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基于 LabVIEW 的压缩机性能测试1 1 前言 1 1 研究背景 压缩机是一种压缩气体提高气体压力或输送气体的机器 在国民经济建设的许多 部门和日常生活中应用极广 在采矿业 冶金业 机械制造业 土木工程 石头化学 工业 制冷与气体分离工程以及国防工业中 压缩机是必不可少的关键设备之一 此 外 医疗 纺织 食品 农业 交通等部门对压缩机的需求也与日俱增 1 故对压缩机 性能的要求越来越高 容积式压缩机主要工作原理是依靠汽缸内作往复运动的活塞 活 塞式 或作旋转运转的转子 回转式 使吸入气体的体积缩小来提高压力 以满足生产 的需要 由于压缩机的结构比较复杂 传统的手工测试方法可靠性 准确性都较低 为 了保证和提高压缩机的质量 对其性能测试就具有重要的意义 2 压缩机性能测控分析 是检验压缩机的经济性和可靠性的主要手段 其主要性能参数包括 流量 温度 压 力轴功率 轴转速等 3 压缩机的示功图 又称pV图 是反映压缩机在一个工作循环中活塞在每一个位置 时气缸内气体压力变化的曲线 根据示功图 人们可以对压缩机的工作过程作一系列 的分析计算 例如 根据示功图面积可求出气缸内平均指示压力 指示功率及气阀功 率损失 根据吸入线长度可算出容积系数 根据最高压力和最低压力 可求出气缸内 实际压力比 根据气体压力产生的作用力 可作为动力及强度复核计算的依据 此外 在示功图上还可以分析判断气阀 活塞环 填料等的泄漏情况 进 排气过程的压力 损失情况 压缩及膨胀过程的热交换情况等 进而根据这些分析判断来消除压缩机的 某些故障 4 示功图是压缩机运行状况的综合反映 人们根据示功图形状的不同 可以 分析判断压缩机的工作状况 对在线故障诊断有重要用途 同时 示功图测试的准确 性也可以提高压缩机动力计算和机械设计的精确性 由此可见 示功图的测定及分析 对研究压缩机运行工况是十分重要的 传统的压缩机示功图测绘方法分为机械式和气电式 5 机械式录入方法的缺点是在 测量过程中存在一定的惯性误差 尤其在转速较高时更为明显 气电式录入方法的缺 点在于膜片传感器会引起压力失真和讯号滞后误差 综上看出 传统方法对于压力这 个模拟量只是进行了必要的信号处理 而没有转换成数字量 为后续的设计计算工作 带来了很多不便 随着电子技术 传感器 和微机技术的迅速发展及其在测控技术中的应用 以虚 拟仪器为标志 智能化的测控系统得到了飞速发展 使得数据采集的设计方法和实现 技术产生了深刻的变化 测控系统一般由三大功能块组成 信号采集与控制 数据分 析与处理 结果表达与输出 虚拟仪器技术将这三大功能模块集中在微机上 在微机 上插入数据采集卡 用虚拟仪器技术软件编程 在微机界面上生成类似传统仪器的操 作面板 在软件生成的界面上对现场信号进行采集 控制和处理 并显示 分析结果 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试2 实现传统仪器的功能 这种测控系统能快速 自动地调节工况 并在不同工况下采集 实验数据 并对数据进行计算处理 及时地将实验结果提供给有关人员进行分析和判 断 这就大大缩短了实验研究的周期 节省了能源 人力的消耗 6 7 目前 世界上压缩机测控技术正在向智能化 集成化方向发展 以微机技术为基 础的低成本压缩机测控自动化将成为主流 从20世纪60年代开始 发达国家就依靠技 术革新 即计算机及新设备的应用 开始对传统的压缩机测控系统进行改造 使得压 缩机测控技术得到飞速发展 例如美国的COOPER ENERGY SERVICES公司生产的 EN SPEC 3000维护及性能分析仪 它使用微计算机技术 计算出发动机和压缩机气缸 的指示功率 压缩机吸气阀损失 排气阀损失和压缩机容积效率 是一款便携式压缩 机性能测试仪 英国 日本等发达国家也在大力开发 研究压缩机性能测控技术 并 积极引进消化世界最新成果 8 通过对压缩机性能的分析 可以清楚的看到压缩机在不同工况下的运作情况 从 而反映出压缩机是否稳定运行 及时发现各种故障 避免发生事故 同时也可以对压 缩机作出更好的改进措施 本文是以虚拟仪器软件平台LabVIEW图形编程软件为基础 通过已测得的活塞式 压缩机不同排气压力下压缩机运行的pV值实现相应排气压力下示功图的绘制 并对压 缩机示功图进行分析计算 以得到压缩机指示功率 平均指示压力 轴功率 机械效 率 气阀损失效率 容积效率等性能参数 分析比较不同排气压力下压缩机性能 并 与理论分析进行比较 得到相关结论 1 2 研究目标 1 采用虚拟仪器软件平台LabVIEW图形编程软件编程 读取已有各排气压力下pV值 并在计算机中绘制出相应排气压力下的示功图 2 对得到的示功图进行分析计算 求解压缩机各性能参数 3 分析不同排气压力下的压缩机性能参数与排气压力的关系 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试3 2 虚拟仪器技术及压缩机简介 2 1 示功图测试技术 示功图的测试 是研究压缩机性能与工作状态的基本方法之一 示功图测试装置 的基本原理是以活塞移动或曲轴旋转时的位置信号作横坐标 气缸内的压力信号作纵 坐标 同时输入到显示或记录装置 然后绘制出气缸内压力P和活塞行程容积V的关系 曲线 常用的有机械式 电子式及计算机自动测试装置 9 1 机械式测试装置 机械式示功图测试装置从构造上可分为螺旋弹簧式和杆形弹簧式两种 10 如图2 1 所示 机械式测试装置的压力传递机构 实际上相当于一个在周期性气体力激振下的 弹性振动系统 行程传递机构相当于一个在周期力作用下的扭转振动系统 因此 这 种机构的工作过程是两个振动系统相互配合的综合过程 由于机械装置本身质量较大 这种系统在测量过程中往往会出现惯性误差 误差的大小与系统的自振频率有关 自 振频率越高 惯性误差越小 图图2 1 机械式测试装置示意图机械式测试装置示意图 a 螺旋弹簧式螺旋弹簧式 b 杆形弹簧式杆形弹簧式 2 电子式测试装置 电子式示功图测试装置主要由传感器 放大器和记录器等部分组成 11 其工作原 理如图2 2所示 气缸内压力 活塞行程或曲轴转角的变化通过传感器转换成电的模拟 信号 信号经电压或电流放大后与示波器 记录仪或打印机等连接起来 绘制出压缩 机的示功图 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试4 图图2 2 电子式测试装置原理方框图电子式测试装置原理方框图 电子式示功图测试装置不仅能克服机械惯性而产生的失真 还有迅速 准确的优 点 其主要特点为 由于传感器和测试仪器的运动部分具有很高的自振频率 因而可 用于高转速压缩机 可测量瞬变压力 除传感器需要直接装在压缩机上外 其他仪器 均可通过电缆作远距离测量 压力传感器可以装在任意部位 如阀腔 管道 缓冲器 等 可以测量这些部位的压力脉动情况 电子式测试装置由一套复杂的电子仪器组成 对外界影响很敏感 仪器的使用 保管须特别注意 3 计算机自动测试装置 计算机自动测试装置以微处理器为核心 配以信号输入和数据输出设备组成数字 化测量系统 系统主要由传感器 信号调理 A D转换模块和计算机等部分组成 其一 般结构如图2 3所示 气缸内压力 活塞行程或曲轴转角的变化通过传感器转换成电的 模拟信号 由传感器检测到的物理量不能直接送到A D转换电路和计算机中 还需经过 信号调理 使之适合转换电路的要求 信号调理的主要功能有阻抗变换 信号放大或 衰减滤波 线性化处理 数值运算和电气隔离等 信号经信号调理后由A D转换模块转 换为计算机能够识别的数字信号 计算机通过微机接口与A D模块进行通信 在系统中 完成数据采集 数据处理和测试过程自动控制等任务 图图2 3 计算机测试结构一般系统计算机测试结构一般系统 由于计算机测试系统分辨率高 测试速度快 可进行多次重复测量 从而减小了 随机误差 故容易实现高精度测量 此外 计算机强大的数据处理能力 使系统在测 试参数种类很多 数值很多的测试工作中能高效地完成测试任务 通过对上述三种测试装置的讨论 可以看出机械式测试装置虽然结构简单 但是 由于机械结构不可避免的惯性误差 使得测试精度很有限 不能用于精确测量示功图 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试5 主要应用于教学演示且压缩机转速不高的场合 电子式测试装置测试速度快 精度高 能满足于高转速 远距离的测试要求 还 能通过示波器即时显示测试结果 其缺点为 1 容易受外界干扰 不宜在环境较恶劣 的场合下使用 并且装置的使用和保管要求较高 2 测试数据保存及处理功能较弱 不能满足于在线实时分析的要求 3 在多参数测量方面效率低 计算机自动测试装置是在电子式测试装置的基础上发展而来的 与电子式测试装 置相比 不仅继承了电子式测试装置的优点 而且测量效率与测量精度更高 还具有 高性能 低价格的特点 计算机测试系统的测量和分析速度高 可用于生产过程的在 线测量和控制 因此 计算机测试系统在对多参数进行数据的自动采集和数字信号的 自动分析与处理方面有着十分突出的优势 另外 通过预先编制好的程序可对试验数 据进行实时处理 及时提供试验结果 也可以把原始数据存盘 以备日后处理之用 测量及处理结果可以在显示器上显示 也可以通过打印机打印出来 还可以形成开式 或闭式的示功图曲线 这对压缩机的状态监测与故障诊断非常有利 2 2 虚拟仪器技术 2 2 1 虚拟仪器的基本概念 随着科学技术的发展 传统的仪器已经不适应快速 复杂的多参数的测试与测量 迫切要求测试 测量技术不断改进与完善 由于微型计算机技术 超大规模集成电路 的飞速发展 仪器的功能和组成也发生了质的变化 计算机处于核心地位 计算机软 件技术和测试仪器更紧密结合成了一个有机整体 仪器的结构概念和设计观点等都发 生了突破性的变化 在上述的背景下 20世纪80年代中期 美国NI公司提出了全新概 念的仪器 虚拟仪器 12 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机 加上特殊设计的仪 器硬件和专用软件 形成既有普通仪器的基本功能 又有一般仪器所没有的具有特殊 功能的高档低价的新型仪器 操作人员通过操作与现实仪器面板相似的虚拟按键 旋 钮等实现信号的采集 处理和控制等整个测试过程 虚拟仪器代替了传统仪器 改变 了传统仪器的使用方式 提高了仪器的功能和使用效率 大幅度地降低了仪器的价格 用户可使用相同的硬件系统 通过不同的软件编程就可以充分发挥自己的才能 想象 力 按自己的意愿随心所欲地设计自己的仪器系统 实现功能完全不同的各种测量 可见 软件系统是虚拟仪器的核心 软件可以定义各种仪器 因此可以说 软件就是仪 器 在整个虚拟仪器中 计算机 也就是我们常说的PC机 是虚拟仪器的灵魂 现在 的PC机速度越来越快 功能越来越强大 而价钱却越来越低 我们平时大多数情况并 没有最大可能地利用PC机资源 虚拟仪器就是要充分利用现在PC机的强大功能来实现 我们的需要 虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物 虚拟仪器充分利用了 计算机的运算 存储 运算 回放显示及文件管理等智能化功能 同时把传统仪器的 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试6 专业化功能和面板控件软件化 使之与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器 相同 同时又充分享用了计算机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统 虚拟仪器的 虚拟 二字主要体现在如下两个方面 1 虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器的各种面板和面板上的各种 控件 是由软 件来实现的 用户通过对键盘或鼠标来对 控件 操作 从而完成对仪器的操作控制 2 虚拟仪器的测试功能是由软件来控制硬件实现的 与传统仪器相比 虚拟仪器的最大特点是其功能由软件定义 可以由用户根据应 用需要进行软件的编写 选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器 2 2 2 虚拟仪器的组成及分类 虚拟仪器系统的构成主要分为 数据采集系统 通用接口总线 General Purpose Instrument Bus 简称GPIB 仪器控制系统 基于计算机总线在虚拟仪器中扩展技术 VIDE eXtension for Instrumentation 简称VXI 的仪器系统以及它们之间的任意组合 一般说来 虚拟仪器由以下4个部分组成 1 计算机及附件 包括各种高性能的计算机 高分辨率的显示器和外挂内置光盘 硬盘驱动器 它们是VI系统的心脏和动力 2 A D采集卡和D A卡 它们是高性能模数转换器和数模转换器 是VI的左右手 它们必须有高级的定时功能 A D精度能达到12位 16位 18位甚至24位的水平 采样 频率能达到0 100KHz 200KHz 330KHz 1000KHz 20000KHz 20MHz 甚至更高 多路采集时必须能同步进行 实现无时差 无相移 测试通道最少可为达2路 4路 16路 32路 最多可达1024路 3 传感器和一些信号调理模块 它们是VI系统的左右腿 是测试系统的基础 没 有高质量的传感器和各种高质量的调理模块 测试系统就没有了基础 4 接口和总线方式 虚拟仪器有多种接口和总线方式 比如PCI总线方式 USB 总线方式 并行总线方式 GPIB总线方式 VXI总线方式 PXI总线方式等 用户可 以根据自己的实际情况进行选择 13 根据总线的类型不同 虚拟仪器主要有如图2 4所示的几种类型 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试7 图图2 4 虚拟仪器的构成框图虚拟仪器的构成框图 由图2 4可见 不同的类型的总线有其相应的I O接口硬件设备 按总线类型分 虚 拟仪器主要分为以下几种类型 PC总线的数据采集 DAQ 插卡式仪器 GPIB总线仪器 VXI总线仪器 PXI总线仪器以及串行口总线仪器等 计算机是通过软件来驱动总线对 仪器设备进行控制 12 2 2 3 虚拟仪器的特点 以软件开发平台为核心 虚拟仪器的硬件确定后 它的测控功能主要由计算机 内部软件决定 并可通过修改软件来增减其规模 用户自定义 灵活方便 虚拟仪器打破了传统仪器完全由厂家定义 而用户无 法更改的模式 用户可以根据自己需求的不断变化 方便 灵活地重组测控系统 可 以随时扩展和升级系统 这样就缩短了开发周期 并充分满足了用户在不同场合的要 求 系统开发性强 虚拟仪器可以与其他设备互联 如可以通过网络或与各种外设 连接 实现对现场的测控和管理 使测控系统脱离局域的限制 应用领域显著扩大 性价比高 虚拟仪器之所以具备一机多用的功效 是由于其测量功能的设置非 常方便 系统组建快捷 同时由于测控时采用数字显示和记录 降低了系统误差和环 境干扰的影响 从而节省了硬件资源 也减少了测控系统的开发和维护成本 14 2 2 4 虚拟仪器的软件开发平台 虚拟仪器系统的一大核心技术是软件技术 从美国NI公司提出的著名口号 软件 就是仪器 可看出软件对于虚拟仪器的重要性 虚拟仪器的软件技术 主要包含两方面 第一是软件标准化问题 第二是如何利 用各种软件开发平台 编制出符合标准的自动测试应用软件 在虚拟仪器系统的组建和开发中 研究 开发适于广大测试技术人员使用的测试 软件开发平台 也称软件开发工具或软件开发环境 提高编程效率 节省调试时间和编 程费用 一直是测试领域人们关心的重要技术问题 许多公司已经开发出一些使用方 便 功能强大的专用的虚拟仪器软件开发平台 目前世界上具代表性的3个专用的虚拟 仪器软件开发平台是美国NI公司的LabWindows CVI LabVIEW和HP公司的HP VEE 其中LabWindows CVI属于可视化的文本型开发平台 而LabVIEW与Agilent VEE属于图 形化的软件开发平台 LabWindows CVI中的CVI C for Virtual Instrumentation 的含义就是 用于虚拟仪器 的C语言 的英文缩写 LabWindows CVI将源代码编辑 32位ANSI C编辑 链接 调试 以及标准ANSI C库等集成在一个交互式开发环境中 用户可以快速方便地编写 调试 和修改应用程序 该平台尤其适合于粗通C语言 但没有Windows底层编程经验的测控 软件开发人员使用 LabWindows CVI主要适用于各种测试 控制 故障分析及信息处 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试8 理软件的开发 既适用于一般的测试软件开发 也适用于大型 复杂的测试软件的开 发 LabWindows CVI最早用于航空 航天的飞行器测试 现已广泛地用于工业技术的 各个领域 成为虚拟仪器测试领域最受欢迎的软件开发平台之一 图形化软件开发平台LabVIEW与HP VEE为用户提供了简单 直观 易学的图形编 程方式 把复杂繁琐 费时的文本编程简化成 画流程图 的方法 与通用的文本编程 语言相比 可以节省大约70 80 的程序开发时间 编程工作是由开发平台本身完 成的 省去用户大量的编程工作 图形化软件开发平台只需用鼠标将屏幕上的各个功 能图标按一定的顺序连接起来 即采用 就能方便迅速地完成程序的编写 该类软件 开发平台同时支持与多种总线接口系统的通信连接 提供数据采集 仪器控制 数据 分析和数据显示等与虚拟仪器系统相关的多种功能 是面向测试领域的优秀软件开发 平台 受到了从事虚拟仪器系统的软件开发的广大工程技术人员的欢迎 2 2 5 LabVIEW简介 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 是实验室虚拟仪器 集成环境的简称 是美国国家仪器公司 NATIONAL INSTRUMEN 简称NI 推出的一 种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台 和仪器系统的数据采集 分析 显示部分 一起协调工作 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境 其在测 量测试 数据采集 仪器控制 数字信号分析 工厂自动化等领域获得了广泛的应用 15 16 LabVIEW的核心概念就是 软件即是仪器 即虚拟仪器的概念 它将软件和各 种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起 建立虚拟仪器系统 采用强大的图形化 语言编程 编程界面直观形象 编程方便 人机交互界面友好 具有强大的数据可视 化分析和控制能力 为用户快速地构造自己的控制系统提供了良好的环境 以形成用 户自定义的解决方案 LabVIEW是一个完全的 开放式的虚拟仪器开发系统应用软件 利用它组建仪器 测试系统和数据采集系统可以大大简化程序的设计 LabVlEW的核心是VI VI有一个人机对话的用户界面一一前面板 Front Panel 和相 当于源代码功能的程序框图 Diagram VI的前面板具有与传统仪器相类似的界面 可 接受用户的鼠标和键盘指令 前面板的控件 ControlS 模拟了仪器的输入装置并把数据 提供给VI的程序框图 而指示器 Indicators 则是模拟了仪器的输出装置并显示由程序框 图获得或产生的数据 LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的 函数库和开发工具库 LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的 虚拟仪器 即 VIs 一般来说 每一个VI都可以被其他VI调用 其功能类似于文本语言的子程序嵌 套 而这种嵌套的层次 从理论上讲 是不受任何限制的 LabVIEW的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯 诺伊曼计算机体系结构的 执行方式了 传统的计算机语言 如C 中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试9 替 从本质上讲 它是一种带有图形控制流结构的数据流模式 Data FlOW Mode 这 种方式确保了程序中的函数节点 Function Node 只有在获得它的全部数据后才能够被执 行 也就是说 在这种数据流程序的概念中 程序的执行是数据驱动的 它不受操作 系统 计算机等因素的影响 用LabVIEW编制框图程序时 不必受常规程序设计语法细节的限制 首先 从函 数面板 Function Palette 中选择需要的函数节点 Function Node 将之置于框图上适当 的位置 然后用连线 Wires 连接各函数节点在框图程序中的端口 Port 用来在函数节 点之间传输数据 这些函数节点包括了简单的计算函数 高级的采集和分析VI以及用 来存储和检索数据的文件输入输出函数和网络函数 用LabVIEW编制出的图形化VI是分层次和模块化的 我们可以将之用于项层 Top Level 程序 也可用作其他程序或子程序的子程序 一个VI用在其它VI中 称之为 SubVI SubVI在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出现的 为了区分各个 SubVl 它们的图标是可编辑的 LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的概念 用户 可以把一个应用任务分解成为一系列的子任务 每个子任务还可以分解成许多更低一 级的子任务 直到把一个复杂的问题分解成为许多子任务的组合 首先设计SubVI完成 每个子任务 然后将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI 13 17 18 LabVIEW程序称为虚拟仪器程序 简称VI Virtual Instrument 19 其开发环境包 括三个部分 前面板 程序框图和图标 连结器 Icon Connector 20 图标 连结器部 件可以让用户把VI程序变成一个对象 VI子程序 然后再其他程序中把它作为子程 序来调用 以创建更复杂的程序 LabVIEW这种创建和调用子程序的方法 使创建的 程序结构模块化 易于调试 理解和维护 前面板 是图形用户界面 前面板主要用于输入量的设置和输出量的观察 它 模拟了真实仪表的面板 用户可以使用许多由系统提供的控制图标 如旋钮 开关 按钮等 使前面板清晰直观 易于操作 前面板是虚拟仪器的用户接口 犹如实际仪 器的面板 前面板是控制和显示对象的集合 流程图 是提供VI的图形化源程序 可以把它理解成传统程序的源代码 通过 连线将接收 输出数据的对象连接起来创建流程图 就能实现特定的功能 控制程序 执行的流程 如果将VI与标准仪器相比较 那么前面板就相当于是仪器的面板 具有 仪器上所有的控件和显示装置 而流程图上的程序块相当于仪器箱内的东西 图标 连结器 LabVIEW的强大功能归因于它的层次化结构 用户可以把创建的 VI程序当作子VI程序 以创建更复杂的程序 在LabVIEW中 图标 连结器是子VI被其 它VI调用的接口 相当于图形化的参数 图标是子VI在其他程序中被调用的节点表现 形式 连结器表示节点数据的输入 输出口 在前面板和程序框图中进行编程时主要用到的选板为如图2 5所示的控件选板和函 数选板 通过这两个选板可以实现在LabVIEW中进行各种编程 以实现要求结果 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试10 a b 图图2 5 a 控件选板和控件选板和 b 函数选板函数选板 选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度 通常 使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4 10倍 这一惊人速度背后 的原因在于LabVIEW易用易学 它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松 LabVIEW的具体优势主要体现在以下几个方面 19 提供了丰富的图形控件 并采用图形化的编程方法 彻底把工程师们从复杂苦 涩的文本编程中解放出来 内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译 因此用户在编 写程序的过程中如果有语法错误 它会被立即显示出来 由于采用数据流模型 它实现了自动的多线程 从而能充分利用处理器尤其是 多处理器的处理能力 通过DLL CIN节点 ActiveX NET或MATLAB脚本节点等技术 可以轻松实 现LabVIEW与其他编程语言混合编程 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试11 通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE 动态链接库或安装包 LabVIEW提供了大量的驱动和专用工具 几乎能与任何接口的硬件轻松连接 LabVIEW内建了600多个分析函数 用于数据分析和信号处理 NI同时提供了丰富的附加模块 用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用 例如 实时模块 PDA模块 FPGA模块 数据记录和监控 DSC 模块 机器视觉模块与触 摸屏模块等 2 3 压缩机概述 压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械 从能量的观点看 压缩机属于将 动力能转变为气体压力能的工作机 2 3 1 压缩机分类 按工作原理 压缩机可分为 容积式 和 动力式 两大类 21 容积式压缩机直接对 一可变容积工作腔中的气体进行压缩 使该部分气体的容积缩小 压力提高 其特点 是压缩机具有容积可周期变化的工作腔 按工作腔和运动部件形状 容积式压缩机又 可分为 往复式 和 回转式 两大类 前者的运动部件进行往复运动 后者的运动部件做 单方向回转运动 容积式压缩机的主要特点是 工作腔的容积变化规律只取决于机构的尺寸 故机 器压力与流量关系不大 工作的稳定性较好 气体的吸入和排除是靠工作腔容积变化 与气体性质不大 故机器适应性强并容易达到较高的压力 机器的热效率较高 而往复式压缩机 又称活塞式压缩机 在实际生产中运用非常广泛 其结构部件 大致可分为如下三部分 1 工作腔部分 工作腔部分是直接处理气体的部分 包括气缸 活塞 气阀等 构成有进 出通 道的封闭空间 活塞杆穿出工作腔端板的部分设有填料 用以密封间隙 活塞上设置 的活塞环也是起密封作用的 2 传动部分 传动部分把电动机的旋转运动转化为活塞的往复运动 包括曲轴 连杆 十字头 等 往复运动的活塞通过活塞杆与十字头连接 3 机身部分 机身部分是用来支承 或连接 汽缸部分与传动部分的零部件 包括机身 或称 曲轴箱 中体 中间接筒等 其上还可能安装有其他附属设备 压缩机按结构形式不同 分类如图2 6所示 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试12 图图2 6 压缩机分类压缩机分类 2 3 2 压缩机性能参数 压缩机的热力性能是指排气压力 排气量 排气温度 以及功率和效率等 21 排气压力 压缩机排气压力是指最终排出压缩机的气体压力 它应在末级工作腔排气法兰接 管处测得 在多级压缩机中 每一级工作腔排出气体的压力称为该级的排气压力或级 间压力 一台压缩机的排气压力并非恒定 压缩机铭牌上标出的排气压力是指额定排 气压力 对于一台已有的压缩机 其实际排气压力的高低并不取决于压缩机本身 而 是由压缩机排气管网内的气体压力 即所谓的 背压 决定的 而排气管网内的气体压 力又取决于该压力下压缩机排入系统的气量与从系统输走的气量是否平衡 当排气量 大于耗气量时 管网内压力上升 并在达到新的平衡后稳定 当排气量小于消耗气量 时 则管网中压力下降 并达到新的平衡后稳定 因此 压缩机排气压力不是定值 它可由人为的方法控制排出量或消耗量来维持某个工况的排气压力 排气量和供气量 排气量也称容积流量或输气量 是指在所要求的排气压力下 压缩机最后一级单 位时间内排出的气体容积 折算到第一级进口压力和温度时的容积值 若被压缩的气 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试13 体含有水蒸气 经过压缩冷凝 便有水蒸气凝析出来 以及化工工艺过程中对不需要 的气体洗涤 净化 在计算排气量时 要将这些中途分离出去的水分和气体一起换算 到进口状态的容积加进去 反之 若中途有气体添加进来 则要扣除加进来的气体容 积 此外 还应计入气体可压缩性的影响 对于一定的压缩机而言 排气量是一个定值 它反映了压缩机排气能力的大小 排气量不仅是生产应用上的重要指标 而且也是确定压缩机驱动功率 结构型式和尺 寸的重要依据 22 根据压缩机排气量的定义 利用实际测得的末级排气量值 可按下式求取排气量 2 c VV d s d s s d VdV qq Z Z T T p p qq 11 1 1 式中 末级排出的气体量 V qmin 3 m 和 测得时的压力和温度以及第一级进口状态的压力和 d p d T 1s p 1s T V q 温度 PaK 相应于 及 时的压缩性系数 1s Z d Z 1s p 1s T d p d T 分离的水分换算到第一级进口状态的排气量 V qmin 3 m 其中为每分钟分离出来的水分 111 ppqq sasamwV mw qmin kg 为相应温度下的饱和蒸汽压和该压力下的水蒸气的密度 1sa p 1sa 1s T Pa 3 mkg 中途除掉的气体换算到第一级进口状态的排气量 若为中途加入的气 c V q 体 则应折算后以负值代入 min 3 m 供气量也称标准容积流量 是指压缩机单位时间内排出的气体容积折算到基准状 态时的干气体容积值 排气温度和压缩终了温度 压缩机级的排气温度是在该级工作腔排气法兰接管处测得的气体温度 而压缩终 了温度时工作腔内气体完成压缩过程 开始排气时的温度 因为排气过程节流和散热 的关系 排气温度要比压缩终了温度低一些 功和功率 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试14 在图1 1中 实际循环示功图上气体工作过程线包围的面积 即为气缸一个工作循 环过程中压缩气体所消耗的功 简称指示功 单位时间内所消耗的指示功为指示功 i L 率 用表示 确定压缩机指示功率的方法有实测法和解析法两种 23 实测法是利用 i N 实际测到的示功图求指示功的方法 用于已有压缩机的功率测量 解析法是利用等功 法原则简化实际的示功图来计算指示功 用于压缩机的设计计算上 等功法就是从压 缩及膨胀的起点出发 分别按既定的多变指数作出压缩和膨胀过程线 使过程线所包 围的面积与实际压缩和膨胀过程线组成的示功图面积相等 实际循环指示功 2 1 1 1 1 1 01 m m sVsi m m VpL 2 式中 指示功 i LJ 压缩机名义吸排气压力 1 p 2 pPa 名义压力比 进气相对压力损失和总的相对压力损失 s 0 由相对压力损失 即 1 pps s 2 ppd d 1 11sss pppp 于是压缩机的指示功又可表示为 1 22ddd pppp sd pp 2 1 1 1 1 11 k k hVs k k s d hVsi nVp k k p p nVp k k L 3 式中 实际压力比 排气压力 d p 吸 排气过程中绝对压力损失 s p d p 指示功率为单位时间内消耗的功 故压缩机指示功率为 2 1 11060 1 1060 1 1 33 k k hVsii nVp k k LN KW 4 压缩机消耗的功一部分是直接用于压缩气体 即指示功 还有一部分用于克服各 运动部件的机械摩擦 即摩擦功 主轴需要输入的总功为两者之和 称为轴功 单位 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试15 时间消耗的轴功称为轴功率 用Nz表示 2 miz NNN 5 包括活塞环 填料 曲柄销 十字头以及主轴等处的机械摩擦损失 摩擦功率 m N 与压缩机的结构有关 也与转速及润滑油温度有关 而与压缩机的运行工况无关 效率 压缩机的效率是衡量机器工作性能的重要指标 工程上为了便于比较 常取理论 工作循环所消耗的功率作为衡量实际工作循环的基准 即用效率来衡量实际工作循环 与理论工作循环之间的差距 反映压缩机的经济性 理论工作循环与实际工作循环之 比可得到压缩机的指示效率 按理想工作循环过程的不同 又可分为等温指示效率 和等熵指示效率 isi adi 或 2 ilisi NN iKadi NN 6 分别表示等温和绝热压缩理论工作循环的功率 l N K N 理论循环功率与轴功率之比可得压缩机的轴效率 轴效率也分为等温轴效率和 is 等熵轴效率 ad 或 2 Zlis NN ZKad NN 7 一般对气缸冷却较好的压缩机可用等温轴效率来衡量 但是由于绝大多数的压缩 机的多变指数接近于等熵指数 故大多是用等熵轴效率来衡量压缩机的轴效率 轴效 率不仅反映了压缩机气缸内的压缩循环效率 同时也考虑了运动构件的机械摩擦损失 压缩机变工况是指压缩机的操作条件即各级进气压力 进气温度或排气压力中只 要有一个发生变化 其它参数就会相应改变 从而破坏了压缩机各级之间原有的平衡 关系 直到重新建立起一种新的平衡关系为止 由于工况发生了变化 因此压缩机的 排气量和功率也会发生相应的改变 此种状况下压缩机便处于变工况工作 虽然压缩 机处于变工况时其功耗和排气量与正常工作时不同 但其工作过程同样遵循压缩机工 作过程的基本原理 24 2 3 3 压缩机工作循环 压缩机的工作状况往往通过它的工作循环来判断 所谓工作循环是指活塞在气缸 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试16 内往复一次 相当于主轴转一周 压缩机工作一个循环 气体经过一系列状态变化又 恢复到原始状态 其间所经全部历程的总和 20 21 压缩机的理论工作循环 为了深入研究实际压缩机的工作过程 首先需要建立一个理想压缩机模型 对实 际情况作如下的简化和假设 气缸没有余隙容积 被压缩气体能全部排出气缸 进 排气系统没有阻力损失 进 排气过程中气体五温度变化 工作室内气体无 泄漏损失 气体压缩过程中过程指数无变化 建立理论循环的目的 是设置一个评价压缩机性能的标准 因为理论循环中 压 缩机吸入或排除的气体容积最大 即等于压缩机的行程容积 h V 压缩机理论循环指示图如图2 7所示 当活塞回程时在气缸中自外止点向内止点运 动 气体便通过吸气阀进入气缸 因为无压力损失 此时缸中的压力与进气管道中的 压力相同 其值为 当活塞运行到内止点时 吸气结束 图中的4 1为进气过程 接 1 p 着活塞转入进程 自内止点向外止点运动 气体受到压缩 并随着工作腔容积的不断 减小压力不断提高 直到压力达到排出压力 图中1 2称为压缩过程 接着排气阀打开 排出过程开始 随着活塞向外止点移动 气体不断被排出气缸 最后当活塞到达外止 点时 气体被完全排出 排气阀关闭 图中的2 3过程为排出过程 同样 排气时气缸 内的压力和排出管道中的压力相同 其值为 当活塞再次回程时缸内又开始重复上 2 p 述过程 所以示功图中的过程4 1 2 3 4称为压缩机的理论工作循环 或简称理论循环 图图2 7 压缩机理论循环示功图压缩机理论循环示功图 压缩机的实际工作循环 在分析理论循环时 忽略了若干影响因素 实际上这些因素都是客观存在的 有 时这些因素在具体条件下往往还可能转化成主要的影响因素 所以在分析实际压缩机 级的循环时 就必须全面加以考虑 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试17 图2 8所示为活塞每往复一次缸内气体压力与容积实际变化情况 即实际工作循环 示功图 图图2 8 压缩机实际循环示功图压缩机实际循环示功图 图中 分别表示吸 排气管内的名义吸 排气压力 从图2 8可知 当活塞从 1 p 2 p 内止点a向左移动时 吸气阀关闭 缸内气体开始被压缩 压力逐渐升高 压缩过程如 a b曲线所示 值得注意的是 当活塞移至点2时 虽然缸内压力正好等于排气管内的名 义排气压力 但由于排气阀两边没有压差 无法顶开排气阀 只有当活塞继续左移 2 p 使缸内压力升高到足以顶开排气阀时 才开始排气 当活塞继续左移至内止点3时 排 气过程结束 这时缸内的压力已降至相当于排气管内的名义排气压力 排气阀关闭 2 p 当活塞由内止点向右回程时 由于气缸内尚残存高压气体 气缸内出现气体膨胀过程 如c d曲线所示 缸内之所以残存高压气体是由于实际压缩机都存在余隙容积 所以压 缩机不像理论循环那样 活塞回程就可以吸入气体 而只是当缸内气体压力膨胀到低 于吸气管内名义吸气压力后 才能吸入气体 吸气过程如图2 8中d a所示 由于活 1 p 塞运动的速度变化以及阀片动作的惯性影响 这两条过程线都呈倾斜的波浪线 综上 所述 实际循环是由吸气 压缩 排气 膨胀四个过程组成 由上面分析可知 压缩机实际工作循环与理论工作循环存在着差别 主要是由于 以下几个原因 实际压缩机由于结构上的需要 气缸存在余隙容积 使得实际压缩气体的有 0 V 效容积总是小于气缸的行程容积 表现在循环示功图上为增加了一条膨胀过程线 h V 使吸气量减少了 反应气缸余隙容积对压缩机吸气量的影响 用容积系数来表 V v 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试18 示 由于实际循环中存在吸 排气阀等的压力损失 使得气缸内实际吸气压力总小 于名义吸气压力 实际排气压力总大于名义排气压力 如果把吸入气缸内的气体 1 p 2 p 体积量折算到名义吸气压力下 会使压缩机吸气量减少 这种因阻力损失而引 1 p V 起吸气量的减少称为节流效应的容积损失 用压力系数表示为 p 2 1 p p V V s s s p 8 压缩机运转一段时间后 气缸 活塞 气阀以及与之接近的气管都将升温 这 使得吸入的新鲜气体被加热 体积膨胀 密度减小 吸入气体的实际质量流量相对较 少 由于压缩机实际运行情况复杂 在整个膨胀和压缩过程中 多变过程指数不m 为常数 在膨胀过程初期 由于气体温度高于缸壁温度 过程指数 表现为放热km 过程 随着继续膨胀 气体温度很快下降并低于壁温 过程指数 表现为吸km 1 热过程 实际压缩机存在气体泄漏 因为被压缩后的气体通过气阀 活塞环 填料函等 不严密之处都可能造成气体向外或级间的泄漏 所以实际压缩机的排气量不可能等于 吸气量 外泄漏由于泄漏到机器外 直接减小压缩机的排气量 内泄漏虽然不会影响 整个机器的排气量 但会增加压缩机的功率消耗 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试19 3 压缩机示功图绘制 3 1 所用软件 LabVIEW8 60 图形编程软件 3 2 程序要求与功能 运用 LabVIEW 软件中文件输入输出功能 读取存于 txt 文本文档中已有数据 将 其提取并运用软件相应功能在前面板中以数组形式显示这些数据 再运用数组索引功 能将两列数据提取并捆绑后输入到波形图控件 以显示这两组数据所组成的示功图 完成示功图绘制工作 3 3 实验内容及步骤 数据整理 此实验分析的压缩机排气压力分别为 0 2MPa 0 3 MPa 0 4 MPa 0 5 MPa 和 0 6 MPa 不同排气压力下的 pV 值为已有数据 不需重新采集 首先将不同排气压力下的 数据存于 txt 文本文档中 第一列为示功图中横坐标 V 值 第二列为示功图中纵坐标 p 值 文件名分别以其排气压力值命名 已采集到的实验数据来自表 3 1 所示铭牌参数的压缩机 表表 3 1 压缩机铭牌参数压缩机铭牌参数 型号名称排气压力排气量额定转速 112A 151B空气压缩机8kg cm21 5m3 min500rpm 制造厂制造日期活塞行程活塞直径 压 缩 机 江西压缩机厂1981 120 114m0 153m 型号名称功率电机转速传动方式 JO2 61 A三相异步电动机13KW1460rmp 制造厂制造日期 电 动 机 江西电机厂1981 12 程序编写 编写相应程序以实现实验要求 读取 txt 文本文档中数据并在 LabVIEW 前面板中 显示出相应排气压力下的示功图 实验具体程序框图如图 3 1 所示 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试20 图图 3 1 示功图绘制程序框图示功图绘制程序框图 其前面板布置如图 3 2 所示 图图 3 2 示功图前面板示功图前面板 程序说明 运用读取电子表格文件控件读取输入路径 txt 文本文档内的数据 若将 其直接连接数组显示控件 则可得到该 txt 文本文档内两列数据 由于直接从 txt 中读 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试21 取的数据为字符串类型 与 xy 图控件所需输入数据不是同一类型的数据 需转换成数 组类型或波形类型 先将 txt 中读取的两列数据分别提取后捆绑在一起构成一个二维数 组 再将其与 xy 图控件相连 即可在前面板中显示该数据所得的示功图 将名义吸 排气压力值同时输入并与上述二维数组捆绑在一起后连接 xy 图控件即可得到含名义吸 排气压力线的示功图 在前面板中输入文件路径 排气压力值 实际转速值和名义吸 排气压力值后单 击运行即可得到相应排气压力下的示功图 程序运行结果显示 分别选择数据存储文件 txt 文本文档 并输入此数据对应排气压力及名义吸排气压 力值 ps和 pd后运行次程序 得到结果如下图 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 所示 排气压力为 0 2MPa 时的示功图 图图 3 3 排气压力为排气压力为 0 2MPa 时的示功图时的示功图 排气压力为 0 3MPa 时的示功图 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试22 图图 3 4 排气压力为排气压力为 0 3MPa 时的示功图时的示功图 排气压力为 0 4MPa 时的示功图 图图 3 5 排气压力为排气压力为 0 4MPa 时的示功图时的示功图 排气压力为 0 5MPa 时的示功图 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试23 图图 3 6 排气压力为排气压力为 0 5MPa 时的示功图时的示功图 排气压力为 0 6MPa 时的示功图 图图 3 7 排气压力为排气压力为 0 6MPa 时的示功图时的示功图 3 4 不同排气压力下示功图分析 由上图不同排气压力下压缩机示功图可以看出 压缩机名义进气压力保持不变 而其名义排气压力变大 故其压力比变大 由图上变化可以看出随着排气压力增加 示功图变得瘦高 示功图面积也相应变大 即压缩机指示功变大 这也可以由式 2 3 得出 随着压力比的增加 指示功变大 从而也影起了压缩机的其它性能参数的变化 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试24 在压缩机的示功图上可以清晰的看到压缩机的四个工作循环过程 即吸气 压缩 排气 膨胀过程 通过对压缩机示功图面积的求解即可得到压缩机指示功 从而求得 其它性能参数 下一章将对压缩机示功图分析计算进行详细介绍 以分析不同排气压 力下压缩机性能参数的不同 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试25 4 压缩机示功图分析计算及性能分析 4 1 计算示功图面积 压缩机一个工作循环所消耗的指示功即为示功图封闭曲线所围成的面积 而压缩 机的指示功在对压缩机示功图分析计算中占有重要作用 故对示功图面积的求解是本 实验关键步骤之一 由于本实验已有数据为非均匀点 故采用 LabVIEW 软件中非均匀数值积分功能对 采集到的数据进行处理 以求得示功图面积 压缩机示功图面积求解程序框图如图 4 1 所示 图图 4 1 示功图面积求解程序框图示功图面积求解程序框图 程序说明 首先由读取电子表格文件控件读取输入路径 txt 文本文档内的数据 由 数组索引控件分别索引读取的数据中的第二列和第一列数据 将这两列数据分别与非 均匀积分控件中的 X 和 T 接线端相连 分别对示功图的上下两部分进行积分得到上 下积分值 将上积分值减去下积分值即可得到示功图面积 4 2 压缩机示功图分析计算程序 示功图的分析计算 主要包括指示功率 机械效率 压缩机轴功率 容积效率及 进 排气阀功率损耗等 由示功图面积求解程序即可求得压缩机指示功 W 压缩机的指示功率为 4 W n Ni 3 1060 1 式中 n 压缩机曲轴转速 min r 基于 LabVIEW 的压缩机性能测试26 压缩机轴功率 4 zeez NN 2 式中 电机输入功率 e NkW 电机效率 e 传动效率 z 压缩机机械效率 4 100 2 zim NN 3 压缩机平均指示压力 平均指示压力是指单位气缸工作容积一个工作循环所做的指示功 其计算式如 下 4 6 10 h V W p 4 式中 p 平均指示压力 MPa 压缩机行程容积 为压缩机活塞直径 h VsdVh 2 4 dm 为压缩机活塞行程 sm 由图 4 2 所示程序框图即可求得压