【正文】 由 此可以看到，從設備運行的安全性和經(jīng)濟性來考慮，建立風機設備的測試系統(tǒng)勢在必行。傳統(tǒng)的風機氣動性能測試平臺是用壓力計、流量計、溫度計、功率計、轉速儀等讀數(shù)儀器來測量相關參數(shù) ,再通過后期的計算 ,來獲得性能曲線等數(shù)據(jù) ,整個測試過程耗時比較長 ,存在不穩(wěn)定的人為誤差。因此 , 決定開發(fā)一種集多種設備測試功能為一體、檢測范圍可調節(jié)的測試系統(tǒng)。虛擬儀器的發(fā)展標志著自動測試與電子測試儀器領域技術發(fā)展的一個嶄新方向。發(fā)展基于計算機輔助的自動測試技術是提高測試精度和測試效率、減輕勞動強度、完善測試手段的重要途徑，也是產品質量監(jiān)督科學化的必要手段，對新產品的開發(fā)、研制和設計具有十分重要的現(xiàn)實意??4義。但是由于礦山環(huán)境復雜、井下工作環(huán)境差，再加上國產的一些在線監(jiān)測設備整體水平還比較低，而國外進口儀器普遍價格昂貴，且功能方面不能完全滿足生產的實際需要，以及前我國礦山企業(yè)不景氣，這些進口儀器很難得到普及等多方面原因，到目前為止，國內還沒有出現(xiàn)較為理想的、能滿足礦井工作現(xiàn)場要求的自動測試系統(tǒng)。經(jīng)過十幾年的不斷完善，和傳統(tǒng)的編程 9 軟件相比，目前 虛擬儀器已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，界面修飾和開發(fā)周期等方面有了無可比擬的優(yōu)勢，因此它已逐漸成為測試測量行業(yè)的主流軟件。例如德國大眾汽車公司將虛擬儀器應用到汽油發(fā)動機綜合測試中，在大大節(jié)省開發(fā)資金和縮短開發(fā)周期的同時，取得了比傳統(tǒng)儀器更好的測試效果?？梢哉f，虛擬儀器給礦山設備檢測注入了新的氣? ?11息。 本次研究的主要任務 掌握通風機性能檢定的基本理論和基本方法，研究通風機風速、風壓檢測新理論、新方法。通風機所要測的每一個性能參數(shù)對應一 種傳感器。在選擇傳感器時，不僅要考慮系統(tǒng)精度要求，還要考慮其性價比，同時也要考慮其所處的工作環(huán)境。 根據(jù)不同的傳感器及國標精度要求，設計相應傳感器的信號調理電路， 10 用多路模擬開關處理風速傳感器信號。另外換要考慮外界的干擾，看是否需要加入濾波器或隔離電路離開消除外界干擾。 確 定 USB 接口方案， 接口模塊設計， A/D 轉換模塊設計，數(shù)字 I/O模塊設計，復雜大規(guī)?？删幊碳呻娐?(CPLD)設計，電源設計等。主要包括：多路開關、 A/D 轉換器、接口芯片和控制芯片（ CPU）。而對于 A/D 模數(shù)轉換器的選擇要考慮其轉換時間、轉換精度等。控制芯片要考慮系統(tǒng)的要求和它的效率及性價比等。通過編程將各個模塊進行組合實現(xiàn)系統(tǒng)軟件設計。 本章小結 本章主要介紹了本課題的研究背景和意義，簡述了國內外通風機性能檢測的發(fā)展現(xiàn)狀，也說明了本課題的主要做的任務。虛擬技術的出現(xiàn)大大改變了人類現(xiàn)有的思維模式、工作模式和生活模式。它的出現(xiàn)使儀器與計算機之間的界限開始消失，是儀器發(fā)展史上的一場革命。所謂虛擬儀器，是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶根據(jù)需求定義和設計的具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的實質是利用計算機顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結果；利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算、分析和處理；利用 I/0 接口設備完成信號采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)面板上的各種器件所完成的 功能是相同的，并由各種開關、按鈕、顯示器等實現(xiàn)儀器的功能 12 操作。而虛擬儀器面板控件是外形與實物相像的“圖標”，用戶只需選用代表某種軟件程序的圖形“控件”即可，由計算機的鼠標“鍵擊”來對其進行操作。尤其是 LabVIEW 圖形化編程語言可在短時間內輕松完成一個美觀而又實用的“虛擬儀器前面板”的設計，整個設計過程輕松而有趣。在以計算機為核心的硬件平臺支持下，通過軟件編程設計來實現(xiàn)儀器的功能，可以通過不同的測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能。目前，虛擬儀器在發(fā)達國家已十分普及。 虛擬儀器系統(tǒng)的構成 任何測量系統(tǒng)都可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出三大模塊，將這些模塊分別用不同的硬件和軟件實現(xiàn)，就可以構成不同的虛擬儀器系統(tǒng)。硬件部分的功能是獲取真實世界中的被測信號；軟件部分的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，軟件通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫。 虛擬儀器的硬件 通常虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件包括傳感器、信號調理、信號采集等 I/O接口設備和通用計算機。虛擬儀器的形式取決于實際的物理系統(tǒng)和構成儀器的 I/O 接口的硬件類型，但都離不開計算機控制。 虛擬儀器的硬件構成方式主要有五種類? ?14型： （ 1） PCDAQ（ DataAcquisition）系統(tǒng)：是基于計算機標準總線（如 ISA,PCI 等）的內置功能插卡，是以數(shù)據(jù)采 集卡、調理電路和計算機為硬件平臺的插卡式虛擬系統(tǒng)。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊 GPIB 接口卡和若干臺通過 GPIB 電纜相連的 GPIB 儀器。 4） PXI 系統(tǒng)：以 PXI（ PCI eXtension for Instrumentation）標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。任何虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到 PC 機或工作站等計算機平臺加上應用軟件而構成的。 PCDAQ 式測試系統(tǒng)是構成虛擬儀器的最基本的方式，也是最廉價的方式。 （ 1） I/0 接口軟件：存在于硬件和驅動程序之間，是最接近硬件的軟件層，完成對硬件內部寄存器單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作，為硬件和驅動程序提供信息傳遞的低層軟件層，是實現(xiàn)開放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎。驅動程序的實質是為用戶提供一個用 15 于儀器操作的較為抽象的操作函數(shù)集。 （ 3） 應用程序開發(fā)環(huán)境：是完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計算、存儲、顯示、輸出等任務，是虛擬儀器的核心和完成任務的關鍵。 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種全新的儀器設計概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾多的優(yōu)點：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器 。虛擬儀器軟件開發(fā)有三個準則：標準化、模塊化和可重用性。 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 16 （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)分析等領域。 LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（ Virtual Instrument），簡稱為 VI。前面板（ Front Panel）是 VI 的交互式圖形化用戶界面，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出（其中，用于讓用戶輸入數(shù)據(jù)到程序中的控件稱為“控制量”；用于顯示程序輸出的控件稱為“指示量”），目的是仿真真實儀器的前面板。通過這些控件可以很容易的完成面板設計，設計出的前面板可接收用戶的控制信號和顯示輸出結果?？驁D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行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語言的集中體現(xiàn)。一個框圖程序由多個小“框圖元”通過連線連接而成，每個“框圖元”只有當所有輸入信號都有效的條件下，才會輸出信號。在設計大型系統(tǒng)時，一步完成一個復雜系統(tǒng)的設計有相當?shù)碾y度，所以設計者多采用模塊設計，把一個復雜系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可以完成一定的功能。針對測控領域， 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現(xiàn)有的控制對象修改成適合自己個性特點的控制對象； （ 2） 內置的程序編譯器：它采用編譯方式運行 32 位應用程序，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，其速度大體相當于編譯 C 的速度； （ 3） 并行機制：使用圖標表示功能模塊，使用連線表示數(shù) 據(jù)傳遞，使用為多數(shù)工程師熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言編程，這樣使得編程過程與思維過程非常相似； （ 4） 靈活的程序調試手段：用戶可以在源代碼中設置斷點、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 都提供了相應版本的軟件，并且平臺之間開發(fā)的應用程序可直接進行移值； （ 6） 強大的函數(shù)庫：從基本的數(shù)學函數(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)，可供用戶直接調用； 18 （ 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)絡功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。而當氣體通過管網(wǎng)時，其全壓 — 流量（ PQ）關系又要遵循管網(wǎng)的性能曲 線，這樣，風機的性能與管網(wǎng)的性能之間必須有如下關系： （ 1） 通過風機與管網(wǎng)的氣體流量要完全相等； （ 2） 風機所產生的全壓的一部分即靜壓 Ps 只用于克服管網(wǎng)中的阻力 H，全壓的其余部分消耗在氣流從管網(wǎng)出口時所具有的動壓 Pd 上，風機的全壓 P 等于管網(wǎng)的總阻力與出口動壓損失之和，即 P=H+Pd。在 A 點，兩者的流量 Qm 相等，靜壓力與阻力 H 也相等， A 點稱為工況點。、 H39。時工況點也隨之改變，若風機的壓力曲線不變，工況點就沿著壓力曲線移動至 A39。39。 由于風機內部流體運動的復雜性，至今還不能用理論的方法精確計算出它的 各種損失，因而不能準確的計算出各個性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的性能曲線與實際工作性能曲線之間存在較大差異。因此，風機的工作性能參數(shù)要由試驗得到，試驗的目的在于確定工作風機的工作性能曲線，從而確定風機的工作范圍，以便向用戶提供可靠的使用數(shù)據(jù)和高效率的風機。 （ 1） 流量：單位時間內風機所輸送 的流體量稱為為流量，也稱為風量。 （ 2） 全壓：單位體積的氣體在風機內所獲得的能量稱為全壓，也稱為風壓。 （ 3） 軸功率：原動機傳遞給風機轉軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，常用 shN 表示，單位為 kW。 （ 5） 效率：風機輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實際所得到的功率比原動機傳遞至風機軸端的功率要小，風機有效功率與軸功率之比稱為風機效率。風機全壓效率可達 90％。 （ 6） 轉速：風機軸每分鐘的轉速稱為轉速，常以 n 表示，單位為 r/min。其它參數(shù)可以在此基礎上通過公式求得。 通風機運行參數(shù)列出如下： （ 1）風量 通風機風量指風機進口 (抽出式工作時 ) 或出口 (壓入式工作時 ) 通過的空氣流量 , 是斷面上平均流速與面積的乘積 , 用 3m /S 表示。其中風速傳感器的安裝方式會在后面詳細介紹。對抽出式風機而言 , 其進口風道內靜壓低于風道外大氣壓 , 兩者差的絕對值稱相對靜壓（負壓） , 用較先進的擴散硅壓阻傳感器測量 , 輸出毫伏級信號。 21 （ 3）大氣參數(shù) 它包含 3 個量 : 有大氣壓 , 與風壓類似 。 （ 4）轉速 風機轉速采用非接觸式紅外光電傳感器測量 , 紅外光束射到機軸上 , 轉動一周 , 軸上反射紙就返回一個光信號 , 經(jīng)接收放大后的頻率即轉速 , 單位是 rPm , 精度為 。 風機性能參數(shù)指標 環(huán)境氣壓： 800hPa~1060 hPa； 環(huán)境溫度： 0℃ ~50℃； 風速： ~20m/s，177。 10Pa)， 0 Pa ~2020Pa(177。 本系統(tǒng)采用以上標準環(huán)境參數(shù)進行設計。 () 其中 C 為平均風速， 1C 、 2C 、 NC 表示各測試點風速， N 表示測試點個數(shù)（所用風杯個數(shù)）。 () 其中 Q 為風量， S 為斷面面積， C 為平均速度。 （ ） 其中 T 為測量斷面處溫度， P 為測量斷面處壓強。 （ ） 其中 ? 為空氣密度， C 為平均風速。 () 其中 A 為住口截面面積。主要有管道摩擦阻力和整流柵局部阻力。 ② 整流柵局部損失 （ ） 式中： ? 為損失系數(shù)，取 ? =. 則管道阻力大小為 （ ） 于是通風機全壓： （ ） 通風機產生的靜壓： （ ） （ 6）通風機的有效功率和效率 全壓有效功率： （ ） 靜壓有效功率： （ ） 效率有下列各式計算。 nf hh ?????12 dn pCh ??? ???????? 11 stdd ppppdst ppp ????1000pQpe ??1