【文章內(nèi)容簡介】 其中 :p1 和 p2 和分別為截面 F1(I 一 I)和 F2(IIII)上的靜壓力 。vl 和 vZ’為截面 F1和 F2 處的平均流速 。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 F1V1=F2V2 (32) 式 (3一 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 F0代替 F2=Uf0 (33) 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 (3一 3)代入 (3 一 2)有 基于虛擬測試的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計 10 (34) 令 為溫度為 t1時，開孔面積和管道截面積之比 （ 35）代入（ 31）式得 （ 36） 在推導(dǎo)式 (3一 6)中，壓力 p1’和 p2’均取 F1和 F2處流束的平均壓力，而在實際測量中，經(jīng)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)ξ對 v2進行修正，這樣 (37) 被測流體流過節(jié)流裝置的體積流量為 (38) 令 ，稱為流量系數(shù)，代入（ 38）得 （ 39） 式 3一 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示 : F0:節(jié)流裝置的工作開孔面積。 g= /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。 σ :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)ξ，則可壓縮流體的流量方程可表示為 : (310) 基于虛擬測試的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計 11 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 (310)計算出流量的數(shù)值。 [55] 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?b，實際尺寸為 6 一 12 毫 米。取壓孔軸線距離節(jié)流件前后端面為 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。 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 （ 70一 80%） [56]。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 l一 5V)以便送到單元組合儀表及計算機進行上業(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，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 3一 4所示。 表 3一 4壓差傳感器的技術(shù)指標(biāo) 量程 供電 輸出 精度 允許過載 05000Pa 24VDC 05V +()%FS 300%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入到計算機中進行處理。 靜壓的測量 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[57]，其特點如下 : (1)測量范圍大。金屬應(yīng)變絲的極限一般為 l%，而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達 20%，電容傳感器相對變化量大于 100%。 (2)靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測出電容值，其相對變化量可達 IE一 7 (3)動態(tài)響應(yīng)時間短。由于電容式傳感器可動部分質(zhì)量小，因此其固有頻率很高，可用于動態(tài)信號的測量。 (4)機械 損火小。電容式傳感器極間相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自熱效應(yīng)極微，可保證電齊式傳感器具有較高的精度。 （ 5）結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強。電容式傳感器一般使用金屬材料做電極，以無機材料做絕緣支撐，故能承受很大的溫度變化和各種形式的強輻射作用，適合在惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器一般可分為三種形式 :變截面型、變介質(zhì)介電常數(shù)型、變極板間距型。本系統(tǒng)選用變截面烤口靜壓傳感器，其型號為 :Model268，技術(shù)指標(biāo)如下 : 工作溫度 :一 18~十 65℃ 溫度補償范圍 :+5一 +65’ C 溫漂 土 %FSC 基于虛擬測試的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計 12 測量介質(zhì) :空 氣或類似的非導(dǎo)電性氣體 輸入電源 :9一 30VDC 輸出電流 :4一 2OmA 量程 :0一 2OOOPa 接線方式為兩線式，傳感器采用 24V 直流電源供電，數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道采集 25OQ精密電阻兩端的電壓信號，此電壓信號進入到計算機中進行處理。 扭矩的測量用于計算風(fēng)機的軸功率和效率。電機轉(zhuǎn)矩測量設(shè)備和測試方法種類很多，就一般中小型電機來說，有機械測功機、渦流測功機、磁粉測功機、電機測功機等。但這些測功機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 [58]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)換成電量而進行測量的。 本系統(tǒng)采用的 AKC205扭矩傳感器是以電阻應(yīng)變計為電阻轉(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 :O一 激勵電壓 :12VDC或 15VDC 額定輸出靈敏度 :l一 2mv/V 零點輸出 :2%FS 允許溫度范圍 :30℃ 80C 允許過負荷 :120%FS 因扭矩傳感器輸出信號為 mV 信號，不能直接輸入計算機中。所以用 TS 一 22 智能扭矩側(cè)試儀將 mV信號轉(zhuǎn)換成 O一 5V的電壓信號。 TS一 22智能扭矩儀還具有峰值保持和報警功能，采樣速率為 103 次 /秒。試驗時，將傳感器通過聯(lián)軸器加裝在風(fēng)機軸和電機軸之間，在電機帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動的過程中，扭矩傳感器感受扭矩信號并轉(zhuǎn)換 成 O一 16mV 的電壓信號，此電壓信號再經(jīng)過扭矩儀輸出為 O一 5V電壓進入數(shù)據(jù)采集卡，最后在計算機中進行處理。 數(shù)據(jù)采集板 LabVIEw 獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對工 /O 接口設(shè)備的驅(qū)動完成的。虛擬儀器系統(tǒng)中， I/0接口設(shè)備主要是數(shù)據(jù)采集板。通過數(shù)據(jù)采集板獲取數(shù)據(jù)在虛擬儀器中又稱為 PC一 DAQ(Data Acquisition數(shù)據(jù)采集 )式儀器。 數(shù)據(jù)采集板作為儀器系統(tǒng)硬件的主要組成部分，是外界電信號與 PC機之間的橋梁。它不僅具有信號傳輸?shù)墓δ?，還具有信號轉(zhuǎn)換和譯碼的功能。 數(shù)據(jù)采集板 DAQ(Data Acquisition)[59]一般由以下幾部分組成 : (1)多路開關(guān) :將各路信號輪流切換到放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分 時采集。 (2)放大器 :將前一級多路開關(guān)切換進入的待采集信號，放大 (或衰減 )至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實際系統(tǒng)中，放大器作成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。 (3)采樣 /保持器 :取出待測信號在某一瞬時的值 (即實現(xiàn)信號的時間離散化 )，并在 A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變，如果被測信號變化很緩慢，也可以不用采樣 /保持器。 (4)A/D轉(zhuǎn)換器 :將輸入的模擬量轉(zhuǎn) 換為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前，通常將采樣保持器和 A/D轉(zhuǎn)換器集成在同一塊芯片上。 基于虛擬測試的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計 13 (5)D/A轉(zhuǎn)換器 :將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，以實現(xiàn)控制功能。數(shù)據(jù)采集板的狀態(tài)指標(biāo)決定著數(shù)據(jù)采集板的功能，所以在選用數(shù)據(jù)采集板時應(yīng)首先清楚這些狀態(tài)指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集板的狀態(tài)指標(biāo)主要有 : (l)模擬信號的輸入部分 : 模擬輸入通道 :該參數(shù)表明數(shù)據(jù)采集板所能采集的最多信號路數(shù)。 信號的輸入方式。一般待采集信號的輸入方式有 : 單端輸入 :即信號的其中一個端子接地。 差動輸入 :即信號的兩端均浮地。 單極性 :信號幅值范圍為 [O 一 A]， A為信號最大幅值 雙極性 :信號幅值范圍為 [A,A]。 信號的輸入范圍 (量程 )。一般根據(jù)信號輸入特性的不同 (單極性輸入還是雙極性輸入 )有不同的輸入范圍。如對單極性輸入，典型值為 O一 10V，對雙極性輸入，典型值為 5一 +5V。 放大器增益 :數(shù)據(jù)采集板對信號的放大倍數(shù)。 模擬輸入阻抗 :數(shù)據(jù)采集飯固有的參數(shù)，一般不由用戶設(shè)定。 (2)A/D轉(zhuǎn)換部分 采樣速率 :指在單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)采集板對模擬信號的采集次數(shù)，是數(shù)據(jù)采集板的重要指標(biāo)。由采樣定理，為了使采樣后輸出的離散時間序列 信號能無失真的復(fù)現(xiàn)原輸入信號，必須使采樣頻率至少為輸入信號最高頻率的兩倍，否則會出現(xiàn)頻率混淆誤差。 位數(shù) b:指 A/D轉(zhuǎn)換器輸出二進制數(shù)的位數(shù)。 分辨率與分辨力 :指數(shù)據(jù)采集板可分辨的輸入信號最小變化量。分辨率一般以 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的二進制位數(shù)或 BCD碼位數(shù)表示。 精度 :一般用量化誤差表示。 (3)D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換部分 分辨率 :指當(dāng)輸入數(shù)字發(fā)生單位數(shù)碼變化即 ILSB 時，所對應(yīng)輸出模擬量的變化量。常用D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù) b表示。 標(biāo)稱滿量程 :指相當(dāng)于數(shù)字量標(biāo)稱值 2b的模擬輸入量。 響應(yīng)時間 :指數(shù)字量變 化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍 (l/ZLSB)所經(jīng)歷的時間。 對一些功能豐富的數(shù)據(jù)采集板，還有定時八己數(shù)等其他功能。本系統(tǒng)根據(jù)試驗要求，選用美國 NI公司的數(shù)據(jù)采集板 PCI一 6024E， PCI6024E是一種狀態(tài)優(yōu)良低價位適合 PC機及兼容機的采集板。他能完成信號采集 (A/D)、信號模擬輸出 (D/A)以及定時 /記數(shù)等功能。他有 8個模擬量輸入通道 (對差分輸入，有 4對模擬輸入通道 )、 2個模擬量輸出通道， 16個數(shù)字量 1/0接口、 2個 16位的計數(shù)器 (用于記數(shù) /定時 )。其狀態(tài)指標(biāo)如表 3一 4所示。 表 34數(shù)據(jù)采集板 狀態(tài)指標(biāo) 總線 模擬輸入 采樣率（ S/s） 輸入精度（位） 輸入范圍（ v） 輸入增益 模擬輸出 輸出精度 數(shù)字（ I/O） 計數(shù)/ 定時 PCI 16SE 200K 12 +()10 2 12 8 2 8DI +()5 100 基于虛擬測試的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計 14 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 [60] 測控系統(tǒng)中基本硬件設(shè)備確定以后，制作和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就