基于LabVIEW的風(fēng)機(jī)性能

摘 要 風(fēng)機(jī)技術(shù) 生產(chǎn) 和 研究 的 主要 環(huán)節(jié)是風(fēng)機(jī)性能檢測(cè) 的 試驗(yàn)。隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們 對(duì)風(fēng)機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)的要求也 越來(lái)越高。 目前， 現(xiàn)代風(fēng)機(jī)性能測(cè)試正從人工測(cè)試向自動(dòng)化測(cè)試轉(zhuǎn)變。 測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合 ， 孕育了 一種新的 檢測(cè) 儀器 虛擬儀器。虛擬儀器是一種可以利用計(jì)算機(jī)資源，并由用戶設(shè)計(jì)其功能的具有 一系列 虛擬面板的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化是實(shí)現(xiàn) 風(fēng)機(jī)性能 遠(yuǎn)程測(cè)試 技術(shù) 的關(guān)鍵 。 在此基礎(chǔ)上，本文提出了利用 NI 公司開(kāi)發(fā)軟件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的方案。 本文主要分為三部分。第一部分介紹了虛擬儀器的特 點(diǎn)、組成、概念以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 并 介紹了 LabVIEW 的特點(diǎn)；第二部分分析風(fēng)機(jī)性能 試驗(yàn)基本 原理，然后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)傳感器、 風(fēng)機(jī)工作環(huán)境、旋轉(zhuǎn)擋板和 數(shù)據(jù)采集卡 等 進(jìn)行了選型，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路；第三部分，以 LabVIEW 作為開(kāi)發(fā)平臺(tái) 具體做出風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程并對(duì) 風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 進(jìn)行 討論和研究 。 關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；遠(yuǎn)程測(cè)試；風(fēng)機(jī)性能； LabVIEW Abstract Fan performance testing experiment is an indispensible step in the technology study and production of fan. With the development of the fan technological, its detection technology requirements are also getting higher. At present, modern fan performance testing is transforming from the traditional manual testing to automatic test.With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology.With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology. Network building of virtual instruments is the key technology in actualizing the remote testing； Based on above discription, building of a long-distance fan testing system programme by using NI LabVIEW software was proposed in this paper. The paper is divided into three parts. The first part introduced the concept of virtual instruments, characteristics, structure and the virtual network equipment-related network technology,and introduces the feature of LabVIEW. Fan performance test in the second part analysis the basic principle, and then based on the system design requirements of sensor, fan work environment, the rotary baffle and data acquisition card and so on has carried on the selection, design the signal conditioning circuit； The third part, the specific make fan system with LabVIEW as the development platform of the design process and performance of the fan is a remote test system software design are discussed and studied. Key words:virtual Instrument； remote testing,；fan performance； LabVIEW 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 1 緒論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 研究的目的和意義 . 1 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 . 1 1.4 本文研究的內(nèi)容和目標(biāo) . 2 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識(shí) . 3 2.1 虛擬儀器簡(jiǎn)述 . 3 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 . 3 2.2.1 虛擬儀器的硬件 . 3 2.2.2 虛擬儀器的軟件 . 3 2.3 虛擬儀器的特點(diǎn) . 3 2.4 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái) . 4 2.4.1 面向儀器與測(cè)控過(guò)程的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW . 4 2.4.2 LabVIEW 的特點(diǎn) . 4 2.5 本章小結(jié) . 5 3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的原理 . 6 3.1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)概述 . 6 3.1.1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的原理和方法 . 6 3.1.2 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù) . 6 3.1.3 風(fēng)機(jī)的性能曲線 . 7 3.2 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn) . 7 3.2.1 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試的環(huán)境參數(shù) . 7 3.2.2 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試中的結(jié)構(gòu)參數(shù) . 7 3.2.3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置的方案及選用 . 8 3.3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的相關(guān)計(jì)算、處理 . 9 3.4 風(fēng)機(jī)性 能曲線繪制 . 10 3.5 本章小結(jié) . 10 4 采集 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 11 4.1 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的組成 . 11 4.2 風(fēng)機(jī)工況調(diào)節(jié)裝置的設(shè) 計(jì) . 11 4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 11 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的控制 . 12 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 . 13 4.3 系統(tǒng)測(cè)試 的內(nèi)容與方法 . 13 4.3.1 靜壓的測(cè)量 . 13 4.3.2 流量的測(cè)量 . 13 4.3.3 扭矩的測(cè)量 . 15 4.4 傳感器 的選用 . 16 4.4.1 壓力傳感器 . 16 4.4.2 差壓傳感器 . 16 4.4.3 溫度傳感器 . 17 4.4.4 轉(zhuǎn)速傳感器 . 17 4.5 信號(hào)調(diào)理電路 . 17 4.6 數(shù)據(jù)采集卡 . 18 5 虛擬測(cè)試系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) . 19 5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 . 20 5.2 基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) . 20 5.2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) . 21 5.2.2 系統(tǒng)主界面 . 21 5.2.3 系統(tǒng)操作 流程 . 23 5.3 數(shù)據(jù)采集 . 24 5.4 數(shù)據(jù)處理 . 26 5.4.1 數(shù)據(jù)計(jì)算 . 26 5.4.2 曲線擬合 . 27 5.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù) . 27 5.6 本章小結(jié) . 28 6 總結(jié)與展望 . 29 6.1 總結(jié) . 30 6.2 研究展望 . 30 致謝 . 31 參考文獻(xiàn) . 32 1 緒論 1.1 引言 風(fēng)機(jī)使用面廣，種類繁多，遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流為介質(zhì)進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中分離、清選、加熱烘干、除塵降 溫、物料輸送、通風(fēng)換氣等多種工作。所以，在我國(guó)的化工、冶金和建材等部門，風(fēng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。如冶金工業(yè)中的鍋爐鼓風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)設(shè)備和家用電器設(shè)備中的設(shè)備通風(fēng)和冷卻、風(fēng)洞風(fēng)源和氣墊船的充氣和推進(jìn)、化工業(yè)中的氣體排送、采礦業(yè)中的礦井通風(fēng)、廠房的通風(fēng)等都離不開(kāi)風(fēng)機(jī)。在農(nóng)業(yè)中氣力播種、谷物清選、植物保護(hù)、物料干燥、農(nóng)副產(chǎn)品加工以及物料輸送等方面都要用到風(fēng)機(jī) 1。 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中處于核心地位是氣力輸送，它輸送的風(fēng)量和提供的壓力強(qiáng)有力地保證了系統(tǒng)的可靠性和有效性。風(fēng)機(jī)的安全可靠性在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位顯而易見(jiàn)。而風(fēng)機(jī)的安全 性及其工作效益與它的性能息息相關(guān)，所以風(fēng)機(jī)具備良好的性能可以保障日常生產(chǎn)安全運(yùn)行。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)的復(fù)雜性，目前還很難用單純的理論計(jì)算方法準(zhǔn)確地獲得風(fēng)機(jī)性能曲線，只能通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定。因此，快速準(zhǔn)確地測(cè)定風(fēng)機(jī)性能參數(shù)并繪制性能曲線對(duì)開(kāi)展風(fēng)機(jī)的研究有重要的意義。 1.2 研究的目的和意義 評(píng)判 風(fēng)機(jī)的性能 主要反應(yīng)出三方面： 產(chǎn)品質(zhì)量 的提高 、工作效率 的提高 和工作質(zhì)量 保證的關(guān)鍵因素。校驗(yàn)產(chǎn)品 的 氣動(dòng)性能 能否 達(dá)到設(shè)計(jì)要求 、 出廠 的 風(fēng)機(jī)性能 能否 達(dá)到樣本數(shù)據(jù) 的要求 、 改造后的風(fēng)機(jī)是否能達(dá)到性能指標(biāo)都需要進(jìn)行性能測(cè)試。性 能測(cè)試也是診斷故障的前提。風(fēng)機(jī)的工作 體現(xiàn)在 輸送流量、產(chǎn)生全壓、所需功率及效率 。 為了人們能正確使用風(fēng)機(jī)，我們 必須了解這些參數(shù)之間的相互關(guān)系。但由于風(fēng)機(jī)理論至今尚未完善，所以大部分依賴于狀態(tài)試驗(yàn)獲取風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)原理是在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下改變，改變風(fēng)機(jī)的流量來(lái)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的 其他各個(gè) 參數(shù)，并且繪制狀態(tài)曲線。 目前，風(fēng)機(jī)用戶為提高自身的經(jīng)濟(jì)效益，在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)的各指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求，如壓力，轉(zhuǎn)速，流量，噪聲，功率，可靠性等。與此同時(shí)，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家為了提高自身的競(jìng)爭(zhēng)能力，在努力提高機(jī)械加工，改進(jìn)氣 動(dòng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，也對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和研究給予了高度的重視。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的風(fēng)機(jī)測(cè)試技術(shù)比較落后，主要以手動(dòng)操作試驗(yàn)過(guò)程、手工測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)、手工繪制數(shù)據(jù)曲線為主，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量精度低、測(cè)量手段落后等缺點(diǎn)。然 而 ，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)性能測(cè)試正迅速?gòu)膫鹘y(tǒng)人工測(cè)試向自動(dòng)化測(cè)試轉(zhuǎn)變。計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試儀器技術(shù)的結(jié)合，使得人類研發(fā)出了一種新的測(cè)試儀器 虛擬儀器。虛擬 測(cè)試 技術(shù)和 計(jì)算機(jī) 通信技術(shù)的結(jié)合，使 得 虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生，信號(hào) 的 采集、 處理 和 傳輸 形成了一體化，不再受 環(huán)境 、 地域 等的限制。虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化 是 虛擬儀器目前 發(fā)展 的必然趨勢(shì)。 由此，本文提出了利用 NI 公司開(kāi)發(fā)軟件 LabVIEW 構(gòu)建風(fēng)機(jī)性能遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的方案。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況 在過(guò)去的 70 年 ，風(fēng)機(jī)的應(yīng)用不斷 拓廣 。 1922 年，羅本遜先生 的 礦井通風(fēng)實(shí)踐， 使得風(fēng)機(jī)控制 開(kāi)始 從自然通風(fēng)過(guò)渡到機(jī)械通風(fēng) 。 丹麥?zhǔn)鞘澜缟涎芯匡L(fēng)機(jī)最早國(guó)家之一，很多風(fēng)機(jī)制造商如 Bonus 公司、 Vestas 和 Wincon風(fēng)機(jī)公司都具有先進(jìn)的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)測(cè)試風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，并 且 進(jìn)行分析，以此指導(dǎo)風(fēng)機(jī)生產(chǎn)，提高風(fēng)機(jī)性能和效率 。 我國(guó)風(fēng)機(jī)性能測(cè)試大體上經(jīng)歷三個(gè)階段 23： （ 1） 上世紀(jì)五十年代以后，我國(guó)許多 學(xué) 院和高等院校 以 化工部門頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)研制了風(fēng)機(jī)測(cè)試 試驗(yàn)臺(tái)，但測(cè)試手段落后，主要以手工測(cè)量為主。采用畢托管、杠桿測(cè)矩等傳統(tǒng)儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集， 人工 計(jì)算 、流量 、 壓力 、 效率 和 功率 等參數(shù)，手工繪制性能曲線。這樣測(cè)測(cè)精度不高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。 （ 2） 八十年代中期，可編程計(jì)算機(jī) PC-1500 的出現(xiàn)使 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試程序?qū)崿F(xiàn)了部分儀表測(cè)試的自動(dòng)化；后來(lái)出現(xiàn) APPLE 微型計(jì)算機(jī)和有關(guān)測(cè)試儀器，通過(guò) GPIB 總線在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ) 、 顯示 、處理數(shù)據(jù)和打印，由自動(dòng)繪圖儀拷貝試驗(yàn)結(jié)果 大大提高了 工 作效率 。 （ 3）以上風(fēng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng) 大部分 為半自動(dòng)測(cè)試， 其 測(cè)量信息不能綜合管理，且界面不夠友好。隨著計(jì)算機(jī) Windows 操作系統(tǒng)的展，華中科技大學(xué)動(dòng)力工程系成功開(kāi)發(fā)一種基于 Windows環(huán)境，采用 Visual Basic6.0 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一套計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)能夠完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)集、 顯示 、 處理 、存盤、打印及曲線的 實(shí)時(shí)屏顯 ， 并且 能夠查詢當(dāng)前和歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面的良好。 1.4 本文研究的內(nèi)容和目標(biāo) 在本文中，我們以 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及數(shù)字化測(cè)試技術(shù) 為核心 ，以虛擬儀器模塊化的 設(shè)計(jì)思想為依據(jù)，利用 LabVIEW 軟件構(gòu)建 的 一個(gè) C/S 模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 來(lái)對(duì) 風(fēng)機(jī)性能 進(jìn)行 遠(yuǎn)程測(cè)試。具體研究?jī)?nèi)容如下： 1、 對(duì)風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)基礎(chǔ) 的研究。 2、利用 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn) 的 原理，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的方案和系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)的功能，并確定本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 3、根據(jù)對(duì) LabVIEW 構(gòu)建的 虛擬儀器系統(tǒng)硬件基礎(chǔ) 的分析 ，對(duì)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)和體系 進(jìn)行深入分析。 4、以 虛擬儀器模塊化和層次化 為 設(shè)計(jì)思想，確定系統(tǒng)的功能模塊。 5、 采用 LabVIEW 軟件平臺(tái)將功能模塊進(jìn)行編程， 全面優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理、曲線擬合、數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)等方面。 6、 在 LabVIEW 平臺(tái)上 實(shí)現(xiàn) 客戶端與現(xiàn)場(chǎng)儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)。 2 虛擬儀器技術(shù)及相關(guān)知識(shí) 虛擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是信息技術(shù)的重要組成部分，它們被稱為 21 世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的三大核心技術(shù)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)大大的改變了人們現(xiàn)有的工作模式、思維模式和生活模式。 2.1 虛擬儀器簡(jiǎn)述 1986 年， 美國(guó)國(guó)家儀器公司 (National Instruments Corporation 簡(jiǎn)稱 NI)首先提出來(lái)虛擬儀器 。 它 的出現(xiàn)，打 破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無(wú)法改變的 固有 模式。給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，用戶 (而不是廠家 )可以根據(jù)自己的 需求 ，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)。虛擬儀器 中 的 “ 虛擬 ” 包括以下兩方面：（ 1）虛擬儀器面板是虛擬的。虛擬儀器面板控件是與 實(shí)物 相似 的 “ 圖標(biāo) ” ，用戶只需選用 和 軟件程序 相似 的圖形 “ 控件 ” ， 然后通過(guò) 計(jì)算機(jī)的鼠標(biāo)來(lái)對(duì)其進(jìn)行操作。（ 2）虛擬儀器測(cè)量功能 都是 由軟件編程 來(lái) 實(shí)現(xiàn) 的 。 2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 任何測(cè)量系統(tǒng)都必須包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理和數(shù)據(jù)顯示和輸出三個(gè)模塊，虛擬儀器就是將這些模塊用不同的硬件 和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2.2.1 虛擬儀器的硬件 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的硬件 通常 包括傳感器、信號(hào)采集 、 信號(hào)調(diào)理、等 I/O 接口設(shè)備和通用計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)一般是 PC 機(jī)或工作站，是 整個(gè) 硬件的核心，；傳感器 則 是測(cè)試系統(tǒng)獲取 外界 信息的 通道 ； I/O 接口設(shè)備 則 采集、放大、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換 被測(cè)信號(hào) 等。 2.2.2 虛擬儀器的軟件 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包含以下三部分： （ 1） I/0 接口軟件：是最接近硬件的軟件層 ， 存在于驅(qū)動(dòng)程序 和硬件 之間，為硬件和驅(qū)動(dòng)程序提供信息 交流。 （ 2） 驅(qū)動(dòng)程序?qū)樱阂话阋詣?dòng)態(tài)鏈接庫(kù)或靜態(tài)庫(kù)形式供應(yīng)用程序調(diào)用 ，是 實(shí) 現(xiàn)儀器控制的橋梁。驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是 一個(gè)較為抽象的操作函數(shù)集， 為用戶提供儀器操作 。 （ 3） 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境： 是 虛擬儀器的核心 ，可以 完成測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算、顯示 和 輸出等任務(wù) 。 表 2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 傳統(tǒng)儀器 虛擬儀器 儀器由廠商定義 用戶自己定義 硬件是關(guān)鍵 軟件是關(guān)鍵 儀器功能規(guī)模固定 系統(tǒng)規(guī)模功能可通過(guò)軟件增減修改 封閉的系統(tǒng)，與其他設(shè)備連接受限 基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，可方便的同外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其它應(yīng)用程序連接 價(jià)格昂貴 價(jià)格低，可重復(fù)利用 技術(shù)更新慢（周期 5-10 年） 技術(shù)更新 快（周期 1-2 年） 開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高 軟件結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用 2.3 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種全新的儀器設(shè)計(jì)概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾多的優(yōu)點(diǎn) 4。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較見(jiàn)表 2-15 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)是集控制、測(cè)量、計(jì)算為一體，各種自動(dòng)測(cè)試工作都是在計(jì)算機(jī)參與下完成的。因此虛擬儀器的特點(diǎn) 可歸納為 6： （ 1） 在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能； （ 2） 儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的，突出 “ 軟件就是儀器 ” 的新概念 ； （ 3） 儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)更新，不需要 重新 購(gòu)買新的儀器； （ 4）研 發(fā) 周期比傳統(tǒng)儀器 相比 大為縮短； （ 5）虛擬儀器硬件和軟件都制定了開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)； （ 6）虛擬儀器開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)，以便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng) ； （ 7） 性價(jià)比高。虛擬儀器的信號(hào)傳送和數(shù)據(jù)處理幾乎都是靠數(shù)字信號(hào)或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，大大降低了系統(tǒng)誤差和環(huán)境干擾和影響； 2.4 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái) 2.4.1 面向儀器與測(cè)控過(guò)程的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）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(lǐng)域。它是一種基于圖形編程語(yǔ)言 G 語(yǔ)言 (Graphical Programming Language)的可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái) 7。 （ 1） G 語(yǔ)言編程 LabVIEW 與 常規(guī)的 BASIC、 C/C+等語(yǔ)言 相比 ， 它 具有語(yǔ)言的所有特性，如相似的程序調(diào)試工具 、 數(shù)據(jù)類型，以及模塊化的編程特點(diǎn)等 ，二者的區(qū)別僅僅是編程方式不同 。但二者最大的區(qū)別是 LabVIEW 使用圖形語(yǔ)言（各種圖標(biāo)、圖形、連線等）以框圖的形式編寫程序。所以 ， LabVIEW 不僅僅是一個(gè)功能較完整的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，而是一種真正的編程語(yǔ)言，由于其獨(dú)特的圖形化編程方式，又被稱為 G 語(yǔ)言 8。 （ 2）基于 LabVIEW 的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（ Virtual Instrument），簡(jiǎn)稱為 VI。一個(gè) VI 程序 都由 三個(gè)主要部分 組成 ：前面板、框圖程序、圖標(biāo) /連接器。 前面板（ Front Panel）是 虛擬程序 的交互式圖形化用戶界面， 目的是仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的前面板， 用于設(shè)置用戶輸入 和顯示程序輸出。 框圖程序（ Block Diagram）是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語(yǔ)言的 主要 體現(xiàn)。 圖標(biāo) /連接器（ Icon/Connector）用于把 VI 定義成一個(gè)子程序（ Sub VI）， 這種子程序可以在 其它程序中加以調(diào)用，這使 LabVIEW 得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。 2.4.2 LabVIEW 的特點(diǎn) LabVIEW 軟件的特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn) 9： （ 1）圖形化的儀器編程環(huán)境：使用 “ 所見(jiàn)即所得 ” 的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面。 在 測(cè)控領(lǐng)域 ， LabVIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象，用戶還可以通過(guò)控制編輯器將控制對(duì)象修改成自己 喜歡的 個(gè)性特點(diǎn)的控制對(duì)象； （ 2）內(nèi)置的程序編譯器：它采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，解決了其他按解釋方式工作的圖形編程平臺(tái)速度慢的問(wèn)題； （ 3）并行機(jī)制：功能模塊 用圖標(biāo)表示 ，數(shù)據(jù)傳遞 用連線表示 ，使用 大多數(shù)人 熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語(yǔ)言編程，這樣使得編程過(guò)程與思維 模式 非常相似； （ 4）靈活的程序調(diào)試手段：用戶可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行源代碼、在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)流的變化等； （ 5）支持多種系統(tǒng)平臺(tái)：在 Windows NT/95， UNIX， HP 等系統(tǒng)平臺(tái)上， NI 都提供了相應(yīng)版本的軟件，并且平臺(tái)之間開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序可直接進(jìn)行移值； （ 6）強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)：從基本的數(shù)學(xué)函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運(yùn)算函數(shù)和文件輸入輸出函數(shù)到高級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)，可供用戶直接調(diào)用； （ 7） 開(kāi)放式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)：提供 DLL 接口和 CIN 節(jié)點(diǎn)來(lái)使用戶有能力在 LabVIEW 平臺(tái)上使用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊； （ 8） 網(wǎng)絡(luò)功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 2.5 本章小結(jié) 本 章首先介紹了虛擬儀器的概念，進(jìn)而對(duì)虛擬儀器系統(tǒng)的軟硬件組成及其虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái) LabVIEW 進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和討論，對(duì)傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，總結(jié)出了 虛擬儀器的特點(diǎn)。 3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的原理 3.1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)概述 3.1.1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的原理和方法 風(fēng)機(jī) 工作過(guò)程 總是 離不開(kāi) 管網(wǎng) 的 ，氣體在風(fēng)機(jī)中獲得外功時(shí)，其壓力與流量之間的關(guān)系是 根據(jù)與 風(fēng)機(jī)的性能曲線變化的。而當(dāng)氣體通過(guò)管網(wǎng)時(shí)，其全壓 流量（ P-Q）關(guān)系 隨 管網(wǎng)的性能曲線 變化而變化。因此，總結(jié)出 風(fēng)機(jī)的性能與管 網(wǎng)的性能之間必須有 以下 關(guān)系： （ 1）通過(guò)風(fēng)機(jī) 氣體流量 與管網(wǎng)的氣體流量 肯定 完全相等； （ 2）風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的全壓的一部分 壓力 用于克服管網(wǎng)中的阻力 H， 我們稱之為靜壓 Ps，其余部分 則在 氣流從管網(wǎng)出口 時(shí)消耗，我們稱之為 動(dòng)壓 Pd，風(fēng)機(jī)的全壓 P 則 等于管網(wǎng)的總阻力 消耗的加上管網(wǎng) 出口 時(shí) 損失 的 ，即 P=H+Pd。圖 3.1 為風(fēng)機(jī)壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系。要滿足上述要求，整個(gè)裝置 試驗(yàn)條件 只能在風(fēng)機(jī) P-Q 曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點(diǎn) 處 A 上運(yùn)行。在 A 點(diǎn) 處 ，兩者的流量 Qm 是 相等 的 ， 阻力 H 與 靜壓力 也 是 相等 的，我們把 A 點(diǎn)稱為工況點(diǎn)。工況點(diǎn) 的位置 是由 管網(wǎng)性能曲線 與風(fēng)機(jī)靜壓曲線的交點(diǎn)來(lái)決定的，當(dāng)管網(wǎng)性能曲線變?yōu)?H、 H時(shí) ， 工況點(diǎn)也 會(huì) 隨之改變，若風(fēng)機(jī)的壓力曲線不變，工況點(diǎn)就 會(huì) 沿著壓力曲線移動(dòng)至 A、 A。風(fēng)機(jī)性能測(cè)試 就是 基于這一原理， 在 風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 不變時(shí) ，調(diào)節(jié)排氣節(jié)流閥的開(kāi)度，改變管網(wǎng)特性曲線、改變工況點(diǎn)，從而改變了風(fēng)機(jī)的流量等參數(shù)，在各個(gè)對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)下測(cè)定該風(fēng)機(jī)的 動(dòng)壓 、 靜 壓、 軸功率 、 電機(jī)轉(zhuǎn)速 等參數(shù)， 再 通過(guò)計(jì)算得到各工況點(diǎn)的效率，進(jìn)而繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線，包流量 靜壓（ Q-Ps）曲線 、 流量 功率（ Q-N）曲線、流量 效率（ Q-）曲線、流量 全壓曲 線（ Q-P） 等，對(duì) 風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的性能標(biāo)定 進(jìn)行控制 。 圖 3.1 風(fēng)機(jī)壓力和管網(wǎng)阻力的關(guān)系 由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng) 規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜 ，至今 我們 還不能 靠 理論的方法 準(zhǔn)確 計(jì)算出它的各種損失，因而不能準(zhǔn)確的計(jì)算出 風(fēng)機(jī)的各 性能參數(shù)，所以用計(jì)算的方法得到的 風(fēng)機(jī) 性能曲線與實(shí)際 的 性能曲線 有著 較大差異。特別對(duì)于非設(shè)計(jì)工況，計(jì)算值與實(shí)際值的誤差就更大。因此， 我們要通過(guò)試驗(yàn)確定風(fēng)機(jī)工作性能參數(shù)，從而 確定工作風(fēng)機(jī)的工作性能曲線，從而確定風(fēng)機(jī)的工作范圍，以便向用戶提供高效率的風(fēng)機(jī)。 3.1.2 風(fēng)機(jī)的性能參數(shù) 風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)有流 量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率等。 （ 1）流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)風(fēng)機(jī)所輸送的流體量稱為為流量，也稱為風(fēng)量。常用體積流量 Q表示，其單位為 “ sm/3 ” 或 “ hm/3 ” 。 （ 2）全壓：?jiǎn)挝惑w積的氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量稱為全壓，也稱為風(fēng)壓。常用 P 表示，單位為aP。 （ 3）軸功率：原動(dòng)機(jī)傳遞給風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn) 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。 （ 4）有效功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)風(fēng)機(jī)的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用eN表示，單位 kW。 （ 5）效率：風(fēng)機(jī)輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中 肯定 一部分 的 能量損失，被輸送的氣體實(shí)際得到的功率比原動(dòng)機(jī)傳遞至風(fēng)機(jī)軸端的功率要小，風(fēng)機(jī)有效功率與軸功率之比稱為風(fēng)機(jī)效率。常以 表示。風(fēng)機(jī)全壓效率可達(dá) 90。風(fēng)機(jī)效率越高，則氣體從風(fēng)機(jī)中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟(jì)性就越高。 （ 6） 轉(zhuǎn)速：風(fēng)機(jī)軸每分鐘的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)速，常以 n 表示，單位為 r/min。 3.1.3 風(fēng)機(jī)的性能曲線 由于理論計(jì)算得不到 準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī) 特性曲線，因此， 在 實(shí)際應(yīng)用上，都采用試驗(yàn)方法繪制。由 試驗(yàn)得到風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線為風(fēng)機(jī)性能測(cè)試的最終結(jié)果 。 3.2 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn) 本文 用風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力特性試驗(yàn)的方法，求得風(fēng)機(jī) 溫度 、 壓力 、 流量 、 濕度 、 轉(zhuǎn)速 及 功率等參數(shù)。 區(qū)別于 傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的 人工 測(cè)量，本課題采用以計(jì)算機(jī)為核心，配以自動(dòng)化程度較高的測(cè)試傳感器件組成測(cè)試系統(tǒng)。 3.2.1 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試的環(huán)境參數(shù) 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)如下： 空氣溫度： t =20 絕對(duì)壓力： P =1.013103aP 相對(duì)濕度： hu =50% 氣體密度： 3/2.1 mkg 氣體常數(shù)： KkgJRw 5.288 本系統(tǒng)采用以上標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.2.2 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試中的結(jié)構(gòu)參數(shù) 風(fēng)機(jī)出口面積： 22 76800320240 mmmmA 風(fēng)管直徑： mmD 280 節(jié)流裝置的開(kāi)孔直徑： mmd 140 風(fēng)機(jī)葉輪外徑： mmD 5002 孔板與風(fēng)管直徑比： 5.0/ Dd 孔板流量系數(shù)： 62.0 在本測(cè)試中，我們?cè)O(shè)定管道氣流的雷諾數(shù)epR在 65 1010 epR的范圍之內(nèi)，又根據(jù)結(jié)構(gòu) 參數(shù)可知： 64.005.0 2 , mmDmm 100050 所以選取孔板流量系數(shù) 和氣體膨脹系數(shù) ，根據(jù)本試驗(yàn)的布置，本系統(tǒng)中 62.0 ， 96.0 。 3.2.3 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置的方案及選用 風(fēng)機(jī)的性能試驗(yàn)裝置，是由 節(jié)流器 、整流器和 風(fēng)管 等部件組成。這些部件必須 保證 風(fēng)機(jī)在任何工作情況下，氣流流動(dòng)穩(wěn)定， 不會(huì) 出現(xiàn)渦流。 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置分為風(fēng)室式和風(fēng)管式兩類 10。風(fēng)室式試驗(yàn)裝置由流量風(fēng)室 、測(cè)試管路 、輔助通風(fēng)機(jī)、 整流器 和 流量調(diào)節(jié)器 等組成，根據(jù)腔室與通風(fēng)機(jī)進(jìn)口和出口的連接方式不同，分為進(jìn)氣風(fēng)室和出氣風(fēng)室兩種試驗(yàn)裝置；風(fēng)管式試驗(yàn)由流量調(diào)節(jié)裝置、測(cè)試管路 、 錐形連接管 以及 整流裝置等組成。根據(jù)試驗(yàn)管路與通風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口和出氣口的連接方式不同，分為進(jìn)氣、出氣、進(jìn)出氣三種試驗(yàn)裝置 。 （ 1） 進(jìn)氣試驗(yàn) ： 這種布置形式只在風(fēng)機(jī)進(jìn)口 設(shè)置 管道，如 圖 3.2 所示。氣體從集流器 l 進(jìn)入吸風(fēng)管道 2，再流入葉輪 3，在管道進(jìn)口處裝有調(diào)節(jié)風(fēng)量用的錐形節(jié)流門 4，并在吸風(fēng)管道中放置測(cè)量流量用的畢托管 5 和靜壓測(cè)管 6。 （ 2） 排氣試驗(yàn) ： 這種布置形式只在風(fēng) 機(jī)出口設(shè)置管道，如圖 3.3 所示。氣體從集流器 1進(jìn)入葉輪 2，由葉輪流出的氣體從排風(fēng)管道 3 流出，用出口錐形二冷流門 4 調(diào)節(jié)流量，并在管道上裝設(shè)靜壓測(cè)管 5 和畢托管 6。 （ 3） 進(jìn)排氣聯(lián)合試驗(yàn) ： 這種布置形式是在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口都裝設(shè)管道，如圖 3.4 所示。氣體由集流器 1 進(jìn)入吸風(fēng)管 2。經(jīng)葉輪 3 流入排風(fēng)管道 4，然后排出，在出口裝一錐形節(jié)流門 5 調(diào)節(jié)風(fēng)量。并在進(jìn)出口管道上裝設(shè)靜壓測(cè)管 6 和畢托管 7。在試驗(yàn)中采用哪一種布置形式，可根據(jù)各自的習(xí)慣及現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件來(lái)決定。例如送風(fēng)機(jī)是從大氣吸入空氣，經(jīng)管道送入爐膛，應(yīng)采用排氣試驗(yàn)裝置。引風(fēng)機(jī)是抽出爐 膛的煙氣使之排入大氣，則應(yīng)采用進(jìn)排氣聯(lián)合試驗(yàn)裝置。因本系統(tǒng)原有試驗(yàn)臺(tái)為一風(fēng)管式試驗(yàn)臺(tái)，所以，本系統(tǒng)采用風(fēng)管式排氣試驗(yàn)裝置。 圖 3.2 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 5 一畢托管 6 一靜壓測(cè)管 圖 3.3 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 5 一靜壓測(cè)管 6 一畢托管 圖 3.4 進(jìn)排氣試驗(yàn) 1 一集流器 2 一吸風(fēng)管 3 一葉輪 4 一排風(fēng)管 5 一錐形節(jié)流閥 6 一靜壓測(cè)管 7 一畢托管 由風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)方法可以看出，風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)應(yīng)主要完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的 計(jì)算、風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的控制和風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線的繪制四部分內(nèi)容。所以，如何使這四部分功能 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 3.3 風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的相關(guān)計(jì)算、處理 在風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上由傳感器測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括壓差、靜壓、扭矩等信號(hào)，而風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)包括流量、全壓、靜壓、功率、效率等數(shù)值，所以試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)計(jì)算、整理才能得到風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)值，以下為狀態(tài)參數(shù)計(jì)算公式 ： 風(fēng)機(jī)流量 ： PdQ n 242 （ 3.1） 風(fēng)機(jī)動(dòng)壓： 222 AQPd （ 3.2） 風(fēng)機(jī)全壓： std PPP (3.3) 風(fēng)機(jī)軸功率： 9550FnNsh （ 3.4） 風(fēng)機(jī)有效功率： 1000QPNe （ 3.5） 風(fēng)機(jī)效率： sheNN （ 3.6） 風(fēng)機(jī)流量系數(shù)： 422DuQQ （ 3.7） 風(fēng)機(jī)壓力系數(shù)： 22uPP （ 3.8）風(fēng)機(jī)功率系數(shù)： 32241000uDNN （ 3.9） 其中 ： -氣體膨脹系數(shù) -孔板流 量系數(shù) nd-節(jié)流孔板直 STP-風(fēng)機(jī)靜壓 2U-風(fēng)機(jī)葉輪外徑處的圓周速度 P -空氣密度 D -風(fēng)管直徑 F -電機(jī)的輸出扭矩 n -風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) ： 大氣壓力 P=101324Pa 大氣溫度為 t=20 相對(duì)濕度 H=50% 大氣密度 P=1.2kg/m 在本系統(tǒng)中風(fēng)管直徑 D為 360mm，節(jié)流孔板的直徑 d0為 140mm，開(kāi)孔比 25.0/2 Dd 在下列條件下 (其中 Rep 為管道氣流的雷諾數(shù) )： mmDRep 100050；64.005.0；10210 265 依據(jù) GB1236-85，選取孔板流量系數(shù) 本系統(tǒng)中， 62.0 ， 96.0 3.4 風(fēng)機(jī)性能曲線繪制 與通風(fēng)機(jī)狀態(tài)表相比，風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線更能 連續(xù)、 全面地反映其狀態(tài)特性。 所以各國(guó)的通風(fēng)機(jī)狀態(tài)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中，都規(guī)定了試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)提供氣動(dòng)狀態(tài)曲線圖。但有些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣動(dòng)狀態(tài)曲線的繪制未做統(tǒng)一的規(guī)定，繪制的曲線不可避免地存在誤差，尤其用做圖法，其隨意性就更大。因此用統(tǒng)計(jì)分析的方法，即用曲線擬合的結(jié)果作為風(fēng)機(jī)狀態(tài)曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式最為合理。關(guān)于曲線擬合的方式有許多種，如指數(shù)擬合、正交多項(xiàng)式擬合 11以及切比雪夫擬合等，選用何種方法，應(yīng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)所描繪的圖形來(lái)決定。對(duì)于風(fēng)機(jī)，由于其特性曲線的形狀多為拋物線型，所以 本文 采用最小二乘法原則來(lái)擬合狀態(tài)參數(shù)。所謂最小二乘法就是用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法處理 試驗(yàn)觀測(cè)值，使試驗(yàn)觀測(cè)值的期待值等于他的理論值，達(dá)到對(duì)觀測(cè)值的校正。 3.5 本章小結(jié) 本章首先對(duì)風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)做了詳細(xì)的闡述，包括風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)的概念，風(fēng)機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置以及風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的處理方法 ，并且最后對(duì)風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制方法做出了選型。 顯示 4 采集 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的組成 雖然軟件在虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，但仍離不開(kāi)硬件設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)的輸入輸出，系統(tǒng)硬件設(shè)備組成部分是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的基