利用DASP測試軟件實現流體機械性能的綜合實驗

邢 雪

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

利用DASP測試軟件實現流體機械性能的綜合實驗

邢 雪

(吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林 吉林 132022)

利用DASP軟件與傳感器、控制元件、計算機等建立典型流體機械性能的測試系統(tǒng)，實現流體機械性能實驗中動態(tài)參數的采集、整理、計算和分析，用以完成氣缸內瞬態(tài)壓力曲線和氣閥閥片的運動規(guī)律曲線等錄測及示功圖的轉換與分析。根據測試系統(tǒng)監(jiān)測獲取的實測數據，進行動態(tài)參數分析和實時計算指示功率、軸功率、容積流量及功率損失和效率等，并可通過改變轉速、改變壓力比進行性能的對比實驗。另外系統(tǒng)可根據對比數據進行變工況的經濟性分析，尋找最佳參數及適宜的熱力工況。實驗中系統(tǒng)簡化，測試方案靈活，具有測量精度高、測試速度快、操作直觀和數據存儲方便等特點。

DASP軟件； 流體機械； 性能測試； 綜合實驗

0 引 言

流體機械性能的測試和檢測是高等學校相關專業(yè)及專業(yè)的科研院所、生產企業(yè)研究機器性能必要的基本實驗，其性能測試和檢測的手段、方法尤為重要。準確測量其性能參數和指標，關系到機器的效率、成本和壽命等問題[1]。

DASP軟件是北京東方所開發(fā)的動靜態(tài)多參數采集和分析軟件。DASP軟件與傳感器、控制元件、計算機構成全新的動靜態(tài)信號測試與分析系統(tǒng)，用這種智能化的虛擬儀器取代傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，可簡化原系統(tǒng)的實驗成套設備儀器，提高測試精度、效率，且操作便捷。為此，采用DASP軟件改進流體機械性能綜合實驗平臺，除可以提高測試效率、測試精度外，還可以提高機器性能測試的智能化程度，減少人為誤差，增加分析及存儲功能等。有利于綜合分析影響因素，判斷機器故障原因，尋找提高機器效率的途徑，更有利于高等學校相關專業(yè)驗證所學理論，培養(yǎng)學生綜合應用和分析能力。

1 測試方案的設計

1.1 設計理念及實驗內容

實驗方案設計的原則是設計的實驗應具有先進性、實用性、方便性和綜合性及動態(tài)性的特點。實驗機應選擇典型的流體機械，小型的活塞式壓縮機或小型的離心泵比較適宜。本實驗機選用較典型的小型活塞式空氣壓縮機，實驗方法滿足性能測試的國家標準，測試內容覆蓋被測機器的性能參數，實驗時測試人員操作、記錄、計算和分析方便。測試手段和水平先進，并有利于學生專業(yè)能力的培養(yǎng)。

實驗平臺按國家標準GB3853(一般用容積式空氣壓縮機性能試驗方法)中規(guī)定的要求設計[2]。實驗內容主要圍繞功率和容積流量。需要測量的參數包括級的瞬態(tài)進排氣口狀態(tài)的壓力、溫度；容積流量測量裝置中噴嘴前后的瞬態(tài)物理量變化；瞬態(tài)氣缸內壓力及主軸的轉矩 、轉速等。實驗可分為單項實驗：①轉矩、轉速及軸功率測定；②活塞式壓縮機容積流量測定；③壓縮機指示圖錄?。虎軞忾y運動規(guī)律測定[3]，也可同時綜合完成。采用調頻的方法[4]，改變驅動電機的轉矩、轉速，實現在不同的轉速下，性能對比。另外，設有通過改變背壓的方法調整參數對比性能。最終達到從實驗上尋找最佳參數，確定節(jié)能的途徑。

1.2 實驗方案設計

根據實驗內容構建實驗測試與分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由硬件和軟件組成[5-6]。系統(tǒng)包括：動態(tài)數據實時采樣，采樣數據的模數轉換及參數調節(jié)控制，測試曲線及實驗數據的整理，計算、分析、顯示和打印4大部分。選用11ZA-1.5/8型小型活塞式壓縮機為實驗機，硬件部分由轉矩與轉速、排氣量測量裝置、壓力、溫度、位移等信號傳感器，A/D數據采集儀及控制箱，計算機及打印機等組成[7]。實驗臺的主要設備及測點如圖1所示。

實驗測試軟件構成示意圖如圖2所示，測試及分析軟件分為兩部分：①利用DASP軟件完成信號采集轉換、信號參數標定及工況改變控制部分、采樣數據存儲功能、實時瞬態(tài)測試曲線及通用常規(guī)的分析；②具體的性能參數分析、計算，采樣數據調用、系數查找等。程序編制主要以②為主，以4個單項實驗為主線，并考慮變工況后，由于改變參數，對機器性能的影響。通過對比實驗，尋找最佳參數及適宜的熱力工況。

1-電機；2-儲氣罐；3-止點傳感器；4-扭矩轉速傳感器；5-固定式小型壓縮機；6，7-進氣壓力、溫度；8-壓力傳感器；9，10-排氣壓力、溫度；11-調節(jié)控制閥；12，13-噴嘴前后水柱差、噴嘴前氣體溫度；14-排氣量測量裝置

圖1 實驗臺的主要設備及測點示意圖

圖2 測試軟件構成示意圖

2 實驗曲線

實驗主要針對機器性能，首先在規(guī)定工況下，分別做示功圖錄取[8]、指示功率測定、容積流量測定、氣閥閥片運動規(guī)律測定4個單項實驗，也可同時完成綜合實驗。規(guī)定工況一般可按常用工況或額定工況確定。之后改變工況：①采用調整控制儲氣罐壓力的方法進行；②通過改變轉速的方法。即在不同的排氣壓力和不同的轉速下對機器的性能進行對比分析實驗[9]。

2.1 壓力標定

實驗測試前，首先對壓力傳感器進行動態(tài)標定。開機啟動運行穩(wěn)定后，通向氣缸的壓力傳感器此時與氣缸斷開，連通進氣管道。記錄該時刻的信號和被測進氣壓力值。之后，壓力傳感器的被測壓力，切換到與排氣連通?？紤]到排氣管道內氣體壓力波動，連通的排氣狀態(tài)氣體由此時儲氣罐氣體反饋引入。記錄該時刻的信號和被測排氣壓力值。由此，計算出壓力信號的標定系數(Pa/V)為

(1)

式中：壓力p1、p2分別為定標采樣時的進、排氣壓力值；電壓值U1、U2分別是測定兩個壓力所對應的電壓值。

2.2 測試曲線

活塞式壓縮機性能中，重要的性能測試曲線：①氣缸內瞬態(tài)壓力曲線，實測曲線如圖3所示；②氣閥閥片運動規(guī)律曲線[10-11]，實測曲線如圖4所示。通過兩條實際測試曲線可定性和定量的分析、計算該機器的主要性能，判斷損失和故障等。直接關系到機器運行的經濟性和可靠性。

圖3 氣缸內實際瞬態(tài)壓力曲線

圖4 氣閥閥片運動規(guī)律曲線

2.3 計算分析

流體機械重要的性能指標主要有容積流量和指示功率。

2.3.1 容積流量計算

容積流量按GB3853采用噴嘴法測量。測量裝置見圖5。在測量工況運行穩(wěn)定后，實際采集氣體通過低壓筒噴嘴前后的物理量。容積流量如下：

(2)

式中：C為噴嘴系數，根據工況范圍選用數據查找功能，按采集的參數，插值確定噴嘴線型，查噴嘴系數表確定，程序中已建立了噴嘴線型及噴嘴系數表；d為噴嘴直徑，mm；x1為Ⅰ級進氣絕對溫度，K；H為噴嘴前后水柱差，Pa；p0為試驗處大氣壓力；T1為噴嘴前氣體的絕對溫度，K。

1，2-溫度測點；3，4-壓力測點

圖5 噴嘴法測量容積流量裝置示意圖

2.3.2 軸功率計算

實驗的方法求取壓縮機的軸功率，有兩種途徑：①通過測試裝置中的轉矩轉速傳感器直接獲得瞬態(tài)轉矩信號，轉換后直接得到。②通過氣缸內的瞬態(tài)壓力曲線，把它按循環(huán)轉換成封閉曲線，即示功圖。然后求取封閉曲線的面積，該面積表示就是實際循環(huán)功，如圖6所示。

圖6 實際循環(huán)示功圖分析示意圖

可通過示功圖的面積求取實際的循環(huán)功，即指示功。還可以通過示功圖計算、分析損失及效率。可見，方法①簡單、直接、準確且方便，在測量軸功率時多被采用。只要把轉矩轉速傳感器采集的瞬時轉矩轉換成軸功率：Nz=Mn/9 551，軸功率計算即完成。方法②的特點是分析方便且細節(jié)直觀，但要通過示功圖按數值積分的辦法，求取相應的圖形面積。略有繁瑣，故多在分析時，計算損失和效率時使用。

可由內止點開始，對實際壓縮過程、排氣過程的向蓋行程所圍成的面積數值積分[12-13]，如圖7(a)所示。再由外止點開始，對膨脹過程、吸氣過程的向軸行程所圍成的面積數值積分，如圖7(b)所示。差值即為圖解法求取的實際循環(huán)指示功。

其中：

i為數據的序號；zd為兩個相鄰止點間的數據的點數；p1(i)為p1(X)線第i點的壓力，Pa；p2(i)為p2(X)線上第i點的壓力，Pa；X(i)為第i點的活塞位移[14]。

(a)

(b)

圖7 示功圖分解圖示

3 變工況對比實驗

通過改變工況，探索機器運行經濟性的途徑，達到尋找最佳的運行狀態(tài)的目的。實驗中，變工況采用兩種方法：①通過調節(jié)背壓，改變機器的排氣壓力；②通過調節(jié)驅動電機的頻率，改變壓縮機的轉速。

3.1 改變背壓實驗

通過調節(jié)儲氣罐的排氣閥門，控制排氣管道的氣體壓力來改變運行工況[15]。目的，通過實驗的方法，尋找最佳壓力比，探索適宜的熱力參數。實驗一般在完成規(guī)定工況實驗后進行，先在規(guī)定轉速下，逐次改變排氣壓力。排氣壓力調節(jié)范圍為，0.3～0.7 MPa。每次改變50 kPa,每次排氣壓力改變運行穩(wěn)定后。進行容積流量、軸功率等性能的測量。每次測量數據存盤待用，并對測量結果計算、分析，總結規(guī)律，如圖8中n=500 r/min時軸功率隨壓力比增加的變化曲線。

3.2 改變轉速實驗

通過采用對電機調頻的方法，改變壓縮機主軸的轉速。目的，通過實驗，探討在不同的轉速下，對熱力性能的影響。在規(guī)定的壓力下，轉速由300～600 r/min范圍調整,每次改變增加50 r/min，待運行穩(wěn)定后，測量容積流量和軸功率，每次測量數據存盤待用。并對測量結果計算、分析，總結規(guī)律。圖9即p=0.4 MPa時軸功率隨轉速增加的變化曲線。

圖8 n=500 r/min時軸功率隨壓力比增加的變化曲線

圖9 p=0.4 MPa時軸功率隨轉速增加的變化曲線

3.3 分級改變轉速、依次改變壓力實驗

綜合上述兩種實驗，探索最佳工況。轉速由300 r/min開始，依次改變排氣壓力，由0.3～0.7MPa，每次改變50 kPa。通過改變終壓，改變單級壓力比。待工況穩(wěn)定后，測量容積流量和軸功率，每次測量數據存盤待用。之后，每次增加50 r/min，重復實驗過程。根據實驗數據繪出相應的5種轉速時，不同的壓力比情況下，反映機器重要性能的重要指標—比功率的重要性能曲線。針對實驗結果進行經濟性分析。探索小型壓縮機應根據實際需要合理確定運行工況。根據使用壓力合理選擇排氣壓力。有條件可通過調頻的方法，改變電機的轉速，在保證用戶需要的排氣量前提下，選擇適宜的工作轉速。有利于減少損失，提高效率并節(jié)省功率[16]。

通過實驗結果分析整理分析，圖10為不同轉速下比功率隨排氣壓力的變化曲線，即不同轉速下的經濟指標比功率隨壓力比的增加變化曲線，在壓力比等于6左右時比功率出現最大值，且隨著轉速增加最大值降低。圖11為不同轉速下等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線，即經濟指標等溫軸效率隨壓力比的增加而線性增加曲線，且隨著轉速降低效率升高?？筛鶕兓P系分析變化規(guī)律，探索適宜的機器轉速、最佳的壓力比。為設計提供理論依據，為運行部門機器的節(jié)能降耗提供參考。

圖10 不同轉速下比功率隨排氣壓力的變化曲線

圖11 不同轉速下等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線

4 結 語

采用DASP測試軟件組成測試系統(tǒng)，實現流體機械性能的綜合實驗，用虛擬儀器代替了傳統(tǒng)的測試儀器和設備。測試系統(tǒng)簡化，測試方案靈活，測量精度高，使用操作簡明、直觀，數據存儲、計算、分析方便。特別是動態(tài)參數的采集、處理、分析，可通過鍵盤操作，瞬間完成。適宜于機器的動態(tài)測試與實時監(jiān)控，也可用于教學實驗中。實驗中計算和分析的工作由實驗者自行完成，鍛煉學生利用所學計算機基礎知識，結合實際，編制示功圖分析、指示功率和容積流量等性能的計算程序，繪制不同轉速下的比功率、等溫軸效率隨排氣壓力的變化曲線圖。通過實驗印證流體機械的基礎理論，掌握流體機械性能的實驗方法和測試手段，并學會利用計算機進行工程實驗的基本技能。從中培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。此測試系統(tǒng)除了應用于流體機械各種類機器實驗外，可推廣應用于動態(tài)參數測量的其他領域。

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Comprehensive Experiment of Fluid Machinery Performance Using DASP Software

XINGXue

(College of Information and Control Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, Jilin, China)

Comprehensive experiment is designed to use DASP software to test typical fluid machinery performance with sensors, control units and computer. It implements the collection, collation, calculation and analysis of the dynamic parameters during the experiment of fluid machinery performance. And it is used to complete the curve of the transient pressure in the cylinder, the curve of the movement rule of valve plates, and indicator diagram transformation. According to the measured data of test system monitoring, experiment can get real time dynamic parameters and calculate indicated power, shaft power, volume flow and power loss and efficiency, etc. Students can do performance comparison experiment by changing the rotational speed and pressure ratio. In addition, the system can complete economic analysis for operation mode, and find the best parameters and the suitable operating mode. Experiment system is simple, and test method has high accuracy of measurement, fast test speed, convenient operation and intuitive, and large data storage features. It can cultivate students to improve their software application skill and solving problem skill.

DASP software; fluid machinery; performance test; comprehensive experiment

2016-10-15

吉林化工學院基金項目(2014023)

邢 雪(1983-),女,吉林吉林人，碩士，講師，從事計算機系統(tǒng)仿真方向研究與工程仿真實驗的教學工作。

Tel.：15804326516；E-mail：xingwk2005@163.com

TP 391.2

A

1006-7167(2017)06-0142-05