流體機械性能測試及模擬系統(tǒng)設計

王增麗, 申迎峰, 王宗明, 王振波

(中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580)

LabVIEW可將繁瑣、費時、復雜的語言編程簡化為圖形化編程語言[1-2]。隨著科技的進步,虛擬儀器技術正逐步應用于教學,相比于傳統(tǒng)實驗測試系統(tǒng),虛擬測試系統(tǒng)購入、維護資金少,測試效率高,在經(jīng)濟性和實用性上優(yōu)勢明顯[3-4]。虛擬儀器已在流體機械測試診斷運用上有所見效[5-8]。

目前,我校過程裝備與控制工程專業(yè)流體機械類課程的實驗教學過程中,實驗測試手段還大都采用手動調節(jié)機械式的儀器儀表測試各實驗參數(shù)、手動記錄實驗測試數(shù)據(jù)的模式。這種測試手段效率太低、精度差、周期長、同步性差。為了提高測試精度,控制臺+儀表+按鈕的半自動化測試系統(tǒng)也在逐步發(fā)展,但是半自動化測試方法系統(tǒng)特別復雜,測試點比較少,開發(fā)成本高,測試效率低[9]。手動或半自動的測試方法在實驗方案改進或方案創(chuàng)新設計時改造周期較長,操作不方便,阻礙了開放性實驗及學生自主創(chuàng)新實驗的設計及開展,不利于學生工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng),也在一定程度上限制了我校過程裝備與控制工程專業(yè)工程今年專業(yè)認證工作的順利開展。因此研究并設計基于LabVIEW的計算機自動測試系統(tǒng),為自主創(chuàng)新實驗提供開放性平臺顯得尤為必要。

為適應工程專業(yè)認證標準的要求,提高測試效率、精度及對所測參數(shù)的跟蹤同步性,增加流體機械類課程實驗教學系統(tǒng)的開放性,本文基于LabVIEW軟件技術及NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集模塊,構建流體機械工作性能測試及模擬系統(tǒng),實現(xiàn)流體機械類課程實驗教學中參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示及存儲功能,并能夠模擬流體機械的串并聯(lián)工作特性。以開展多類型創(chuàng)新實驗,豐富實驗教學內容,滿足工程專業(yè)認證對學生工程實踐能力及自主探索能力培養(yǎng)的要求。

1 測試系統(tǒng)總體設計

過程流體機械課程是我校過程裝備與控制工程專業(yè)的核心專業(yè)課程,是支撐本專業(yè)學生畢業(yè)要求的主體。由于該課程具有應用性和實踐性強的特點,因此實驗教學對于該門課課程目標的達成及學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都顯得尤為重要,是工程專業(yè)認證的重要支撐條件。但隨著專業(yè)認證工作的開展,目前實驗教學中實驗測試系統(tǒng)開放性差、不便于實驗方案改進等問題逐漸顯現(xiàn)。鑒于此,本文以壓縮機的測試系統(tǒng)為例,基于LabVIEW軟件技術及NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集模塊設計了流體機械工作性能測試及模擬系統(tǒng)。壓縮機工作性能參數(shù)眾多,包括轉速、進排氣壓力、流量、溫度、功率等,所涉及的測量方法也多種多樣。為簡化起見,本設計僅介紹排氣壓力和流量的測試、信號采集和處理、串并聯(lián)工作特性模擬。測試系統(tǒng)如圖1所示[10]。

圖1 測試系統(tǒng)

傳感器和變換器采集系統(tǒng)外部各種物理量并將其轉換為所需要的電信號,之后經(jīng)信號調理電路對電信號進行放大,以便獲得與數(shù)據(jù)采集卡輸入范圍的匹配[11]。本系統(tǒng)的壓力傳感器選用美國omega公司的PXM309-15A10V壓力傳感器和變送器, 流量傳感器選用西門機電科技有限公司的FR11-G12H-DA-Q電子式流量傳感器。數(shù)據(jù)采集卡的作用是將采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號,得到的數(shù)字信號進入后臺計算機分析處理后,最終以界面、圖形、聲音等方式完成人機交互功能,本測試系統(tǒng)選用NI公司的NI 6341數(shù)據(jù)采集卡。采集卡輸入方式為差分式，輸入通道數(shù)為單端16路、雙端8路,輸出通道2路；模擬電壓輸入信號范圍為±10 V,輸出電流4～20 mA,附帶DAQmx驅動。

2 測試及模擬系統(tǒng)設計

本文設計的測試及模擬系統(tǒng)是具備數(shù)據(jù)采集、處理及顯示和儲存功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),能實時顯示并記錄被測參數(shù),對記錄數(shù)據(jù)加以存儲并能以Excel表格的形式予以讀取。此外，還能實現(xiàn)串并聯(lián)模式下流體機械工作性能的理論模擬,并與實際所測數(shù)據(jù)比對分析。基于LabVIEW軟件平臺,采用結構化的設計和模塊化編程的總體思路設計的系統(tǒng)結構框圖見圖2。

圖2 工作性能測試系統(tǒng)結構框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

數(shù)據(jù)采集模塊還需要進行數(shù)據(jù)采集參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲參數(shù)的設置。圖4為數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置和數(shù)據(jù)存儲設置模塊的前面板。需要設置的采集參數(shù)有選擇物理通道、選擇模擬輸出電壓值范圍、接線端配置、采樣時鐘源、采樣率、采樣模式、采樣數(shù),上述各參數(shù)均可通過前面板進行設置。物理通道根據(jù)所需測點的數(shù)目選取；模擬輸出電壓值根據(jù)實際需要的范圍選取；接線端配置可供選擇的類別為默認、RSE、NRSE、差分、偽差分；采樣時鐘源選擇為OnboardClock；采樣率自行輸入,采樣率越高,在相同時間內的采樣點多,采集的信號更精確；采樣數(shù)也是自行輸入,合理選擇,默認為100；采樣模式可供選擇的為有限采樣、連續(xù)采樣、硬件定時單點。需要設置的存儲參數(shù)為記錄模式、文件路徑選擇。記錄模式可供選擇的有記錄并讀取、OFF；文件路徑選擇是選擇數(shù)據(jù)在PC中的保存位置。

圖4 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置和數(shù)據(jù)存儲模塊前面板

2.2 主程序設計

根據(jù)系統(tǒng)結構圖,利用LabVIEW軟件構建主程序。主程序框圖見圖5。該主程序是由實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的NI-DAQmx模塊+條件結構+事件結構組成。主程序最外層是while主循環(huán),實現(xiàn)全部代碼的循環(huán)運行。內部程序為事件結構,其作用為實現(xiàn)前面板上各個按鈕的功能包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)開始采集和停止采集、記錄數(shù)據(jù)、退出系統(tǒng)及NI-DAQmx模塊中數(shù)據(jù)信號的讀取、解綁和拆分等,并最終實現(xiàn)流體機械串并聯(lián)工作特性的模擬。

圖5 主程序框圖

主程序前面板(見圖6)帶有系統(tǒng)名稱標題,設有參數(shù)設置、開始采集、停止采集、記錄數(shù)據(jù)、退出系統(tǒng)5個按鈕。8個圖形顯示區(qū)能同時顯示多臺(最多3臺)測試機的壓力和流量變化曲線,并能在總圖中顯示不同工況下壓縮機組的總壓力和總排氣量。

使用該系統(tǒng)時,首先點擊“參數(shù)設置”按鈕,會彈出參數(shù)設置和數(shù)據(jù)儲存模塊的前面板,然后根據(jù)測試任務選擇合適的參數(shù),并選擇文件存儲路徑。參數(shù)設置完成后即可開始測試,點擊“開始采集”按鈕,由傳感器采集到的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡到達PC機上的此軟件,曲線開始生成,各曲線所對應的單位會按照實際數(shù)據(jù)大小自行變化,當曲線趨于穩(wěn)定或者需要記錄某時刻數(shù)據(jù)時點擊“停止采集”按鈕,曲線會定格在該時刻,點擊“記錄數(shù)據(jù)”按鈕則可以對數(shù)據(jù)進行保存便于之后的分析處理,最后點擊“退出系統(tǒng)”,測試系統(tǒng)工作結束。

圖6 主程序前面板及仿真信號下程序運行圖

3 測試系統(tǒng)虛擬仿真實驗驗證及應用

為了檢驗本測試系統(tǒng)的有效性,選取標準信號源進行測試。利用DAQmx模塊中的模擬波形(正弦信號)作為輸入仿真信號,運行系統(tǒng)后主顯示頁面的運行狀況如圖6所示。輸入的8個信號源實時顯示且處于波動狀態(tài),通過調整顯示面板上的橫縱坐標分度值,均能夠較好地顯示出模擬波形。

流體機械的串并聯(lián)工況多選用同型號的機泵[13]。為驗證系統(tǒng)串并聯(lián)工況的模擬,選用2個模擬波形作為仿真信號,分別得到了串聯(lián)、并聯(lián)下的狀態(tài)曲線,如圖7所示。根據(jù)壓縮機性能曲線的串并聯(lián)滿足的函數(shù)關系,通過圖中曲線變化趨勢及參數(shù)結果進行對比,驗證了本系統(tǒng)是有效的。

圖7 仿真信號下串并聯(lián)的模擬圖

4 結語

利用該測試系統(tǒng),一方面可以改善“過程流體機械”課程目前實驗教學過程存在的測試精度低、操作復雜、測試效率低、改造周期長等問題,同時還可以為學生創(chuàng)新性實驗的開展提供平臺,學生可以根據(jù)理論課的學習內容及個人興趣,選擇不同的壓縮機測試方法、測試不同的性能參數(shù)或者任意不同工作性能壓縮機的串并聯(lián)特性,自主設計實驗,并完成相應的測試,測試的結果也能夠完整導出并進行分析。本系統(tǒng)對于提升學生的工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力,保證本校過程裝備與控制工程專業(yè)工程教育專業(yè)認證工作的順利進行都具有積極的作用。

建設項目壓覆礦產(chǎn)資源評估是通過對野外踏勘、實地走訪、收集相關的資料等，基本了解和熟悉項目用地范圍內壓覆礦產(chǎn)資源情況，確定項目范圍內壓覆礦產(chǎn)資源的礦種、位置、數(shù)量、規(guī)模等，估算壓覆礦體的資源/儲量，并對比工程項目和壓覆礦產(chǎn)資源的經(jīng)濟社會效益，為項目選址及政府部門的決策提供依據(jù)。

運用表明，該測試系統(tǒng)運行良好、操作簡單,界面簡潔直觀,模擬部分結果準確,在低投入成本下為傳統(tǒng)實驗教學方法提供補充,克服了已有測量系統(tǒng)精度不高、操作復雜等缺點,可為實驗方案創(chuàng)新設計及開展提供開放性實驗測試系統(tǒng)平臺。

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