基于LabVIEW的风机性能远程测试系统的研究

摘 要风机技术生产和研究的主要环节是风机性能检测的试验。随着风机技术的发展，人们对风机性能检测试验的要求也越来越高。目前，现代风机性能测试正从人工测试向自动化测试转变。测试仪器和计算机技术的结合，孕育了一种新的检测仪器虚拟仪器。虚拟仪器是一种可以利用计算机资源，并由用户设计其功能的具有一系列虚拟面板的仪器系统。虚拟仪器的网络化是实现风机性能远程测试技术的关键。在此基础上，本文提出了利用 NI 公司开发软件 LabVIEW 构建风机性能远程测试系统的方案。本文主要分为三部分。第一部分介绍了虚拟仪器的特点、组成、概念以及相关的网络技术，并介绍了 LabVIEW 的特点；第二部分分析风机性能试验基本原理，然后根据系统设计要求对传感器、风机工作环境、旋转挡板和数据采集卡等进行了选型，设计了信号调理电路；第三部分，以 LabVIEW 作为开发平台具体做出风机系统的设计流程并对风机性能远程测试系统的软件设计进行讨论和研究。关键词：虚拟仪器；远程测试；风机性能；LabVIEWAbstractFan performance testing experiment is an indispensible 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 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 testing; 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 network 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 the 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,;fan performance; LabVIEW目 录摘 要 .IIIAbstract .IV1 绪论 .11.1 引言 .11.2 研究的目的和意义 .11.3 国内外研究状况 .11.4 本文研究的内容和目标 .22 虚拟仪器技术及相关知识 .32.1 虚拟仪器简述 .32.2 虚拟仪器系统的构成 .32.2.1 虚拟仪器的硬件 .32.2.2 虚拟仪器的软件 .32.3 虚拟仪器的特点 .32.4 虚拟仪器的开发平台 .42.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台 LabVIEW .42.4.2 LabVIEW 的特点 .42.5 本章小结 .53 风机性能试验的原理 .63.1 风机性能试验概述 .63.1.1 风机性能试验的原理和方法 .63.1.2 风机的性能参数 .63.1.3 风机的性能曲线 .73.2 风机性能试验 .73.2.1 风机性能测试的环境参数 .73.2.2 风机性能测试中的结构参数 .73.2.3 风机性能试验装置的方案及选用 .83.3 风机性能参数的相关计算、处理 .93.4 风机性能曲线绘制 .103.5 本章小结 .104 采集系统的设计 .114.1 风机性能测试系统的组成 .114.2 风机工况调节装置的设计 .114.2.1 结构设计 .114.2.2 步进电机的控制 .124.2.3 步进电机的选择 .134.3 系统测试的内容与方法 .134.3.1 静压的测量 .134.3.2 流量的测量 .134.3.3 扭矩的测量 .154.4 传感器的选用 .164.4.1 压力传感器 .164.4.2 差压传感器 .164.4.3 温度传感器 .174.4.4 转速传感器 .174.5 信号调理电路 .174.6 数据采集卡 .185 虚拟测试系统的结构 .205.1 系统设计流程 .205.2 基于虚拟仪器的风机性能远程测试系统的总体结构 .205.2.1 系统的总体结构 .215.2.2 系统主界面 .225.2.3 系统操作流程 .235.3 数据采集 .245.4 数据处理 .265.4.1 数据计算 .265.4.2 曲线拟合 .275.5 试验数据 .275.6 本章小结 .296 总结与展望 .306.1 总结 .306.2 研究展望 .30致谢 .32参考文献 .33基于 LabVIEW 的风机性能远程测试系统的研究1 绪论1.1 引言风机使用面广，种类繁多，遍及国民经济各部门，利用风机产生的气流为介质进行工作，可实现工业生产中分离、清选、加热烘干、除尘降温、物料输送、通风换气等多种工作。所以，在我国的化工、冶金和建材等部门，风机得到了广泛的应用。如冶金工业中的锅炉鼓风、空气调节设备和家用电器设备中的设备通风和冷却、风洞风源和气垫船的充气和推进、化工业中的气体排送、采矿业中的矿井通风、厂房的通风等都离不开风机。在农业中气力播种、谷物清选、植物保护、物料干燥、农副产品加工以及物料输送等方面都要用到风机 1。风机系统中处于核心地位是气力输送，它输送的风量和提供的压力强有力地保证了系统的可靠性和有效性。风机的安全可靠性在工农业生产中的地位显而易见。而风机的安全性及其工作效益与它的性能息息相关，所以风机具备良好的性能可以保障日常生产安全运行。由于风机内气体流动的复杂性，目前还很难用单纯的理论计算方法准确地获得风机性能曲线，只能通过试验方法测定。因此，快速准确地测定风机性能参数并绘制性能曲线对开展风机的研究有重要的意义。1.2 研究的目的和意义评判风机的性能主要反应出三方面：产品质量的提高、工作效率的提高和工作质量保证的关键因素。校验产品的气动性能能否达到设计要求、出厂的风机性能能否达到样本数据的要求、改造后的风机是否能达到性能指标都需要进行性能测试。性能测试也是诊断故障的前提。风机的工作体现在输送流量、产生全压、所需功率及效率。为了人们能正确使用风机，我们必须了解这些参数之间的相互关系。但由于风机理论至今尚未完善，所以大部分依赖于状态试验获取风机状态参数。风机状态试验原理是在风机转速不变的情况下改变，改变风机的流量来检测风机的其他各个参数，并且绘制状态曲线。目前，风机用户为提高自身的经济效益，在选择风机时对风机的各指标提出了更为严格的要求，如压力，转速，流量，噪声，功率，可靠性等。与此同时，风机生产厂家为了提高自身的竞争能力，在努力提高机械加工，改进气动设计的同时，也对风机状态试验的开发和研究给予了高度的重视。长期以来，我国的风机测试技术比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制数据曲线为主，存在劳动强度大、测量精度低、测量手段落后等缺点。然而，现代风机性能测试正迅速从传统人工测试向自动化测试转变。计算机技术与测试仪器技术的结合，使得人类研发出了一种新的测试仪器虚拟仪器。虚拟测试技术和计算机通信技术的结合，使得虚拟仪器应运而生，信号的采集、处理和传输形成了一体化，不再受环境、地域等的限制。虚拟仪器的网络化是虚拟仪器目前发展的必然趋势。由此，本文提出了利用 NI 公司开发软件 LabVIEW 构建风机性能远程测试系统的方案。1.3 国内外研究状况在过去的 70 年，风机的应用不断拓广。1922 年，罗本逊先生的矿井通风实践 ，使得风机控制开始从自然通风过渡到机械通风。 无锡太湖学院学士学位论文丹麦是世界上研究风机最早国家之一，很多风机制造商如 Bonus 公司、Vestas 和Wincon 风机公司都具有先进的风机性能试验系统，能够自动测试风机性能参数，并且进行分析，以此指导风机生产，提高风机性能和效率。我国风机性能测试大体上经历三个阶段 23：（1）上世纪五十年代以后，我国许多学院和高等院校以化工部门颁发的标准研制了风机测试试验台，但测试手段落后，主要以手工测量为主。采用毕托管、杠杆测矩等传统仪器进行数据采集，人工计算、流量、压力、效率和功率等参数，手工绘制性能曲线。这样测测精度不高、劳动强度大、工作效率低。（2）八十年代中期，可编程计算机 PC-1500 的出现使风机性能测试程序实现了部分仪表测试的自动化；后来出现 APPLE微型计算机和有关测试仪器，通过 GPIB 总线在计算机上存储、显示、处理数据和打印，由自动绘图仪拷贝试验结果大大提高了工作效率。（3）以上风机测试系统大部分为半自动测试，其测量信息不能综合管理，且界面不够友好。随着计算机 Windows 操作系统的展，华中科技大学动力工程系成功开发一种基于Windows 环境，采用 Visual Basic6.0 开发设计的一套计算机辅助试验系统。该系统能够完成试验数据的计算机自动集、显示、处理、存盘、打印及曲线的实时屏显，并且能够查询当前和历史试验数据，实现了人机界面的良好。1.4 本文研究的内容和目标在本文中，我们以风机性能测试系统的基本结构、特点以及数字化测试技术为核心，以虚拟仪器模块化的设计思想为依据，利用 LabVIEW 软件构建的一个 C/S 模式的数据采集系统来对风机性能进行远程测试。具体研究内容如下：1、对风机性能试验基础的研究。2、利用风机性能试验的原理，确定系统设计的方案和系统实现的功能，并确定本系统的结构。3、根据对 LabVIEW 构建的虚拟仪器系统硬件基础的分析，对系统的结构和体系进行深入分析。4、以虚拟仪器模块化和层次化为设计思想， ，确定系统的功能模块。5、采用 LabVIEW 软件平台将功能模块进行编程，全面优化数据采集和处理、曲线拟合、数据存储等方面。6、在 LabVIEW 平台上实现客户端与现场仪器系统的数据交换，从而实现远程检测。基于 LabVIEW 的风机性能远程测试系统的研究2 虚拟仪器技术及相关知识虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术的重要组成部分，它们被称为 21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟仪器技术的出现大大的改变了人们现有的工作模式、思维模式和生活模式。2.1 虚拟仪器简述1986 年，美国国家仪器公司(National Instruments Corporation 简称 NI)首先提出来虚拟仪器。它的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的固有模式。给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户(而不是厂家)可以根据自己的需求，设计自己的仪器系统。虚拟仪器中的“虚拟”包括以下两方面：（1）虚拟仪器面板是虚拟的。虚拟仪器面板控件是与实物相似的“图标” ，用户只需选用和软件程序相似的图形“控件” ，然后通过计算机的鼠标来对其进行操作。 （2）虚拟仪器测量功能都是由软件编程来实现的。2.2 虚拟仪器系统的构成任何测量系统都必须包含数据采集、数据分析和处理和数据显示和输出三个模块，虚拟仪器就是将这些模块用不同的硬件和软件来实现。2.2.1 虚拟仪器的硬件虚拟仪器测试系统的硬件通常包括传感器、信号采集、信号调理、等 I/O 接口设备和通用计算机。计算机一般是 PC 机或工作站，是整个硬件的核心， ；传感器则是测试系统获取外界信息的通道；I/O 接口设备则采集、放大、A/D 、D/A 转换被测信号等。2.2.2 虚拟仪器的软件虚拟仪器系统的软件结构包含以下三部分：（1）I/0 接口软件：是最接近硬件的软件层，存在于驱动程序和硬件之间，为硬件和驱动程序提供信息交流。（2）驱动程序层：一般以动态链接库或静态库形式供应用程序调用，是实现仪器控制的桥梁。驱动程序的实质是一个较为抽象的操作函数集，为用户提供仪器操作。（3）应用程序开发环境：是虚拟仪器的核心，可以完成测试系统数据的分析、计算、显示和输出等任务。表 2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较传统仪器 虚拟仪器仪器由厂商定义 用户自己定义硬件是关键 软件是关键仪器功能规模固定 系统规模功能可通过软件增减修改封闭的系统，与其他设备连接受限基于计算机的开发系统，可方便的同外设，网络及其它应用程序连接价格昂贵 价格低，可重复利用技术更新慢（周期 5-10 年） 技术更新快（周期 1-2 年）开发和维护费用高 软件结构大大节省了开发和维护费用2.3 虚拟仪器的特点无锡太湖学院学士学位论文虚拟仪器是基于计算机技术的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点 4。虚拟仪器与传统仪器的比较见表 2-15虚拟仪器测试系统是集控制、测量、计算为一体，各种自动测试工作都是在计算机参与下完成的。因此虚拟仪器的特点可归纳为 6：（1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能；（2）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，突出“软件就是仪器”的新概念；（3）仪器性能的改进和功能扩展只需进行软件的设计更新，不需要重新购买新的仪器；（4）研发周期比传统仪器相比大为缩短；（5）虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准；（6）虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互联，以便于构成复杂的测试系统；（7）性价比高。虚拟仪器的信号传送和数据处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，大大降低了系统误差和环境干扰和影响；2.4 虚拟仪器的开发平台2.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台LabVIEWLabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器工程平台）的缩写，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域。它是一种基于图形编程语言G 语言(Graphical Programming Language)的可视化开发平台 7。（1）G 语言编程LabVIEW 与常规的 BASIC、C/C+等语言相比，它具有语言的所有特性，如相似的程序调试工具、数据类型，以及模块化的编程特点等，二者的区别仅仅是编程方式不同。但二者最大的区别是 LabVIEW 使用图形语言（各种图标、图形、连线等）以框图的形式编写程序。所以，LabVIEW 不仅仅是一个功能较完整的软件开发环境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式，又被称为 G 语言 8。（2）基于 LabVIEW 的虚拟仪器程序设计结构LabVIEW 程序称为虚拟仪器程序（Virtual Instrument） ，简称为 VI。一个 VI 程序都由三个主要部分组成：前面板、框图程序、图标/连接器。前面板（Front Panel）是虚拟程序的交互式图形化用户界面，目的是仿真传统仪器的前面板，用于设置用户输入和显示程序输出。框图程序（Block Diagram）是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制，也是 LabVIEW 作为 G 语言的主要体现。图标/连接器（Icon/Connector ）用于把 VI 定义成一个子程序（Sub VI） ，这种子程序可以在其它程序中加以调用，这使 LabVIEW 得以实现层次化、模块化编程。2.4.2 LabVIEW 的特点LabVIEW 软件的特点可归纳为以下几点 9：（1）图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。在测控领域，LabVIEW 提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将控基于 LabVIEW 的风机性能远程测试系统的研究制对象修改成自己喜欢的个性特点的控制对象；（2）内置的程序编译器：它采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题；（3）并行机制：功能模块用图标表示，数据传递用连线表示，使用大多数人熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维模式非常相似；（4）灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化等；（5）支持多种系统平台：在 Windows NT/95，UNIX，HP 等系统平台上，NI 都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值；（6）强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用；（7）开放式的开发平台：提供 DLL 接口和 CIN 节点来使用户有能力在 LabVIEW 平台上使用其它软件平台编译的模块；（8） 网络功能：它支持 TCP/IP，DDE，DataSocket 等功能。2.5 本章小结本章首先介绍了虚拟仪器的概念，进而对虚拟仪器系统的软硬件组成及其虚拟仪器开发平台 LabVIEW 进行了详细的阐述和讨论，对传统仪器和虚拟仪器的优缺点进行比较，总结出了虚拟仪器的特点。无锡太湖学院学士学位论文3 风机性能试验的原理3.1 风机性能试验概述3.1.1 风机性能试验的原理和方法风机工作过程总是离不开管网的，气体在风机中获得外功时，其压力与流量之间的关系是根据与风机的性能曲线变化的。而当气体通过管网时，其全压流量（P-Q）关系随管网的性能曲线变化而变化。因此，总结出风机的性能与管网的性能之间必须有以下关系：（1）通过风机气体流量与管网的气体流量肯定完全相等；（2）风机所产生的全压的一部分压力用于克服管网中的阻力 H，我们称之为静压 Ps，其余部分则在气流从管网出口时消耗，我们称之为动压 Pd，风机的全压 P 则等于管网的总阻力消耗的加上管网出口时损失的，即 P=H+Pd。图 3.1 为风机压力与管网阻力之间的关系。要满足上述要求，整个装置试验条件只能在风机 P-Q 曲线与管网性能曲线的交点处 A 上运行。在 A 点处，两者的流量 Qm 是相等的，阻力 H 与静压力也是相等的，我们把 A 点称为工况点。工况点的位置是由管网性能曲线与风机静压曲线的交点来决定的，当管网性能曲线变为 H、H时，工况点也会随之改变，若风机的压力曲线不变，工况点就会沿着压力曲线移动至 A、A。风机性能测试就是基于这一原理，在风机的转速不变时，调节排气节流阀的开度，改变管网特性曲线、改变工况点，从而改变了风机的流量等参数，在各个对应的工况点下测定该风机的动压、静压、轴功率、电机转速等参数，再通过计算得到各工况点的效率，进而绘制风机的性能曲线，包流量静压（Q-Ps ）曲线、流量功率（Q-N）曲线、流量效率（Q- ）曲线、流量全压曲线（Q-P）等，对风机在一定转速下的性能标定进行控制。图 3.1 风机压力和管网阻力的关系由于风机内部流体运动规律相当复杂，至今我们还不能靠理论的方法准确计算出它的各种损失，因而不能准确的计算出风机的各性能参数，所以用计算的方法得到的风机性能曲线与实际的性能曲线有着较大差异。特别对于非设计工况，计算值与实际值的误差就更大。因此，我们要通过试验确定风机工作性能参数，从而确定工作风机的工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供高效率的风机。3.1.2 风机的性能参数基于 LabVIEW 的风机性能远程测试系统的研究风机主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率等。（1）流量：单位时间内风机所输送的流体量称为为流量，也称为风量。常用体积流量Q 表示，其单位为“ ”或“ ”。sm/3h/3（2）全压：单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压，也称为风压。常用 P 表示，单位为 。aP（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，常用表示，单位为 kw。shN（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，常用 表eN示，单位 kW。（5）效率：风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中肯定一部分的能量损失，被输送的气体实际得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，风机有效功率与轴功率之比称为风机效率。常以 表示。风机全压效率可达 90。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：风机轴每分钟的转速称为转速，常以 n 表示，单位为 r/min。3.1.3 风机的性能曲线由于理论计算得不到准确的风机特性曲线，因此，在实际应用上，都采用试验方法绘制。由试验得到风机的性能参数绘制风机的性能曲线为风机性能测试的最终结果。3.2 风机性能试验本文用风机空气动力特性试验的方法，求得风机温度、压力、流量、湿度、转速及功率等参数。区别于传统的风机性能参数的人工测量，本课题采用以计算机为核心，配以自动化程度较高的测试传感器件组成测试系统。3.2.1 风机性能测试的环境参数风机性能测试的标准环境参数如下：空气温度： =20t绝对压力： =1.013103Pa相对湿度： =50%hu气体密度： 3/2.1mkg气体常数： KJRw58本系统采用以上标准环境参数进行设计。3.2.2 风机性能测试中的结构参数风机出口面积： 2276803240mA风管直径： mD8节流装置的开孔直径： d1风机叶轮外径： 52孔板与风管直径比： .0/孔板流量系数： 6.无锡太湖学院学士学位论文在本测试中，我们设定管道气流的雷诺数 在 的范围之内，又根据结构epR6510ep参数可知： , 所以选取孔板流量系数 和气体膨胀系数64.05.2mD105，根据本试验的布置，本系统中 ， 。62.9.3.2.3 风机性能试验装置的方案及选用风机的性能试验装置，是由节流器、整流器和风管等部件组成。这些部件必须保证风机在任何工作情况下，气流流动稳定，不会出现涡流。风机性能试验装置分为风室式和风管式两类 10。风室式试验装置由流量风室、测试管路、辅助通风机、整流器和流量调节器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置；风管式试验由流量调节装置、测试管路、锥形连接管以及整流装置等组成。根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。（1）进气试验：这种布置形式只在风机进口设置管道，如图 3.2 所示。气体从集流器 l 进入吸风管道 2，再流入叶轮 3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门 4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管 5 和静压测管 6。（2）排气试验：这种布置形式只在风机出口设置管道，如图 3.3 所示。气体从集流器1 进入叶轮 2，由叶轮流出的气体从排风管道 3 流出，用出口锥形二冷流门 4 调节流量，并在管道上装设静压测管 5 和毕托管 6。（3）进排气联合试验：这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图 3.4 所示。气体由集流器 1 进入吸风管 2。经叶轮 3 流入排风管道 4，然后排出，在出口装一锥形节流门5 调节风量。并在进出口管道上装设静压测管 6 和毕托管 7。在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。图 3.2 进气试验装置1 一集流器 2 一进气风管 3 一叶轮 4 一锥形节流门 5 一毕托管 6 一静压测管基于 LabVIEW 的风机性能远程测试系统的研究图 3.3 排气试验装置1 一集流器 2 一叶轮 3 一排气风管 4 一锥形节流门 5 一静压测管 6 一毕托管图 3.4 进排气试验1 一集流器 2 一吸风管 3 一叶轮 4 一排风管 5 一锥形节流阀 6 一静压测管 7 一毕托管由风机状态试验方法可以看出，风机状态试验应主要完成试验数据的测量、风机状态参数的计算、风机试验台的控制和风机状态曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部分功能实现自动化是系统设计的关键。3.3 风机性能参数的相关计算、处理在风机状态试验台上由传感器测得的试验数据包括压差、静压、扭矩等信号，而风机状态参数包括流量、全压、静压、功率、效率等数值，所以试验测得的数据必须经过计算、整理才能得到风机状态参数值，以下为状态参数计算公式：风机流量： PdQn24（3.1）风机动压： 2Ad（3.