风机性能测试系统研究

摘要：介绍了一套风机性能试验用自动检测与处理系统。该系统基于Wi

ndows环境，采用LabWindows/CVI虚拟仪器开发工具,可实现试验数据的自动采集与处理、风机转速及运行工况的自动控制，性能曲线的自动绘制等功能。现场运行结果表明了系统的有效性和优越性。

关键词：风机 性能试验 自动测试 数据处理

0 引言

利用风机产生的气流做介质，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。为使风机经常保持在高效区运行，须参照风机性能曲线来选择风机的运行工况点，因此在风机出厂之前须进行风机性能试验以准确绘制性能曲线。目前工业通风机的性能试验多采用手工测量和基于DOS环境的自动测量。采用手工测量，存在人为的读数误差及计算误差且相关数据不能同时记录，而基于DOS环境的试验系统则界面不太友好。为适应现代试验技术的要求，增加实验过程的稳定性，提高试验精度和试验效率，本系统采用LabWindows/CVI开发平台设计了一套基于Windows环境的风机性能自动检测与分析系统，该系统能实现风机性能试验中试验数据的自动采集与分析，风机转速及运行工况的自动控制，风机性能曲线的自动绘制及试验数据存储、查询、打印等功能，同时具有直观方便的人机界面。现场运行结果表明该系统的有效性与优越性。

1 系统原理与结构

本系统参照国家标准GB 1236-85《通风机空气动力性能试验方法》[1]，采用孔板压差法测量流量、扭矩法测量功率、变频调速器改变风机转速、步进电机控制锥形节流阀调节工况等方法进行通风机出气风管性能试验。

1.1 性能计算

1.1.1 容积流量：

1.1.2 风机轴功率:

1.1.3 全压

1.1.4 全压效率

其中dn为节流孔板的孔径；ε为流量系数； 为膨胀系数；ρ为风机出口气体密度；F为电机与风机之间的扭矩；n为电机转速；Pst为静压；Pd为动压；A为风筒面积； 为有效功率。

1.2 硬件结构及功能 系统硬件主要实现各个物理信号的采集、转换、放大、整形和处理，该试验台硬件主要由风机、电机、风管、传感器、计算机、数据采集板、变频调速器等组成，其主要结构形式及信号流程如图1所示：

信号采集系统的硬件基础是486以上的微机和插入主机扩展槽的高性能数据采集板。数据采集板主要完成压差变送器、静压传感器、扭矩转速传感器中各试验数据的采集和A/D转换及变频调速器的频率调节控制、步进电机的脉冲分配控制等。考虑采样频率、输入输出精度、A/D与D/A转换速度和分辨率等各项技术指标，本系统采用美国NI（National Instruments）公司的PCI-6024E型数据采集卡，此板具有A/D、D/A、DIO及时钟/记数等功能，包括16路模拟输入，2路模拟输出，12位转换精度，模拟采样频率可达200k，并具有输入信号可选放大的功能。

通风机流量的测量采用压差变送器（型号为BC69，精度为0.5级）将压差信号转化为4—20mA的标准电流信号，送至采集板，静压测量采用压力变送器（型号为JYB，精度为0.5 级）直接将风筒内的静压信号转换为40-20mA的标准电流信号。扭矩转速传感器（型号为JN338，精度为0.5）加装在风机与电机之间将扭矩转速信号转换为频率信号。接口板将4-20mA的电流信号转化为0-5V的电压信号，并送至数据采集板，实现试验数据的采集。同时数据采集板还承担着控制风机转速和流量调节的任务，它把计算机给定的转速信号，转化为0-5V的电压信号，加载到变频调速器上（型号为FR-A540-1.5K-CH），通过电压的变化，使变频器输出的电压频率发生变化，从而控制交流电机的转速，实现通风机转速的调节。风机流量的调节采用步进电机带动滚珠丝杠副改变锥形调节器与风筒的相对位置来实现。应用数据采集板的三个数字I/O口，输出三相脉冲，来控制步进电机的旋转角度，从而控制丝杠的移动距离来调节风机流量的大小。为保证测量精度，除选用高精度的传感器及数据采集板外，系统从各个环节考虑了抗干扰特性，如数据采集板采用双端差分输入方式，消除共模干扰；处理好信号、仪表的接地且在软件中采用数字滤波技术等。

1.3 软件结构和功能 该试验系统的软件基于Windows环境，采用LabWindows/CVI[2]虚拟仪器开发平台。LabWindows/CVI是美国国家仪器公司所提供的一套卓越的开发平台，它以ANSI C为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来，它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了C语言的功能，并且其独有的人机交互界面编程器，运用“所见即所得”的可视化交互技术，使人机界面的实现直观简便。本系统软件采用结构化程序设计方法，其主要功能模块包括风机基本参数设置、采集与控制设置、主控台、数据处理、试验报告、历史查询、试验现场、帮助等。各模块功能简介如下：

①风机基本参数设置：此模块供用户输入试验风机的型号及环境参数。②采集与控制设置：此模块主要包括采集与控制信号的通道、速率、上下限及采集方式的设置。③主控台：以形象化的控件形式向试验人员提供试验操作面板。主要包括电源开关、试验开关、试验工况的选择、风机转速的选择及压差信号、静压信号、转速信号、扭矩信号的实时数字显示和波形显示。④数据处理：此模块包括各采集信号的查看、及性能参数如流量、效率、功率、全压的图形及数字显示，另外包括应用最小二乘法[3]拟合风机性能曲线，其拟合阶数可自由选择。⑤试验报告：包括表格式风机试验报告及图形式风机性能曲线的显示、保存、打印等。⑥历史查询：可实现数据和图形两种文件的查询。并可根据试验名称对以前的风机试验结果（试验报告及性能曲线）进行查询、显示、打印等。⑦试验现场：应用FLASH软件绘制的风机试验现场图生动地再现了风机试验现场运行的情况，可以帮助试验人员熟悉试验操作过程。⑧帮助：采用VC++程序语言，应用超文本技术实现了风机软件系统的在线帮助。包括系统帮助和操作说明两部分。

总之，该试验软件具有以下主要功能：实现了风机压差信号、静压信号、扭矩信号、转速信号的自动采集和风机转速与风机流量的自动调节，并生成试验报告及性能曲线图。另外，软件还可实现信号图形、信号数字量的显示、存储、打印等功能。整个操作系统直观方便，界面友好，并运用各级菜单技术根据需要提供相应的屏幕提示。

2 试验实例

对某型号离心式引风机进行性能试验，其试验结果如图2所示。图中各点为各工况下的性能参数实测数值，曲线为经过最小二乘法拟合的性能曲线。将此结果与人工采集结果相比较，证明了此系统精度已达到国家标准。

3 结束语

试验结果表明，该测试与分析系统先进合理，具有测量精度高、速度快，工作可靠、操作方便、功能完善等特点，并可对风机进行定转速与变转速两种试验，满足多数风机生产厂家检验风机特性的需求。

参考文献：

[1]通风机性能试验方法 GB1236-85.

[2]US National Instruments Inc.Measurement and Automation Catalogue [M].USA,2000.

[3]US National Instruments Inc. LabWindows/CVI Advanced Analysis Library Reference Manual [M].USA,1996.