虚拟风机功率自动测试系统.doc

摘要简单介绍了一种基于虚拟仪器技术的风机功率自动测试系统。该系统采用图形化编程软件LabView编制程序，可实现对风机主轴转速及功率的同时测量，并可实现数据的自动采集、保存及处理。而且该自动测试系统信号采集与信号处理相分离，其应用范围广。 关键词通风机 功率 虚拟仪器 自动测试 Automatic Test System for Power of Virtual Fan Abstract An automatic test system for power of fan based on virtual instrument technology is introduced. The system is programmed with graphical programming software LabVIEW, which can realize simultaneous measurement of main shaft speed and power of fan, and can also realize automatic data acquisition, storing and processing. Furthermore, the signal acquisition and processing of the automatic test system are separated, and it is used widely. Key words Fan Power Virtual instrument Automatic test 1引言 目前风机性能试验测量功率大都采用功率测量仪人工读数，然后再计算风机效率，这种方法的测量精度和效率都很低，难以满足现代试验技术的要求[1]。因此有必要开发一套基于计算机的实时数据采集处理系统，利用计算机采集处理数据，具有增加试验过程中的稳定性、避免人为读数误差和实时采集处理数据等优点，从而可提高试验精度和效率。为此，在美国两家公司提供的无线网络硬件平台上，应用图形化编程软件LabVIEW编制程序组成了风机功率自动测试系统 , 使整个风机功率测试工作变得简单易行。 2自动测试系统无线网络硬件介绍 本设计是在异类风机串联时作为功率测量仪来使用的。测试时要求完成如下功能完成试验数据的自动采集、存储、处理、显示和打印；试验界面简洁美观。基于河南科技大学农机实验室现有的仪器设备，采用美国Viasat公司的ViaSat/MiniDAT无线数据采集系统、NI公司的 SCXI-1314终端输入模块和SCXI-1520信号调理模块，北京三晶创业科技集团公司的JN338A智能型转速转矩传感器组建测试系统硬件网络。整个硬件测试系统网络如图1所示。 MiniDAT将美国NI公司数据采集功能和无线局域网技术结合在一起，结构上采用嵌入式标准总线设计，中央处理器（CPU）采用Intel公司的 8048632位，PCI插槽中内置有NI公司的DAQCardAI-16XE-50数据采集卡和Cisco公司的CiscoAironet4500无线客户适配器[2]。 DAQCard AI-16XE-50是NI公司的16位精度数据采集卡，最高采集速率可达200K次/s，它能完成信号采集（A/D），数字信号的模拟输出（D/A）以及定时/计数功能，具有16位模拟量输入通道（对插分输入是8对模拟量输入通道,8位数字输入输出端口 ，两个24位的计数器（用于定时/计数功能[2]。 Cisco Aironet 4500无线客户适配器是一个信用卡大小的，通过PCMCIA插槽连接的PCMCIA 。作为无线局域网中最基本的部件,其工作原理就是整理计算机发往网络的数据,并将数据分解为适当大小的数据包之后再向网络上发送[3]。 SCXI-1520是NI公司的16通道多功能信号采集调理模块 , 可提供电压激励和电流激励,滤波与放大,应变片组桥等功能,可以连接热电阻应变片和电压信号等[4]。系统工作时,便携式微机IBMT30内置无线网卡Intel PRO/Wireless LAN 2100 3B Mini与MiniDAT之间自动形成无中心的Ad hoc无线网络，网络通讯协议采用标准的TCP/IP协议，无线传输方式采用DSSS直列扩频,通讯标准采IEE802.11,数据最大传输速率11Mbps, 信号最大覆盖范围610m。 因为JN3338A智能型转速转矩传感器输出的是TTL电平信号，转矩频率范围为515kHz 传感器的转矩输出频率与对应的转矩值成线形关系[5]；转速频率范围03kHz在有效量程内，传感器的输出频率就是其转速值[4] ，而SCXI-1520信号调理模块输入的是模拟电压信号。所以在信号调理前，须进行F/V转换。F/V转换器以频压转换芯片LM231AN为频压转换器件,通过合理设计,并通过实验标定，其转距静态性能中心频率为10kHz,精度为0.5FS。由F/V转换器的标定可以看出,转矩转速输出电压Ｖ和输入频率Ｆ成线性关系。由于传感器的转矩转速输出频率与对应的转矩转速值成线性关系，而F/V转换器的转矩转速输出电压Ｖ和输入频率Ｆ成线性关系，则转矩转速输出电压Ｖ和对应的转矩转速值也成线性关系。本系统选用的传感器转矩量程是-30～30Nm, 对应的输出电压是－5～5V,则转距/电压分辨率KT 60/106Nm/V; 转速量程是0～3000r/min, 对应的输出电压是0～5V, 则转速/电压分辨率Kv 3000/5600r/min/V;这样可以通过测量电压反推求出所测的转矩转速值。 当转矩 T 和转速 n 已知时，可用下式计算功率 3 自动测试系统软件设计 虚拟仪器（Virtual Instrument）技术是计算机技术和测试技术共同孕育和发展的产物，它是充分利用计算机的软、硬件资源，借助一定的模块化功能插卡和软件模块来完成传统电测功能的一类全新概念的智能化仪器系统[5]。1986年美国的国家仪器公司National Instruments Corporation 简称NI 首先提出了虚拟仪器的概念。这一概念的核心是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、调用、显示以及文件管理等功能，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，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又可充分利用计算机智能资源的全新的仪器系统[6]。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件组成，因此国际上把这类新型的仪器称为“虚拟仪器”或称“软件即仪器”。20世纪80年代以来,NI公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的LabVIEW图形化编程软件，已成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户[7]。 由于LabVIEW自带的驱动程序能够支持 NI 公司生产的各类数据采集卡，所以自己不用编写驱动程序[8] 。在数据采集时，只需在用户接口程序 Measurement Automaton Explore（安装完 LabVIEW 会自动产生）下正确设定采样通道和采样速率即可。Measurement Automaton Explorer 可以自动检测到与系统（PC机）相连的设备（如DAQ,GPIB,VISA,VXI，IMAQ 等硬件），并可调用相应设备的设置软件对设备参数进行设置[9]。 图3是用LabVIEW软件编写的风机功率自动测试系统界面。由于LabVIEW提供 了丰富的数据采集处理模块， 所以风机自动测试系统设计并不是特别复杂。其基本思想就是采用双通道同时采集的方法获取转速和转矩电压平均值，再乘以转矩转速/电压分辨率KT ，KV ，求出转矩和转速值，然后计算出功率值及其效率。其程序结构框架如图4所示。测试时首先正确设定转速转距的采样通道，采样时间，风机功率会自动存储在所指定的计算机硬盘上，并运用Microsoft excel 调用，数据处理非常方便。 数值存储样式如下所示 采样时间 转矩/Nm 转速/r/min 功率/kW 空载功率/kW 风机效率 2004-11-8 172343 0.755103 901.26 0.071261 0.028 0.591 2004-11-8 172353 0.692869 886.98 0.064352 0.028 0.562 2004-11-8 172454 0.650769 886.25 0.060392 0.028 0.545 4 试验结果 2004年7月，该风机功率自动测试系统应用于风机性能的试验中， 在不同工况下其测量数据与北京三晶创业科技公司的JN338M-A功率测量仪的测量数据对比分析曲线如图5和图6所示。 试验地点河南科技大学农机实验室；试验时间2004年7月；风机种类4-72离心通风机。 试验结果表明，与JN338M-A功率测量仪比较，其测量数值相对误差率在1以内。证明该套风机功率自动测试方案可行，精度也能满足设计要求。 5结论 应用本套风机功率自动测试系统测试风机功率，测量结果可以实时处理保存。并 且该系统模块化程度高，软硬件扩展方便，稍作改变就可用于动力机械转速、转矩和功率 的测试。由于该测试系统信号采集与处理相分离，信号在网间靠无线传输完成，对于作业 机械或作业环境恶劣（测试人员无法到达）的场合，使用该系统进行作业参数测试会更方便。 参 考 文 献 [1] Qian Dongping, Huo xiaojing. Auto-testing system for fan perance based on virtual instrumentation technology[J]. 农业工程学报， 2003,195. [2] MiniDAT User Manual Viasat compan 2002. [3] . [4] SCXI-1520 User Manual NI Company 2002. [5] JN 338A 型系列智能数字式转速转矩测量仪使用说明书 . [6] 刘君华等 . 虚拟仪器图形化编程语言 . 西安电子科技大学出版社 ,2001. [7] LabVIEW User Manual. NI Company 2002. [8] LabVIEW Measurements Manual. NI Company 2002. [9] 石博强等 .LabVIEW6.1 编程技术使用教程 . 中国铁道出版社， 2002.