽水运行，需安装抽真空装置， 图2 3 所示。试验所用水泵为湘潭市宏业轻工机械有限公司的j l x 5 2 5 型不锈钢饮 料泵，主要参数如表2 1 所示，实物如图2 4 所示。 表2 1j l x 5 2 5 型水泵主要技术参数 t a b l e2 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fp u m po fn j l x 5 2 5 项目 技术参数 扬程h ( m ) 流量q ( m 3 h a ) 转速n ( r m i n ) 轴功率p 辅( k w ) 效率t 1 ( ) 进、出口通径( m ) 2 5 5 2 9 0 0 1 5 2 5 2 5 图2 4 试验水泵实物图 f i g 2 4p r a c t i c a n t yd i a g r a mo f t e s tp u m p 2 2 水泵测试中基本工作参数的确定 水泵测试主要包括水泵性能试验和汽蚀试验两个部分。水泵的性能主要是指， 在规定转速下，扬程h 、轴功率p a 、效率t 1 等与流量之间的关系，用曲线图表示 水泵的性能，称之为水泵性能曲线。它主要包括： ( 1 ) 扬程与流量的特性曲线，即h 一q 性能曲线； ( 2 ) 轴功率与流量的特性曲线，即p a _ q 性能曲线： ( 3 ) 效率与流量的特性曲线，即t 1 一q 性能曲线。 汽蚀试验是为了确定泵在工作范围内临界汽蚀余量n p s h c 与流量q 的关系。 对一台既定的泵，对应于某一个流量都有一个相应的n p s h c 。因此，主要选择以 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 下几个项目作为水泵测试参数：流量q 、扬程h 、轴功率p a 、效率小额定转速n 、 汽蚀余量n p s h 3 8 3 们。 2 3 水泵测试实验的原理及公式推导 2 3 1 试验原理 实验时，首先通过传感器采集流量、转速、转矩、进出口压力等实时模拟电 信号，然后经过信号调理转换装置转换为计算机能识别的数字信号，然后由数据 采集卡传送到计算机，再通过计算机上的软件对初始数据进行滤波处理和分析计 算，从而得出扬程、轴功率、效率等性能参数，最后绘制相应性能曲线并对其显 示和保存。 如图2 1 所示，性能试验时，水泵在电机的驱动下以一定的转速运行，汽蚀 罐中的水不停的被吸到高出，安装在水泵进口断面上的真空表6 、出口断面的压力 表4 和电磁流量计8 、转速转矩传感器3 便能测出进口压力p l 、出口压力p 2 、转 速n 、转矩m 和流量q ，进而计算出扬程h 、轴功率p a ，以及相应的效率n 通 过改变出口调节阀1 l 的开度调节水泵的流量，从而测得不同流量下的扬程h 、轴 功率p a 和效率t 1 等相应的性能参数。有了这些数据就可以画出扬程流量、 轴功率流量p a _ 弋和效率流量仙等性能参数曲线。 汽蚀试验时，前面基本与性能参数相同。汽蚀是在定转速n 和流量q 下通过 改变装置汽蚀余量n p s h a 来达到测量目的。这里是采用改变泵的吸入管路上闸阀 9 的开度，实质上是改变吸入管路的阻力，使可用汽蚀余量改变。为了流量保持不 变，须在改变吸入管路上闸阀9 的开度的同时。随时调节出口管路上的调节阀1 1 从而可以测得不同p l 和相应的扬程h 和装置汽蚀余量n p s h a 值然后，将流量 q 、扬程h 和装置汽蚀余量n p s h a 值换算到规定转速下的值，做出规定转速下， 流量为定值时的h = f ( n p s h a ) 曲线。在此曲线上，使泵的汽蚀试验起始的扬程 下降3 ，对应的n p s h a 定义为临界状态下的汽蚀余量，用n p s h 3 表示 2 3 2 各参数的定义及计算 l 、流量q 所谓流量，是指单位时间内流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬 时流量。当流体量以体积表示时称为体积流量：当流体量以质量表示时称为质量 流量。单位时间通过流管内某一横截面的流体的体积，称为该横截面的体积流量。 简称为流量，用q 来表示，单位为m 3 s 。用流量计来测量流量的数学表达式为： 1 0 基于l | b v i e w 的水泵性能测试系统的研究 q = 百d v 一。 ( 2 1 ) 式中：y 一流体体积，单位为m ； r 一时间，单位为s 。 水泵的保证点( 规定点、设计点) 流量q g 为额定流量，大流量点指的是泵工 作范围内大于规定流量点的边界点。小流量点指的是泵工作范围内小于规定流量 点的边界点。离心泵的性能试验一般从零流量开始测量，至少要测到1 1 5 q 0 1 汽 蚀试验试验的小流量点为0 8 q g ，大流量点为1 2 q o 。 2 、扬程h 泵的扬程，又称能头，是指单位重力液体从泵进口截面1 经过叶轮到泵出口 截面2 所获得的机械能，用h 表示，单位是m 。其数学表达式可写为： h = e 2 e t ( 2 2 ) 式中：五、局一泵出e l 、进1 ：3 截面处单位重力液体的机械能，单位为m ，即： 局：粤+ 关+ z l ( 2 3 ) p g 2 9 e 2 - - 瓦p 2 嵯+ z 2 ( 2 4 ) p g2 9 因此，泵的扬程的数学表达式可写为： 拈警+ 警+ ( z ：_ z 1 ) ( 2 5 ) p gz g 式中：a 、n 一泵出1 ：3 、进1 ：3 截面处液体的压强，单位为p a t z l 、z ：一泵出口、进口截面中心到基准面的距离，单位为m t 夕一液体的密度，单位为k g m 3 ； g 一为重力加速度； m 、 ，：一泵出口、进口截面处液体的平均速度，单位为m s ，分别为： h = 等 ( 2 26 一)m = j ( ) 帕： 4 q 1 ，= j 。刎 ( 2 7 ) 式中：d l 、d 2 一分别为泵入t a - 射b 口的截面内径，单位为m t q 一水泵流量测得值，单位为m s 3 。 因此只要测出进出1 ：3 压力和流量就能算出扬程。 中南林业科技大学2 0 1 2 届工学硕士研究生毕业论文 3 、轴功率p a 轴功率是指泵的输入功率，也就是原动机传到泵轴上的功率，故称为轴功率， 用p a 表示，单位为k w ，用转速转矩仪来测量。轴功率的数学表达式为： = 警1 0 。3 ( 2 8 ) 式中：m 扭矩，单位为n m ： n 一转速，单位为r m i n 。 4 、效率1 1 水泵效率是指有效功率和轴功率的比值，用符号t l 表示。有效功率是指通过 泵的液体在单位时间内从水泵中获得的能量，用p u 表示，单位为k w ，其数学表 达式为： 只= q h , o g x l 0 一 ( 2 9 ) 故水泵效率的数学表达式为： 刁2 扣慨 泣 5 、汽蚀余量( n p s i - i ) 必需汽蚀余量( n p s h r ) ：必需汽蚀余量是在规定的流量、转速和输送液体的 条件下，泵达到预期性能的最小汽蚀余量( 出现可见汽蚀，汽蚀引起的噪声和整 栋增大，扬程和效率开始下降) 。其值由制造厂家提供。 有效汽蚀余量n p s h a ：有效汽蚀余量n p s h a ，又称为装置汽蚀余量，是指 在泵的进口处单位重量的液体具有的超过汽化水头压力的富裕能量，其越大越不 易汽蚀。装置汽蚀余量是由吸入装置提供的，随装置变化而变化，单位为m ，其 数学表达式为： n p s h a ：丛+ 堕一丝( 2 1 1 ) , p g2 9 o g 式中：i 一泵进口处绝对压力，单位为p a ； 肌一输送液体温度下的液体汽化压力，单位为p a 临界汽蚀余量n p s h 3 ：临界汽蚀余量是指对应泵性能下降一定值的汽蚀余量， 该临界值是在给定的转速流量下，使泵的首级叶轮扬程( 汽蚀试验起始的扬程) 下降3 ，对应的装置汽蚀余量n p s h a 值，用符号n i s h 3 表示【柏j 。 6 、用相似定律( 比例定律) 进行参数换算 当水泵运行在工况点时，其功率是不断变化的，驱动电机的转速也会随负载 基于l a b v l e w 的水泵性能测试系统的研究 的变化而改变变化，所以水泵的转速必然随着变化，而水泵性能曲线通常是采用 额定转速( 规定转速) 下的性能参数的数据来绘制。因而必须先将偏离额定转速 下的实测数据换算成额定转速下的值，再绘制性能曲线，按下列比例律公式进行 换算。 珐= q 鱼 ( 2 1 2 ) 矾= 日f 鱼1 ( 2 1 3 ) 刀一， p a o = 只 包1 4 ) 式中：q o 、风、只。一表示额定转速n o 下的流量、扬程、轴功率； q 、日、尸一表示实测转速n 下的流量、扬程、轴功率。 7 、流量、扬程、效率等容差系数 由于在制造过程中，必定会产生偏差，所以每台水泵产品均可能发生几何形 状和尺寸不符合图样的情况。故在对实验结果与保证值( 工作点) 进行比较时， 应允许有一定的容差存在。应该指出，水泵的这些容差，只与实际的水泵有关， 并不涉及实验条件和测量的不确定度。 为简化保证值的证实，所有引入容差系数士t q 、圭t h 、士t ，1 分别为流量、扬程 和泵效率的容差系数，用于保证点q o 、h g 。在没有关于应使用什么样的容差系数 值的专门协议的情况下，一般使用表2 2 给出的数据。 表2 2 容差系数 t a b l e2 2t o l e r a n c ec o e 佑c i e n t 量符号1 级( )2 级( ) 流量 t o 士4 5士8 0 扬程th 士3 0士5 0 泵效率t n - 3 0- 5 0 8 、保证的证实 通常需要通过比较试验所得到的结果与设计要求规定的保证值( 包括它