機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究【全套圖紙】

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1、編編 號號 無錫太湖學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 題目：題目： 基于基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能的風(fēng)機(jī)性能 遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 信機(jī) 系系 機(jī)械工程及自動化 專專 業(yè)業(yè) 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱：高工 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 II 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于基于 LabVIEWLabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究是本人在導(dǎo)師 的指導(dǎo)

2、下獨立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計 （論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè) 計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作 品。 班 級： 機(jī)械 93 學(xué) 號： 0923109 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無無錫錫太太湖湖學(xué)學(xué)院院 信信 機(jī)機(jī) 系系 機(jī)機(jī)械械工工程程及及自自動動化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 課題來源：參考一些網(wǎng)絡(luò)資料，文獻(xiàn)資料，與老師

3、商榷，最終從學(xué) 校給定的課題中選定這一課題。 選題依據(jù)：評判風(fēng)機(jī)的性能主要反應(yīng)在三方面：產(chǎn)品質(zhì)量的提高、 工作效率的提高和工作質(zhì)量的保證。出廠的風(fēng)機(jī)性能能否達(dá)到樣本 數(shù)據(jù)要求，改造后的風(fēng)機(jī)是否能達(dá)到性能指標(biāo)都需要進(jìn)行性能測試。 長期以來，我國的風(fēng)機(jī)測試技術(shù)比較落后，主要以手動操作試驗過程、 手工測量試驗數(shù)據(jù)、手工繪制數(shù)據(jù)曲線為主，存在勞動力大、測量精 度低、手段落后等缺點。然后，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)性能測試正從傳統(tǒng)人工測試 向自動化測試轉(zhuǎn)變。計算機(jī)技術(shù)與測試儀器技術(shù)的結(jié)合，使人類研發(fā) 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(fā)的軟 件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的方案。此軟件

4、構(gòu)建的系統(tǒng) 實現(xiàn)了“所得及所見” 的可視化人機(jī)見面 ，采用的模塊化的思想將系 統(tǒng)功能分區(qū)，使得遠(yuǎn)程測試技術(shù)達(dá)到了一個新的高度。 II 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 熟悉虛擬測試儀器和傳統(tǒng)測試儀器的構(gòu)成和特點。 熟練風(fēng)機(jī)性能測試的原理和方法、風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制原理。 熟悉采集系統(tǒng)的設(shè)計和采集原理、熟練步進(jìn)電機(jī)的選擇。 掌握虛擬測試系統(tǒng)的設(shè)計流程和總體結(jié)構(gòu)。 熟練使用系統(tǒng)的操作界面和操作流程。 四、接受任務(wù)學(xué)生：四、接受任務(wù)學(xué)生： 機(jī)械 93 班班 姓名姓名 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至

5、 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學(xué)科組組長研究所學(xué)科組組長研究所 所長所長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 風(fēng)機(jī)技術(shù)生產(chǎn)和研究的主要環(huán)節(jié)是風(fēng)機(jī)性能檢測的試驗。隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對 風(fēng)機(jī)性能檢測試驗的要求也越來越高。目前，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)性能測試正從人工測試向自動化測試 轉(zhuǎn)變。測試儀器和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)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(jī)資源，并由用戶設(shè)計其功能的具有

6、一系列虛擬面板的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器 的網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試技術(shù)的關(guān)鍵。在此基礎(chǔ)上，本文提出了利用 NI 公司開發(fā) 軟件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的方案。 本文主要分為三部分。第一部分介紹了虛擬儀器的特點、組成、概念以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，并介紹了 LabVIEW 的特點；第二部分分析風(fēng)機(jī)性能試驗基本原理，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計 要求對傳感器、風(fēng)機(jī)工作環(huán)境、旋轉(zhuǎn)擋板和數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行了選型，設(shè)計了信號調(diào)理電路； 第三部分，以 LabVIEW 作為開發(fā)平臺具體做出風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計流程并對風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試 系統(tǒng)的軟件設(shè)計進(jìn)行討論和研究。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：虛擬儀器；遠(yuǎn)程測試；風(fēng)機(jī)性能；L

7、abVIEW IV Abstract Fan 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

8、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 virt

9、ual 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 virtu

10、al 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 r

11、otary 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 di

12、scussed and studied. KeyKey wordswords:virtual Instrument; remote testing,;fan performance; LabVIEW V 目目 錄錄 摘 要III Abstract IV 1 緒論1 1.1 引言.1 1.2 研究的目的和意義1 1.3 國內(nèi)外研究狀況1 1.4 本文研究的內(nèi)容和目標(biāo)2 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識3 2.1 虛擬儀器簡述3 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成3 2.2.1 虛擬儀器的硬件3 2.2.2 虛擬儀器的軟件3 2.3 虛擬儀器的特點3 2.4 虛擬儀器的開發(fā)平臺4 2.4.1 面向儀器與測控過程

13、的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW .4 2.4.2 LabVIEW 的特點 .4 2.5 本章小結(jié)5 3 風(fēng)機(jī)性能試驗的原理6 3.1 風(fēng)機(jī)性能試驗概述6 3.1.1 風(fēng)機(jī)性能試驗的原理和方法6 3.1.2 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)6 3.1.3 風(fēng)機(jī)的性能曲線7 3.2 風(fēng)機(jī)性能試驗7 3.2.1 風(fēng)機(jī)性能測試的環(huán)境參數(shù)7 3.2.2 風(fēng)機(jī)性能測試中的結(jié)構(gòu)參數(shù)7 3.2.3 風(fēng)機(jī)性能試驗裝置的方案及選用8 3.3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的相關(guān)計算、處理9 3.4 風(fēng)機(jī)性能曲線繪制10 3.5 本章小結(jié)10 4 采集系統(tǒng)的設(shè)計.11 4.1 風(fēng)機(jī)性能測試系統(tǒng)的組成11 4.2 風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計11 4.2.1

14、 結(jié)構(gòu)設(shè)計11 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制12 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇13 VI 4.3 系統(tǒng)測試的內(nèi)容與方法13 4.3.1 靜壓的測量13 4.3.2 流量的測量13 4.3.3 扭矩的測量.15 4.4 傳感器的選用16 4.4.1 壓力傳感器16 4.4.2 差壓傳感器16 4.4.3 溫度傳感器17 4.4.4 轉(zhuǎn)速傳感器17 4.5 信號調(diào)理電路17 4.6 數(shù)據(jù)采集卡18 5 虛擬測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)20 5.1 系統(tǒng)設(shè)計流程20 5.2 基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)20 5.2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)21 5.2.2 系統(tǒng)主界面.22 5.2.3 系統(tǒng)操作流程23 5

15、.3 數(shù)據(jù)采集24 5.4 數(shù)據(jù)處理26 5.4.1 數(shù)據(jù)計算26 5.4.2 曲線擬合27 5.5 試驗數(shù)據(jù)27 5.6 本章小結(jié)29 6 總結(jié)與展望30 6.1 總結(jié)30 6.2 研究展望30 致謝32 參考文獻(xiàn)33 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 1 1 緒論緒論 1.1 引言引言 風(fēng)機(jī)使用面廣，種類繁多，遍及國民經(jīng)濟(jì)各部門，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流為介質(zhì)進(jìn)行工作， 可實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中分離、清選、加熱烘干、除塵降溫、物料輸送、通風(fēng)換氣等多種工作。所 以，在我國的化工、冶金和建材等部門，風(fēng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。如冶金工業(yè)中的鍋爐鼓風(fēng)、 空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的設(shè)備通風(fēng)和冷卻

16、、風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)、化工 業(yè)中的氣體排送、采礦業(yè)中的礦井通風(fēng)、廠房的通風(fēng)等都離不開風(fēng)機(jī)。在農(nóng)業(yè)中氣力播種、 谷物清選、植物保護(hù)、物料干燥、農(nóng)副產(chǎn)品加工以及物料輸送等方面都要用到風(fēng)機(jī)1。 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中處于核心地位是氣力輸送，它輸送的風(fēng)量和提供的壓力強(qiáng)有力地保證了系統(tǒng) 的可靠性和有效性。風(fēng)機(jī)的安全可靠性在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位顯而易見。而風(fēng)機(jī)的安全性及 其工作效益與它的性能息息相關(guān)，所以風(fēng)機(jī)具備良好的性能可以保障日常生產(chǎn)安全運行。由 于風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體流動的復(fù)雜性，目前還很難用單純的理論計算方法準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機(jī)性能曲線， 只能通過試驗方法測定。因此，快速準(zhǔn)確地測定風(fēng)機(jī)性能參數(shù)并繪制性能曲線對開展風(fēng)機(jī)

17、的 研究有重要的意義。 1.2 研究的目的和意義研究的目的和意義 評判風(fēng)機(jī)的性能主要反應(yīng)出三方面：產(chǎn)品質(zhì)量的提高、工作效率的提高和工作質(zhì)量保證 的關(guān)鍵因素。校驗產(chǎn)品的氣動性能能否達(dá)到設(shè)計要求、出廠的風(fēng)機(jī)性能能否達(dá)到樣本數(shù)據(jù)的 要求、改造后的風(fēng)機(jī)是否能達(dá)到性能指標(biāo)都需要進(jìn)行性能測試。性能測試也是診斷故障的前 提。風(fēng)機(jī)的工作體現(xiàn)在輸送流量、產(chǎn)生全壓、所需功率及效率。為了人們能正確使用風(fēng)機(jī)， 我們必須了解這些參數(shù)之間的相互關(guān)系。但由于風(fēng)機(jī)理論至今尚未完善，所以大部分依賴于 狀態(tài)試驗獲取風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗原理是在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下改變，改變風(fēng)機(jī) 的流量來檢測風(fēng)機(jī)的其他各個參數(shù)，并且繪制狀態(tài)曲

18、線。 目前，風(fēng)機(jī)用戶為提高自身的經(jīng)濟(jì)效益，在選擇風(fēng)機(jī)時對風(fēng)機(jī)的各指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格 的要求，如壓力，轉(zhuǎn)速，流量，噪聲，功率，可靠性等。與此同時，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家為了提高 自身的競爭能力，在努力提高機(jī)械加工，改進(jìn)氣動設(shè)計的同時，也對風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗的開發(fā)和 研究給予了高度的重視。長期以來，我國的風(fēng)機(jī)測試技術(shù)比較落后，主要以手動操作試驗過 程、手工測量試驗數(shù)據(jù)、手工繪制數(shù)據(jù)曲線為主，存在勞動強(qiáng)度大、測量精度低、測量手段 落后等缺點。然而，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)性能測試正迅速從傳統(tǒng)人工測試向自動化測試轉(zhuǎn)變。計算機(jī)技 術(shù)與測試儀器技術(shù)的結(jié)合，使得人類研發(fā)出了一種新的測試儀器虛擬儀器。虛擬測試技術(shù) 和計算機(jī)通信技術(shù)的結(jié)合，使

19、得虛擬儀器應(yīng)運而生，信號的采集、處理和傳輸形成了一體化， 不再受環(huán)境、地域等的限制。虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化是虛擬儀器目前發(fā)展的必然趨勢。由此，本 文提出了利用 NI 公司開發(fā)軟件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的方案。 1.3 國內(nèi)外研究狀況國內(nèi)外研究狀況 在過去的 70 年，風(fēng)機(jī)的應(yīng)用不斷拓廣。1922 年，羅本遜先生的礦井通風(fēng)實踐 ，使 得風(fēng)機(jī)控制開始從自然通風(fēng)過渡到機(jī)械通風(fēng)。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 丹麥?zhǔn)鞘澜缟涎芯匡L(fēng)機(jī)最早國家之一，很多風(fēng)機(jī)制造商如 Bonus 公司、Vestas 和 Wincon 風(fēng)機(jī)公司都具有先進(jìn)的風(fēng)機(jī)性能試驗系統(tǒng)，能夠自動測試風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，并且進(jìn)行 分析

20、，以此指導(dǎo)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)，提高風(fēng)機(jī)性能和效率。 我國風(fēng)機(jī)性能測試大體上經(jīng)歷三個階段23： （1）上世紀(jì)五十年代以后，我國許多學(xué)院和高等院校以化工部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)研制了風(fēng) 機(jī)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(tǒng)儀器 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，人工計算、流量、壓力、效率和功率等參數(shù)，手工繪制性能曲線。這樣測測 精度不高、勞動強(qiáng)度大、工作效率低。 （2）八十年代中期，可編程計算機(jī) PC-1500 的出現(xiàn)使風(fēng)機(jī)性能測試程序?qū)崿F(xiàn)了部分儀 表測試的自動化；后來出現(xiàn) APPLE微型計算機(jī)和有關(guān)測試儀器，通過 GPIB 總線在計算機(jī) 上存儲、顯示、處理數(shù)據(jù)和打印，由自動繪圖儀拷貝試驗結(jié)果大大

21、提高了工作效率。 （3）以上風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)大部分為半自動測試，其測量信息不能綜合管理，且界面不夠 友好。隨著計算機(jī) Windows 操作系統(tǒng)的展，華中科技大學(xué)動力工程系成功開發(fā)一種基于 Windows 環(huán)境，采用 Visual Basic6.0 開發(fā)設(shè)計的一套計算機(jī)輔助試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成 試驗數(shù)據(jù)的計算機(jī)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(dāng)前 和歷史試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了人機(jī)界面的良好。 1.4 本文研究的內(nèi)容和目標(biāo)本文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 在本文中，我們以風(fēng)機(jī)性能測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點以及數(shù)字化測試技術(shù)為核心，以 虛擬儀器模塊化的設(shè)計思想為依據(jù)，利用 LabVIEW 軟

22、件構(gòu)建的一個 C/S 模式的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)來對風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行遠(yuǎn)程測試。具體研究內(nèi)容如下： 1、對風(fēng)機(jī)性能試驗基礎(chǔ)的研究。 2、利用風(fēng)機(jī)性能試驗的原理，確定系統(tǒng)設(shè)計的方案和系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，并確定本系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)。 3、根據(jù)對 LabVIEW 構(gòu)建的虛擬儀器系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)的分析，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和體系進(jìn)行 深入分析。 4、以虛擬儀器模塊化和層次化為設(shè)計思想， ，確定系統(tǒng)的功能模塊。 5、采用 LabVIEW 軟件平臺將功能模塊進(jìn)行編程，全面優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理、曲線擬 合、數(shù)據(jù)存儲等方面。 6、在 LabVIEW 平臺上實現(xiàn)客戶端與現(xiàn)場儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測。 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)

23、程測試系統(tǒng)的研究 3 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識 虛擬技術(shù)、計算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，它們被稱為 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)大大的改變了人們現(xiàn)有的工作模式、 思維模式和生活模式。 2.1 虛擬儀器簡述虛擬儀器簡述 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(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的固有模式。給用戶一個充分發(fā) 揮自己才能和想象力的空間，用戶(而不是廠家)可以根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器中的“虛

24、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(biāo)” ，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(jī)的 鼠標(biāo)來對其進(jìn)行操作。 （2）虛擬儀器測量功能都是由軟件編程來實現(xiàn)的。 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 任何測量系統(tǒng)都必須包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理和數(shù)據(jù)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(xiàn)。 2.2.1 虛擬儀器的硬件虛擬儀器的硬件 虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件通常包括傳感器、信號采集、信號調(diào)理、等 I/O 接口設(shè)備和通 用計算機(jī)。計算機(jī)一般是 PC 機(jī)或工作站，是整個硬件的核心， ；傳感器則是測試系

25、統(tǒng)獲取 外界信息的通道；I/O 接口設(shè)備則采集、放大、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換被測信號等。 2.2.2 虛擬儀器的軟件虛擬儀器的軟件 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包含以下三部分： （1）I/0 接口軟件：是最接近硬件的軟件層，存在于驅(qū)動程序和硬件之間，為硬件和驅(qū) 動程序提供信息交流。 （2）驅(qū)動程序?qū)樱阂话阋詣討B(tài)鏈接庫或靜態(tài)庫形式供應(yīng)用程序調(diào)用，是實現(xiàn)儀器控制 的橋梁。驅(qū)動程序的實質(zhì)是一個較為抽象的操作函數(shù)集，為用戶提供儀器操作。 （3）應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境：是虛擬儀器的核心，可以完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計算、 顯示和輸出等任務(wù)。 表 2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器虛擬儀器 儀器由廠商定義用戶自

26、己定義 硬件是關(guān)鍵軟件是關(guān)鍵 儀器功能規(guī)模固定系統(tǒng)規(guī)模功能可通過軟件增減修改 封閉的系統(tǒng)，與其他設(shè)備連 接受限 基于計算機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)，可方便的同外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其它 應(yīng)用程序連接 價格昂貴 價格低，可重復(fù)利用 技術(shù)更新慢（周期 5-10 年）技術(shù)更新快（周期 1-2 年） 開發(fā)和維護(hù)費用高軟件結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費用 2.3 虛擬儀器的特點虛擬儀器的特點 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 虛擬儀器是基于計算機(jī)技術(shù)的一種全新的儀器設(shè)計概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾 多的優(yōu)點4。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較見表 2-15 虛擬儀器測試系統(tǒng)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(jī)參與 下完

27、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，由軟件取代傳統(tǒng)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(jù)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(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行軟件的設(shè)計更新，不需要重新購買新的儀器； （4）研發(fā)周期比傳統(tǒng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)； （6）虛擬儀器開放、靈活，可與計算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)，以 便于構(gòu)成復(fù)雜的測試系統(tǒng)； （7）性價比高。虛擬儀器的信號傳送和數(shù)據(jù)處理幾乎都是靠數(shù)字信號或軟件來實現(xiàn)的， 大大降低了系統(tǒng)誤差和環(huán)境干擾和影響； 2.4 虛擬儀器的

28、開發(fā)平臺虛擬儀器的開發(fā)平臺 2.4.1 面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual 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(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)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(fā)平臺7。 （1）G 語言編程 LabVIEW 與常規(guī)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(diào)試工具、數(shù)據(jù)類型，以及模塊化的編程特點

29、等，二者的區(qū)別僅僅是編程方式不同。但二 者最大的區(qū)別是 LabVIEW 使用圖形語言（各種圖標(biāo)、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(fā)環(huán)境，而是一種真正的編程語言， 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(shè)計結(jié)構(gòu) LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（Virtual Instrument） ，簡稱為 VI。一個 VI 程序都由 三個主要部分組成：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/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?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的前 面板，用于設(shè)置用戶

30、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(jìn)行控制，也 是 LabVIEW 作為 G 語言的主要體現(xiàn)。 圖標(biāo)/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 以在其它程序中加以調(diào)用，這使 LabVIEW 得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。 2.4.2 LabVIEW 的特點的特點 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(huán)境：使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。在測 控領(lǐng)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

31、 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 5 制對象修改成自己喜歡的個性特點的控制對象； （2）內(nèi)置的程序編譯器：它采用編譯方式運行 32 位應(yīng)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(jī)制：功能模塊用圖標(biāo)表示，數(shù)據(jù)傳遞用連線表示，使用大多數(shù)人熟悉的數(shù) 據(jù)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(diào)試手段：用戶可以在源代碼中設(shè)置斷點、單步執(zhí)行源代碼、在源代 碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針，觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)流的變化等； （5）支持多種系統(tǒng)平臺：在 Windows NT/95，UNIX，HP 等系統(tǒng)平臺上，NI 都提供了

32、 相應(yīng)版本的軟件，并且平臺之間開發(fā)的應(yīng)用程序可直接進(jìn)行移值； （6）強(qiáng)大的函數(shù)庫：從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運算函數(shù)和文件輸入 輸出函數(shù)到高級的數(shù)字信號處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)，可供用戶直接調(diào)用； （7）開放式的開發(fā)平臺：提供 DLL 接口和 CIN 節(jié)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(wǎng)絡(luò)功能：它支持 TCP/IP，DDE，DataSocket 等功能。 2.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先介紹了虛擬儀器的概念，進(jìn)而對虛擬儀器系統(tǒng)的軟硬件組成及其虛擬儀器開發(fā) 平臺 LabVIEW 進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和討論，對傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的優(yōu)缺點進(jìn)行

33、比較，總結(jié) 出了虛擬儀器的特點。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 3 風(fēng)機(jī)性能試驗的原理風(fēng)機(jī)性能試驗的原理 3.1 風(fēng)機(jī)性能試驗概述風(fēng)機(jī)性能試驗概述 3.1.1 風(fēng)機(jī)性能試驗的原理和方法風(fēng)機(jī)性能試驗的原理和方法 風(fēng)機(jī)工作過程總是離不開管網(wǎng)的，氣體在風(fēng)機(jī)中獲得外功時，其壓力與流量之間的關(guān)系 是根據(jù)與風(fēng)機(jī)的性能曲線變化的。而當(dāng)氣體通過管網(wǎng)時，其全壓流量（P-Q）關(guān)系隨管網(wǎng) 的性能曲線變化而變化。因此，總結(jié)出風(fēng)機(jī)的性能與管網(wǎng)的性能之間必須有以下關(guān)系： （1）通過風(fēng)機(jī)氣體流量與管網(wǎng)的氣體流量肯定完全相等； （2）風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的全壓的一部分壓力用于克服管網(wǎng)中的阻力 H，我們稱之為靜壓 Ps， 其余部分則在氣

34、流從管網(wǎng)出口時消耗，我們稱之為動壓 Pd，風(fēng)機(jī)的全壓 P 則等于管網(wǎng)的總 阻力消耗的加上管網(wǎng)出口時損失的，即 P=H+Pd。圖 3.1 為風(fēng)機(jī)壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系。 要滿足上述要求，整個裝置試驗條件只能在風(fēng)機(jī) P-Q 曲線與管網(wǎng)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(wǎng)性能曲線與風(fēng)機(jī)靜壓曲線的交點來決定的，當(dāng)管網(wǎng)性能曲線 變?yōu)?H、H時，工況點也會隨之改變，若風(fēng)機(jī)的壓力曲線不變，工況點就會沿著壓力曲線 移動至 A、A。風(fēng)機(jī)性能測試就是基于這一原理，在風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變時，調(diào)節(jié)排氣節(jié)流閥

35、 的開度，改變管網(wǎng)特性曲線、改變工況點，從而改變了風(fēng)機(jī)的流量等參數(shù)，在各個對應(yīng)的工 況點下測定該風(fēng)機(jī)的動壓、靜壓、軸功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，再通過計算得到各工況點的效 率，進(jìn)而繪制風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的性能標(biāo)定進(jìn)行 控制。 圖 3.1 風(fēng)機(jī)壓力和管網(wǎng)阻力的關(guān)系 由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體運動規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜，至今我們還不能靠理論的方法準(zhǔn)確計算出它的各 種損失，因而不能準(zhǔn)確的計算出風(fēng)機(jī)的各性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的風(fēng)機(jī)性能曲線 與實際的性能曲線有著較大差異。特別對于非設(shè)計工況，計算值與實際值

36、的誤差就更大。因 此，我們要通過試驗確定風(fēng)機(jī)工作性能參數(shù)，從而確定工作風(fēng)機(jī)的工作性能曲線，從而確定 風(fēng)機(jī)的工作范圍，以便向用戶提供高效率的風(fēng)機(jī)。 3.1.2 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)風(fēng)機(jī)的性能參數(shù) 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 7 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)有流量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率等。 （1）流量：單位時間內(nèi)風(fēng)機(jī)所輸送的流體量稱為為流量，也稱為風(fēng)量。常用體積流量 Q 表示，其單位為“”或“” 。sm / 3 hm / 3 （2）全壓：單位體積的氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量稱為全壓，也稱為風(fēng)壓。常用 P 表 示，單位為。 a P （3）軸功率：原動機(jī)傳遞給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的功率，即為輸入功率，又稱

37、為軸功率，常用 表示，單位為 kw。 sh N （4）有效功率：單位時間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用表 e N 示，單位 kW。 （5）效率：風(fēng)機(jī)輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中肯定一部分的能量損失， 被輸送的氣體實際得到的功率比原動機(jī)傳遞至風(fēng)機(jī)軸端的功率要小，風(fēng)機(jī)有效功率與軸功率 之比稱為風(fēng)機(jī)效率。常以表示。風(fēng)機(jī)全壓效率可達(dá) 90。風(fēng)機(jī)效率越高，則氣體從風(fēng)機(jī)中 得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟(jì)性就越高。 （6）轉(zhuǎn)速：風(fēng)機(jī)軸每分鐘的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)速，常以 n 表示，單位為 r/min。 3.1.3 風(fēng)機(jī)的性能曲線風(fēng)機(jī)的性能曲線 由于理論計算得不到準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)特性曲線，因此，在

38、實際應(yīng)用上，都采用試驗方法繪制。 由試驗得到風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線為風(fēng)機(jī)性能測試的最終結(jié)果。 3.23.2 風(fēng)機(jī)性能試驗風(fēng)機(jī)性能試驗 本文用風(fēng)機(jī)空氣動力特性試驗的方法，求得風(fēng)機(jī)溫度、壓力、流量、濕度、轉(zhuǎn)速及功率 等參數(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的人工測量，本課題采用以計算機(jī)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(tǒng)。 3.2.1 風(fēng)機(jī)性能測試的環(huán)境參數(shù)風(fēng)機(jī)性能測試的環(huán)境參數(shù) 風(fēng)機(jī)性能測試的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)如下： 空氣溫度： =20t 絕對壓力：=1.013103P a P 相對濕度：=50%hu 氣體密度： 3 /2 . 1mkg 氣體常數(shù)：KkgJRw 5 . 288 本系

39、統(tǒng)采用以上標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。 3.2.2 風(fēng)機(jī)性能測試中的結(jié)構(gòu)參數(shù)風(fēng)機(jī)性能測試中的結(jié)構(gòu)參數(shù) 風(fēng)機(jī)出口面積： 22 76800320240mmmmA 風(fēng)管直徑：mmD280 節(jié)流裝置的開孔直徑：mmd140 風(fēng)機(jī)葉輪外徑：mmD500 2 孔板與風(fēng)管直徑比：5 . 0/Dd 孔板流量系數(shù)：62. 0 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 在本測試中，我們設(shè)定管道氣流的雷諾數(shù)在 的范圍之內(nèi)，又根據(jù)結(jié)構(gòu) ep R 65 1010 ep R 參數(shù)可知：,所以選取孔板流量系數(shù) 和氣體膨脹系數(shù)64 . 0 05 . 0 2 mmDmm100050 ，根據(jù)本試驗的布置，本系統(tǒng)中，。62 . 0 96. 0 3.

40、2.3 風(fēng)機(jī)性能試驗裝置的方案及選用風(fēng)機(jī)性能試驗裝置的方案及選用 風(fēng)機(jī)的性能試驗裝置，是由節(jié)流器、整流器和風(fēng)管等部件組成。這些部件必須保證風(fēng)機(jī) 在任何工作情況下，氣流流動穩(wěn)定，不會出現(xiàn)渦流。 風(fēng)機(jī)性能試驗裝置分為風(fēng)室式和風(fēng)管式兩類10。風(fēng)室式試驗裝置由流量風(fēng)室、測試管路、 輔助通風(fēng)機(jī)、整流器和流量調(diào)節(jié)器等組成，根據(jù)腔室與通風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口的連接方式不同， 分為進(jìn)氣風(fēng)室和出氣風(fēng)室兩種試驗裝置；風(fēng)管式試驗由流量調(diào)節(jié)裝置、測試管路、錐形連接 管以及整流裝置等組成。根據(jù)試驗管路與通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口和出氣口的連接方式不同，分為進(jìn)氣、 出氣、進(jìn)出氣三種試驗裝置。 （1）進(jìn)氣試驗：這種布置形式只在風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)置管道，

41、如圖 3.2 所示。氣體從集流器 l 進(jìn)入吸風(fēng)管道 2，再流入葉輪 3，在管道進(jìn)口處裝有調(diào)節(jié)風(fēng)量用的錐形節(jié)流門 4，并在吸風(fēng) 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(fēng)機(jī)出口設(shè)置管道，如圖 3.3 所示。氣體從集流器 1 進(jìn)入葉輪 2，由葉輪流出的氣體從排風(fēng)管道 3 流出，用出口錐形二冷流門 4 調(diào)節(jié)流量，并 在管道上裝設(shè)靜壓測管 5 和畢托管 6。 （3）進(jìn)排氣聯(lián)合試驗：這種布置形式是在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口都裝設(shè)管道，如圖 3.4 所示。氣 體由集流器 1 進(jìn)入吸風(fēng)管 2。經(jīng)葉輪 3 流入排風(fēng)管道 4，然后排出，在出口裝一錐形節(jié)流門 5 調(diào)節(jié)風(fēng)量。并在進(jìn)出口

42、管道上裝設(shè)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(jù)各自的習(xí)慣及現(xiàn)場的試驗條件來決定。例如送風(fēng)機(jī)是從大氣吸入空氣，經(jīng)管道送入爐 膛，應(yīng)采用排氣試驗裝置。引風(fēng)機(jī)是抽出爐膛的煙氣使之排入大氣，則應(yīng)采用進(jìn)排氣聯(lián)合試 驗裝置。因本系統(tǒng)原有試驗臺為一風(fēng)管式試驗臺，所以，本系統(tǒng)采用風(fēng)管式排氣試驗裝置。 圖 3.2 進(jìn)氣試驗裝置 1 一集流器 2 一進(jìn)氣風(fēng)管 3 一葉輪 4 一錐形節(jié)流門 5 一畢托管 6 一靜壓測管 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 9 圖 3.3 排氣試驗裝置 1 一集流器 2 一葉輪 3 一排氣風(fēng)管 4 一錐形節(jié)流門 5 一靜壓測管 6 一畢托管

43、 圖 3.4 進(jìn)排氣試驗 1 一集流器 2 一吸風(fēng)管 3 一葉輪 4 一排風(fēng)管 5 一錐形節(jié)流閥 6 一靜壓測管 7 一畢托管 由風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗方法可以看出，風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗應(yīng)主要完成試驗數(shù)據(jù)的測量、風(fēng)機(jī)狀態(tài)參 數(shù)的計算、風(fēng)機(jī)試驗臺的控制和風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線的繪制四部分內(nèi)容。所以，如何使這四部分功 能實現(xiàn)自動化是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 3.3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的相關(guān)計算、處理風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的相關(guān)計算、處理 在風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗臺上由傳感器測得的試驗數(shù)據(jù)包括壓差、靜壓、扭矩等信號，而風(fēng)機(jī)狀 態(tài)參數(shù)包括流量、全壓、靜壓、功率、效率等數(shù)值，所以試驗測得的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過計算、整 理才能得到風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)值，以下為狀態(tài)參數(shù)計算公式： 風(fēng)

44、機(jī)流量： Pd Q n 2 4 2 （3.1） 風(fēng)機(jī)動壓： 2 2 2 A Q Pd （3.2） 風(fēng)機(jī)全壓： (3.3) std PPP 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 風(fēng)機(jī)軸功率： 9550 Fn Nsh （3.4） 風(fēng)機(jī)有效功率： 1000 QP Ne （3.5） 風(fēng)機(jī)效率： sh e N N （3.6） 風(fēng)機(jī)流量系數(shù)： 4 2 2 D u Q Q （3.7） 風(fēng)機(jī)壓力系數(shù)： 2 2 u P P （3.8）風(fēng)機(jī)功率系數(shù)： 3 2 2 4 1000 u D N N （3.9） 其中：-氣體膨脹系數(shù) -孔板流量系數(shù) -節(jié)流孔板直 n d -風(fēng)機(jī)靜壓 ST P -風(fēng)機(jī)葉輪外徑處的圓周速度 2 U

45、 -空氣密度P -風(fēng)管直徑D -電機(jī)的輸出扭矩F -風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：大氣壓力 P=101324Pa 大氣溫度為 t=20 相對濕度 H=50% 大氣密度 P=1.2kg/m 在本系統(tǒng)中風(fēng)管直徑 D 為 360mm，節(jié)流孔板的直徑 d0為 140mm，開孔比 25 . 0 / 2 Dd 在下列條件下(其中 Rep為管道氣流的雷諾數(shù))： 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 11 顯示 mmDRep100050;64 . 0 05. 0 ;10210 265 依據(jù) GB1236-85，選取孔板流量系數(shù) 本系統(tǒng)中， ，62 . 0 96 . 0 3.4 風(fēng)機(jī)性能曲線繪制風(fēng)機(jī)性能曲

46、線繪制 與通風(fēng)機(jī)狀態(tài)表相比，風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線更能連續(xù)、全面地反映其狀態(tài)特性。所以各國的通 風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定了試驗報告應(yīng)提供氣動狀態(tài)曲線圖。但有些標(biāo)準(zhǔn)對氣動狀 態(tài)曲線的繪制未做統(tǒng)一的規(guī)定，繪制的曲線不可避免地存在誤差，尤其用做圖法，其隨意性 就更大。因此用統(tǒng)計分析的方法，即用曲線擬合的結(jié)果作為風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式最為 合理。關(guān)于曲線擬合的方式有許多種，如指數(shù)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(yīng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)所描繪的圖形來決定。對于風(fēng)機(jī)，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則來擬合狀態(tài)參數(shù)。所謂最小二乘法就是用數(shù)學(xué)統(tǒng) 計的方法處理試驗觀

47、測值，使試驗觀測值的期待值等于他的理論值，達(dá)到對觀測值的校正。 3.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先對風(fēng)機(jī)性能試驗做了詳細(xì)的闡述，包括風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)的概念，風(fēng)機(jī)性能實驗 裝置以及風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的處理方法，并且最后對風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制方法做出了選型。 4 采集系統(tǒng)的設(shè)計采集系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 風(fēng)機(jī)性能測試系統(tǒng)的組成風(fēng)機(jī)性能測試系統(tǒng)的組成 雖然軟件在虛擬儀器測試系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，但仍離不開硬件設(shè)備，對數(shù)據(jù)的輸入輸出， 系統(tǒng)硬件設(shè)備組成部分是整個測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)。針對設(shè)計目標(biāo)，本文采用 PC-DAQ 測試系 統(tǒng)，本 PC-DAQ 測試系統(tǒng)的硬件主要包括風(fēng)機(jī)及配套附件、流量調(diào)節(jié)裝置、步進(jìn)電機(jī)傳感 器、數(shù)據(jù)采

48、集卡、信號調(diào)理電路和通用計算機(jī)（PC 機(jī)）等，主要完成風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)和風(fēng) 機(jī)各性能參數(shù)的采集等工作。虛擬測試系統(tǒng)的硬件組成如圖 4.1 所示。 大氣溫度、濕度、壓力 鍵盤 風(fēng)機(jī)試驗臺 圖 4.1 虛擬測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 溫度傳感器 壓力傳感器 壓差變送器 扭矩傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 信號調(diào)理 D A Q 卡 PC 機(jī) 打印 風(fēng)機(jī) 流量調(diào)節(jié)減速器 步進(jìn) 電機(jī) 電路 板 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 在該系統(tǒng)中，試驗的結(jié)構(gòu)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)以及一些初始參數(shù)由用戶設(shè)置并保存以待查看 和調(diào)用。各個傳感器檢測各路試驗數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理電路后由 DAQ 卡傳入到計算機(jī)中，系統(tǒng)軟件 對各采集信號進(jìn)行計算處理，將其作為風(fēng)機(jī)

49、性能參數(shù)保存下來。當(dāng)用戶發(fā)出指令改變風(fēng)機(jī)運 轉(zhuǎn)工況時，由工況調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。工況設(shè)定以后，重復(fù)上述信號采集、處理過 程，直至檢測全部工況的試驗數(shù)據(jù)，最后運用最小二乘法擬合試驗數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機(jī)性能曲線。 4.2 風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計 風(fēng)機(jī)性能試驗是在一定轉(zhuǎn)速下改變風(fēng)機(jī)工況，即在改變風(fēng)管中氣流流量的情況下進(jìn)行的， 是通過測量出多個工況點的參數(shù)而繪制出風(fēng)機(jī)的性能曲線。本系統(tǒng)采用自行設(shè)計的旋轉(zhuǎn)擋板 裝置，在風(fēng)機(jī)進(jìn)口處安裝圓形擋板，通過步進(jìn)電機(jī)拖動圓形擋板旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)風(fēng)管進(jìn)口大小的 變化，從而實現(xiàn)風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)。 4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)風(fēng)管進(jìn)口氣流流量的調(diào)節(jié)，

50、即風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)設(shè)計一旋轉(zhuǎn)擋板裝置。旋 轉(zhuǎn)擋板的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 4.2 所示。在風(fēng)管進(jìn)口處安裝一圓形擋板，步進(jìn)電機(jī)通過減速器帶動 圓形擋板的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)擋板與風(fēng)管進(jìn)口處孔隙的變化，即實現(xiàn)流量的變化。 1 減速器 2 風(fēng)管 3 圓形擋板 4 聯(lián)軸器 5 步進(jìn)電機(jī) 圖 4.2 旋轉(zhuǎn)擋板的結(jié)構(gòu)簡圖 風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)的過程：風(fēng)機(jī)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(shù)字電路板，控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度、正反轉(zhuǎn)及步進(jìn)速度；數(shù)字電路板用于 脈沖分配和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動；將減速器加于步進(jìn)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)擋板之間，用于防止風(fēng)機(jī)運行過 程中由于風(fēng)力過大使擋板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。通過編程，控制脈沖

51、信號的個數(shù)和正反轉(zhuǎn)信號，當(dāng)用戶 發(fā)出指令改變風(fēng)機(jī)運轉(zhuǎn)工況時，PC 機(jī)通過 DAQ 卡輸出電壓信號，此電壓信號再經(jīng)過電路轉(zhuǎn) 換，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)過設(shè)定的角度，控制旋轉(zhuǎn)擋板的轉(zhuǎn)動，這樣就實現(xiàn)風(fēng)機(jī)由工況 1 到 工況 10 的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了流量的調(diào)節(jié)，其旋轉(zhuǎn)擋板在各工況下的轉(zhuǎn)動情況如圖 4.4 所示。 PC 機(jī)DAQ 卡 電路板 步進(jìn)電機(jī)減速器 旋轉(zhuǎn)擋板 電源 控制電路 驅(qū)動電路 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 13 圖 4.3 旋轉(zhuǎn)擋板的工作流程 圖 4.4 圓形擋板各工況下的轉(zhuǎn)動位置 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制步進(jìn)電機(jī)的控制 以上風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)是利用圓形擋板旋轉(zhuǎn)不同的角度

52、而實現(xiàn)氣流流量的調(diào)節(jié)，而擋板的 旋轉(zhuǎn)角度是由步進(jìn)電機(jī)來控制的。當(dāng)系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到步進(jìn)電機(jī)定子繞組時，轉(zhuǎn)子 就轉(zhuǎn)一步；當(dāng)電脈沖按某一相序加到電機(jī)時，轉(zhuǎn)子沿某一方向轉(zhuǎn)動的步數(shù)就等于電脈沖的個 數(shù)。因此，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的大小；改變輸入脈沖的通 電相序，就能控制轉(zhuǎn)子位移的方向，實現(xiàn)位置的控制。當(dāng)電脈沖按某一相序連續(xù)加到步進(jìn)電 機(jī)時，轉(zhuǎn)子以正比于電脈沖頻率的轉(zhuǎn)速沿某一方向旋轉(zhuǎn)。因此，改變電脈沖的頻率大小和通 電相序，就可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)的選擇 由于本系統(tǒng)是通過改變擋板的旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)的，所以精度要求不是很高。步

53、 進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的一個顯著特點 是步距角固定，目前步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0. 36/0. 72（五相電機(jī)） 、0. 9/1. 8（二、四 相電機(jī)） 、1. 5/3 （三相電機(jī)） ，由于精度要求不高，本系統(tǒng)選用 1. 5的步進(jìn)電機(jī)。本流量 調(diào)節(jié)裝置中負(fù)載為減速器和旋轉(zhuǎn)擋板，轉(zhuǎn)矩在 0.510Nm 之間。根據(jù)實際要求，選擇電流為 1.5A 的電機(jī)。電機(jī)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(tǒng)選用三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其型號為 75BF003，其參數(shù) 如表 4-1 所示。 表 4-1 步進(jìn)

54、電機(jī)的參數(shù) 相數(shù)步距角電壓電流轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 31.530V1.5A1.6106N.m 4.3 系統(tǒng)測試的內(nèi)容與方法系統(tǒng)測試的內(nèi)容與方法 4.3.1 靜壓的測量靜壓的測量 測量風(fēng)機(jī)的靜壓，一般是在風(fēng)管的橫截面上垂直開設(shè)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(jié)流件前端面 1D0.1D 處，下游取壓 管中心位于距節(jié)流件前端面 D/20.02D 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(jī)啟動、加力時，都會產(chǎn)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.

55、2 流量的測量流量的測量 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 在流量測量領(lǐng)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(zhuǎn)換成差壓信號的節(jié)流裝置和測 量差壓并顯示流量的差壓計（差壓變送器）組成。它包括節(jié)流式流量計、均速管流量計等， 其中，節(jié)流式流量是一類系列化和標(biāo)準(zhǔn)化、種類繁多、應(yīng)用極廣的流量儀表13。它的節(jié)流裝 置已標(biāo)準(zhǔn)化，如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、文丘里管等。 4.3.2.1 測量原理測量原理 節(jié)流裝置是一種放置在流體管道內(nèi)，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(dāng)流體流過節(jié)流裝置時，伴隨著流束的收縮，

56、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(jié)流裝置，流量測量依據(jù)的基本理論和方程式都是一樣的，僅僅是其中 有些系數(shù)不同。為了簡單起見，首先假設(shè)流體是不可壓縮的(密度 P 不變化)、理想的(流體沒 有粘性)、定常流動(管道內(nèi)各點的參數(shù)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） g v r p g v r p 22 2 22 2 11 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

57、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) 2211 VFVF 式(4.2)即為不可壓縮流體的質(zhì)量守恒方程。流束的最小截面 F2由節(jié)流裝置的開孔面積 (4.3) 00 UfF 其中 u 為流束的收縮系數(shù)。它的大小和節(jié)流裝置的形式有關(guān)。將式(4.3)代入(4.2)有 (4.4) 1 0 21 * F F vv 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 1 0 F F m 21 mvv （4.6） 21 22 2 2 1 1 pp r g m v 在推導(dǎo)式(4.6)中，壓力和均取 F1

58、和 F2處流束的平均壓力，而在實際測量中，經(jīng) 1 p 2 p 常取節(jié)流裝置前后端面處的壓力即 p1和 p2。其次，在推導(dǎo)方程中，沒有考慮流體的摩擦， 為此引入系數(shù) 對 v2進(jìn)行修正，這樣 基于 LabVIEW 的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的研究 15 (4.7) 21 22 22 2 1 1 pp r g m vv 被測流體流過節(jié)流裝置的體積流量為 (4.8) 21 22 0 0222 2 1 pp r g m F FvFvQ 令，稱為流量系數(shù)，代入（4.8）得 22 1m 210 2 PP r g FQ （4.9） 式 4-9 為不可壓縮流體流過節(jié)流裝置的體積流量方程式。式中各字母代表物理量如下所

59、示： F0：節(jié)流裝置的工作開孔面積。 g=9.51 米/秒：重力加速度。 R：不可壓縮流體的重度。 P=p1一 P2：節(jié)流裝置前后的壓力差。 ：流量系數(shù)，它和節(jié)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(guān)，是一個實驗確定的系數(shù)。 當(dāng)測量氣體和蒸汽的流量時，流體流過節(jié)流裝置，伴隨壓力的變化，介質(zhì)的重度將發(fā)生 變化，因此不可壓縮的假設(shè)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(zhì) 量守恒方程，利用推導(dǎo)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(dǎo)過程中引入可壓縮介質(zhì)的膨脹系數(shù) ，則可壓縮流體的流量方程可表示為： (4.10) 210 2 pp r

60、 g FQ 所以在本測試系統(tǒng)中，通過壓差變送器測量出節(jié)流孔板兩端的壓差，即可根據(jù)式(4.10) 計算出流量的數(shù)值。 4.3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置 目前，對不同的節(jié)流裝置其取壓方式不同。即取壓孔在節(jié)流裝置前后的位置不同，即使 在同一位置上，為了達(dá)到壓力均衡，也采用不同的方法。對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，每種節(jié)流元件的 取壓方式有明確規(guī)定。對孔板裝置，目前國際上通常采用的取壓方式有五種：角接取壓法、 理論取壓法、徑距取壓法、法蘭取壓法，并將它規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)孔板的取壓方法。而在我國國家 標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定可以采用角接取壓和法蘭取壓兩種方式。對于角接取壓可以采用環(huán)室或加緊環(huán) (單獨鉆孔)，對于法蘭取壓，則應(yīng)用取

61、壓法蘭。其中用于法蘭取壓的取壓法蘭由帶取壓孔的 兩個法蘭組成?？讖?b0.08D，實際尺寸為 612 毫米。取壓孔軸線距離節(jié)流件前后端面為 25.4 毫米。節(jié)流裝置的測量精度，除其本身的加工精度、取壓方式及取壓裝置之外，它還與 流徑的流束擾動情況有關(guān)，因此通常要求節(jié)流裝置前后都應(yīng)有分別為 10 倍于管道直徑和 5 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 倍于管道直徑的直管段，他們主要起整流作用，消除管內(nèi)水力部件對流束造成的擾動，使測 量可靠。 4.3.2.3 檢測裝置檢測裝置 由以上論述看出，通過孔板的流體的流量與孔板兩端的壓力差的平方根成正比。本試驗 裝置中，此壓差信號由壓差式變送器測量。壓差式流量

62、傳感器是目前工業(yè)上技術(shù)最成熟、使 用最多的一種，其使用量約占全部流量測量儀表的（7080%） 。他不僅可以用來顯示，而且 可以經(jīng)壓差變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號 420 mA(或 l5V)以便送到單元組合儀表及計算機(jī) 進(jìn)行上業(yè)過程控制。差壓式節(jié)流裝置的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)能力強(qiáng)，幾乎 能測量各種工作狀態(tài)(包括高溫、高壓)下的流量。 本系統(tǒng)采用壓差變送器 BC69，其技術(shù)指標(biāo)如表 4-2 所示。 表 4-2 壓差傳感器的技術(shù)指標(biāo) 量程供電輸出精度允許過載 05000Pa24VDC05V+(-)0.5%FS300%FS 變送器接線方式為四芯航空插頭，三線制輸出。壓差變送器采用 24v

63、直流電源供電，輸 出信號通過數(shù)據(jù)采集板的模擬輸入通道進(jìn)入到計算機(jī)中進(jìn)行處理。 力傳感器用來測量管道的靜壓。壓力傳感器的種類繁多，本系統(tǒng)采用電容式微壓傳感器， 其特點如下： 4.3.3 扭矩的測量扭矩的測量 扭矩的測量用于計算風(fēng)機(jī)的軸功率和效率。電機(jī)轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備和測試方法種類很多，就 一般中小型電機(jī)來說，有機(jī)械測功機(jī)、渦流測功機(jī)、磁粉測功機(jī)、電機(jī)測功機(jī)等。但這些測 功機(jī)都只適用于測量靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)力矩，電阻應(yīng)變式扭矩傳感器可用于測量動態(tài)扭矩。電阻應(yīng) 變式扭矩傳感器是利用應(yīng)變片將扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)變(通過某種裝置轉(zhuǎn)變成正應(yīng)變)轉(zhuǎn)換成電量 而進(jìn)行測量的。 本系統(tǒng)采用的 AKC-205 扭矩傳感器是以電阻應(yīng)變

64、計為電阻轉(zhuǎn)換元件的傳感器。電阻應(yīng)變 計是基于金屬電阻絲的電阻一應(yīng)變效應(yīng)。所謂應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體(電阻絲)的電阻值隨應(yīng) 變(伸長或縮短)而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。在傳感器的彈性體上粘貼有電阻應(yīng)變計并組成 惠斯通電橋。給電橋通上激勵電壓，在扭矩的作用下，彈性體產(chǎn)生變形，應(yīng)變計由此產(chǎn)生電 阻變化，從而使電橋發(fā)生不平衡，電橋輸出-與扭矩成線性關(guān)系的電壓信號。然后通過導(dǎo)流 環(huán)把信號引出來。AKC 一 205 扭矩傳感器狀態(tài)參數(shù)如下： 測量范圍：05N.m 激勵電壓：12VDC 或 15VDC 額定輸出靈敏度：l2mv/V 零點輸出：2%FS 允許溫度范圍：-3080 允許過負(fù)荷：120%FS 因扭矩傳感器輸出信號為 mV 信號，不能直接輸