1、編號無錫太湖學院畢業設計論文題目： 基于LabVIEW的風機性能 遠程測試系統的研究 信機 系 機械工程及自動化 專業學 號： 0923109學生姓名： 吳文進 指導教師： 陳浩 職稱：高工 職稱： 2021年5月25日無錫太湖學院本科畢業設計論文誠 信 承 諾 書本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計論文 基于LabVIEW的風機性能遠程測試系統的研究是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業設計論文中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業設計論文不包含任何其他個人、集體已發表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械93 學 號： 0923109 作者姓名： 2021 年 5 月

2、25 日無錫太湖學院信 機系 機械工程及自動化 專業畢 業 設 計論 文 任 務 書一、題目及專題：1、題目基于LabVIEW的風機性能遠程測試系統的研究 2、專題 二、課題來源及選題依據 課題來源：參考一些網絡資料，文獻資料，與老師商榷，最終從學校給定的課題中選定這一課題。 選題依據：評判風機的性能主要反響在三方面：產品質量的提高、工作效率的提高和工作質量的保證。出廠的風機性能能否到達樣本數據要求，改造后的風機是否能到達性能指標都需要進行性能測試。長期以來，我國的風機測試技術比較落后，主要以手動操作試驗過程、手工測量試驗數據、手工繪制數據曲線為主，存在勞動力大、測量精度低、手段落后等缺點。然

3、后，現代風機性能測試正從傳統人工測試向自動化測試轉變。計算機技術與測試儀器技術的結合，使人類研發出了一種新的測試儀器虛擬儀器。本文正是利用NI公司開發的軟件LabVIEW構建風機性能遠程測試系統的方案。此軟件構建的系統實現了“所得及所見 的可視化人機見面 ，采用的模塊化的思想將系統功能分區，使得遠程測試技術到達了一個新的高度。 三、本設計論文或其他應到達的要求： 熟悉虛擬測試儀器和傳統測試儀器的構成和特點。 熟練風機性能測試的原理和方法、風機性能曲線的繪制原理。 熟悉采集系統的設計和采集原理、熟練步進電機的選擇。 掌握虛擬測試系統的設計流程和總體結構。 熟練使用系統的操作界面和操作流程。 四、

4、接受任務學生： 機械93 班 姓名 吳文進 五、開始及完成日期：自2021年11月12日 至2021年5月25日六、設計論文指導或參謀：指導教師簽名 簽名 簽名教研室主任學科組組長研究所所長簽名 系主任 簽名2021年11月12日摘 要風機技術生產和研究的主要環節是風機性能檢測的試驗。隨著風機技術的開展，人們對風機性能檢測試驗的要求也越來越高。目前，現代風機性能測試正從人工測試向自動化測試轉變。測試儀器和計算機技術的結合，孕育了一種新的檢測儀器虛擬儀器。虛擬儀器是一種可以利用計算機資源，并由用戶設計其功能的具有一系列虛擬面板的儀器系統。虛擬儀器的網絡化是實現風機性能遠程測試技術的關鍵。在此根底

5、上，本文提出了利用NI公司開發軟件LabVIEW構建風機性能遠程測試系統的方案。 本文主要分為三局部。第一局部介紹了虛擬儀器的特點、組成、概念以及相關的網絡技術，并介紹了LabVIEW的特點；第二局局部析風機性能試驗根本原理，然后根據系統設計要求對傳感器、風機工作環境、旋轉擋板和數據采集卡等進行了選型，設計了信號調理電路；第三局部，以LabVIEW作為開發平臺具體做出風機系統的設計流程并對風機性能遠程測試系統的軟件設計進行討論和研究。關鍵詞：虛擬儀器；遠程測試；風機性能；LabVIEWAbstract Fan performance testing experiment is an indis

6、pensible step in the technology study and production of fan. With the development of the fan technological, its detection technology requirements are also getting higher. At present, modern fan performance testing is transforming from the traditional manual testing to automatic test.With integration

7、 of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology.With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology. Network building of virtual instruments is the key technology in actualizing the remote t

8、esting; Based on above discription, building of a long-distance fan testing system programme by using NI LabVIEW software was proposed in this paper. The paper is divided into three parts. The first part introduced the concept of virtual instruments, characteristics, structure and the virtual networ

9、k equipment-related network technology,and introduces the feature of LabVIEW. Fan performance test in the second part analysis the basic principle, and then based on the system design requirements of sensor, fan work environment, the rotary baffle and data acquisition card and so on has carried on t

10、he selection, design the signal conditioning circuit; The third part, the specific make fan system with LabVIEW as the development platform of the design process and performance of the fan is a remote test system software design are discussed and studied. Key words:virtual Instrument; remote testing

11、,;fan performance; LabVIEW 目 錄摘 要IAbstractI1 緒論11.1 引言11.2 研究的目的和意義11.3 國內外研究狀況11.4 本文研究的內容和目標12 虛擬儀器技術及相關知識12.1 虛擬儀器簡述12.2 虛擬儀器系統的構成12.2.1 虛擬儀器的硬件12.2.2 虛擬儀器的軟件12.3 虛擬儀器的特點12.4 虛擬儀器的開發平臺12.4.1 面向儀器與測控過程的圖形化開發平臺LabVIEW12.4.2 LabVIEW 的特點12.5 本章小結13 風機性能試驗的原理13.1 風機性能試驗概述13.1.1 風機性能試驗的原理和方法13.1.2 風機的性

12、能參數13.1.3 風機的性能曲線13.2 風機性能試驗13.2.1 風機性能測試的環境參數13.2.2 風機性能測試中的結構參數13.2.3 風機性能試驗裝置的方案及選用13.3 風機性能參數的相關計算、處理1 風機性能曲線繪制13.5 本章小結14采集系統的設計14.1 風機性能測試系統的組成14.2 風機工況調節裝置的設計14.2.1 結構設計14.2.2 步進電機的控制14.2.3 步進電機的選擇14.3 系統測試的內容與方法14.3.1 靜壓的測量14.3.2 流量的測量14.3.3扭矩的測量14.4 傳感器的選用1 壓力傳感器14.4.2 差壓傳感器14.4.3 溫度傳感器14.4

13、.4 轉速傳感器14.5 信號調理電路14.6 數據采集卡15 虛擬測試系統的結構1 系統設計流程1 基于虛擬儀器的風機性能遠程測試系統的總體結構15.2.1 系統的總體結構115.2.3 系統操作流程15.3 數據采集15.4 數據處理15.4.1 數據計算15.4.2 曲線擬合15.5 試驗數據15.6 本章小結16 總結與展望16.1 總結16.2 研究展望1致謝1參考文獻11 緒論1.1 引言風機使用面廣，種類繁多，普及國民經濟各部門，利用風機產生的氣流為介質進行工作，可實現工業生產中別離、清選、加熱烘干、除塵降溫、物料輸送、通風換氣等多種工作。所以，在我國的化工、冶金和建材等部門，風

14、機得到了廣泛的應用。如冶金工業中的鍋爐鼓風、空氣調節設備和家用電器設備中的設備通風和冷卻、風洞風源和氣墊船的充氣和推進、化工業中的氣體排送、采礦業中的礦井通風、廠房的通風等都離不開風機。在農業中氣力播種、谷物清選、植物保護、物料枯燥、農副產品加工以及物料輸送等方面都要用到風機1。風機系統中處于核心地位是氣力輸送，它輸送的風量和提供的壓力強有力地保證了系統的可靠性和有效性。風機的平安可靠性在工農業生產中的地位顯而易見。而風機的平安性及其工作效益與它的性能息息相關，所以風機具備良好的性能可以保障日常生產平安運行。由于風機內氣體流動的復雜性，目前還很難用單純的理論計算方法準確地獲得風機性能曲線，只能

15、通過試驗方法測定。因此，快速準確地測定風機性能參數并繪制性能曲線對開展風機的研究有重要的意義。1.2 研究的目的和意義 評判風機的性能主要反響出三方面：產品質量的提高、工作效率的提高和工作質量保證的關鍵因素。校驗產品的氣動性能能否到達設計要求、出廠的風機性能能否到達樣本數據的要求、改造后的風機是否能到達性能指標都需要進行性能測試。性能測試也是診斷故障的前提。風機的工作表達在輸送流量、產生全壓、所需功率及效率。為了人們能正確使用風機，我們必須了解這些參數之間的相互關系。但由于風機理論至今尚未完善，所以大局部依賴于狀態試驗獲取風機狀態參數。風機狀態試驗原理是在風機轉速不變的情況下改變，改變風機的流

16、量來檢測風機的其他各個參數，并且繪制狀態曲線。目前，風機用戶為提高自身的經濟效益，在選擇風機時對風機的各指標提出了更為嚴格的要求，如壓力，轉速，流量，噪聲，功率，可靠性等。與此同時，風機生產廠家為了提高自身的競爭能力，在努力提高機械加工，改進氣動設計的同時，也對風機狀態試驗的開發和研究給予了高度的重視。長期以來，我國的風機測試技術比較落后，主要以手動操作試驗過程、手工測量試驗數據、手工繪制數據曲線為主，存在勞動強度大、測量精度低、測量手段落后等缺點。然而，現代風機性能測試正迅速從傳統人工測試向自動化測試轉變。計算機技術與測試儀器技術的結合，使得人類研發出了一種新的測試儀器虛擬儀器。虛擬測試技術

17、和計算機通信技術的結合，使得虛擬儀器應運而生，信號的采集、處理和傳輸形成了一體化，不再受環境、地域等的限制。虛擬儀器的網絡化是虛擬儀器目前開展的必然趨勢。由此，本文提出了利用NI 公司開發軟件LabVIEW構建風機性能遠程測試系統的方案。1.3 國內外研究狀況在過去的70年，風機的應用不斷拓廣。1922 年，羅本遜先生的?礦井通風實踐?，使得風機控制開始從自然通風過渡到機械通風。 丹麥是世界上研究風機最早國家之一，很多風機制造商如Bonus公司、Vestas和Wincon風機公司都具有先進的風機性能試驗系統，能夠自動測試風機性能參數，并且進行分析，以此指導風機生產，提高風機性能和效率。我國風機

18、性能測試大體上經歷三個階段23： 1上世紀五十年代以后，我國許多學院和高等院校以化工部門頒發的標準研制了風機測試試驗臺，但測試手段落后，主要以手工測量為主。采用畢托管、杠桿測矩等傳統儀器進行數據采集，人工計算、流量、壓力、效率和功率等參數，手工繪制性能曲線。這樣測測精度不高、勞動強度大、工作效率低。 2八十年代中期，可編程計算機PC-1500的出現使風機性能測試程序實現了局部儀表測試的自動化；后來出現APPLE微型計算機和有關測試儀器，通過GPIB總線在計算機上存儲、顯示、處理數據和打印，由自動繪圖儀拷貝試驗結果大大提高了工作效率。3以上風機測試系統大局部為半自動測試，其。該系統能夠完成試驗數

19、據的計算機自動集、顯示、處理、存盤、打印及曲線的實時屏顯，并且能夠查詢當前和歷史試驗數據，實現了人機界面的良好。1.4 本文研究的內容和目標在本文中，我們以風機性能測試系統的根本結構、特點以及數字化測試技術為核心，以虛擬儀器模塊化的設計思想為依據，利用LabVIEW軟件構建的一個C/S模式的數據采集系統來對風機性能進行遠程測試。具體研究內容如下： 1、對風機性能試驗根底的研究。 2、利用風機性能試驗的原理，確定系統設計的方案和系統實現的功能，并確定本系統的結構。 3、根據對LabVIEW構建的虛擬儀器系統硬件根底的分析，對系統的結構和體系進行深入分析。 4、以虛擬儀器模塊化和層次化為設計思想，

20、確定系統的功能模塊。5、采用LabVIEW軟件平臺將功能模塊進行編程，全面優化數據采集和處理、曲線擬合、數據存儲等方面。6、在LabVIEW平臺上實現客戶端與現場儀器系統的數據交換，從而實現遠程檢測。 2 虛擬儀器技術及相關知識虛擬技術、計算機通信技術與網絡技術是信息技術的重要組成局部，它們被稱為21世紀科學技術中的三大核心技術。虛擬儀器技術的出現大大的改變了人們現有的工作模式、思維模式和生活模式。2.1 虛擬儀器簡述1986年，美國國家儀器公司(National Instruments Corporation簡稱NI)首先提出來虛擬儀器。它的出現，打破了傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的固有

21、模式。給用戶一個充分發揮自己才能和想象力的空間，用戶(而不是廠家)可以根據自己的需求，設計自己的儀器系統。虛擬儀器中的“虛擬包括以下兩方面：1虛擬儀器面板是虛擬的。虛擬儀器面板控件是與實物相似的“圖標，用戶只需選用和軟件程序相似的圖形“控件，然后通過計算機的鼠標來對其進行操作。2虛擬儀器測量功能都是由軟件編程來實現的。2.2 虛擬儀器系統的構成任何測量系統都必須包含數據采集、數據分析和處理和數據顯示和輸出三個模塊，虛擬儀器就是將這些模塊用不同的硬件和軟件來實現。 2.2.1 虛擬儀器的硬件虛擬儀器測試系統的硬件通常包括傳感器、信號采集、信號調理、等I/O接口設備和通用計算機。計算機一般是PC機

22、或工作站，是整個硬件的核心，；傳感器那么是測試系統獲取外界信息的通道；I/O接口設備那么采集、放大、A/D、D/A轉換被測信號等。 2.2.2 虛擬儀器的軟件虛擬儀器系統的軟件結構包含以下三局部：（1） I/0 接口軟件：是最接近硬件的軟件層，存在于驅動程序和硬件之間，為硬件和驅動程序提供信息交流。（2） 驅動程序層：一般以動態鏈接庫或靜態庫形式供應用程序調用，是實現儀器控制的橋梁。驅動程序的實質是一個較為抽象的操作函數集，為用戶提供儀器操作。（3） 應用程序開發環境：是虛擬儀器的核心，可以完成測試系統數據的分析、計算、顯示和輸出等任務。 表2-1虛擬儀器與傳統儀器的比較傳統儀器虛擬儀器儀器由

23、廠商定義用戶自己定義硬件是關鍵軟件是關鍵儀器功能規模固定系統規模功能可通過軟件增減修改封閉的系統，與其他設備連接受限基于計算機的開發系統，可方便的同外設，網絡及其它應用程序連接 價格昂貴價格低，可重復利用技術更新慢周期5-10年技術更新快周期1-2年 開發和維護費用高軟件結構大大節省了開發和維護費用 2.3 虛擬儀器的特點虛擬儀器是基于計算機技術的一種全新的儀器設計概念，它與傳統儀器相比顯示出了眾多的優點4。虛擬儀器與傳統儀器的比較見表2-15虛擬儀器測試系統是集控制、測量、計算為一體，各種自動測試工作都是在計算機參與下完成的。因此虛擬儀器的特點可歸納為6：1在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳

24、統儀器中的硬件來完成儀器的功能；2儀器的功能是用戶根據需要由軟件來定義的，突出“軟件就是儀器的新概念；3儀器性能的改進和功能擴展只需進行軟件的設計更新，不需要重新購置新的儀器；4研發周期比傳統儀器相比大為縮短；5虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業標準；6虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步開展，可與網絡及其它周邊設備互聯，以便于構成復雜的測試系統；7性價比高。虛擬儀器的信號傳送和數據處理幾乎都是靠數字信號或軟件來實現的，大大降低了系統誤差和環境干擾和影響；2.4 虛擬儀器的開發平臺 2.4.1 面向儀器與測控過程的圖形化開發平臺LabVIEWLabVIEW 是 Laboratory Virtu

25、al Instrument Engineering Workbench實驗室虛擬儀器工程平臺的縮寫，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析等領域。它是一種基于圖形編程語言G 語言(Graphical Programming Language)的可視化開發平臺7。1G語言編程LabVIEW 與常規的 BASIC、C/C+等語言相比，它具有語言的所有特性，如相似的程序調試工具、數據類型，以及模塊化的編程特點等，二者的區別僅僅是編程方式不同。但二者最大的區別是LabVIEW使用圖形語言各種圖標、圖形、連線等以框圖的形式編寫程序。所以，LabVIEW不僅僅是一個功能較完整的軟件開發環境，而是一種真正的編

26、程語言，由于其獨特的圖形化編程方式，又被稱為G語言8。2基于LabVIEW的虛擬儀器程序設計結構LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序Virtual Instrument，簡稱為VI。一個VI程序都由三個主要局部組成：前面板、框圖程序、圖標/連接器。前面板Front Panel是虛擬程序的交互式圖形化用戶界面，目的是仿真傳統儀器的前面板，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出。框圖程序Block Diagram是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制，也是 LabVIEW 作為G語言的主要表達。 圖標/連接器Icon/Connector用于把 VI 定義成一個子程序Sub VI，這種子程序可以在其

27、它程序中加以調用，這使LabVIEW得以實現層次化、模塊化編程。 2.4.2 LabVIEW 的特點LabVIEW 軟件的特點可歸納為以下幾點9：1圖形化的儀器編程環境：使用“所見即所得的可視化技術建立人機界面。在測控領域，LabVIEW提供了大量的儀器面板中的控制對象，用戶還可以通過控制編輯器將控制對象修改成自己喜歡的個性特點的控制對象；2內置的程序編譯器：它采用編譯方式運行32位應用程序，解決了其他按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題；3并行機制：功能模塊用圖標表示，數據傳遞用連線表示，使用大多數人熟悉的數據流程圖式的語言編程，這樣使得編程過程與思維模式非常相似；4靈活的程序調試手段：

28、用戶可以在源代碼中設置斷點、單步執行源代碼、在源代碼中的數據流連線上設置探針，觀察程序運行過程中數據流的變化等；5支持多種系統平臺：在Windows NT/95，UNIX，HP等系統平臺上，NI都提供了相應版本的軟件，并且平臺之間開發的應用程序可直接進行移值；6強大的函數庫：從根本的數學函數、字符串處理函數、數組運算函數和文件輸入輸出函數到高級的數字信號處理函數和數值分析函數，可供用戶直接調用；7開放式的開發平臺：提供DLL接口和CIN節點來使用戶有能力在LabVIEW平臺上使用其它軟件平臺編譯的模塊；8 網絡功能：它支持 TCP/IP，DDE，DataSocket 等功能。2.5 本章小結本

29、章首先介紹了虛擬儀器的概念，進而對虛擬儀器系統的軟硬件組成及其虛擬儀器開發平臺LabVIEW進行了詳細的闡述和討論，對傳統儀器和虛擬儀器的優缺點進行比較，總結出了虛擬儀器的特點。3 風機性能試驗的原理3.1 風機性能試驗概述 3.1.1 風機性能試驗的原理和方法風機工作過程總是離不開管網的，氣體在風機中獲得外功時，其壓力與流量之間的關系是根據與風機的性能曲線變化的。而當氣體通過管網時，其全壓流量P-Q關系隨管網的性能曲線變化而變化。因此，總結出風機的性能與管網的性能之間必須有以下關系：1通過風機氣體流量與管網的氣體流量肯定完全相等；2風機所產生的全壓的一局部壓力用于克服管網中的阻力H，我們稱之

30、為靜壓Ps，其余局部那么在氣流從管網出口時消耗，我們稱之為動壓Pd，風機的全壓P那么等于管網的總阻力消耗的加上管網出口時損失的，即 P=H+Pd。圖3.1為風機壓力與管網阻力之間的關系。要滿足上述要求，整個裝置試驗條件只能在風機P-Q 曲線與管網性能曲線的交點處A上運行。在A點處，兩者的流量Qm是相等的，阻力H與靜壓力也是相等的，我們把A點稱為工況點。工況點的位置是由管網性能曲線與風機靜壓曲線的交點來決定的，當管網性能曲線變為 H'、H''時，工況點也會隨之改變，假設風機的壓力曲線不變，工況點就會沿著壓力曲線移動至A'、A''。風機性能測試就是基

31、于這一原理，在風機的轉速不變時，調節排氣節流閥的開度，改變管網特性曲線、改變工況點，從而改變了風機的流量等參數，在各個對應的工況點下測定該風機的動壓、靜壓、軸功率、電機轉速等參數，再通過計算得到各工況點的效率，進而繪制風機的性能曲線，包流量靜壓Q-Ps曲線、流量功率Q-N曲線、流量效率Q-曲線、流量全壓曲線Q-P等，對風機在一定轉速下的性能標定進行控制。圖3.1 風機壓力和管網阻力的關系由于風機內部流體運動規律相當復雜，至今我們還不能靠理論的方法準確計算出它的各種損失，因而不能準確的計算出風機的各性能參數，所以用計算的方法得到的風機性能曲線與實際的性能曲線有著較大差異。特別對于非設計工況，計算

32、值與實際值的誤差就更大。因此，我們要通過試驗確定風機工作性能參數，從而確定工作風機的工作性能曲線，從而確定風機的工作范圍，以便向用戶提供高效率的風機。 3.1.2 風機的性能參數風機主要性能參數有流量、全壓、功率、轉速及效率等。1流量：單位時間內風機所輸送的流體量稱為為流量，也稱為風量。常用體積流量Q表示，其單位為“或“。2全壓：單位體積的氣體在風機內所獲得的能量稱為全壓，也稱為風壓。常用P表示，單位為。3軸功率：原動機傳遞給風機轉軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，常用表示，單位為kw。4有效功率：單位時間內通過風機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用表示，單位 kW。5效率：風機輸入

33、功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中肯定一局部的能量損失，被輸送的氣體實際得到的功率比原動機傳遞至風機軸端的功率要小，風機有效功率與軸功率之比稱為風機效率。常以表示。風機全壓效率可達90。風機效率越高，那么氣體從風機中得到的能量有效局部就越大，經濟性就越高。6轉速：風機軸每分鐘的轉速稱為轉速，常以n表示，單位為r/min。 3.1.3 風機的性能曲線由于理論計算得不到準確的風機特性曲線，因此，在實際應用上，都采用試驗方法繪制。由試驗得到風機的性能參數繪制風機的性能曲線為風機性能測試的最終結果。3.2 風機性能試驗本文用風機空氣動力特性試驗的方法，求得風機溫度、壓力、流量、濕度、轉速及功率等參數。

34、區別于傳統的風機性能參數的人工測量，本課題采用以計算機為核心，配以自動化程度較高的測試傳感器件組成測試系統。 3.2.1 風機性能測試的環境參數風機性能測試的標準環境參數如下：空氣溫度：=20絕對壓力：=1.013×103相對濕度：=50%氣體密度：氣體常數：本系統采用以上標準環境參數進行設計。 3.2.2 風機性能測試中的結構參數風機出口面積：風管直徑：節流裝置的開孔直徑：風機葉輪外徑：孔板與風管直徑比：孔板流量系數：在本測試中，我們設定管道氣流的雷諾數在 的范圍之內，又根據結構參數可知：,所以選取孔板流量系數 和氣體膨脹系數，根據本試驗的布置，本系統中，。 3.2.3 風機性能試

35、驗裝置的方案及選用風機的性能試驗裝置，是由節流器、整流器和風管等部件組成。這些部件必須保證風機在任何工作情況下，氣流流動穩定，不會出現渦流。 風機性能試驗裝置分為風室式和風管式兩類10。風室式試驗裝置由流量風室、測試管路、輔助通風機、整流器和流量調節器等組成，根據腔室與通風機進口和出口的連接方式不同，分為進氣風室和出氣風室兩種試驗裝置；風管式試驗由流量調節裝置、測試管路、錐形連接管以及整流裝置等組成。根據試驗管路與通風機進氣口和出氣口的連接方式不同，分為進氣、出氣、進出氣三種試驗裝置。（1） 進氣試驗：這種布置形式只在風機進口設置管道，如所示。氣體從集流器l 進入吸風管道2，再流入葉輪3，在管

36、道進口處裝有調節風量用的錐形節流門4，并在吸風管道中放置測量流量用的畢托管5和靜壓測管6。（2） 排氣試驗：這種布置形式只在風機出口設置管道，如下列圖。氣體從集流器1進入葉輪2，由葉輪流出的氣體從排風管道3流出，用出口錐形二冷流門4調節流量，并在管道上裝設靜壓測管5和畢托管6。（3） 進排氣聯合試驗：這種布置形式是在風機進出口都裝設管道，如下列圖。氣體由集流器1進入吸風管2。經葉輪3流入排風管道4，然后排出，在出口裝一錐形節流門5調節風量。并在進出口管道上裝設靜壓測管6和畢托管7。在試驗中采用哪一種布置形式，可根據各自的習慣及現場的試驗條件來決定。例如送風機是從大氣吸入空氣，經管道送入爐膛，應

37、采用排氣試驗裝置。引風機是抽出爐膛的煙氣使之排入大氣，那么應采用進排氣聯合試驗裝置。因本系統原有試驗臺為一風管式試驗臺，所以，本系統采用風管式排氣試驗裝置。 圖3.2進氣試驗裝置1一集流器 2一進氣風管 3一葉輪 4一錐形節流門 5一畢托管 6一靜壓測管 圖3.3排氣試驗裝置1一集流器2一葉輪3一排氣風管4一錐形節流門5一靜壓測管6一畢托管圖3.4進排氣試驗1一集流器2一吸風管3一葉輪4一排風管5一錐形節流閥6一靜壓測管7一畢托管由風機狀態試驗方法可以看出，風機狀態試驗應主要完成試驗數據的測量、風機狀態參數的計算、風機試驗臺的控制和風機狀態曲線的繪制四局部內容。所以，如何使這四局部功能實現自動

38、化是系統設計的關鍵。3.3 風機性能參數的相關計算、處理在風機狀態試驗臺上由傳感器測得的試驗數據包括壓差、靜壓、扭矩等信號，而風機狀態參數包括流量、全壓、靜壓、功率、效率等數值，所以試驗測得的數據必須經過計算、整理才能得到風機狀態參數值，以下為狀態參數計算公式：風機流量： 3.1風機動壓： 3.2風機全壓： (3.3) 風機軸功率： 3.4風機有效功率： 3.5風機效率： 3.6風機流量系數： 3.7風機壓力系數： 3.8風機功率系數： 3.9其中：-氣體膨脹系數 -孔板流量系數 -節流孔板直 -風機靜壓 -風機葉輪外徑處的圓周速度 -空氣密度 -風管直徑 -電機的輸出扭矩 -風機轉速標準狀態

39、：大氣壓力P=101324Pa 大氣溫度為t=20 在本系統中風管直徑D為360mm，節流孔板的直徑d0為140mm，開孔比在以下條件下(其中Rep為管道氣流的雷諾數)： 依據GB1236-85，選取孔板流量系數本系統中， ， 風機性能曲線繪制與通風機狀態表相比，風機狀態曲線更能連續、全面地反映其狀態特性。所以各國的通風機狀態試驗方法標準中，都規定了試驗報告應提供氣動狀態曲線圖。但有些標準對氣動狀態曲線的繪制未做統一的規定，繪制的曲線不可防止地存在誤差，尤其用做圖法，其隨意性就更大。因此用統計分析的方法，即用曲線擬合的結果作為風機狀態曲線的數學表達式最為合理。關于曲線擬合的方式有許多種，如指數

40、擬合、正交多項式擬合11以及切比雪夫擬合等，選用何種方法，應根據原始數據所描繪的圖形來決定。對于風機，由于其特性曲線的形狀多為拋物線型，所以本文采用最小二乘法原那么來擬合狀態參數。所謂最小二乘法就是用數學統計的方法處理試驗觀測值，使試驗觀測值的期待值等于他的理論值，到達對觀測值的校正。3.5 本章小結本章首先對風機性能試驗做了詳細的闡述，包括風機的性能參數的概念，風機性能實驗裝置以及風機性能參數的處理方法，并且最后對風機性能曲線的繪制方法做出了選型。4采集系統的設計4.1 風機性能測試系統的組成雖然軟件在虛擬儀器測試系統中起關鍵作用，但仍離不開硬件設備，對數據的輸入輸出，系統硬件設備組成局部是

41、整個測試系統的根底。針對設計目標，本文采用PC-DAQ測試系統，本PC-DAQ測試系統的硬件主要包括風機及配套附件、流量調節裝置、步進電機傳感器、數據采集卡、信號調理電路和通用計算機PC機等，主要完成風機工況的調節和風機各性能參數的采集等工作。虛擬測試系統的硬件組成如下列圖。PC機大氣溫度、濕度、壓力 鍵盤 溫度傳感器顯示信號調理壓差變送器打印DAQ卡轉速傳感器扭矩傳感器壓力傳感器風機試驗臺 步進電機減速器流量調節電路板風機 在該系統中，試驗的結構參數、環境參數以及一些初始參數由用戶設置并保存以待查看和調用。各個傳感器檢測各路試驗數據經調理電路后由DAQ卡傳入到計算機中，系統軟件對各采集信號進

42、行計算處理，將其作為風機性能參數保存下來。當用戶發出指令改變風機運轉工況時，由工況調節裝置來實現流量的調節。工況設定以后，重復上述信號采集、處理過程，直至檢測全部工況的試驗數據，最后運用最小二乘法擬合試驗數據，繪制風機性能曲線。4.2 風機工況調節裝置的設計風機性能試驗是在一定轉速下改變風機工況，即在改變風管中氣流流量的情況下進行的，是通過測量出多個工況點的參數而繪制出風機的性能曲線。本系統采用自行設計的旋轉擋板裝置，在風機進口處安裝圓形擋板，通過步進電機拖動圓形擋板旋轉來實現風管進口大小的變化，從而實現風機工況的調節。 4.2.1 結構設計為實現風管進口氣流流量的調節，即風機工況的調節，本系

43、統設計一旋轉擋板裝置。旋轉擋板的結構簡圖如圖4.2所示。在風管進口處安裝一圓形擋板，步進電機通過減速器帶動圓形擋板的轉動，實現擋板與風管進口處孔隙的變化，即實現流量的變化。1 減速器 2風管 3圓形擋板 4聯軸器 5步進電機圖4.2旋轉擋板的結構簡圖風機工況調節的過程：風機的工作流程如圖4.3所示，由DAQ卡上的脈沖輸出口輸出脈沖信號加于數字電路板，控制步進電機的步進角度、正反轉及步進速度；數字電路板用于脈沖分配和步進電機的驅動；將減速器加于步進電機與旋轉擋板之間，用于防止風機運行過程中由于風力過大使擋板產生轉動。通過編程，控制脈沖信號的個數和正反轉信號，當用戶發出指令改變風機運轉工況時，PC

44、機通過DAQ卡輸出電壓信號，此電壓信號再經過電路轉換，驅動步進電機使其轉過設定的角度，控制旋轉擋板的轉動，這樣就實現風機由工況1到工況10的調節，從而實現了流量的調節，其旋轉擋板在各工況下的轉動情況如下列圖。旋轉擋板減速器步進電機電路板DAQ卡PC機控制電路電源驅動電路 圖4.3旋轉擋板的工作流程圖4.4 圓形擋板各工況下的轉動位置 4.2.2 步進電機的控制以上風機工況的調節是利用圓形擋板旋轉不同的角度而實現氣流流量的調節，而擋板的旋轉角度是由步進電機來控制的。當系統將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉子就轉一步；當電脈沖按某一相序加到電機時，轉子沿某一方向轉動的步數就等于電脈沖的個數

45、。因此，改變輸入脈沖的數目就能控制步進電機轉子機械位移的大??；改變輸入脈沖的通電相序，就能控制轉子位移的方向，實現位置的控制。當電脈沖按某一相序連續加到步進電機時，轉子以正比于電脈沖頻率的轉速沿某一方向旋轉。因此，改變電脈沖的頻率大小和通電相序，就可控制步進電機的轉速和方向。 4.2.3 步進電機的選擇由于本系統是通過改變擋板的旋轉角度來實現流量調節的，所以精度要求不是很高。步進電機的選擇一般由步距角、靜力矩及電流三大要素來決定11,12。步進電機的一個顯著特點是步距角固定，目前步進電機的步距角一般有0. 36°/0. 72°五相電機、0. 9°/1. 8

46、6;二、四相電機、1. 5°/3 °三相電機，由于精度要求不高，本系統選用1. 5°的步進電機。本流量調節裝置中負載為減速器和旋轉擋板，轉矩在0.510N·m之間。根據實際要求，選擇電流為1.5A的電機。電機的工作方式有三拍和六拍，由其頻率特性知道六拍的頻率特性好過三拍的。綜合各方面因素，本系統選用三相六拍反響式步進電機，其型號為 75BF003，其參數如表4-1 所示。表4-1 步進電機的參數相數步距角電壓電流轉子轉動慣量31.5°30V×1064.3 系統測試的內容與方法 4.3.1 靜壓的測量測量風機的靜壓，一般是在風管的橫截面

47、上垂直開設靜壓孔，本文采用D-D/2取壓法此取壓法本文暫不做具體介紹，上游取壓管位于距節流件前端面1D±0.1D處，下游取壓管中心位于距節流件前端面 D/2±0.02D處。由于流體的慣性很大，常用的“氣動測壓方法不能測量隨著時間快速變化的壓力值。在電機啟動、加力時，都會產生壓力值變化很大的壓力，這是一種非周期變化的壓力。只能依靠壓力傳感器才有可能測量這些壓力。 4.3.2 流量的測量在流量測量領域里，差壓式流量計的使用一直居首位。差壓式流量計是利用伯努利方程原理來測量流量的儀表。差壓式流量計通常由能將流體流量轉換成差壓信號的節流裝置和測量差壓并顯示流量的差壓計差壓變送器組成

48、。它包括節流式流量計、均速管流量計等，其中，節流式流量是一類系列化和標準化、種類繁多、應用極廣的流量儀表13。它的節流裝置已標準化，如標準孔板、標準噴嘴、文丘里管等。 4.3.2.1 測量原理節流裝置是一種放置在流體管道內，使流體造成局部收縮的一種部件，如收縮噴嘴，孔板與文丘利管等，當流體流過節流裝置時，伴隨著流束的收縮，流體的平均速度增大，靜壓不斷下降，在最小截面處，速度最高，壓力最低，且流體體積流量和壓力差的平方根成正比。對于各種形式的節流裝置，流量測量依據的根本理論和方程式都是一樣的，僅僅是其中有些系數不同。為了簡單起見，首先假設流體是不可壓縮的(密度P不變化)、理想的(流體沒有粘性)、

49、定常流動(管道內各點的參數不隨時間變化)，管道是水平放置的。能量守恒方程即理想流體的伯努力方程式14： 4.1其中：p1和p2和分別為截面F1(I-I)和F2(II-II)上的靜壓力；vl和v2為截面F1和F2處的平均流；r為流體的重度；g為重力加速度。由于流體是不可壓縮的，從截面F1流入的流體體積一定等于F2流出的流體體積，即 (4.2) 式(4.2)即為不可壓縮流體的質量守恒方程。流束的最小截面F2由節流裝置的開孔面積 (4.3)其中u為流束的收縮系數。它的大小和節流裝置的形式有關。將式(4.3)代入(4.2)有 (4.4) 令為溫度為t1時，開孔面積和管道截面積之比4.5代入4.1式得

50、4.6在推導式(4.6)中，壓力和均取F1和F2處流束的平均壓力，而在實際測量中，經常取節流裝置前后端面處的壓力即p1和p2。其次，在推導方程中，沒有考慮流體的摩擦，為此引入系數對v2進行修正，這樣 (4.7)被測流體流過節流裝置的體積流量為 (4.8)令，稱為流量系數，代入4.8得 4.9式4-9為不可壓縮流體流過節流裝置的體積流量方程式。式中各字母代表物理量如下所示：F0：節流裝置的工作開孔面積。：重力加速度。R：不可壓縮流體的重度。P=p1一P2：節流裝置前后的壓力差。：流量系數，它和節流裝置的面積比m及流體的粘性，重度，取壓方式等多種因素有關，是一個實驗確定的系數。當測量氣體和蒸汽的流量時，流體流過節流裝置，伴隨壓力的變化，介質的重度將發生變化，因此不可壓縮的假設不成立，這時，可以從可壓縮流體的泊努力方程(能量)方程和質量守恒方程，利用推導不可壓縮流體流量方程類似的方法求出可壓縮流體的流量方程式。在推導過程中引入可壓縮介質的膨脹系數，那么可壓縮流體的流量方程可表示為： (4.10)所以在本測試系統中，通過壓差變送器測量出節流孔板兩端的壓差，即可根據式(4.10)計算出流量的數值。 4.