【正文】 處理。電容式傳感器一般使用金屬材料做電極，以無(wú)機(jī)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(qiáng)輻射作用，適合在惡劣環(huán)境中工作。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。由于電容式傳感器可動(dòng)部分質(zhì)量小，因此其固有頻率很高，可用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。 (2)靈敏度高。壓力傳感器的種類(lèi)繁多，本系統(tǒng)采用電容式微壓傳感器[57]，其特點(diǎn)如下 : (1)測(cè)量范圍大。壓差變送器采用 24v直流電源供電，輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集板的模擬輸入通道進(jìn)入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。 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。他不僅可以用來(lái)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(hào) 420 mA(或 l一 5V)以便送到單元組合儀表及計(jì)算機(jī)進(jìn)行上業(yè)過(guò)程控制。本試驗(yàn)裝置中，此壓差信號(hào)由壓差式變送器測(cè)量。節(jié)流裝置的測(cè)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(dòng)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(duì)流束造成的擾動(dòng)，使測(cè)量可靠?？讖?b，實(shí)際尺寸為 6 一 12 毫 米。對(duì)于角接取壓可以采用環(huán)室或加緊環(huán)(單獨(dú)鉆孔 )，對(duì)于法蘭取壓，則應(yīng)用取壓法蘭。對(duì)孔板裝置，目前國(guó)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。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。在推導(dǎo)過(guò)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(cè)試的風(fēng)機(jī)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 所以在本測(cè)試系統(tǒng)中，通過(guò)壓差變送器測(cè)量出節(jié)流孔板兩端的壓差，即可根據(jù)式 (310)計(jì)算出流量的數(shù)值。 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(gè)實(shí)驗(yàn)確定的系數(shù)。 r:不可壓縮流體的重度。式中各字母代表物理量如下所示 : F0:節(jié)流裝置的工作開(kāi)孔面積。將式 (3一 3)代入 (3 一 2)有 基于虛擬測(cè)試的風(fēng)機(jī)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 (34) 令 為溫度為 t1時(shí)，開(kāi)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(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常取節(jié)流裝置前后端面處的壓力即 p1和 p2。流束的最小截面 F2由節(jié)流裝置的開(kāi) 孔面積 F0代替 F2=Uf0 (33) 其中 u為流束的收縮系數(shù)。g 為重力加速度。vl 和 vZ’為截面 F1和 F2 處的平均流速 。 2 ` 39。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(méi)有粘性 )、定常流動(dòng) (管道內(nèi)各點(diǎn)的參數(shù)不隨時(shí)間變化 )，管道是水平放置的。 [50 51 52]， 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(guò)節(jié)流裝置時(shí)，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。本系統(tǒng)中流量測(cè)量部分主要包括節(jié)流裝置與測(cè)壓裝置。 壓差測(cè)量 [49] 目前工業(yè)中測(cè)量氣體、液體、和蒸汽流量最常用的一種儀器為 節(jié)流式流量計(jì)。 本系統(tǒng)采用的傳感器包括壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器。傳感器對(duì)于自動(dòng)測(cè)量至關(guān)重要，隨著微型計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，科技界，產(chǎn)業(yè)界，防務(wù)和民用領(lǐng)域中，各種各樣的電子設(shè)備都廣泛地用它做為“電腦”，用以運(yùn)算，處理，裁決不同類(lèi)型的問(wèn)題，使得有關(guān)設(shè)備日益實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)化，系統(tǒng)化和智能化。 電源 電動(dòng)機(jī) R S T U V W N P1 P PR. R1 S1 . PX. 圖 36 變頻調(diào)速器主回路端子接線圖 表 37 控制回路各端子連接圖 5 2 STF STR 表 32 主回路各端子說(shuō)明 端子記號(hào) 端子名稱 說(shuō)明 R S T 交流電源輸入 連接工頻電源 U V W 變頻器輸出 接三相異步點(diǎn)動(dòng)機(jī) 電源 繼電器 數(shù)據(jù)采集卡 計(jì)算機(jī) 風(fēng)機(jī) 熔斷器 交流接觸器 變頻調(diào)速器 電動(dòng)機(jī) 數(shù)據(jù)采集卡 基于虛擬測(cè)試的風(fēng)機(jī)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 端子記號(hào) 端子名稱 說(shuō)明 5 頻率設(shè)定公共端 頻率設(shè)定信號(hào)和模擬輸出端子的公共端 2 頻率設(shè) 定電壓 輸入 0一 SVDC(或 0一 10V)時(shí)， SV(10V) 對(duì)應(yīng)于最大輸出頻率。 此裝置中各主要部件的選型如下 : 變頻調(diào)速器 :FR一 A500: 電動(dòng)機(jī) :y9OS一 2。另外兩路數(shù)字 I/0口 (17)和 (16)信號(hào)用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，當(dāng) 17口處于高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)起動(dòng)，當(dāng) 16口處于高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)起動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)起停和自動(dòng)變速，本系統(tǒng)采用外部操作模式，即計(jì)算機(jī)控制變頻調(diào)速器的運(yùn)行。 [44] 變頻調(diào)速器的工作方式有三種，即 PU操作模式、外部與 PU聯(lián)合操作模式和外部操作模式 [45]。 圖 35 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置信號(hào)流程圖 電源輸出 38OV三相交流電經(jīng)熔斷器、交流接觸器輸入到變頻調(diào)速器的電源輸入端，數(shù)據(jù)采集板通過(guò)數(shù)字 I/0口輸出低電壓信號(hào)控制繼電器的開(kāi)合，從而控制交流接觸器的動(dòng)作，接通或切斷變頻調(diào)速器的電源。本系統(tǒng)從自動(dòng)化控制與節(jié)能出發(fā)，采用變頻調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。因?yàn)榫哂卸畏睫D(zhuǎn)矩特性的離心式或軸流式通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、和壓縮機(jī)，在低速運(yùn)行時(shí)氣體流速低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，其負(fù)載消耗的能量正比于轉(zhuǎn)速的三次方 [41]，所以，通過(guò)變頻調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。目前，許多風(fēng)機(jī)用戶和設(shè)計(jì)單位都在積極使用變頻調(diào)速 [40]。過(guò)去受價(jià)格、可靠性及容量等因素的限制，在我國(guó)的風(fēng)機(jī)市場(chǎng)一直未得到廣泛應(yīng)用。 圖 34 微機(jī)與數(shù)字電路板信號(hào)隔離 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì) 風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)是在一定的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的，為滿足不同風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)的需要，本系統(tǒng)設(shè)有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置。解決的辦法是在 TTL電路的輸出端與電源之間接一電阻，以 提高 TTL電路的輸出高電平。 (4)數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)的接口 在測(cè)控應(yīng)用中的微機(jī)主機(jī)，其邏輯電路是按 TTL電平工作的，而本系統(tǒng)中數(shù)字電路所用器件為 CMOS 器件。斬波恒流驅(qū)動(dòng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩均勻，系 統(tǒng)效率高。步進(jìn)電機(jī)的功率放大器既要向繞組提供足夠的電壓、電流及正確的波形，又要保證電機(jī)和功率放大器件的安全運(yùn)行，還應(yīng)具有較高的效率、較小的功耗、較低的成本。 (3)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用數(shù)據(jù)采集卡的頻率信號(hào)輸出口，輸出所需頻率的脈沖信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。 AC15V 電源經(jīng) CW7812穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后得到 12V直流電源滿足數(shù)字電路的恒穩(wěn)直流電壓的要求。其轉(zhuǎn)換框圖如圖 3 一 4 所示。為了驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須由一個(gè)決定電動(dòng)機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)角度的脈沖發(fā)生器、一個(gè)使電動(dòng)機(jī)繞組電流按規(guī)定次序通斷的脈沖分配器、一個(gè)保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的功率放大器，以及一個(gè)直流功率電源等組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用微機(jī)與數(shù)字電路相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，其主要包括電源，步進(jìn)電機(jī)的控制電路和步 進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。其參數(shù)如表 3一 1所示。由頻率特性可知，單三拍的頻率特性最差，六拍的頻率特性最好。三拍是在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角時(shí)換相三次，同理六拍在轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角時(shí)換相六次，步進(jìn)電機(jī)的各相繞組以 A、 B、 C表示時(shí)，各種工作方式的換相情況如下 :單三拍 A一 B一 C— A雙三拍 AB— BC一 CA一 AB。最后是工作方式的選用。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是步距角固定，本系統(tǒng)選用步距角為 。步進(jìn)電機(jī)的這種控制功能，是其他電機(jī)無(wú)法替代的。當(dāng)電脈沖按某一相 序連續(xù)加到步進(jìn)電機(jī)時(shí)，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，改變輸入脈沖的數(shù)目就能控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械位移的大小 。 步進(jìn)電機(jī)的控制 [34 35 36] 步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。本系統(tǒng)硬件主要由風(fēng)，鳳管，電動(dòng)機(jī)，傳感器，步進(jìn)電機(jī)，變頻調(diào)速器，計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集板等組成。工況設(shè)定以后，重復(fù)上述信號(hào)采集、處理過(guò)程，直至檢測(cè)全部工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后運(yùn)用最小二乘法擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線，生成試驗(yàn)報(bào)告 [33]。 試驗(yàn)開(kāi)始，由用戶設(shè)定試驗(yàn)初始參數(shù)，計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號(hào)控制變頻調(diào)速器輸出頻率可調(diào)的電壓信號(hào)，作為電機(jī)的電源信號(hào)，電機(jī)起動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，各傳感器采集各路試驗(yàn)數(shù)據(jù)且由數(shù)據(jù)采集卡輸入到計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)軟件對(duì)各采集信號(hào)進(jìn)行計(jì)算整理，將其換算為風(fēng)機(jī)的狀態(tài)參數(shù) 且保存下來(lái) [32]。用最小二乘法 [30]來(lái)擬合曲線既能反映給定數(shù)據(jù)的內(nèi) 在聯(lián)系，又與原數(shù)據(jù)近似程度高，所以本系統(tǒng)擬采用在計(jì)算機(jī)上編制最小二乘法曲線擬合程序?qū)顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行擬合，且繪制風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線。此種風(fēng)速調(diào)節(jié)方法采用先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)化控制，且可大大節(jié)省能源。在計(jì)算機(jī)與電機(jī)之間安裝變頻調(diào)速器，通過(guò)變頻調(diào)速改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 （ 2）風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置 為適應(yīng)不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)試驗(yàn)需要，需設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置。本系統(tǒng)采用在電機(jī)與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸之間安裝扭矩傳感器，在計(jì)算機(jī)中把扭矩信號(hào)按公式計(jì)算成功率值的方法來(lái)測(cè)量功率信號(hào)。 功率測(cè)量 :功率測(cè)量方法有電測(cè)法和扭矩法 .電測(cè)法是通過(guò)測(cè)量電機(jī)電樞的電流和電壓，由公式計(jì)算出風(fēng)機(jī)軸功率的方法，此種方法為間接測(cè)量，且測(cè)量參數(shù)較多，檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確?？装鍓翰罘ㄊ窃陲L(fēng)管的適當(dāng)位置安裝節(jié)流孔板，氣流經(jīng)過(guò)孔板后，壓力發(fā)生改變，根據(jù)孔板前后的壓力差 即可計(jì)算出經(jīng)過(guò)風(fēng)管的體積流量 [29]。動(dòng)壓管測(cè)量法是在風(fēng)管管道中安裝皮托管，皮托管接至傾斜微壓計(jì)，由傾斜微壓計(jì)讀出風(fēng)管內(nèi)的靜壓與全壓，再經(jīng)過(guò)計(jì)算得到流量。 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制 : 風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線的繪制 。 基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)方法 為適合現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的要求，需進(jìn)行風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的改造并設(shè)計(jì)適合的測(cè)試手段與測(cè)試方法，即進(jìn)行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。密執(zhí)基于虛擬測(cè)試的風(fēng)機(jī)狀態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 安工業(yè)大學(xué)于 1996 年開(kāi)發(fā)了柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具有同類(lèi)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。美國(guó) Geomatics公司于 19%年采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具一 LabVIEw 軟件開(kāi)發(fā)了自動(dòng)灌溉系統(tǒng) 。 從 90 年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)人學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中科泛華電子科技公司等院校和高科技公司，在研究和開(kāi)發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)以及引進(jìn)消化 NI 公司、 HP 公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批矚目的成果。作為生產(chǎn)、制造部門(mén)，要盡快開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品，把新產(chǎn)品推向市場(chǎng)，同時(shí)還要考慮生產(chǎn)率、效率、成本、質(zhì)量等諸多因素。虛擬儀器由用戶自己定義，這就意味著我們可以自由組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及各種完成應(yīng)用系統(tǒng)所需的附件，而這種靈活性是由供應(yīng)商定義的傳統(tǒng)儀器上達(dá)不到的。虛擬儀器系統(tǒng)的概念是測(cè)控系統(tǒng)的抽象，不 管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的 :采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后顯示并處理結(jié)果。[13‘ 14]。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件只是為了解決信號(hào)的輸入與輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改軟件的方法，很方便的改變、添減儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說(shuō)。虛擬儀器的 出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無(wú)法改變的模式。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國(guó)際上把這類(lèi)新型儀器稱為“虛擬儀器” [12]。 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)是日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項(xiàng)新成果，是 90 年代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀 器系統(tǒng)技術(shù)革命的產(chǎn)物。 圖 2 一 l進(jìn)氣試驗(yàn)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(mén) 5 一畢托管 6 一靜壓測(cè)管 圖 2 一 2 排氣試驗(yàn)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(mén) 5 一靜壓測(cè)管 6 一畢