【導(dǎo)讀】（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。學(xué)校給定的課題中選定這一課題。工作效率的提高和工作質(zhì)量的保證。出廠的風(fēng)機性能能否達到樣本數(shù)。度低、手段落后等缺點。向自動化測試轉(zhuǎn)變。計算機技術(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。件LabVIEW構(gòu)建風(fēng)機性能遠程測試系統(tǒng)的方案。②熟練風(fēng)機性能測試的原理和方法、風(fēng)機性能曲線的繪制原理。④掌握虛擬測試系統(tǒng)的設(shè)計流程和總體結(jié)構(gòu)。風(fēng)機技術(shù)生產(chǎn)和研究的主要環(huán)節(jié)是風(fēng)機性能檢測的試驗。目前，現(xiàn)代風(fēng)機性能測試正從人工測試向自動化測試。種可以利用計算機資源，并由用戶設(shè)計其功能的具有一系列虛擬面板的儀器系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，本文提出了利用NI公司開發(fā)軟。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。要求對傳感器、風(fēng)機工作環(huán)境、旋轉(zhuǎn)擋板和數(shù)據(jù)采集卡等進行了選型，設(shè)計了信號調(diào)理電路；系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行討論和研究。

　　

【正文】 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， 本文采用 PCDAQ 測試系統(tǒng)，本 PCDAQ 測試系統(tǒng)的硬件主要包括風(fēng)機及配套附件、流量調(diào)節(jié)裝置、步進電機傳感器 、 數(shù)據(jù)采集卡 、 信號調(diào)理電路和通用計算機（ PC 機）等，主要完 成風(fēng)機工況的調(diào)節(jié)和風(fēng)機各性能參數(shù)的采集等工作。虛擬測試系統(tǒng)的硬件組成如圖 所示。 大氣溫度、濕度、壓力 鍵盤 圖 虛擬測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 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 卡傳入到計算機中，系統(tǒng)軟件對各采集信號進行計算處理，將其作為風(fēng)機性能參數(shù)保存下來。當用戶發(fā)出指令改變風(fēng)機運轉(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)機性能曲線。 風(fēng)機工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計 風(fēng)機性能試驗是在一定轉(zhuǎn)速下改變風(fēng)機工況，即在改變風(fēng)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(shù)而繪制 出風(fēng)機的性能曲線。本系統(tǒng)采用自行設(shè)計的旋轉(zhuǎn)擋板裝置，在風(fēng)機進口處安裝圓形擋板，通過步進電機拖動圓形擋板旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)風(fēng)管進口大小的變化，從而實現(xiàn)風(fēng)機工況的調(diào)節(jié)。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 為實現(xiàn)風(fēng)管進口氣流流量的調(diào)節(jié)，即風(fēng)機工況的調(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 所示。在風(fēng)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(zhuǎn)動，實現(xiàn)擋板與風(fēng)管進口處孔隙的變化，即實現(xiàn)流量的變化。 風(fēng)機試驗臺 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 DAQ卡 PC 機 打印 風(fēng)機 流量調(diào)節(jié) 減速器 步進電機 電路板 全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 1 減速器 2 風(fēng)管 3 圓形擋板 4 聯(lián)軸器 5 步進電機 圖 旋轉(zhuǎn)擋板的結(jié)構(gòu)簡圖 風(fēng)機工況 調(diào)節(jié)的過程：風(fēng)機的工作流程如圖 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，控制步進電機的步進角度、正反轉(zhuǎn)及步進速度；數(shù)字電路板用于脈沖分配和步進電機的驅(qū)動 ；將減速器加于步進電機與旋轉(zhuǎn)擋板之間，用于防止風(fēng)機運行過程中由于風(fēng)力過大使擋板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。通過編程，控制脈沖信號的個數(shù)和正反轉(zhuǎn)信號，當用戶發(fā)出指令改變風(fēng)機運轉(zhuǎn)工況時， PC 機通過 DAQ 卡輸出電壓信號，此電壓信號再經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換，驅(qū)動步進電機使其轉(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 所示。 圖 旋轉(zhuǎn)擋板的工作流程 圖 圓形擋板各工況下的轉(zhuǎn)動位置 步進電機的控制 以上風(fēng)機工況的調(diào)節(jié)是利用圓形擋板旋轉(zhuǎn)不同的角度而實現(xiàn)氣流流量的調(diào)節(jié)，而擋板的旋轉(zhuǎn)角度是由步進電機來控制的。當系統(tǒng)將一個電脈沖信號加到步進電機定子繞組時，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)一步；當電脈沖按某一相序加到電機時，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)目就能控制步進電機轉(zhuǎn)子機械位移的大??；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。當電脈沖按某一相序連續(xù)加到步進電機時，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PC機 DAQ 卡 電路板 步進電機 減速器 旋轉(zhuǎn)擋板 電源 控制電路 驅(qū)動電路 全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 電相序，就可控制步進電機的轉(zhuǎn)速和方向。 步進電機的選擇 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. 36176。/0. 72176。（五相電機）、 0. 9176。/1. 8176。（二、四相電機 ）、 1. 5176。/3 176。（三相電機），由于精度要求不高，本系統(tǒng)選用 1. 5176。的步進電機。本流量調(diào)節(jié)裝置中負載為減速器和旋轉(zhuǎn)擋板，轉(zhuǎn)矩在 ~10Nm 之間。根據(jù)實際要求，選擇電流為 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(tǒng)選用三相六拍反應(yīng)式步進電機，其型號為 75BF003，其參數(shù)如表 41 所示。 表 41 步進電機的參數(shù) 相數(shù) 步距角 電壓 電流 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 3 176。 30V 系統(tǒng)測試的 內(nèi)容與方法 靜壓的測量 測量風(fēng)機的靜壓，一般是在風(fēng)管的橫截面上垂直開設(shè)靜壓孔，本文采用 DD/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 1D177。 處，下游取壓管中心位于距節(jié)流件前端面 D/2177。 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(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。 流量的測量 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準化、種類繁多、應(yīng)用極廣的流量儀表 [13]。它的節(jié)流裝置已標準化，如標準孔板、標準噴嘴、文丘里管等。 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，當流體流過節(jié)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(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]： gvrpgvrp 22222211 ????? （ ） 其中 ： p1和 p2和分別為截面 F1(II)和 F2(IIII)上的靜壓力 ； vl和 v2’為截面 F1和 F2處的平全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 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 2211 VFVF ? () 式 ()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 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 ()代入 ()有 1021 *FFvv ??? () 令10FFm? 為溫度為 t1 時，開孔面積和管道截面積之比 ?? 21 mvv ? （ ）代入（ ）式得 ?????? ??????? 21222 21 1 pprgmv ? （ ） 在推導(dǎo)式 ()中，壓力 ?1p 和 ?2p 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 ? ?212222 21 1 pprgmvv ?????? ??? () 被測流體流過節(jié)流裝置的體積流量為 ? ?212202022 21 pprgmFFvFvQ ?????? ???? () 令221 m?????? ， 稱為流量系數(shù)，代入（ ）得 ? ?210 2 PPrgFQ ??? （ ） 式 49 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= 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全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 關(guān)，是一個實驗確定的系數(shù)。 當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 ： ? ?210 2 pprgFQ ???? () 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 ()計算出流量的數(shù)值。 標準節(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 了達到壓力均衡，也采用不同的方法。對標準節(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)定為標準孔板的取壓方法。而在我國國家標準中，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。孔徑 b，實際尺寸為 6~12 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。 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（ 70~80%）。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) 一的標準信號 4~20 mA(或 l~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)指標如表 42 所示。 表 42 壓差傳感器的技術(shù)指標 量程 供電 輸出 精度 允許過載 0~5000Pa 24VDC 0~5V +()%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。 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 ： 扭矩的測量 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，就一全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 般中小型電機來說，有機械測功機、