水泵开式台性能自动测试系统硬件采集模块的设计及装置选型

蔡礼权

(福建工程学院环境与设备工程系, 福建 福州 350000 )

0 引 言

水泵开式自动测试系统旨在研究一种较为通用的水泵自动测试平台，用于离心泵、混流泵等不同规格、不同功率等级的泵的性能试验、汽蚀性能试验以及出厂试验，为泵类的测试提供一套切实可行的方法.对水泵测试系统来说，硬件设计是系统实现的基础是整个系统成败的关键.其硬件设计主要包括实验管路的设计；硬件布局和结构的设计；电气系统的设计；通信系统的设计；采集模块的设计及选型等.软件设计是测控系统的核心部分，与计算机软件不同的是测控系统的应用软件开发与硬件平台有很大的相关性，即软件需要直接与硬件进行通信或固化其中[1].本文主要研究硬件采集模块的设计及装置选型，以构建一个可用于测量不同功率、不同类型和不同管径泵的测试平台.

1 水泵开式台自动测试系统的总体设计要求

水泵开式台自动测试系统主要用于不同规格的离心泵、混流泵的性能试验、汽蚀性能试验以及出厂试验.系统须满足以下的设计条件[2,3]：

(1)符合国家标准GB/T3216《离心泵、混流泵、轴流泵和旋涡泵试验方法》、GB/T3214《水泵流量的测定方法》，试验精度达到国家B级.

(2)可对试验管径范围为φ25～φ250 mm的离心泵、混流泵进行性能试验、汽蚀性能试验和出厂试验.

(3)可实现全自动、半自动和手动3种操作模式，要求操作简便，维护方便.

(4)能够自动采集、分析、处理数据，能准确拟合、绘制试验曲线并生成、输出试验报表，并能对试泵的性能合格与否进行自动判别.

(5)可实现试验数据的管理和查询功能.

而数据采集模块是完成自动测试系统功能的前提和保障.

2 硬件系统方案的设计

自动测试系统的设计，需要在满足用户要求的前提下考虑系统的稳定性、拓展性、经济性，使设计的系统具有较高的适应性和性价比，且能够长期稳定可靠的运行.

2.1 自动测试系统需采集的参数

由离心泵工作原理及其基本试验方法可知，水泵性能试验的目的是要得到规定转速下的扬程与流量的曲线H=f(Q)、轴功率与流量的曲线Pa=f(Q)以及效率与流量的曲线η=f(Q)，然后依据国标GB3216的规定，用椭圆方程和实测效率值判断被试泵的性能是否合格.测试系统的硬件方案框图如图1所示.水泵性能试验的测试方法用常规扭矩法.扭矩法是将相位差转速转矩仪安装在泵与电机之间，通过微机扭矩仪读出泵的转速、转矩以及功率[4].

综上所述，水泵的性能试验需要现场采集的变量有流量Q、进口压力P1、出口压力P2、转矩M、转速n、三相电流IN、三相电压UN、电机输入功率Pg以及液体的温度T等参数.

2.2 试验装置

泵试验装置是测试系统的工作载体，按循环管路系统分为开式和闭式两种.开式试验台结构简单，使用方便，稳定性好且散热条件好，但调节进口阀进行汽蚀试验时容易造成泵进口的流动不稳定.闭式试验装置系统中的液体与外界空气隔绝，构成封闭循环系统，其优点是汽蚀试验精度高，缺点是结构复杂，不易安装被试泵.总的来说，两种形式的装置各有优劣，需要根据实际应用情况选择.

本文采用开式试验装置.开式试验台装置的上下游水面是敞开的(与大气相接触),图2所示为一典型的开式试验台[5〗.

图2 泵开式试验系统

本文研究的目的是要构建一个水泵测试平台，用于测量不同功率、不同类型和不同管径的泵.因此，系统设计时就必须要考虑到不同功率电机的启动、管线的布置、仪表的选择与匹配以及被试泵的安装方式等一系列问题.在开式系统中，扭矩法的试验装置如图3所示[6].

试验时，水由水池经进水阀门和管路流入被测泵，被测泵的出水经流量计、出口流量调节阀流回水池，形成一个回路.压力变送器完成进口压力和出口压力的测量，扭矩测量仪完成轴功率和转速的测量，而流量计则完成流量的测量.

3 采集模块硬件方案设计及装置选型

采集处理模块主要用于现场数据的采集、处理和分析.数据的采集是水泵测试系统中的重要环节，只有准确采集到水泵的性能参数，才能对水泵的性能进行分析和比较.数据采集模块由现场的各种测量仪表、通信设备和上位机IPC构成，三者之间由总线联系起来.其中，测量仪表主要包括流量计、压力变送器、转速转矩仪、电参数采集仪等.通信设备是测量仪表和上位机IPC之间的桥梁，通过它完成数据的交换.通信设备可以选用独立的设备，也可以使用PLC里面的一个通信模块.采集处理模块的组成及数据流向如图4所示.

图3 扭矩法的试验装置示意图

3.1 流量测量方案设计及装置

水泵流量的测量仪器有差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、超声流量计、热式流量计、涡轮流量计、涡街流量计等数种.

在这些流量测量仪表中，差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计和超声流量计很难实现测量的自动化和数据与计算机之间传输，因此在现在泵自动测量系统中很少使用，但在对流量传感器的标定过程中，容积法还是经常应用的.热式流量计一般用于气体流量测量.后两种已经有相应的传感器或变送器，测量精度高，并且容易被计算机获取，近而实现测量的自动化，因此使用较多.而涡街变送器多用于气体测量.

图4 采集模块的组成及数据流向

涡轮流量计是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子(涡轮)感受流体平均流速，从而推导出流量或总量.LWGY系列涡轮流量传感器是吸取了国内外流量仪表先进技术并经过了优化设计，具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点的新一代涡轮流量计，广泛用于测量封闭管道中与不锈钢1Cr18Ni9Ti、2Cr13及刚玉Al2O3、硬质合金不起腐蚀作用，且无纤维、颗粒等杂质，工作温度下运动粘度小于5×10-6m2/s的液体，对于运动粘度大于5×10-6m2/s的液体，可对流量计进行实液标定后使用.若与具有特殊功能的显示仪表配套，还可以进行定量控制、超量报警等，是流量计量和节能的理想仪表.该类涡轮流量产品本身不具备现场显示功能，仅将流量信号以脉冲的形式远传输出.仪表价格低廉，集成度高，体积小巧，特别适用于与二次显示仪、PLC、DCS等计算机控制系统配合使用[7].

结合实际系统需要，综合分析比较，最终选择上海自动化仪表股份有限公司的LWGY系列涡轮流量传感器测量水泵抽送液体的流量,其性能参数如表1所示.

表1 LWGY系列涡轮流量传感器主要性能参数

3.2 压力测量方案设计及装置

压力传感器是直接感知测量点的压力的大小和变化，并按某一物理效应转换为力或者电信号的元件.常用压力传感器包括弹性元件压力表、数字压力计、液体压力计、活塞式压力计、和压力传感器等.

上述压力测量仪表中，弹性元件压力表、活塞式压力计和液体压力计在实现测量的动化上比较困难，数字压力计在实现数据与计算机之间传输上也比较麻烦.另外，在汽蚀试验中，泵进、出口的压力变化较快，所以综合比较后，选用惯性小、灵敏度高的电磁式压力传感器.电磁式压力传感器依据感测量的不同又分为电阻应变式传感器、半导体压阻式压力传感器、电容式压力传感器以及霍尔传感器.本文选择南京凯曼仪器仪表有限责任公司的EAJ 110A型电磁式压力变送器,其主要性能参数如表2所示.

3.3 转速转矩仪方案设计及装置

转速转矩传感器广泛应用于电动机、内燃机、水泵、风机、卷扬机等众多的旋转动力系统.转速转矩仪用于测量泵轴的转速和转矩，其选择应从如下3个方面考虑：(1)最大转速和转矩；(2)测量环境及精度；(3)信号输出形式及通讯方式.

表2 EAJ 110A型压力变送器主要性能指标参数

选择转速转矩仪时，转速n须大于电机的同步转速，转矩M计算公式如下[8]：

式中，Pg为电动机的额定功率.

为了保证测试精度，被测值应尽可能在传感器的最佳测量范围内.最佳测量范围一般为满量程的60%～100%.另外，选型时还须考虑泵的最大转矩和过载情况，最大转矩一般不能大于仪表额定转矩的150%.经综合比较，选择四川诚邦测控技术有限公司NJ型转速转矩仪与NC型微机扭矩仪配套使用，其主要性能参数如表3所示.

表3 转速转矩仪的主要性能参数

3.4 电参数采集仪的选型

电参数测量仪又名数字功率计，是新一代的测量仪器，它可以同时测量单、三相用电设备的电压、电流、功率、功率因数、频率、电能、谐波等参数，精度为0.5级，测量精确，显示直观，测量内容丰富，具有量程范围宽，预置报警、打印、锁存和通讯等功能，已广泛地应用于电机、家用电器、电动工具、水泵、变压器、电源、照明、电力等领域.

电量采集仪的选型应从如下两个方面考虑[9]：(1)测量方式、精度及量程；(2)采集信号通讯方式及输出形式.

经过综合考虑，选择上海伊测电子科技有限公司的8902F型三相电参数测量仪，其主要性能参数如表4所示.

表4 电参数采集仪的主要性能参数

4 结束语

本研究将如何保证测量精度和可靠性与设备选型的经济性密切联系起来，针对开式试验台，提出了其建设过程中的设备方案设计及装置选型，并对其测试系统的硬件设计中核心的数据采集模块及实现进行了着重研究.通过对离心泵试验国家标准进行深入理解，对常用的测试系统结构模式进行分析比较，结合实际测试所要，列出了系统硬件采集模块设计的总体方案，确定满足该开始试验台设计要求的主要测量仪器为：LWGY系列涡轮流量传感器、EAJ 110A型电磁式压力变送器、NJ型转速转矩仪与NC型微机扭矩仪配套使用，以及8902F型三相电参数测量仪.

参考文献

[1] 龚德利,张慧敏,骆德发.离心泵性能测试装置及其控制系统[J].上海应用技术学院学报(自然科学版),2002,(3):174-178.

[2] 孔凡瑜.泵专业标准汇编[S].中国通用机械泵行业协会,1992.

[3] 李鲁予.通用水泵自动测试系统的研制与应用[J]. 科技咨询导报,2007,8:48-49.

[4] 赵立新,李志斌,吴紫峰,等.压差测量仪在水泵扬程测试中的应用[J].传感器技术,2001,20(2):35-36,39.

[5] 曹爱红.水泵综合参数自动测试系统的研究[D].兰州:兰州理工大学硕士学位论文,2006.

[6] 力昌兵.微机水泵综合参数测试系统的研究与开发[D].合肥:合肥工业大学硕士学位论文,2002.

[7] 余晓明,王明福.水泵性能全自动测试系统设计与研制[J].流体机械,1999,27(12):25-27.

[8] 查 森.叶片泵原理与设计[M].北京:机械工业出版社,1988.

[9] 关醒凡.现代泵技术手册[M].北京:宇航出版社,1995.