裝配圖風(fēng)機(jī)狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
裝配圖風(fēng)機(jī)狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),裝配,風(fēng)機(jī),狀態(tài),狀況,測試,系統(tǒng),總體,整體,設(shè)計(jì)
風(fēng)機(jī)狀態(tài)測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
摘要
風(fēng)機(jī)狀態(tài)測控系統(tǒng)是在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能基本參數(shù)的采集、分析、計(jì)算風(fēng)機(jī)性能參數(shù)并繪制性能曲線(流量——全壓曲線、流量——功率曲線、流量——效率曲線)并通過采集與處理的信號信息對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變頻調(diào)速控制的過程。風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)對于成品的檢驗(yàn)和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)都至關(guān)重要，特別是對于大型、特型風(fēng)機(jī)以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗(yàn)尤為重要。目前，我國風(fēng)機(jī)性能檢測大多以手工為主，存在試驗(yàn)手段落后，勞動量大和測試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)。采用先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，將傳感技術(shù)、儀器技術(shù)和測試技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的自動檢測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動處理和性能曲線的自動繪制是本文研究的重點(diǎn)。
本文采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)自動測試系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。硬件上在風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用壓差傳感器、壓力傳感器和扭矩傳感器檢測各試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動采集;利用變頻調(diào)速技術(shù)控制變頻調(diào)速器輸出信號的頻率，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。軟件上在Labview虛擬儀器開發(fā)平臺上，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了采集信號的實(shí)時顯示、控制信號的準(zhǔn)確輸出、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確處理及應(yīng)用最小二乘法對性能參數(shù)進(jìn)行擬合從而實(shí)現(xiàn)了性能曲線的自動繪制。整個系統(tǒng)具有界面友好、操作方便、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明研制基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)性能自動測試系統(tǒng)，增加了試驗(yàn)過程的穩(wěn)定性，避免了人為的讀數(shù)誤差、計(jì)算誤差以及相關(guān)數(shù)據(jù)不能同時記錄所引起的試驗(yàn)結(jié)果的偏差.提高了測試精度和試驗(yàn)效率。可廣泛應(yīng)用于科研院所和風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家，具有較高的推廣與應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)性能；風(fēng)機(jī)測試；風(fēng)機(jī)控制；虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；Labview。
Abstract
Fan Performance measurement and control system is functioning in Blower in the process of achieving fan of the basic parameters of the collection, analysis, calculated performance parameters and the mapping of fan performance curve (flow - all of pressure, flow - power curve, traffic - the efficiency curve) And through acquisition and processing of signals to the speed of the fan VVVF control of the process. Fan performance test for the finished product testing and new product design and development are crucial, especially for large, special-fan and a single, small volume and flow characteristics of the special requirements of the situation, the performance test is particularly important. At present, China's Fan Performance testing mostly manual-based, test means there behind, and the labor of inaccurate test results and other shortcomings. Using advanced virtual instrument technology, sensor technology, instrumentation and test technologies, a fan performance parameters of automatic detection, automatic processing of test data and performance of the automatic drawing is the focus of this paper.
In this paper, virtual instrumentation, a fan of automatic test system tests the hardware and software design. Hardware on the use of pressure sensors, pressure sensors and torque sensors detect the test data, and the test data collected automatically the use of Frequency Control Technology Control VVVF output signals in the frequency, the fan speed to achieve the automatic adjustment. In Labview software development platform virtual instrument, the modular design, and the acquisition of real-time signal that the exact output control signals, the test data processing and application of the correct method of least squares fitting parameters to achieve the performance Curve of automatic drawing. The entire system is user-friendly, easy to operate, fully functional advantages, test results showed that the development of virtual machines based on the fan performance automated test systems, to increase the stability of the trial process, to avoid the artificial reading error, error and related data can not be Records of the test results caused by the deviation. Improve the accuracy of the test and test efficiency. Can be widely used in scientific research institutes, and fan manufacturers, and the promotion of high value.
Key words: Fan performance; Fan testing; fan control; virtual instruments; data collection; Labview.
目錄
摘要（中文）-------------------------------------------------------------------------------------Ⅰ
（英文）--------------------------------------------------------------------------------------Ⅱ
第一章 概述------------------------------------------------------------------------------------1
1.1 風(fēng)機(jī)簡述--------------------------------------------------------------------------------1
1.2 風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)的發(fā)展-----------------------------------------------------------------1
1.3 基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)-----------------------------------------------------1
第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------3
2.1 風(fēng)機(jī)性能測試方法--------------------------------------------------------------------3
2.2 虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用--------------------------------------------------------------5
2.3 風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)的總體方案-----------------------------------------------------------5
第三章 風(fēng)機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------7
3.1 風(fēng)機(jī)機(jī)械硬件總體設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------------7
3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算--------------------------------------------------------------------7
3.3 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)--------------------------------------18
3.4 風(fēng)機(jī)測試傳感器的設(shè)計(jì)選用------------------------------------20
3.5 風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡--------------------------------------23
第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)-----------------------------------------------------------------25
4.1 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)---------------------------------------------------------------25
4.2 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)---------------------------------------------------------------26
4.3 Labview簡介-------------------------------------------------------------------------26
4.4 測試系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)------------------------------------------------------------27
第五章 結(jié)束語------------------------------------------------------------------------------29
參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------------------------------------30
第一章 概述
隨著機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的相互滲透也越來越快。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品的短、小、輕、薄和智能化，達(dá)到節(jié)省能源、節(jié)省材料、實(shí)現(xiàn)多功能、高性能和高可靠性的目的，機(jī)械與電子結(jié)合就成為了現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢。對于風(fēng)機(jī)的自動測控系統(tǒng)就是一個機(jī)械電子結(jié)合的范例。
1.1風(fēng)機(jī)簡述
風(fēng)機(jī)是把原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w能量的一種機(jī)械,它是用來提高氣體壓力,并輸送氣體的機(jī)械,是透平機(jī)械中的一種[1]。
風(fēng)機(jī)按工作壓力提高的程度來分,可以分為四種：
1） 風(fēng)扇(<100Pa)
2） 通風(fēng)機(jī)(0.1-15kPa)
3） 鼓風(fēng)機(jī)(15-250kPa)
4） 壓縮機(jī)(>250kPa或壓比>3.5)
壓縮機(jī)的壓比又稱壓縮比，是壓縮機(jī)出口與進(jìn)口處氣體壓力之比。
風(fēng)機(jī)使用面廣，種類繁多，在工業(yè)生產(chǎn)中利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流做介質(zhì)進(jìn)行工作，可實(shí)現(xiàn)清選、分離、加熱烘干、物料輸送、通風(fēng)換氣、除塵降溫等多種工作[2]。
1.2風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)的發(fā)展
由于風(fēng)機(jī)理論至今仍欠完善，所以風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的獲取主要依賴于性能試驗(yàn)。風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，改變風(fēng)機(jī)的流量，檢測風(fēng)機(jī)各性能參數(shù)，并繪制性能曲線的過程。目前，風(fēng)機(jī)用戶為了提高經(jīng)濟(jì)效益，在選擇風(fēng)饑時對它的各項(xiàng)性能指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求．如壓力，流量，轉(zhuǎn)速，功率．噪聲，可靠性等[3]。同時，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家為了提高產(chǎn)品的競爭能力，在努力改進(jìn)氣動設(shè)計(jì)，提高機(jī)械加工的同時，也對風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的研究和開發(fā)給予了高度的重視。并且在電氣拖動設(shè)備的運(yùn)行過程中, 經(jīng)常遇到這樣的問題, 即拖動設(shè)備的負(fù)荷變化較大, 而動力源電機(jī)的轉(zhuǎn)速卻不變, 也就是說輸出功率的變化不能隨負(fù)荷的變化而變化。在實(shí)際中這種“大馬拉小車”的現(xiàn)象較為普遍, 浪費(fèi)能源。在許多生產(chǎn)過程中采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的變速運(yùn)行, 不僅可以滿足生產(chǎn)的需要, 而且還能降低電能消耗, 延長設(shè)備的使用壽命。鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速, 并應(yīng)用PLC或者單片機(jī)構(gòu)成風(fēng)壓閉環(huán)自動控系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了電機(jī)負(fù)荷的變化變速運(yùn)行自動調(diào)節(jié)風(fēng)量, 即滿足了生產(chǎn)需要, 又達(dá)到了節(jié)能降耗的目的[1]。由此可見，風(fēng)機(jī)性能測控系統(tǒng)對于成品的檢驗(yàn)和新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)都至關(guān)重要，特別是對于大型、特型風(fēng)機(jī)以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗(yàn)尤為重要。虛擬儀器(VI)技術(shù)是目前測控領(lǐng)域中最為流行的技術(shù)之一，它利用I／O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，利用顯示器豐富的顯示功能來多形式地表達(dá)和輸出檢測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)成一個具有完整測試功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，即虛擬儀器。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，同時又能根據(jù)用戶的要求隨時進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用需求，具有擴(kuò)展靈活、界面友好、操作簡便、性價比高等特點(diǎn)，目前，虛擬儀器技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[4]。
1.3基于虛擬儀器的風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為代表，不斷更新的計(jì)算機(jī)技術(shù)從各個層面上影響、引導(dǎo)各行各業(yè)的技術(shù)更新?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器以不可逆轉(zhuǎn)的力量推動著測控技術(shù)的革命。虛擬儀器系統(tǒng)的概念不僅推進(jìn)了以儀器為基礎(chǔ)的測控系統(tǒng)的改造，同時也影響了以數(shù)據(jù)采集為主的測試系統(tǒng)構(gòu)造方法的進(jìn)化，過去獨(dú)立分散、互不相干的許多領(lǐng)域，在虛擬儀器系統(tǒng)的概念下，正在逐漸靠攏、相互影響，并形成新的技術(shù)方法和技術(shù)規(guī)范。虛擬儀器技術(shù)能充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，可以用較少的資金、較少的系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，用比過去更少的時間開發(fā)出功能更強(qiáng)、質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng)[5][6]。所以，為提高風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)測試系統(tǒng)的性能，并考慮到風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家及科研院所的實(shí)際需求，本課題采用在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、儀器技術(shù)的結(jié)合(即虛擬儀器)，設(shè)計(jì)一種具有如下特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)輔助風(fēng)機(jī)性能自動測試與分析系統(tǒng)。
(1)自動采集風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
(2)自動控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
(3)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、打印、查詢等功能。
(4)自動繪制風(fēng)機(jī)性能曲線。
(5)系統(tǒng)界面友好，操作方便，便于用戶使用。
論文的主要任務(wù)是以虛擬儀器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用適合的測試手段與測試方法，進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)臺的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集與數(shù)據(jù)處理并最終生成風(fēng)機(jī)性能曲線。
第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
2.1風(fēng)機(jī)性能測試方法
本文針對中、小型風(fēng)機(jī)性能測試的研究，充分利用原有的風(fēng)室型出口式風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置，融入現(xiàn)代虛擬儀器技術(shù)[6]，通過虛擬儀器的DAQ數(shù)據(jù)采集模塊，建立了一套基于PC機(jī)的風(fēng)機(jī)性能自動采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動采集風(fēng)機(jī)的原始參數(shù)即動壓、靜壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度，并計(jì)算出相應(yīng)的流量、效率、軸功率，繪制出壓力、效率、軸功率隨流量的變化的有因次和無因次曲線，打印輸出曲線及數(shù)據(jù)報表。
2.1.1風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)[1][2]
風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)是以測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機(jī)性能曲線為主，所以正確理解風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)和性能曲線尤為重要。風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)有流量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率。
(l)流量:單位時間內(nèi)風(fēng)機(jī)所輸送的流體量稱為流量。常用體積流量Q表示，其單位為“耐/s”或“m3/h”。嚴(yán)格地講，風(fēng)機(jī)的流量，特指風(fēng)機(jī)進(jìn)口處容積流量。
(2)全壓:單位體積的氣體在風(fēng)機(jī)內(nèi)所獲得的能量稱為全壓或風(fēng)壓，以P表示，單位為Pa。 (3)軸功率:原動機(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，以p表示單位為kw。
(4)有效功率:單位時間內(nèi)通過風(fēng)機(jī)的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，單位為kw。
(5)效率:風(fēng)機(jī)輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實(shí)際所得到的功率比原動機(jī)傳遞至風(fēng)機(jī)軸端的功率要小，他們的比值稱為風(fēng)機(jī)的效率，以幾表示。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)數(shù)稱為轉(zhuǎn)速，以n表示，單位為r/min。風(fēng)機(jī)的各性能參數(shù)一般都不是在試驗(yàn)臺上直接測量的，而是通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而得到。得到風(fēng)機(jī)性能參數(shù)后，繪制風(fēng)機(jī)的性能曲線為風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的最終結(jié)果，風(fēng)機(jī)的性能曲線有兩種，包括有因次性能曲線和無因次性能曲線。
(7)有因次性能曲線:將風(fēng)機(jī)在各工況下的性能參數(shù)值用曲線連接起來，繪制在直角坐標(biāo)系中，用以表示風(fēng)機(jī)流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關(guān)系曲線。
(8)無因次性能曲線:為了選擇、比較和設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，經(jīng)常采用一系列無因次參數(shù)。風(fēng)機(jī)的無因次性能曲線是去掉各種計(jì)量單位的物理性質(zhì)而表示的風(fēng)機(jī)流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關(guān)系曲線。因?yàn)檫@些性能參數(shù)去除了計(jì)量單位的影響，所以對每一種型式的風(fēng)機(jī)，僅有一組無因次性能曲線。無因次性能曲線與計(jì)量單位、幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、氣體密度等因素?zé)o關(guān)，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)計(jì)算的應(yīng)用中尤為廣泛。
2.1.2風(fēng)機(jī)性能測試裝置
風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置分為風(fēng)室式和風(fēng)管式兩類[7]。風(fēng)室式試驗(yàn)裝置由流量測試管路、風(fēng)室、輔助通風(fēng)機(jī)、流量調(diào)節(jié)器和整流器等組成，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)由測試管路、流量調(diào)節(jié)裝置、整流裝置及錐形連接管等組成，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。
(l)進(jìn)氣試驗(yàn):這種布置形式只在風(fēng)機(jī)進(jìn)口裝設(shè)管道，如圖2-1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)管道中放置測量流量用的畢托管5和靜壓測管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2-2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2-3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)場的試驗(yàn)條件來決定。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)臺為一風(fēng)管式試驗(yàn)臺，所以，本系統(tǒng)采用風(fēng)管式排氣試驗(yàn)裝置。
由風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)方法可以看出，風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)應(yīng)主要完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量、風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺的控制、風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算和風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制四部分內(nèi)容。所以，如何使這四部分功能自動實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
2.2虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用
2.2.1虛擬儀器概述
20多年前，美國國家儀器公司NI（National Instruments）提出“軟件即是儀器”的虛擬儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 所謂虛擬儀器，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)的融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計(jì)算機(jī)性能以摩爾定律（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋到后面，如表2-1，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術(shù)更新速率。
表2-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較
虛擬儀器
傳統(tǒng)儀器
開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展
封閉、儀器間相互配合較差
關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)升級方便
關(guān)鍵是硬件，升級成本高，不方便
價格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高
價格昂貴，儀器間一般無法相互利用
用戶可定義儀器功能
只有廠家能定義儀器功能
可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接
功能單一，只能連接有限的獨(dú)立設(shè)備
開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低
開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用高
技術(shù)更新周期短（1-2年）
技術(shù)更新周期長（5-10年）
虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用，它們相互交叉又相互補(bǔ)充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。 專家們指出，在這個計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，因此，在21 世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會引發(fā)傳統(tǒng)的儀器產(chǎn)業(yè)一場新的革命[8]。
2.2.2基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)
基于虛擬儀器的諸多特點(diǎn)，并結(jié)合國內(nèi)外應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)的測試與分析系統(tǒng)的實(shí)例，本課題采用虛擬儀器技術(shù)對風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)中試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動采集、風(fēng)機(jī)工況自動調(diào)節(jié)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動處理等進(jìn)行研究，研制一套風(fēng)機(jī)性能計(jì)算機(jī)自動檢測與分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程的自動化，解除以往人工試驗(yàn)的繁瑣過程，且消除試驗(yàn)過程中測量及計(jì)算誤差，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
為適合現(xiàn)代測試系統(tǒng)的要求，需進(jìn)行風(fēng)機(jī)試驗(yàn)臺的改造并設(shè)計(jì)適合的測試手段與測試方法，即進(jìn)行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。由風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)的過程可知其測試系統(tǒng)主要完成以下工作:風(fēng)機(jī)性能參數(shù)的測量，風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，風(fēng)機(jī)性能曲線的繪制[9]。
2.3風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)的總體方案
主要研究內(nèi)容有：設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)整體機(jī)械構(gòu)架，系統(tǒng)硬件部分是整個測試試驗(yàn)的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中，硬件部分主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、電動機(jī)、傳感器、步進(jìn)電機(jī)、流量調(diào)節(jié)擋板、變頻調(diào)速器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板等組成。硬件設(shè)計(jì)主要完成了風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集等工作。其中風(fēng)機(jī)工況的調(diào)節(jié)利用了原有系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用變頻器實(shí)現(xiàn)[7]。
設(shè)計(jì)并選擇傳感器（檢測風(fēng)機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)），試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測所采用的測量儀器多為傳感器。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。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號[2]。
選用數(shù)據(jù)采集板卡，通過數(shù)據(jù)采集板獲取數(shù)據(jù)在虛擬儀器中又稱為PC—DAQ(Data ACquisition數(shù)據(jù)采集)式儀器。數(shù)據(jù)采集板作為儀器系統(tǒng)硬件的主要組成部分，是外界電信號與PC機(jī)之間的橋梁。它不僅具有信號傳輸?shù)墓δ埽€具有信號轉(zhuǎn)換和譯碼的功能。
軟件控制與處理顯示（利用LABVIEW編制程序?qū)鞲衅鳈z測到的信號進(jìn)行處理及顯示）。
系統(tǒng)功能：自動采集風(fēng)機(jī)的原始參數(shù)即動壓、靜壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度，并計(jì)算出相應(yīng)的流量、效率、軸功率，繪制出壓力、效率、軸功率隨流量的變化的有因次和無因次曲線，打印輸出曲線及數(shù)據(jù)報表。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2-4。
1）根據(jù)擬定工作環(huán)境和工況設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)；
2）風(fēng)機(jī)性能測試的方法選擇進(jìn)排氣式測試方法；
3）風(fēng)機(jī)全壓采用電容式壓力傳感器測量；
4）風(fēng)機(jī)流量通過法蘭式標(biāo)準(zhǔn)板孔壓差測量裝置采集壓差信號，在通過換算得到風(fēng)機(jī)流量；
5）風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速采用在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間安裝轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩測量傳感器裝置；
6）傳感器與計(jì)算機(jī)之間的通信采用虛擬儀器產(chǎn)品：PCI數(shù)據(jù)采集板卡（虛擬儀器DAQ數(shù)據(jù)采集模塊）；
7）風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用PCI數(shù)據(jù)采集卡對變頻器進(jìn)行控制進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制；
8）信號的處理、分析、顯示、控制采用虛擬儀器軟件Labview。
壓差傳感器
PCI數(shù)據(jù)采集板卡
靜壓傳感器
扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器
大氣壓力、溫度、濕度
變頻器
電動機(jī)
風(fēng)機(jī)
計(jì)算機(jī)
圖2-4系統(tǒng)總體示意圖
第三章 風(fēng)機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1風(fēng)機(jī)主體硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
具體機(jī)械硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容：1、根據(jù)功率選擇電動機(jī)
2、連軸器的選型
3、漸開線鼓風(fēng)箱的設(shè)計(jì)計(jì)算
4、風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)與選型
5、風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管的設(shè)計(jì)計(jì)算
6、風(fēng)機(jī)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型
7、風(fēng)機(jī)變頻器的選擇與設(shè)計(jì)
8、壓力與壓差傳感器的選型與設(shè)計(jì)安裝位置
9、數(shù)據(jù)采集板卡的選擇
進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)柄
進(jìn)風(fēng)管
壓力傳感器
風(fēng)管支座
鼓風(fēng)室
聯(lián)軸器
出風(fēng)口
葉片
后支座
電動機(jī)
轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩傳感器
風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3-1。
圖3-1風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
3.2風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算[1][2]：
3.2.1風(fēng)機(jī)主要性能參數(shù)的確定。
1、 流量qv
根據(jù)風(fēng)機(jī)擬定的工作環(huán)境選擇qv=88.93m3/s。風(fēng)速選擇為：近風(fēng)口v=7~15m/s，出風(fēng)口v=10~30m/s。
2、 壓力Ptf
風(fēng)機(jī)全壓為 Ptf=49kp。
3、 工作介質(zhì)
干燥空氣：
ρ=1.293kg/m3
M=28.967kg/kmol
R=0.28713kg/(kg k)
Cp=1.005KJ/(kg k)
C1=0.716KJ/(kg k)
K=Cp/C1=1.40
4、 轉(zhuǎn)速
初選電機(jī)型號為：Y100L2-4電機(jī) N=1430r/min。
5、 功率
初選電機(jī)的功率為3kw 風(fēng)機(jī)效率一般為80%~90%。
3.2.2風(fēng)機(jī)工作輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型。
初選葉輪大徑D2=0.405m作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。葉輪如圖3-2。
1、 風(fēng)機(jī)葉輪周速：
2、 風(fēng)機(jī)全壓系數(shù)：
圖3-2風(fēng)機(jī)葉輪示意圖
3、 風(fēng)機(jī)流量系數(shù)：
4、 風(fēng)機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)：
5、 風(fēng)機(jī)進(jìn)口軸向速度：
6、 風(fēng)機(jī)進(jìn)口當(dāng)量直徑：
7、 內(nèi)孔直徑：
其中Nah =8。
8、 風(fēng)機(jī)葉輪輪轂外徑：
9、 風(fēng)機(jī)工作輪進(jìn)口直徑：
10、 風(fēng)機(jī)工作輪密封處外徑：
11、 風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口直徑：
12、 風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口線速度：
13、 風(fēng)機(jī)葉輪葉片數(shù)：
14、風(fēng)機(jī)葉片厚度：
根據(jù)以上計(jì)算可以通過風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊選型為 S1064.25 葉輪，并且確定為型軸盤。
3.2.3風(fēng)機(jī)進(jìn)出氣機(jī)殼的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型
1、 蝸室橫截面積當(dāng)量直徑的計(jì)算：
（式3-1）
2、 風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管直徑：
長度：L=3500mm。
3、 風(fēng)機(jī)近風(fēng)口的選型：
根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊選擇 ST0701×04
3.2.4風(fēng)機(jī)傳動組的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、 風(fēng)機(jī)主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)以上已經(jīng)選擇的風(fēng)機(jī)葉輪與軸盤，選擇軸的最小直徑為d=32mm.
軸的強(qiáng)度計(jì)算：
（1） 葉輪的質(zhì)量
(將前盤曲面略看作直面計(jì)算)
葉輪軸盤因?yàn)檫x用的為4c型 型軸盤 查風(fēng)機(jī)手冊可知：
因此可以計(jì)算葉輪總質(zhì)量為：
（2） 風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速
N=1430r/min
（3） 風(fēng)機(jī)主軸的最大彎矩以及最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
① 主軸的最大彎矩的計(jì)算，主軸受力如圖3-3。
作用在風(fēng)機(jī)主軸上的主要作用力是葉輪重力與其不平衡力，葉輪經(jīng)過平衡后，仍有允許的殘余不平衡重力。該重力可以造成風(fēng)機(jī)葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線有一定的偏移距離。此距離一般為：。為安全起見，計(jì)算時?。海虼?，由于葉輪重心與主軸旋轉(zhuǎn)中心線不一致產(chǎn)生的不平衡力F1 為：
（式3-2）
圖3-3風(fēng)機(jī)主軸受力示意圖
葉輪重力與其不平衡力之和：
軸端與聯(lián)軸器重力之和：
軸承之間軸的重力：
主軸與葉輪連接處軸的重力：
圖3-4風(fēng)機(jī)主軸受力彎矩圖
主軸支撐座反力計(jì)算：
主軸彎矩計(jì)算：
主軸彎矩如圖3-4
②風(fēng)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算
③風(fēng)機(jī)主軸的復(fù)合應(yīng)力
風(fēng)機(jī)主軸的材料選用45鋼 查得其許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τ-1]=155MPa 許用彎曲應(yīng)力[σ-1]=275MPa。
主軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：
主軸的最大彎曲應(yīng)力為：
按照第三強(qiáng)度理論計(jì)算風(fēng)機(jī)主軸的最大復(fù)合應(yīng)力：
（4） 風(fēng)機(jī)主軸剛度校核計(jì)算
① 風(fēng)機(jī)主軸的彎曲剛度校核計(jì)算
圖3-5主軸階梯
主軸的當(dāng)量直徑：
圖3-6主軸撓度示意圖
彎曲撓度：
主軸撓度如圖3-6
偏轉(zhuǎn)角：
②風(fēng)機(jī)主軸的扭轉(zhuǎn)剛度的校核計(jì)算
（式3-3）
其中：
T為扭矩 T=20.04N m
G為鋼的剪切彈性模量
Ip 為主軸的截面的極慣性矩
（5）主軸的臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算
所以風(fēng)機(jī)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)安全。
3.2.5風(fēng)機(jī)葉片強(qiáng)度計(jì)算
因?yàn)樵诖嗽O(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)葉片與葉輪前后盤的連接為焊接，所以葉片的最大彎矩應(yīng)產(chǎn)生在梁的兩端。葉片受力如圖3-7。
當(dāng)葉輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)時單個葉片因本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力F為：
（式3-4）
其中ρ=7.85×103 kg/m3ω為葉輪角速度 b為葉片長=141mm L為葉片寬度=82mm δ為葉片厚度=3mm R為葉片重心到葉輪中心的距離=296mm。C=ρω2 鋼的C=86.08n2 。
圖3-7風(fēng)機(jī)葉片受力示意圖
如圖葉片的重心假定在葉片工作面的O點(diǎn)，將F分解成沿葉片的法向力F1和切向力F2。
葉片在F1和F2的作用下，在相應(yīng)的方向彎曲。由F2產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因葉片的抗彎截面模量大，故可忽略。只計(jì)算F1產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。葉片彎矩如圖3-8。
葉片的抗彎截面模量為：
葉片的最大彎矩：
圖3-8葉片受力及彎矩圖
葉片的最大彎曲應(yīng)力：
3.2.6風(fēng)機(jī)輪盤的強(qiáng)度計(jì)算
1、輪盤本身的離心切應(yīng)力
2、葉片離心力在圓盤中心產(chǎn)生的應(yīng)力
（式3-5）
半圓盤重心所在半徑
半圓盤的離心力
單個葉片的離心力
所以
后盤共計(jì)最大切應(yīng)力
3.2.7軸盤材料的選用計(jì)算與軸盤上鉚釘強(qiáng)度的校核計(jì)算
1、軸盤材料的選用計(jì)算
軸盤最大直徑d處的線速度為：
所以線速度小于30的軸盤選擇一般灰鑄鐵 HT250。
圖3-9軸盤
2、后盤與軸盤之間的鉚釘強(qiáng)度計(jì)算（切應(yīng)力計(jì)算）
軸盤上的轉(zhuǎn)矩為：
（式3-6）
在鉚釘分布的圓周半徑R上，鉚釘所受的切應(yīng)力為：
（式3-7）
鉚釘初選材料為Q215，Z個鉚釘所承受的平均切應(yīng)力為：
3.2.8風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器的選型與校核計(jì)算[10]
由于風(fēng)機(jī)的工作環(huán)境為載荷較小、沖擊較小，因此可以選擇剛性土緣聯(lián)軸器。
風(fēng)機(jī)電機(jī)的輸出的功率為：3KW 風(fēng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為：T=20.04N m。
1、聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩
（式3-8） KA為風(fēng)機(jī)的工作工況系數(shù)
鼓風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩變化小，即為透平空氣壓縮機(jī)械。并且原動機(jī)為電動機(jī)，因此可選KA為1.5。
2、風(fēng)機(jī)聯(lián)軸器型號的確定與校核
從GB/T4323-84中查得GY5型剛性凸緣聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為400Nm。許用最大轉(zhuǎn)速為8000r/min。適合軸徑為32mm。故合用。
3.2.9鍵的強(qiáng)度校核計(jì)算[10]
1、風(fēng)機(jī)主軸軸徑為：32mm，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)軸徑在30~38mm中，選擇的鍵的規(guī)格為：b*h=10*8,從鍵的長度系列中選擇鍵的長度為L=45mm。
2、鍵的強(qiáng)度計(jì)算
最脆弱的聯(lián)接端為軸盤（灰鑄鐵）其許用強(qiáng)度為50~60Mpa。所以鍵連接部分滿足要求。
3.2.10滾動軸承的選型與校核計(jì)算[10]
1、滾動軸承的選型
因?yàn)轱L(fēng)機(jī)主軸的軸端為風(fēng)機(jī)葉輪，所以主軸為一懸臂梁徑向載荷較大而軸向載荷較小。風(fēng)機(jī)要求的轉(zhuǎn)速不是很高。因?yàn)橹鬏S軸端承受懸臂力，所以要求軸承有一定的調(diào)節(jié)主軸彎曲的能力。
綜上，可選擇調(diào)心輥?zhàn)虞S承，根據(jù)軸徑可選擇22209軸承。
2、軸承的壽命計(jì)算
（式3-9）
n為軸承轉(zhuǎn)速n=1430r/min。C為軸承的基本額定動載荷ε為指數(shù)，球軸承為3，對于磙子軸承為10/3。P為軸承載荷，在這里既為徑向載荷，在前面計(jì)算的軸的載荷時已經(jīng)計(jì)算過為216.18N。
風(fēng)機(jī)長期連續(xù)工作機(jī)械，可選預(yù)期壽命為：
軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷為：
因此，所選軸承滿足要求。
3、軸承的潤滑方式的選擇
因?yàn)閐n=32*1430=45760mm/r min-1 。所以選擇油脂潤滑方式。
3.3風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)
3.3.1總體設(shè)計(jì)
在風(fēng)機(jī)測試過程中，要求風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，風(fēng)機(jī)需要有不同的轉(zhuǎn)速，當(dāng)然也是為了節(jié)能方面的考慮。因此，對風(fēng)機(jī)的交流異步電機(jī)的調(diào)速就是對風(fēng)機(jī)的調(diào)速過程。隨著新型電力電子器件的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)崛起，它幾乎和計(jì)算機(jī)控制一樣，成為了現(xiàn)代交流傳動調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域的主要標(biāo)志之一。
20世紀(jì)70年代后，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美。在交流調(diào)速技術(shù)中，變頻調(diào)速具有絕對優(yōu)勢，并且它的調(diào)速性能與可靠性不斷完善，價格不斷降低，特別是變頻調(diào)速節(jié)電效果明顯，而且易于實(shí)現(xiàn)過程自動化，深受工業(yè)行業(yè)的青睞[11]。變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速原理如圖3-10。
圖3-10風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置流程圖
3.3.2風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制設(shè)計(jì)
3.3.2.1?交流變頻調(diào)速的優(yōu)異特性
(1)?調(diào)速時平滑性好，效率高。低速時，特性靜關(guān)率較高，相對穩(wěn)定性好。
(2)?調(diào)速范圍較大，精度高。
(3)?起動電流低，對系統(tǒng)及電網(wǎng)無沖擊，節(jié)電效果明顯。
(4)?變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡便。
(5)?易于實(shí)現(xiàn)過程自動化。
(6)?必須有專用的變頻電源|穩(wěn)壓器，目前造價較高。
(7)?在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力大為降低。
3.3.2.2變頻調(diào)速原理[12]
變速調(diào)速也稱為變頻調(diào)速系統(tǒng)，它主要由變頻器和控制器兩大部分組成。變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入頻率成比例的關(guān)系，通過改變供給電動機(jī)三相電源的頻率值來達(dá)到改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
1、變頻器
變頻器的作用是將所接收的三相電源（如380V，50Hz）轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)節(jié)的三相電源。變頻器根據(jù)其變頻的原理分為直接變頻和間接變頻。直接變頻為交——交變頻；間接變頻為交——直——交變頻。間接變頻是指將交流經(jīng)整流器后變?yōu)橹绷鳎缓笤俳?jīng)逆變器調(diào)制為頻率可調(diào)的交流電。
交——直——交頻器由順變器、中間濾波器和逆變器三部分組成。順變器就是整流器，它是一個晶閘管感想一橋式電路，其作用為將定壓定頻的交流電變換為可調(diào)直流電，然后作為逆變器的直流供電電源；中間濾波器由電抗器或電容組成，其作用是對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波；逆變器也是三相橋式整流電路，但它的作用與順變器相反，綜將直流電變換（調(diào)制）為可調(diào)頻率的交流電，它是變頻器的主要部分。
2、控制器
控制器是根據(jù)變頻調(diào)速的不同方式產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制逆變器中各功率開關(guān)元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定頻率和預(yù)定電壓的交流電源?？刂破饔卸N控制方式：一種是以各種集成電路構(gòu)成的模擬控制方式；另一種是以單片機(jī)、微處理器構(gòu)成的數(shù)字控制方式。市場銷售的微電腦變頻器，就是使用單片微機(jī)或微處理器為控制核心的變頻器。
決定功率開關(guān)器件（如晶閘管）動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法稱為脈寬調(diào)制（PWM）方法。用這種方法通過改變矩形脈沖的寬度可以控制逆變器輸出交流基波電壓的幅值；通過改變調(diào)制矩形脈沖波形的頻率（或周期）可以控制交流基波電壓的頻率?？刂破鬏敵鲆唤M等幅而脈沖寬度隨時間按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，用此脈沖電壓去觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件，起到了功率放大作用。由于各個矩形脈沖波下的面積接近于正弦波下的面積，因此，逆變器的輸出電壓就接近于正弦波，這樣就能滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。
3.3.2.3變頻器控制
在此選擇交流變頻器型號為：RNB3000 電機(jī)為Y100L2-4
主回路端子接線圖、控制回路接線圖如圖3-11、各端子說明如表3-1。
圖3-11 變頻器接線說明
表3-1變頻器端子說明
3.4風(fēng)機(jī)測試傳感器的設(shè)計(jì)選用
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。壓差傳感器主要用于檢測流量，壓力傳感器主要用于檢測靜壓，扭矩傳感器主要用于檢測功率信號。
3.4.1壓差測量[13]
差壓式流量計(jì)(以下簡稱DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來測量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件的型式對DPF分類，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測量流量參數(shù)，也可測量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。
3.4.1.1壓差測量工作原理
充滿管道的流體，當(dāng)它流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件時，如圖3-12所示，流速將在節(jié)流件處形成局部收縮，因而流速增加，靜壓力降低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓差。流體流量愈大，產(chǎn)生的壓差愈大，這樣可依據(jù)壓差來衡量流量的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)和伯努利方程(能量守恒定律)為基礎(chǔ)的。壓差的大小不僅與流量還與其他許多因素有關(guān)，例如當(dāng)節(jié)流裝置形式或管道內(nèi)流體的物理性質(zhì)(密度、粘度)不同時，在同樣大小的流量下產(chǎn)生的壓差也是不同的[14]。
圖3-12壓差測量工作原理
式（3-10）
式（3-11）
式中 qm--質(zhì)量流量，kg/s;
qv--體積流量，m3/s;
C--流出系數(shù)；
ε--可膨脹性系數(shù)；
β--直徑比，β=d/D;
d--工作條件下節(jié)流件的孔徑，m；
D--工作條件下上游管道內(nèi)徑，m；
△P--差壓，Pa；
Ρ1--上游流體密度，kg/m3。
由上式可見，流量為C、ε、d、ρ、△P、β 6個參數(shù)的函數(shù)，此6個參數(shù)可分為實(shí)測量[d，ρ，△P，β(D)]和統(tǒng)計(jì)量(C、ε)兩類。
3.4.1.2風(fēng)機(jī)壓差測量方式
此測試系統(tǒng)采用法蘭取壓的標(biāo)準(zhǔn)板孔如圖3-13。
圖3-13標(biāo)準(zhǔn)板孔的法蘭取壓
3.4.1.3壓差測量傳感器
由以上論述看出，通過孔板的流體的流量與孔板兩端的壓力差的平方根成正比。本試驗(yàn)裝置中，此壓差信號由壓差式變送器測量。壓差式流量傳感器是目前工業(yè)上技術(shù)最成熟、使用最多的一種，其使用量約占全部流量測量儀表的70-80%。他不僅可以用來顯示，而且可以經(jīng)壓差變送器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號為20mA(或l-5V)以便送到單元組合儀表及計(jì)算機(jī)進(jìn)行上業(yè)過程控制。差壓式節(jié)流裝置的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，適應(yīng)能力強(qiáng)，幾乎能測量各種工作狀態(tài)(包括高溫、高壓)下。
本測試裝置采用氣壓傳感器C268、RANGE:+/-1000Pa。
3.4.2風(fēng)機(jī)靜壓測量與傳感器
壓力傳感器用來測量管道的靜壓。壓力傳感器的種類繁多，本系統(tǒng)采用電容式微壓傳感器不，其特點(diǎn)如下:
(1)測量范圍大。金屬應(yīng)變絲的極限一般為l%，而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達(dá)20%，電容傳感器相對變化量大于100%。
(2)靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測出電容值，其相對變化量可達(dá)IE-7
(3)動態(tài)響應(yīng)時間短。由于電容式傳感器可動部分質(zhì)量小，因此其固有頻率很高，可月J幾動態(tài)信號的測量。
(4)機(jī)械損失小。電容式傳感器極間相互吸引力非常微小，又不存在摩擦，故其自熱墳應(yīng)極微，可保證電齊式傳感器具有較高的精度。結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器一般使用金屬材料做電極，以無機(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。電容式傳感器一般可分為三種形式:變截面型、變介質(zhì)介電常數(shù)型、變極板間距型。本系統(tǒng)選用變截面接口靜壓傳感器，其型號為:C268、RANGE:0-50Pa，技術(shù)指標(biāo)如下:
作溫度:-18-+65℃
測量介質(zhì):空氣或類似的非導(dǎo)電性氣體
輸入電源:9-3V DC
輸出電流:4-20mA
量程:0-5OPa
接線方式為兩線式，傳感器采用24V直流電源供電，數(shù)據(jù)采集卜的模擬輸入通道采集25OΩ精密電阻兩端的電壓信號，此電壓信號進(jìn)入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理[15]。
3.4.3風(fēng)機(jī)扭矩測量
本測試裝置采用在電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間接入扭矩轉(zhuǎn)速測量儀的方法，對于風(fēng)機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量是進(jìn)行風(fēng)機(jī)功率與效率計(jì)算的必要數(shù)據(jù)。通常采用的扭矩與轉(zhuǎn)速測量傳感器有機(jī)械測功機(jī)、渦流測功機(jī)、磁粉測功機(jī)、電機(jī)測功機(jī)等。但這些測功機(jī)都只適用于測量靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)力矩，而現(xiàn)如今多用電阻應(yīng)變式扭矩傳感器和電磁轉(zhuǎn)換扭矩傳感器[15]。
這里采用電磁式扭矩傳感器，其型號為：ZJ50NM、0-5000r/min。ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)磁電轉(zhuǎn)換和相位差的原理，將轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速機(jī)械量轉(zhuǎn)換成兩路有一定相位差電壓訊號的精密儀器。由于信號的檢測與軸之間是通過非接觸的方式進(jìn)行的所以沒有接觸環(huán)和電刷，具有維修保養(yǎng)簡單，使用壽命極長等優(yōu)點(diǎn)。
傳感器的轉(zhuǎn)矩測量精確度分0.1級和0.2級，其基本參數(shù)如下表所列：
精確度等級 0.1級 0.2級；
靜校誤差 ±0.1 ±0.2；
轉(zhuǎn)速變化引起的轉(zhuǎn)距誤差 ±0.2 ±0.2；
同心度誤差 套轉(zhuǎn)“同心度”誤差 ±0.1 ±0.2；
軸“同心度”誤差 ±0.1 ±0.2。
3.5風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡[16]
DAQ（Data ACQuisition）數(shù)據(jù)采集，指的是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線（如ISA、PCI、PC/104等）的內(nèi)置功能插卡。它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。利用DAQ可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的儀器（Computer-Based Instruments），實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。 在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的迅速發(fā)展，DAQ的采樣速率已達(dá)到1Gb/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個，并能任意結(jié)合數(shù)字I/O，模擬I/O、計(jì)數(shù)器/定時器等通道。儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ功能模塊可供用戶選擇，如示波器、數(shù)字萬用表、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在ＰＣ計(jì)算機(jī)上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的ＰＣ儀器。
本測試系統(tǒng)采用PCI-8310數(shù)據(jù)采集卡。PCI-8310?模入接口卡適用于提供了PCI?總線插槽的PC系列微機(jī)，具有即插即用（PnP）的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前流行的?Windows?系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW?等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時只需將接口卡插入機(jī)內(nèi)任何一個PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號電纜從機(jī)箱外部直接接入。
PCI-8310?模入接口卡允許采用32路單端輸入方式或16路雙端輸入方式。用戶可根據(jù)需要選擇測量單極性信號或雙極性信號。其輸入的模擬信號由卡前端的37芯D型插頭直接接入。本卡還提供了TTL電平的16路輸入和16路輸出信號通道，這些信號通道由卡后端的40芯扁平電纜轉(zhuǎn)換為37芯D型插頭提供給用戶。
特性?：
模入部分：（?標(biāo)＊為出廠標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同?）?
??????輸入通道數(shù)：單端32路＊；雙端16路
??????輸入信號范圍：?0V～10V＊；－5V～＋5V；?-10V～＋10V
??????輸入阻抗：≥10MΩ
???????A／D轉(zhuǎn)換分辨率：12位
??????A／D轉(zhuǎn)換速率：10μS
??????A／D啟動方式：程序啟動
??????A／D轉(zhuǎn)換非線性誤差：±1LSB
??????A／D轉(zhuǎn)換輸出碼制：單極性原碼＊／雙極性偏移碼
??????系統(tǒng)綜合誤差：≤0.1％?F.S
開關(guān)量部分
??????輸入路數(shù)：16路TTL電平
??????輸出路數(shù)：16路TTL電平
電源功耗：＋5V（±10％）?≤500mA
環(huán)境要求：
??????工作溫度：??10℃～40℃
??????相對濕度：??40％～80％
??????存貯溫度：-55℃～＋85℃
外型尺寸（不含檔板）：長×高＝164.8mm×106.7mm。
第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
本測試系統(tǒng)采用美國NI公司研發(fā)生產(chǎn)的虛擬儀器數(shù)據(jù)才具系統(tǒng)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
4.1虛擬儀器的硬件系統(tǒng)
虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計(jì)算機(jī)硬件平臺和測控功能
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