基于虚拟测试技术的风机状态测试系统的设计开题报告 一、综述1.课题研究的目的和意义风机使用面广，种类繁多，遍及国民经济的各部门，利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作。所以，在我国的冶金、有色金属、化工、建材和煤炭等部门，风机得到了广泛地应用。风机的工作是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。为了正确选择、使用风机川，必须了解这些参数间的相互关系。由于风机理论至今仍欠完善，所以风机性能参数的获取主要依赖于性能试验。风机性能试验是在风机转速不变的情况卜，改变风机的流量，检测风机各性能参数，并绘制性能曲线的过程。目前，风机用户为了提高经济效益，在选择风机时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求，如压力，流量，转速，功率，噪声，可靠性等。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。由此可见，风机性能试验对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。长期以来，我国的风机测试手段比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制曲线为主，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度大等缺点。1随着电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得风机参数的自动采集成为可能。近年来，我国少数单位在通风机测试技术方面有了新的研究或使用了微型计算机团，但他们有的测试参数不完全，只能完成某一部分的测试任务;有的测试系统庞大而复杂，不能作为通用系统得以推广。所以，目前在国家标准的基础上，如何利用高新科技手段实现风机性能的自动检测与分析已成为国内多数风机生产厂家及风机研究单位的迫切需要。现代科学技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断更新的计算机技术从各个层面上影响、引导各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测试系统构造方法的进化，过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器技术能充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。应用虚拟仪器技术，可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。所以，为提高风机性能试验测试系统的性能，并考虑到风机生产厂家及科研院所的实际需求，本课题采用在现有风机性能试验台的基础上利用计算机技术、电子技术、仪器技术的结合(即虚拟仪器)，设计一种具有如下特点的计算机辅助风机性能自动测试与分析系统。2(1)自动采集风机性能试验数据，且各项参数指标达到国家规定标准。(2)自动调整风机运行。(3)自动控制风机转速。(4)自动进行数据处理，且实现数据的存储、打印、查询等功能。(5)自动绘制风机性能曲线。(6)系统界面友好，操作方便，便于用户使用。论文的主要任务是以虚拟仪器为设计目标，选用适合的测试手段与测试方法，进行风机性能试验台的软硬件设计，实现试验数据自动采集与数据处理并最终生成风机性能曲线。2.课题的研究现状及已有成果由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的各种损失，因而不能正确的计算出各种性能参数，所以用计算的方法得到的性能曲线与实际工作性能曲线之间存在较大差异，特别是对于非设计工况，计算值与实际值的误差更大。因此，风机的工作性能参数由试验得到，试验的目的在于确定工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供可靠的使用数据。32.1.1风机性能参数!风机性能试验是以测试试验数据，绘制风机性能曲线为主，所以正确理解风机主要性能参数和性能曲线尤为重要。风机的主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。(l)流量:单位时间内风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量Q表示，其单位为“耐/s”或“m3/h”。严格地讲，风机的流量，特指风机进口处容积流量。(2)全压:单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压或风压，以P表示，单位为Pa。(3)轴功率:原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，以p表示，单位为kw。(4)有效功率:单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，以N，表示单位为kw。(5)效率:风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，他们的比值称为风机的效率，以几表示。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。(6)转速:风机轴每分钟的转数称为转速，以n表示，单位为r/min。风机的各性能参数一般都不是在试验台上直接测量的，而是通过对试验数据进行计算而得到。得到风机性能参数后，绘制风机的性能曲线为风机性能试验的最终结果，风机的性能曲线有两种，包括有因次性能曲线和无因次性能曲线。(7)有因次性能曲线:将风机在各工况下的性能参数值用曲线连接起来，绘制在直角坐标系中，用以表示风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。(8)无因次性能曲线:为了选择、比较和设计风机，经常采用一系列无因次参数。风机的无因次性能曲线是去掉各种计量单位的物理性质而表示的风机流量、功率、效率、全压与静压之间的关系曲线。因为这些性能参数去除了计量单位的影响，所以对每一种型式的风机，仅有一组无因次性能曲线。无因次性能曲线与计量单位、几何尺寸、转速、气体密度等因素无关，所以使用起来十分方便。无因次性能曲线在风机的选型设计计算的应用中尤为广泛。2.1.2风机性能试验装置风机性能试验装置分为风室式和风管式两类。风室式试验装置由流量测试管路、风室、辅助通风机、流量调节器和整流器等组成，根据腔室与通风机进口和出口的连接方式不同，分为进气风室和出气风室两种试验装置;风管式试验由测试管路、流量调节装置、整流装置及锥形连接管等组成，根据试验管路与通风机进气口和出气口的连接方式不同，分为进气、出气、进出气三种试验装置。4(l)进气试验:这种布置形式只在风机进口装设管道，如图2一1所示。气体从集流器l进入吸风管道2，再流入叶轮3，在管道进口处装有调节风量用的锥形节流门4，并在吸风管道中放置测量流量用的毕托管5和静压测管6。5(2)排气试验:这种布置形式只在风机出口设置管道，如图2一2所示。气体从集流器1进入叶轮2，由叶轮流出的气体从排风管道3流出，用出口锥形二冷流门4调节流量，并在管道上装设静压测管5和毕托管6。6(3)进排气联合试验:这种布置形式是在风机进出口都装设管道，如图2一3所示。气体由集流器1进入吸风管2。经叶轮3流入排风管道4，然后排出，在出口装一锥形节流门5调节风量。并在进出口管道上装设静压测管6和毕托管7。7在试验中采用哪一种布置形式，可根据各自的习惯及现场的试验条件来决定。例如送风机是从大气吸入空气，经管道送入炉膛，应采用排气试验装置。引风机是抽出炉膛的烟气使之排入大气，则应采用进排气联合试验装置。因本系统原有试验台为一风管式试验台，所以，本系统采用风管式排气试验装置。8图2一l进气试验装置1一集流器2一进气风管3一叶轮4一锥形节流门5一毕托管6一静压测管图2一2排气试验装置1一集流器2一叶轮3一排气风管4一锥形节流门5一静压测管6一毕托管图23 进排气试验1一集流器2一吸风管3一叶轮4一排风管5一锥形节流阀6一静压测管7一毕托管由风机性能试验方法可以看出，风机性能试验应主要完成试验数据的测量、风机试验台的控制、风机性能参数的计算和风机性能曲线的绘制四部分内容。所以，如何使这四部分功能自动实现是系统设计的关键。92.1.3虚拟仪器技术及其应用虚拟仪器技术是日益发展的计算机技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果，是90年代计算机系统和仪器系统技术革命的产物。以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此国际上把这类新型仪器称为“虚拟仪器”。10虚拟仪器首先由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorporation简称Nl)于1986提出。虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。它给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户(而不是厂家)可以随心所欲的根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的仪器需求。在虚拟仪器系统中，硬件只是为了解决信号的输入与输出，软件才是整个系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便的改变、添减仪器系统的功能和规模，所以有“软件就是仪器”之说。传统仪器与虚拟仪器的比较如表2一l所示。11从这个比较中不难看出虚拟仪器的巨大优越性。虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象，不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的:采集数据，对采集的数据进行分析处理，然后显示并处理结果。它们的不同主要表现在灵活性方面。12虚拟仪器由用户自己定义，这就意味着我们可以自由组合计算机平台、硬件、软件以及各种完成应用系统所需的附件，而这种灵活性是由供应商定义的传统仪器上达不到的。结合实际情况，我国正处于竞争激烈的市场经济潮流之中，作为科研部门要多出成果;作为生产、制造部门，要尽快开发出新产品，把新产品推向市场，同时还要考虑生产率、效率、成本、质量等诸多因素。所以应用最现代化的手段，最新的技术，构建简洁、实用、可靠、完备和高性能/价格比的应用系统是必不可少的。13从90年代中期以来，国内的哈尔滨工业人学、重庆大学、西安交通大学、西安电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批瞩目的成果。14据世界仪表与自动化杂志报道，21世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达到数千种，市场占有率将达到电测与电控仪器的50%。美国Geomatics公司于19%年采用虚拟仪器开发工具一LabVIEw软件开发了自动灌溉系统;美国Goldsmith种子公司于1997年利用虚拟仪器开发工具开发了计算机自动化秧苗分析系统(CASA);密执安工业大学于1996年开发了柴油机实验室自动化数据采集与控制系统，这些系统都具有同类系统不可比拟的优点。15基于虚拟仪器的诸多特点，并结合国内外应用虚拟仪器开发的测试与分析系统的实例，本课题采用虚拟仪器技术对风机性能试验中试验数据自动采集、风机工况自动调节、试验数据自动处理等进行研究，研制一套风机性能计算机自动检测与分析系统，以实现试验过程的自动化，解除以往人工试验的繁琐过程，且消除试验过程中测量及计算误差，提高试验结果的可靠性。16系统框图如下：二、研究内容主要内容：1.对整个风机状态测试系统整体规划与设计。从整个系统的执行功能上，规划出风机状态测试系统整体设计方案。2.对整体系统的状态测试系统的进行规划设计，对系统