风机状态测试系统的总体设计

风机状态测试系统的总体设计

风机状态测控系统是在风机运转的过程中，实现风机性能基本参数的采集、分析、计算风机性能参数并绘制性能曲线(流量——全压曲线、流量——功率曲线、流量——效率曲线)并通过采集与处理的信号信息对风机的转速的变频调速控制的过程。风机性能试验对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。目前，我国风机性能检测大多以手工为主，存在试验手段落后，劳动量大和测试结果不准确等缺点。采用先进的虚拟仪器技术，将传感技术、仪器技术和测试技术结合起来，进行风机性能参数的自动检测，试验数据的自动处理和性能曲线的自动绘制是本文研究的重点。

本文采用虚拟仪器技术，进行了风机性能试验自动测试系统的硬件及软件设计。硬件上在风机机械结构基础上采用压差传感器、压力传感器和扭矩传感器检测各试验数据，实现了试验数据的自动采集;利用变频调速技术控制变频调速器输出信号的频率，实现了风机转速的自动调节。软件上在Labview虚拟仪器开发平台上，采用模块化设计方法，实现了采集信号的实时显示、控制信号的准确输出、试验数据的正确处理及应用最小二乘法对性能参数进行拟合从而实现了性能曲线的自动绘制。整个系统具有界面友好、操作方便、功能齐全等优点，试验结果表明研制基于虚拟仪器的风机性能自动测试系统，增加了试验过程的稳定性，避免了人为的读数误差、计算误差以及相关数据不能同时记录所引起的试验结果的偏差.提高了测试精度和试验效率。可广泛应用于科研院所和风机生产厂家，具有较高的推广与应用价值。

第一章 概述

随着机械技术、微电子技术和信息技术的飞速发展，机械技术、微电子技术和信息技术的相互渗透也越来越快。要实现系统或产品的短、小、轻、薄和智能化，达到节省能源、节省材料、实现多功能、高性能和高可靠性的目的，机械与电子结合就成为了现代科技发展的趋势。对于风机的自动测控系统就是一个机械电子结合的范例。

1.1风机简述

风机是把原动机的机械能转变为气体能量的一种机械,它是用来提高气体压力,并输送气体的机械,是透平机械中的一种[1]。

风机按工作压力提高的程度来分,可以分为四种： 1） 风扇(<100Pa) 2） 通风机(0.1-15kPa) 3） 鼓风机(15-250kPa) 4） 压缩机(>250kPa或压比>3.5)

压缩机的压比又称压缩比，是压缩机出口与进口处气体压力之比。

风机使用面广，种类繁多，在工业生产中利用风机产生的气流做介质进行工作，可实

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现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作[2]。

1.2风机测试系统的发展

由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。风机性能试验是在风机转速不变的情况下，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程。目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风饥时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求．如压力，流量，转速，功率．噪声，可靠性等[3]。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。并且在电气拖动设备的运行过程中, 经常遇到这样的问题, 即拖动设备的负荷变化较大, 而动力源电机的转速却不变, 也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍, 浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行, 不仅可以满足生产的需要, 而且还能降低电能消耗, 延长设备的使用寿命。鼓风机系统采用变频调速, 并应用PLC或者单片机构成风压闭环自动控系统, 实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量, 即满足了生产需要, 又达到了节能降耗的目的[1]。由此可见，风机性能测控系统对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。虚拟仪器(VI)技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果，在此基础上，构成一个具有完整测试功能的计算机仪器系统，即虚拟仪器。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据用户的要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，目前，虚拟仪器技术在许多领域都得到广泛应用[4]。

1.3基于虚拟仪器的风机测试系统

现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统[5][6]。所以，为提高风机性能试验测试系统的性能，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机性能试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、仪器技术的结合(即虚拟仪器)，设计一种具有如下特点的计算机辅助风机性能自动测试与分析系统。

(1)自动采集风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准。 (2)自动控制风机转速。

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(3)自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。 (4)自动绘制风机性能曲线。

(5)系统界面友好，操作方便，便于用户使用。

论文的主要任务是以虚拟仪器为设计目标，选用适合的测试手段与测试方法，进行风机性能试验台的软硬件设计，实现试验数据自动采集与数据处理并最终生成风机性能曲线。

第二章 系统总体方案的设计

2.1风机性能测试方法

本文针对中、小型风机性能测试的研究，充分利用原有的风室型出口式风机性能试验装置，融入现代虚拟仪器技术[6]，通过虚拟仪器的DAQ数据采集模块，建立了一套基于PC机的风机性能自动采集系统。该系统能自动采集风机的原始参数即动压、静压、转矩、转速、温度，并计算出相应的流量、效率、轴功率，绘制出压力、效率、轴功率随流量的变化的有因次和无因次曲线，打印输出曲线及数据报表。 2.1.1风机主要性能参数

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风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。

(l)流量:单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量Q表示，其单位为“耐/s”或“m3/h”。严格地讲，风机的流量，特指风机进口处容积流量。

(2)全压:单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压，以P表示，单位为Pa。 (3)轴功率:原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以p表示单位为kw。

(4)有效功率:单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，单位为kw。 (5)效率:风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。

(6)转速:风机轴每分钟的转数称为转速，以n表示，单位为r/min。风机的各性能参数一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种，包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。

(7)有因次性能曲线:将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。

(8)无因次性能曲线:为了选择、比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤

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