【正文】 ，自 1961 年 1 月運(yùn)行至今，該試驗臺適用于水泵和模型水輪機(jī)（最大直徑 ）的性能試驗，可以以開式和閉式兩種循環(huán)方式進(jìn)行效率和汽蝕試驗，部分參數(shù)可自動控制，試驗數(shù)據(jù)由計算機(jī)進(jìn)行自動采集、處理，并自動繪制和打印試驗結(jié)果。又例如美國TecQuipment Inc 生產(chǎn)的 Centrifugal Pump Test Sst（ GI15） ，是一臺用于離心泵測試的裝置。針對以上的不足，另外一種基于計算機(jī)的測試系統(tǒng)孕育而生。浙江機(jī)械研究所、江蘇理工大學(xué)、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、華北水利電力學(xué)院等單位相繼對水泵實驗裝置進(jìn)行 了研究與開發(fā)，建立了各具特色的實驗裝置，他們?yōu)樗米詣訙y試系統(tǒng)的不斷完善發(fā)揮了先導(dǎo)作用。 在我國，許多廠家或者是國有企業(yè)改制后的中、小型企業(yè)，或者是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)、民營企業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模一般不大、并且產(chǎn)品多樣，許多廠家的水泵甚至按照用戶的需求進(jìn)行生產(chǎn)，很難形成統(tǒng)一的系列。如何在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，利用新技術(shù)、新設(shè)備等手段實現(xiàn)水泵性能的自動測試與分析已成為國內(nèi)眾多水泵生產(chǎn)廠家及研究單位的迫切需求。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是自 適應(yīng)控制、魯棒控制、非線性控制、大系統(tǒng)理論和預(yù)測控制等現(xiàn)代控制理淪的出現(xiàn)”，以及儀器儀表的高度自動化和信息管理的現(xiàn)代化，使得對流量的自動調(diào)節(jié)成為可能，一些先進(jìn)的控制方法如模糊控制不依賴于被控對象的安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 7 數(shù)學(xué)模型，對無法建?；蚝茈y建模的復(fù)雜對象，也能利用人的經(jīng)驗知識來設(shè)計模糊控制器完成控制任務(wù)。 2．深入進(jìn)行內(nèi)特性方面的測試 深入進(jìn)行水泵流道內(nèi)不同工況下流速分布、壓力分布、壓力脈動、汽蝕形態(tài)、汽蝕強(qiáng)度、汽蝕侵蝕部位等內(nèi)特性的研究，對全面測試水泵的性能、發(fā)展水泵理論和提高設(shè)計水平有重要意義，因此國外一些廠家和有關(guān)高等院校對內(nèi)特性的測試十分重視。此外，還要求盡量縮短研制周期和降低成本。 因此，本課題的主要任務(wù)是選用合適的測試手段與測試方法，進(jìn)行水泵性能參數(shù)試驗臺的管路及軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)自動采集與數(shù)據(jù)處理，完成水泵性能參數(shù)測試及數(shù)據(jù)處理功能。本文即在這方面作了深入探討和嘗試。數(shù)據(jù)的測量可以采用相對應(yīng)的傳感器，數(shù) 據(jù)的調(diào)理可以通過各種調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)的采集可以使用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)分析有頻率分析儀、振動測試儀、各種數(shù)字量處理模塊等，打印選用繪圖儀，顯示可以采用使用組態(tài)軟件的專用顯示設(shè)備。單片機(jī)可以根據(jù)實際情況選擇使用一個或幾個，負(fù)責(zé)對傳感器測量到得實驗 性能參數(shù)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行簡單的處理，然后將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、顯示、數(shù)據(jù)擬合、打印報表等。 （ 3）數(shù)據(jù) 采集卡與 PC 機(jī)工控機(jī)構(gòu)成的采集處理系統(tǒng) 這種方案是采樣用傳感器作為測量設(shè)備，數(shù)據(jù)采集卡作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備， PC機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和管理的主要設(shè)備來構(gòu)成的測試系統(tǒng)。因此我們選定這一方案作為測試系統(tǒng)的構(gòu)架。 可編程控制器（ PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。 水泵性能參數(shù)測試臺管路裝置 試驗裝置 按照國家標(biāo)準(zhǔn)，水泵的試驗裝置只要分為：開式池式試驗裝置和閉式回路試驗裝置 。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 圖 21 水泵開式池式試驗裝置示意圖 （ 2） 閉式回路式試驗裝置如圖 22所示，進(jìn)口吸水和出口排水在同一個水源，水循環(huán)使用，這種裝置由于容器有限， 使得進(jìn)口進(jìn)水受到出口水流的影響，水流不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生漩渦，但另一方面，該裝置占地面積小，可以在廠房內(nèi)設(shè)置。 為了保證以上條件，對于型式數(shù)小于或等于 的泵使用在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行試驗。因此，入口等徑直管的長度取 20D=20x50=1000mm。必要時應(yīng)當(dāng)用精皮托管排測定進(jìn)入模擬回路的液流速度分布，以證實液安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 13 流特性符合要求。 本章小結(jié) 本章通過對水泵性能參數(shù)測試方案、軟件開發(fā)平臺和實驗管路的比較、選擇，根據(jù)實際情況及所掌握的知識，確定了以 PLC 可編程控制器為開發(fā)平臺，由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、PC 機(jī)構(gòu)成的水泵性能參數(shù)測試系統(tǒng)。 軸功率 。 根據(jù)水泵進(jìn)出口徑的大小 及實驗要求，選 10 號無縫鋼管，表號 G30。 選用平面型鋼制管法蘭用石棉橡膠墊片 。 實物圖如圖 35，詳 見 CAD圖 。 結(jié)構(gòu)上 ,渦輪流量計主要由渦輪 ,支承 ,永久磁鐵 ,感應(yīng)線圈 ,殼體 ,導(dǎo)流器組成 ,如圖 41所示 圖 41 渦輪流量計結(jié)構(gòu)圖 1渦輪 2支撐 3永久磁鋼 4感應(yīng)線圈 5殼體 6 導(dǎo)流 器 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 22 圖 42 渦輪流量計流量測試方框圖 如圖 42渦輪流量計測量原理所示 . 渦輪流量計是遵循動量守恒的一種速度式流量儀表 . 當(dāng)流體沿管道的軸線方向流動并沖擊具有導(dǎo)磁性的渦輪葉片時 ,渦輪便周期性的旋轉(zhuǎn) ,其旋轉(zhuǎn)速度 w 一般隨流量大小的變化而變化 。 %。對于平均流速 C C1 是通過測量水泵的流量和水泵進(jìn)出口處的管道幾何尺寸通過如下公式進(jìn)行計算 : 式中 S S2水泵進(jìn)出口的截面面積 (米 2) (2)截面選擇與取壓孔設(shè)置： (a)測量截面的選擇： 測量的位置應(yīng)盡可能靠近泵的入口法蘭和出口法蘭處。 開在水管邊緣上的取壓孔用圓柱形孔直徑應(yīng)為 36mm 或等于 ，取兩者之小值，并且孔深至少應(yīng)是孔直徑的 倍，孔應(yīng)無毛刺和凹凸不平處，并垂直于管的 內(nèi)壁；孔緣應(yīng)以半徑 r≤ d/4 進(jìn)行倒圓或至少有小的倒角。在測量結(jié)果的最大總誤差限中 ,泵揚(yáng)程測量值允許范圍 :B 級為177。 %FS ? 工作溫度 ： 25～ 80℃ ? 環(huán)境溫度影響： %FS/10K 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 26 ? 過壓極限：標(biāo)定壓力值的 2倍 二、外形結(jié)構(gòu)及安裝方式 ? 下圖是壓力變送器的外形尺寸示意圖 。變送 器應(yīng)直接安裝在測量點(diǎn)，但強(qiáng)腐蝕性的或過熱的介質(zhì)不應(yīng)與變送器接觸，需另定購防腐型及高溫型變送器。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 28 電動機(jī)效率應(yīng)從電動機(jī)特性 (Pel~η g)曲線上查得 .由于η g 隨負(fù)荷變化不大通?？梢杂深~定功率的效率代替 . (2) 軸功率測量的電流電壓變送器的選擇 為例達(dá)到對水泵性能參數(shù)的 B級試驗精度要求 ,我們在參照 國家標(biāo)準(zhǔn) GB321689有關(guān)水泵軸功率測試儀表所允許系統(tǒng)誤差范圍 :B級試驗為177。 %,因此 ,我們采用 WB交流電量隔離傳感器測量 .這種傳感器采用特制的隔離模塊 ,對于電網(wǎng)和電路中的交流電壓和電流進(jìn)行測量 . 本次測試選用型號為 WBI414S1 的電流傳感器。 其中 ， n 為 N 型半導(dǎo)體的電子濃度 ,即單位體積中的電子數(shù) 。 溫度傳感器 根據(jù)實驗的條件及其他傳感器的工作要求，本次試驗選用上海龍瑞斯電子公司生產(chǎn)的型號為 3140WB2A80B1L1000 的溫度傳感器。 %FS 負(fù)載電阻： 250 Ω 環(huán)境溫度：－ 25～ 75℃ 溫度影響系數(shù)：δ≤ %/℃ 安裝方式：螺紋連接 實物圖如下： 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 35 水泵效率的 計算 水泵效率是指水泵的有效功率與軸功率之比值，用符號印表示。 附件的選取 FX2N4A/D 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。本系統(tǒng)通過對來自對來自數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)的計算、分析和處理，又 D/A 或 I/O 模塊向系統(tǒng)中的各個控制器件和電控開關(guān)發(fā)出控制信號，實時調(diào)整系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)，使系統(tǒng)嚴(yán)格按照要求自動完成試驗項目的操作。 監(jiān)控模塊 監(jiān)控模塊就是對系統(tǒng)各個部分的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。 AD 模塊的接線 經(jīng)變送器輸出的電壓或電流信號為標(biāo)準(zhǔn)信號 . 一般電壓 0～ 5V 電流 4～ 2。在水泵試驗中，試驗回路正確與否對試驗?zāi)芊裾：晚樌赝瓿善鹬鴽Q定性的作用。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集分為兩部分：模擬量信號 采集和數(shù)字量信號采集。 通訊模塊 通訊模塊的基本功能是要保證試驗過程中試驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和準(zhǔn)確性，這樣才能既發(fā)揮 PLC 控制精度高和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，又能充分利用工控機(jī)良 好的數(shù)據(jù)分析安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 38 和處理能力；系統(tǒng)采用了 RS232 通訊模塊來保證數(shù)據(jù)傳輸通道的正常運(yùn)行。主要由 CPU、存儲器和輸入、輸出設(shè)備組成。該產(chǎn)品具有精度高、功耗低、穩(wěn)定性好的 特點(diǎn)，作為新一代測溫儀表已廣泛用于石油、化工、冶金 、輕工、造紙、紡織、食品、制藥、電力、國防等領(lǐng) 域，實現(xiàn)對液體、氣體、蒸汽等的溫度測量和控制。 實物如圖 48 所示 主要技術(shù)參數(shù) : 1 工作電壓 :5— 24V 2 測量范圍 :0— 20KHz 3 測速齒輪形式 :模數(shù) 2— 4(漸開線齒輪 ) 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 34 4 輸出信號 :方波 ,其峰值等于工作電壓幅度 ,與轉(zhuǎn)速無關(guān) ,最大輸出電流 20mA 5 工作溫度 :30+1300C 6 螺紋規(guī)格 :Φ 16 傳感器 (M16x1) (2) 測量方法 對于轉(zhuǎn)速的測量 ,我們設(shè)計采用了 T 法則 .因為即使用在變速情況下 ,我們的變速范圍在 60%100%的電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ,也即約為 30— ,確認(rèn)脈沖 的個數(shù) ,然后根據(jù)脈沖的多少除以時間 ,求得轉(zhuǎn)速 . 在使用數(shù)字量輸出式霍爾傳感器時 ,可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速誤差 ,是由采集數(shù)據(jù)時開始和結(jié)束時采集間隔造成的 .因為 ,程序進(jìn)入采樣 ,是由第一個下降沿來觸發(fā)的 ,在尋找第一個下降沿時 ,可能會出現(xiàn)最大一個采樣間隔的時間滯后 .同樣 ,在所需采樣完成時 ,也是計算最后脈沖的下降沿 ,這時也有可能產(chǎn)生最大一個采巖間隔的時間滯后 .這些時間滯后會給尖酸帶來誤差 ,并且這一誤差隨采樣頻率的增大而減小 .按2020S/s 采樣頻率計算 .100 個周期在 50Hz 轉(zhuǎn)速情況下誤差為 ， ， 在這一程 序的設(shè)置中此誤差約為 ,因此對于 B 級測量儀表誤差為177。 電 壓傳感器是將電壓轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓 (05V),其主要技術(shù)指標(biāo)如下 : 表 42 WBV412S1 的電壓傳感 器 精度等級 測量電壓 隔離耐壓 輸入頻響 供電電壓 輸入電流 輸出電流 0380V ,1分鐘 25Hz5kHz +12V 0120％標(biāo)稱輸入 05mA . 接線采用端子連接方式 ,二線制電壓輸出 ,連接方式如圖 45 所示 .輸出信號經(jīng)調(diào)理通過單片機(jī)模擬通道進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行處理 . 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 30 信號調(diào)理板端子電壓量傳感器端子 圖 45 電壓傳感器接線 電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量 轉(zhuǎn)速 n:轉(zhuǎn)速是指泵軸 (葉輪 )每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) ,常用轉(zhuǎn) /分鐘 (r/min)為單位表示 .水泵的額定轉(zhuǎn)速 ,一般為 485,970,1450,2900 轉(zhuǎn) /分鐘 .水泵的額定轉(zhuǎn)速、實際達(dá)到的轉(zhuǎn)速的高低對泵的出水量、揚(yáng)程、軸功率都有直接影響 .這是水泵性能中一個很重要的指標(biāo) .水泵轉(zhuǎn)速改變后 ,出水量、揚(yáng)程和軸功率都隨之改變 . 轉(zhuǎn)速的測量有多種測量設(shè)備 ,可以分為光電式 ,感應(yīng)式 ,磁電式等 .在對水泵電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量過程中 ,我們分析比較了 ○1紅外光電傳感器測量法 ○2感應(yīng)線圈測量法 ○3霍爾傳感器測量法 第一種方法即紅外光電傳感器測量法 :在用這種方法時 ,又是測量的轉(zhuǎn)速并不準(zhǔn)確 ,主要是由于環(huán)境干擾 ,紙片邊沿抖動以及傳感器的感應(yīng)問題 .采用紅外光電傳感器測轉(zhuǎn)速必須用較高精度的傳感器和采取抗干擾措施 .由于我們試驗室條件有限 ,使用的傳感器精度較低 ,存在干擾因素而且不容易去除 ,作為轉(zhuǎn)速測量 ,特別是較高轉(zhuǎn)速的測量 ,并安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 31 不是很理想的方法 . 第二種方法即感應(yīng)線圈測量法 :這種方法也有一定的局限性 ,主要在于需要測量的轉(zhuǎn)自電流頻太低 ,一般情況下在 1Hz 左右 ,其感應(yīng)出來的電流十分微弱 ,以至于如果線圈不是感應(yīng)能力足夠強(qiáng) ,會 出現(xiàn)被噪聲淹沒的現(xiàn)象 .即使是不被淹沒 ,也需要很多倍數(shù)的放大 ,這樣又使得噪聲信號同比放大 ,將其淹沒 ,因此在放大的同時 ,還不得不采用低同濾波 ,對噪聲抑制 ,提高信噪比 .并且由于電路本身也會出現(xiàn)噪聲 ,在這么高的放大情況下 ,調(diào)節(jié)十分困難 .從以上分析可以看出 ,使用感應(yīng)線圈來測量轉(zhuǎn)速時對屏蔽和抗干擾的要求比較高 ,需要多次試驗來達(dá)到最佳狀態(tài) . 本系統(tǒng)采用的磁電式數(shù)字量霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)速 .在傳感器內(nèi)用稀土磁鋼給霍爾器件建立初始磁場 ,當(dāng)鐵磁齒經(jīng)過霍爾期間前方時 ,引起該磁場發(fā)生變化 ,霍爾期間檢測到這一變化 ,并轉(zhuǎn)換成一個交變信號 ,傳感器內(nèi)置電路對該信號進(jìn)行放大 ,整形 ,輸出良好的矩形脈沖信號 ,測量頻率范圍更寬 ,輸出信號更精確穩(wěn)定 ,已在工業(yè) ,汽車 ,航空等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用 .每一轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一次脈沖 ,通過脈沖計數(shù)測得轉(zhuǎn)速 .由于在使用環(huán)境中 ,其磁場的影響很小 ,周圍并沒有很大的磁場的變化