水力机械测试技术文献综述

文献综述水力机械测试技术前言：我国水资源总量丰富，但水资源的地域分布和时间分布不均衡，泵站在洪涝、干旱中起到排水与灌溉的作用，并在区域调水、水利发电中均发挥重要作用。我国的机电排灌工程数量和规模上都接近国外先进水平，但由于种种原因，在技术、工程质量、工程管理以及经济效益等指标上，还存在一定差距。为改变当前各地机电排灌泵站效益低，能耗大的现状，必须进行节能技术改造，分析模型试验或泵站检测中得到的信息，对泵站运行特性进行测试，找出问题症结，采取有效措施进行改造，以便取得较高的经济效益。为在泵站系统检验中得到更加丰富的信息，我们想到了设计此综合测试仪器。本文献综述主要针对现在比较常见的几种水利机械测试系统进行了了解和探究。现在主流水力机械测试仪器主要集中测试水力机械的性能参数，比如：泵效、扬程、流量、水泵功率等，针对水力机械压力脉动、振动等参数的测量是比较少的，没有现成的综合测试仪器。除此之外，大多设备都是基于单端输入的测量方式，这种测量方式容易受到信号的接地，外部干扰信号的影响。本文献综述主要针对现在比较常见的几种水利机械测试系统进行了了解和探究。关键词： 水力机械 测试1. 测试系统概况影响水利机械的运行情况的参数有很多种，其中以水泵测试为例，水泵性能检测是根据其测试仪表所得的大量数据进行计算和实时处理， 并将处理结果绘出曲线， 再判断是否符台国标标准的要求。水泵质量的测试根据不同的需求分为三种：出厂，型式和汽蚀测试，后两中测试是对开发的新型水泵进行的严格的性能检测。本系统的工作地点是在水泵生产车间中，周围的环境干扰大， 灰尘大， 环境恶劣。 所以在测试过程中，我们也需要测得很多种需要的参数，包括流量，振动，压力脉动等等。而想要去的实施监测的数据，如果靠人工进行数据的采集和处理，效率会非常低，半个月才能测出一台水泵的效率。除此之外，人工测量会引入很多认为的不可避免的误差，更无法精确的做到采集数据的同时性，这使得最后无法测得我们需要的结果。1 为了使水利机械测量变得更为高效和准确，以电子计算机为中心的测试系统应运而生。微机测试系统作为一种先进的检测手段因其显著的优越性在水泵行业中得到了越来越广泛的应用。Windows操作系统和功能更强大的编程语言的出现，人们期待水泵微机测试系统的操作界面应更加友好、使用应更加方便。因此，出现了采用目前最流行的Window$操作系统和功能十分强大、使用十分方便的Visual Basic 60对水泵微机测试系统进行开发和研究。3目前，水利测试已经步入一个新的台阶，基本做到了以计算机为核心进行数据的整合和分析。现存的主要测试系统是基于各种测试平台上，其中，CAT测试系统主要由泵和台位基架、出人口管路和自动调节阀、流量和压力测量段、测量仪器仪表和变送器、工控计算机(IpC)、配AD、DA、IO、SSR和RS232等接口卡和控制电路等组成。4 另外，还有基于ARM的测试系统，ARM芯片83C44BOX为测试和数据处理核心、能直接在ARM平台上完成水泵综合性能测试的嵌入式智能测试系统TSPPE，该系统自带键盘鼠标、液晶显示器、打印机等输入、输出器件，既可通过运行在ARM 平台上的Clinux嵌入式操作系统及测控软件完成性能测试T作，也可以通过接口与PC机进行数据通信实现远程监控。系统结构简单，界面友好，操作方便，造价低，测试精度高，具有很好的推广应用前景。 7 而基于LabVIEW 平台的测试系统，运用USB总线技术，开发的水泵性能测试系统很好地解决了以上问题，数据实时性好，界面美观，可操作性强。89 而有作者将工业控制领域中运用相对普遍的PLC引进了水泵试验测试控制系统，既充分利用了PLC自身的优点(处理速度快、可靠性高和抗干扰能力强等)，又利用了工控机良好的数据分析和处理能力。102. 测试系统的硬件开发测试系统的硬件部分，包括了测试系统的所有硬件构成，有传感器，采集卡，信号采集箱，采集电路以及其他相关测试硬件。对于硬件系统的开发，主要集中于数据采集方式和信号处理方式。通过改变数据的传输方式或者数据采集方式来提高测量精度或者是增加测量的简易性。也有一些测试系统是采用了全自动化的测试方案，简化了操作流程。STD总线工业控制机具有很强的抗干扰性、可靠性， 所以有的测试系统采用了STD总线工业控制机。1 系统要实现键盘输入数据功能，键盘和显示器是由显示器适配板(STD5774)与计算机相连，本系统还有一个外围设备绘图仪是通过打印机适配板(STD5225)与控制机相连。系统各部分连接示意图如图1图1 STD总线工业控制机测试系统示意图图中可以看到，又测试仪传来的信号，进入转换器后直接进入了总线系统，又各部分进行同时处理和操作。同时由于计算机的引入，使得测量的实时性极大的增强。此系统具有良好的用户界面，操作简单，收录信息量大，表格全面，清晰，曲线绘钳精黄，并且工作可靠，成本低等优点。1根据GB3216-1989对离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法的规定，将系统分为管道系统和计算机测试系统两大测试部分。2 闭式系统可平稳改变系统内气压来改变装置汽蚀余量，但闭式的管道是封闭的，与其规格不同的泵安装比较困难，而开式管道可根据不同规格的被试泵选择不同管径的管道，安装方便，批量试验效率高。系统测试时图示如图2，图2 开式和闭式测试系统示意图李红连等在2004年开发出了水泵微机测试系统，该系统由1PC610工控机和PCL一812P多功能数据采集卡等组成。水泵流量的测量通过LwGY型涡轮流量传感器转换为频率为203 000 Hz的近似方波的脉冲信号传递给SXP一3113型智能流量积算仪，然后经过流量积箅仪的处理并输出420 mA的直流电流信号电流信号再经过电阻转换为电压信号输人PCI一812PG多功能数据采集卡，最后经过多功能数据采集卡的AD转换成数字信号输丁控机进行数据处理。水泵进口压力、出口压力的测量是通过2台1 1 5IGP型压力传感器转换成420 mA的直流电流信号，电流信号经过电阻转换为电压信号输入PCL-812PG多功能数据采集卡，最后经过多功能数据采集卡的AD转换成数字信号输入T控机进行数据处理。水泵的轴功率和转速的测量是通过ZJ型转矩转速传感器转换成模拟电压信号输入JW 1B型微机扭矩仪然后通过微机扭矩仪进行数据处理以ASCII码形式串行出转矩、功率、转速信息t最后工控机通过COMl接口咀中断方式读取微机扭矩仪输出的数据。工控机将接受到的所有数据进行分析、运算、处理自动生成表格和曲线在显示器上显示。如果用户要求打印表格和曲线，只要接人打印机，点击相应的按钮，就可以自动打印表格和曲线。3 如图3图3 水泵微机测试系统示意图在测试系统的自动化方面，测试系统也取得了一些发展。传统的工程试验方法在测试精度与速度方面已难以满足现代水泵产品研制开发和技术改造的要求，采取全自动的计算机辅助试验(CAT)方法已成为大势所趋。为保证系统具有良好的实用性、可靠性、稳定性和精度，变送器或仪器仪表选用包括流量、压力、功率、转速、噪声、振动及温度等带有标准输出信号或能与计算机接口的设备，测试数据通过各接口送人计算机进行计算与处理，其余数据可采用键盘输人方式。所有变送器或一次仪表送出的信号，操作者可从计算机屏幕上看到各种数据和结果，同时通过二次显示仪表或特制的屏幕读取测试数据。4 如图4图4 全自动测试系统示意图系统根据要求调整工况，由计算机发出命令控制自动调节阀待工况稳定再进行数据采集，经必要的处理后保存，同时在计算机屏幕上显示。然后重复进行上述过程直至完成所规定的全部工况的测试项目。测试过程完成后，计算机运行数据处理程序，完成计算、曲线拟合、插值、打印报告和性能曲线并保存数据。计算机根据测试系统的要求及传感器输送的信号进行数据处理、显示测试数据和计算结果、打印测试报告、绘制性能曲线、图表等根据要求保存数据。4在开式池回路试验的计算机辅助测试中，对系统的设计与匹配就提出了更高的要求。我们在测试系统的设计研制中有针对性地采取了以下措施：(1)为了尽可能降低系统的控制误差，在充分考虑性能价格比的同时，选用了精度相对较高的自动调节阀。(2)为了使出口压力、流量控制调节速度和幅度更趋于台理化，采用了分段的逐点逼近细分法。(3)计算机软件在控制方法上采用了常规和智能相结台的算法，成功地解决了多工况、非线性的控制问题，满足了CA T系统较高的测试精度和较快的测试速度。4经过对测试的信号采集过程进行处理，又有很多新的测试系统被开发出来。其中包括了SBKZ-型测试系统，基于ARM的测试系统和基于LabVIEW 的测试系统等。均是对信号采集和信号处理的系统结构进行了调整，以提高稳定性和测量精度。SBKZ 装置是将传感器传来的信号转换成标准信号传输到PC 总线计算机对被测信号进行分时采样，实现对水泵性能参数流量、水泵进出口压力、转矩和转速的自动化测量。测试人员通过键盘对自动阀门进行远程控制，可方便地选择水泵测试工况点进行测试或者判定测试结束。每一工况点各参量的测试数据及时显示在屏幕上。一旦测试人员认定测试结束，打印机将按规定格式打印出所有测试数据；将各测试数据换算成标准转速后自动打印性能曲线。若需鉴别制造和设计质量，计算机将按椭圆规则自动判别被试水泵是否符合要求。5本测试系统的传感器包括流量传感器、压力变送器、转矩转速传感器等。该测试系统的硬件配置并不复杂，SBKZ设置了2个8031单片机最小应用系统0一：一个用来测取涡轮流量变送器电脉冲频率；另一个用来测取转矩转速传感器输出的2路信号u和u-的相差。2个单片机系统主要使用的是8031芯片本身的资源，在此基础上仅配置了必要的地址锁存器、EPROM 及少数门电路。结构十分简单。5 系统示意图见图5图5 SBKZII测试系统示意图基于ARM的测试系统具备嵌入式智能测试系统时，电参数的测量采用了交流采样计算的方法，即在一个周期内快速对电流电压的瞬时值离散并采样，然后通过均方根算法进行处理，从而计算出交流电压、电流、功率和功率冈数等电参数。7进、出口压力则直接采用压力变送器测量，被测压力通过压力变送器后被转换为标准的42O mA的直流电流信号。流量则可选用常见的流量计进行测量。转速的测量采用GB3216T一2005推荐的测速方法，即电机磁场分析法，先获得异步电机的定子电流频率和转子电流频率交变的漏磁通，然后进行分析计算求得电机的准确转速。7嵌入式水泵性能测试系统TSPP E的硬件主要由中央处理模块、电源模块、存储模块、显示模块、打印模块、外部通讯接口以及输入设备键盘、鼠标等几部分组成，系统示意图见图6图6 基于ARM的测试系统组建DAQ系统最常见的方法是在PC机ISA或PCI总线插槽上安装数据采集卡 ，带USB接口的DAQ提供了另一种解决方案，与计算机直接连接，即插即用，理论传输速率可达480 Mbps，并且一个USB接口最高可以支持256个通道，满足了高可靠性测试系统的要求。系统选用阿尔泰USB2089A数据采集卡，提供了USB总线方案。8 系统结构示意图见图7图7 基于LabVIEW 的测试系统示意图在水泵性能测试需要测试泵的进出口压力，输入功率，转速，流量等参数。流量测量采用IFM4080系列电磁流量计，精度为03 ，输出420 mA标准电流信号，经信号调理端子板A11V16上的采样电阻调理为标准电压信号。与普通的基于一台微机的测试系统相比，应用微机和单片机技术，采用上下位机模式构建的水泵综合特性测试系统，通过-G;!F! 串口通信技术完成试验数据的实时采集及分析处理，具有很多优势。10 首先，微机运算处理速度快，数据存储与处理迅速可靠，显示输出灵活；其次，下位机设计成单片机形式，体积小、控制简单、接口方便、实时性好、抗干扰能力强。在传感器接受外界信号的同时，即可对信号进行转换、采集通信，再由上位机实现计算保存、显示输出，实时地反映试验过程中各参数信号的变化和特性，对提高试验精度有现实意义。 系统示意图如图8图8 基于上下位机模式的综合特性测试系统3. 测试系统的软件开发测试系统的软件部分主要是根据硬件部分做相应的软件设计，服务于采集和数据处理设备。在测试软件方面，测试系统软件以VC程序语言编写，采用面向对象的思想，测试系统软件包括了：初始参数输入、试验控制及数据采集、性能实验数据处理及曲线生成、气蚀实验数据处理及曲线生成、测试结果分析及结果输出。系统提供了测试报表和测试曲线的打印输出。用户在做完测试后可查看所有的测试数据和曲线，同时可以选择打印出数据报表和曲线，报表以EXCEL形式输出，曲线直接由VB的formprint通过打印机输出。2软件部分的设置根据硬件不同有着不同的设置。在微机测试系统中，系统软件设置部分分为，原始参数设置部分，数据采集部分，数据处理部分，通过数学方法将最后得到的结果进行对比分析。3 而由SBKZ一和计算机组成的水泵性能测试系统的软件采用菜单式程序结构，用C语言编程。5 测试系统的主菜单包括，如图9：图9 SBKZ一型水泵测试控制装置的测试系统主菜单SBKZ一型水泵测试控制装置与计算机组成的水泵性能测试系统，其硬件配置比一般现行水泵测试系统简单，能较好地完成水泵性能的自动化测量，测试精度能达到GB321689B级精度标准，具有较高的性能价格比。该测试系统软件采用菜单式程序结构，操作简便灵活，具有较好的人机界面。整个测试过程能被测试人员有效控制。5 另外，有的研究人员研制出了TSPP-E的软件系统直接运行在嵌入式测试系统上，它包含经过简化并移植到S3C44BOX平台上的Clinux嵌入式操作系统及水泵性能测试软件，能完成所有常规的性能测试工作。7需要指出的是在图形化方面，软件也取得了比较大的发展。其中的Labview是一种开发虚拟仪器的图形化软件，具有以下几大优点：(1)强大的数据采集，分析和储存功能、强大的Intemet功能，方便实现远程测控；(2)32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行；(3)囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS一232485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，可以同时驱动不同总线标准的接口设备和仪器；(4)提供了大量与外部代码或软件进行连接的机制，如DDE、ACTIVEX等；(5)友好的人机交互界面，用户面对的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。9labview的数据处理和存储功能十分强大，程序可以自动生成曲线报表。曲线的拟合既可以选择Labview自带的各种拟合模块来实现，也可以由试验者设定拟合规则来实现，十分方便。对于水泵测试过程控制系统而言，其最大的特点就是动作复杂且频繁，又有较多的执行元件(如接触器)。在这种场合下使用继电器控制逻辑，需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用PLC控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是PLC的内部寄存器，在PLC编程容量许可的范围内，无需额外的费用来实现复杂的控制逻辑。10测量控制单元属于过程控制级，直接与水泵电机及各类测量传感器、变频器、各种空气开关和中间继电器相连，来完成整个测试过程的控制与监测。机组的测量控制单元包括模拟量输入输出、开关量输入输出、键盘输入和声光报警等。在水泵测试控制系统的软件设计过程中，整个系统大致可以分为4个模块，即通讯模块、数据处理及过程控制模块、监控模块、数据采集模块。10 整个系统之间的关系如图10所示。图10 基于PLC的测试系统数据处理流程图针对水泵测试系统的控制特点，PLC控制程序主要由过程控制、继电器动作和数据上传3部分组成。过程控制部分主要将Pc上位机上所设定的参数读入，检查设备是否处于初始状态，控制每个试验的逻辑过程，与上位机设定通信接口位；继电器动作部分主要将过程控制中的各个逻辑状态进行组合，根据其组合的结果控制继电器、电动调节阀及电机的开闭，从而完成整个系统所要实现的各种电气、电动功能；数据上传部分主要是将传感器测量的模拟量信号和数字信号处理后上传给上位机进行显示。根据控制要求画出程序流程图，并根据流程图进行梯形图编程。104. 大型机组综合测试随着我国水电事业的发展、水轮机组容量不断增加，我国近年来求轮机组测试技术有了较大的发展。华中理工大学水机测试课题组与我国葛洲坝、五强溪、刘家峡等百万级大型水电厂及湖南、宁夏电力试验研究所合作开展了具有中国特色的水轮机组计算机综合测试系统的研究工作井获得成功。6水轮机组运行受到水力、机械及电器等因素的综合影响，十分复杂。性能试验包含了水轮机、调速器等各种试验， 内容广泛。为了全面实现水轮机组多功能在线监测和机组性能测试，需处理不同类型的信号并需满足水轮机组的许多特殊要求。为此，该测试系统研制了不同的硬件设备，包括：A/D转换电路，抗混滤波电路，高精度频率信号发生器，机组频率测量电路，鉴相信号处理电路，借用鉴相信号测量机组转速的电路，启动数据采集程序方式，精确确定机组甩负荷起始时刻和电路高抗干扰能力及同类信号处理电路可互换性。6在软件研究部分，本系统研究了机组动态在线监测模块、通信模块、机组各项性能试验模块以及数据管理和分析模块，满足了水轮机组在线监测和性能试验的要求。6在实验验证方面，通过与葛洲坝电厂和五强溪电厂进行实地测量的数据进行对比，证明了测试系统的可行性。实际上， 对比结果的误差应包含传感器制造误差、测试系统误差，以及传感器放置位置不可能重合对振动信号的影响。6本测试系统是一个融合计算机硬件、软件、水电专业知识、现场实际工作经验的庞太工程。经过多年不断地