基于虛擬測試技術(shù)的風(fēng)機狀態(tài)測試系統(tǒng)的設(shè)計開題報告一、綜述1.課題研究的目的和意義風(fēng)機使用面廣，種類繁多，遍及國民經(jīng)濟的各部門，利用風(fēng)機產(chǎn)生的氣流做介質(zhì)進行工作，可實現(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。所以，在我國的冶金、有色金屬、化工、建材和煤炭等部門，風(fēng)機得到了廣泛地應(yīng)用。風(fēng)機的工作是以輸送流量、產(chǎn)生全壓、所需功率及效率來體現(xiàn)的，這些工作參數(shù)之間存在著相應(yīng)的關(guān)系，當流量與轉(zhuǎn)速變化時，會引起其他參數(shù)相應(yīng)的變化。為了正確選擇、使用風(fēng)機川，必須了解這些參數(shù)間的相互關(guān)系。由于風(fēng)機理論至今仍欠完善，所以風(fēng)機性能參數(shù)的獲取主要依賴于性能試驗。風(fēng)機性能試驗是在風(fēng)機轉(zhuǎn)速不變的情況卜，改變風(fēng)機的流量，檢測風(fēng)機各性能參數(shù)，并繪制性能曲線的過程。目前，風(fēng)機用戶為了提高經(jīng)濟效益，在選擇風(fēng)機時對它的各項性能指標提出了更為嚴格的要求，如壓力，流量，轉(zhuǎn)速，功率，噪聲，可靠性等。同時，風(fēng)機生產(chǎn)廠家為了提高產(chǎn)品的競爭能力，在努力改進氣動設(shè)計，提高機械加工的同時，也對風(fēng)機性能試驗的研究和開發(fā)給予了高度的重視。由此可見，風(fēng)機性能試驗對于成品的檢驗和新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)都至關(guān)重要，特別是對于大型、特型風(fēng)機以及單件、小批量而且氣流特性有特殊要求的情況，性能試驗尤為重要。長期以來，我國的風(fēng)機測試手段比較落后，主要以手動操作試驗過程、手工測量試驗數(shù)據(jù)、手工繪制曲線為主，存在測量手段落后，測量精度不高和勞動強度大等缺點。1隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，我國工業(yè)自動化程度越來越高，使得風(fēng)機參數(shù)的自動采集成為可能。近年來，我國少數(shù)單位在通風(fēng)機測試技術(shù)方面有了新的研究或使用了微型計算機團，但他們有的測試參數(shù)不完全，只能完成某一部分的測試任務(wù)；有的測試系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，不能作為通用系統(tǒng)得以推廣。所以，目前在國家標準的基礎(chǔ)上，如何利用高新科技手段實現(xiàn)風(fēng)機性能的自動檢測與分析已成為國內(nèi)多數(shù)風(fēng)機生產(chǎn)廠家及風(fēng)機研究單位的迫切需要?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步以計算機技術(shù)的進步為代表，不斷更新的計算機技術(shù)從各個層面上影響、引導(dǎo)各行各業(yè)的技術(shù)更新。基于計算機技術(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)造方法的進化，過去獨立分散、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)能充分利用計算機獨具的運算、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，使之與計算機融為一體，構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用計算機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)和維護費用，用比過去更少的時間開發(fā)出功能更強、質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng)。所以，為提高風(fēng)機性能試驗測試系統(tǒng)的性能，并考慮到風(fēng)機生產(chǎn)廠家及科研院所的實際需求，本課題采用在現(xiàn)有風(fēng)機性能試驗臺的基礎(chǔ)上利用計算機技術(shù)、電子技術(shù)、儀器技術(shù)的結(jié)合(即虛擬儀器)，設(shè)計一種具有如下特點的計算機輔助風(fēng)機性能自動測試與分析系統(tǒng)。2(1)自動采集風(fēng)機性能試驗數(shù)據(jù)，且各項參數(shù)指標達到國家規(guī)定標準。(2)自動調(diào)整風(fēng)機運行。(3)自動控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速。(4)自動進行數(shù)據(jù)處理，且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、打印、查詢等功能。(5)自動繪制風(fēng)機性能曲線。(6)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)計目標，選用適合的測試手段與測試方法，進行風(fēng)機性能試驗臺的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)自動采集與數(shù)據(jù)處理并最終生成風(fēng)機性能曲線。2.課題的研究現(xiàn)狀及已有成果由于風(fēng)機內(nèi)部流體運動的復(fù)雜性，至今還不能用理論的方法精確計算出它的各種損失，因而不能正確的計算出各種性能參數(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，特別是對于非設(shè)計工況，計算值與實際值的誤差更大。因此，風(fēng)機的工作性能參數(shù)由試驗得到，試驗的目的在于確定工作性能曲線，從而確定風(fēng)機的工作范圍，以便向用戶提供可靠的使用數(shù)據(jù)。32.1.1風(fēng)機性能參數(shù)!風(fēng)機性能試驗是以測試試驗數(shù)據(jù)，繪制風(fēng)機性能曲線為主，所以正確理解風(fēng)機主要性能參數(shù)和性能曲線尤為重要。風(fēng)機的主要性能參數(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”。嚴格地講，風(fēng)機的流量，特指風(fēng)機進口處容積流量。(2)全壓:單位體積的氣體在風(fēng)機內(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:原動機傳遞給風(fēng)機轉(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)機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，以N，表示單位為kw。(5)效率:風(fēng)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(fēng)機軸端的功率要小，他們的比值稱為風(fēng)機的效率，以幾表示。風(fēng)機效率越高，則氣體從風(fēng)機中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟性就越高。(6)轉(zhuǎn)速:風(fēng)機軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)稱為轉(zhuǎn)速，以n表示，單位為r/min。風(fēng)機的各性能參數(shù)一般都不是在試驗臺上直接測量的，而是通過對試驗數(shù)據(jù)進行計算而得到。得到風(fēng)機性能參數(shù)后，繪制風(fēng)機的性能曲線為風(fēng)機性能試驗的最終結(jié)果，風(fēng)機的性能曲線有兩種，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，繪制在直角坐標系中，用以表示風(fēng)機流量、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)計風(fēng)機，經(jīng)常采用一系列無因次參數(shù)。風(fēng)機的無因次性能曲線是去掉各種計量單位的物理性質(zhì)而表示的風(fēng)機流量、功率、效率、全壓與靜壓之間的關(guān)系曲線。因為這些性能參數(shù)去除了計量單位的影響，所以對每一種型式的風(fēng)機，僅有一組無因次性能曲線。無因次性能曲線與計量單位、幾何尺寸、轉(zhuǎn)速、氣體密度等因素無關(guān)，所以使用起來十分方便。無因次性能曲線在風(fēng)機的選型設(shè)計計算的應(yīng)用中尤為廣泛。2.1.2風(fēng)機性能試驗裝置風(fēng)機性能試驗裝置分為風(fēng)室式和風(fēng)管式兩類。風(fēng)室式試驗裝置由流量測試管路、風(fēng)室、輔助通風(fēng)機、流量調(diào)節(jié)器和整流器等組成，根據(jù)腔室與通風(fēng)機進口和出口的連接方式不同，分為進氣風(fēng)室和出氣風(fēng)室兩種試驗裝置；風(fēng)管式試驗由測試管路、流量調(diào)節(jié)裝置、整流裝置及錐形連接管等組成，根據(jù)試驗管路與通風(fēng)機進氣口和出氣口的連接方式不同，分為進氣、出氣、進出氣三種試驗裝置。4(l)進氣試驗:這種布置形式只在風(fēng)機進口裝設(shè)管道，如圖2一1所示。氣體從集流器l進入吸風(fēng)管道2，再流入葉輪3，在管道進口處裝有調(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。5(2)排氣試驗:這種布置形式只在風(fēng)機出口設(shè)置管道，如圖2一2所示。氣體從集流器1進入葉輪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。6(3)進排氣聯(lián)合試驗:這種布置形式是在風(fēng)機進出口都裝設(shè)管道，如圖2一3所示。氣體由集流器1進入吸風(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。并在進出口管道上裝設(shè)靜壓測管6和畢托管7。7在試驗中采用哪一種布置形式，可根據(jù)各自的習(xí)慣及現(xiàn)場的試驗條件來決定。例如送風(fēng)機是從大氣吸入空氣，經(jīng)管道送入爐膛，應(yīng)采用排氣試驗裝置。引風(fēng)機是抽出爐膛的煙氣使之排入大氣，則應(yīng)采用進排氣聯(lián)合試驗裝置。因本系統(tǒng)原有試驗臺為一風(fēng)管式試驗臺，所以，本系統(tǒng)采用風(fēng)管式排氣試驗裝置。8圖2一l進氣試驗裝置1一集流器2一進氣風(fēng)管3一葉輪4一錐形節(jié)流門5一畢托管6一靜壓測管圖2一2排氣試驗裝置1一集流器2一葉輪3一排氣風(fēng)管4一錐形節(jié)流門5一靜壓測管6一畢托管圖23進排氣試驗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6一靜壓測管7一畢托管由風(fēng)機性能試驗方法可以看出，風(fēng)機性能試驗應(yīng)主要完成試驗數(shù)據(jù)的測量、風(fēng)機試驗臺的控制、風(fēng)機性能參數(shù)的計算和風(fēng)機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現(xiàn)是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。92.1.3虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)是日益發(fā)展的計算機技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合，共同孕育出的一項新成果，是90年代計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)革命的產(chǎn)物。以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、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，使之與計算機融為一體，構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用計算機智能資源的全新儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類新型儀器稱為“虛擬儀器”。10虛擬儀器首先由美國國家儀器公司(NationalInstrumentsCorporation簡稱Nl)于1986提出。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式。它給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，用戶(而不是廠家)可以隨心所欲的根據(jù)自己的需要，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的儀器需求。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件只是為了解決信號的輸入與輸出，軟件才是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便的改變、添減儀器系統(tǒng)的功能和規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器的比較如表2一l所示。11從這個比較中不難看出虛擬儀器的巨大優(yōu)越性。虛擬儀器系統(tǒng)的概念是測控系統(tǒng)的抽象，不管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的:采集數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后顯示并處理結(jié)果。它們的不同主要表現(xiàn)在靈活性方面。12虛擬儀器由用戶自己定義，這就意味著我們可以自由組合計算機平臺、硬件、軟件以及各種完成應(yīng)用系統(tǒng)所需的附件，而這種靈活性是由供應(yīng)商定義的傳統(tǒng)儀器上達不到的。結(jié)合實際情況，我國正處于競爭激烈的市場經(jīng)濟潮流之中，作為科研部門要多出成果；作為生產(chǎn)、制造部門，要盡快開發(fā)出新產(chǎn)品，把新產(chǎn)品推向市場，同時還要考慮生產(chǎn)率、效率、成本、質(zhì)量等諸多因素。所以應(yīng)用最現(xiàn)代化的手段，最新的技術(shù)，構(gòu)建簡潔、實用、可靠、完備和高性能/價格比的應(yīng)用系統(tǒng)是必不可少的。13從90年代中期以來，國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)人學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中科泛華電子科技公司等院校和高科技公司，在研究和開發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器設(shè)計平臺以及引進消化NI公司、HP公司的產(chǎn)品等方面做了一系列有益工作，并取得了一批矚目的成果。14據(jù)世界儀表與自動化雜志報道，21世紀初，虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，品種將達到數(shù)千種，市場占有率將達到電測與電控儀器的50%。美國Geomatics公司于19%年采用虛擬儀器開發(fā)工具一LabVIEw軟件開發(fā)了自動灌溉系統(tǒng)；美國Goldsmith種子公司于1997年利用虛擬儀器開發(fā)工具開發(fā)了計算機自動化秧苗分析系統(tǒng)(CASA)；密執(zhí)安工業(yè)大學(xué)于1996年開發(fā)了柴油機實驗室自動化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都具有同類系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)點。15