基于水泵性能测试与数据处理的探讨

□白新华

虽然水泵的结构十分简单，但是当液体在泵中流动时，运动方式却非常复杂，所以有人形容泵是最简单同时又是最复杂的机械。到现在为止，泵的特性的精确确定仍不能完全由理论计算来进行，而需要利用实验的手段来求得，所以对泵测试技术的深入研究就显得非常重要。

一、泵试验系统的组成

通常泵试验系统是由三大部分组成的，即试验管路系统、控制系统以及测量系统。

试验管路系统由管道及管件、稳定装置、汽蚀筒、阀门、水池等部分构成，利用设计原理和安装方式确保通过相关测量断面的液流具有以下三种性质：轴对称性、等静压分布性、没有由于无装置而引起的旋涡。

控制系统由配电系统、管路切换、起动控制以及管路阀门的调节控制等部分组成。控制系统的主要作用：给试验泵的电机以及多条管路的电动阀门提供阀门开度、管路选择、阀门到位等控制。

泵试验的测量系统则是试验系统的一个非常重要的组成部分，测量系统规定了对试验泵进行参数测量时要用到的仪表仪器，这些仪表仪器主要是为了测量流量、转速、扬程、轴功率等相关数据，我国泵试验标准GB/T3216采用的是国际标准ISO2548，该标准规定了泵试验系统中测量仪表所允许的系统误差以及最大总误差，分别如表1、表2所示。

表l 测量仪表所允许系统误差

表2 测量仪表所允许的最大总误差

二、水泵性能的测试

正如前面所述，水泵的测量系统通常包括各个测试参数的测量传感装置、信号变换装置以及数据采集、处理装置等，所产生的误差主要来自三个方面，即系统误差、随机误差以及过失误差。

因为仪表构造精度以及环境条件的改变而产生的误差叫做系统误差，对同一参数进行多次重复测量的过程中，系统误差的大小和符号几乎是不变的，这样就可以利用原位校正来降低甚至消除系统误差。

因为一些特殊的不好控制的偶然因素产生的误差叫做随机误差，虽然测量值的变化没有一定的规律，但是当精度一定时，对参数进行多次重复测量时随机误差通常从正态分布规律。随机误差的绝对值不会超过一定的界限，而且随着重复次数的增加随机误差的算术平均值将逐渐趋向于零，如果使用计算机，可以利用增加重复测量的次数，来减小随机误差的大小。

因为人为原因而产生的测量误差叫做过失误差。在人工测量的条件下，过失误差是很难避免的，如果是利用计算机采集和处理实验数据，过失误差可以利用莱以特准则、Roman Malinowski准则、Grubbs准则等相关准则进行剔除。

根据上面的分析可以看出，测量过程中的过失误差基本能够忽略不计，随机误差可以通过多次测量来减小，而系统误差是构成测量误差的重要部分。所以，在计算机辅助测试(CAT)中，如何降低系统误差是提高测试精度的重点。

各测试参数的综合精度可以通过泵效率测试误差反映出来。泵效率测

试误差的计算公式如下式：

式中：△η ——试验泵的效率测试误差；

△θ——试验泵的流量测量系统误差；

△H——试验泵的扬程测量系统误差，如对试验泵的进出口的扬程进行分别测量，则：

△M——试验泵的转矩测量系统误差；

△n——试验泵的转速测量系统误差。

在上面所列被测试的参量中，仪器仪表的精度和相应的原位校正，根据达到高精度测量要求时投入的设备的费用多少以及难易程度情况来排序，排在第一的是流量的测量和原位校正，排在第二的是转矩的测量和原位校正，之后是扬程的测量和原位校正，除了上述三个参数以外的测量,转速、温度等误差是相对容易解决的。下面就对这些测量进行分析。

(一)流量测量仪表及其原位校正

GB/T3214《水泵流量测定方法》推荐了适合水泵行业进行流量测量的几种方法，主要有下面五种：

1.节流式流量计：由节流装置以及差压计构成。节流式流量计是利用流体经过节流装置的时候所造成的压力差来进行测量的，常见的节流装置主要有孔板和喷嘴。

2.涡轮流量计：由涡轮变送器和显示仪表构成。

3.水堰：主要由堰板以及堰槽组成。

4.电磁流量计：主要由传感器以及信号处理器构成。

5.容积法和称重法：这两种方法通常应用在测量精度高、流量小的情况下，主要是对某一时期的平均流量进行测定，主要由容器和计时装置所构成。根据泵的A级规范，可以在试验室里完成高精度流量测量的主要方法见表3。

表3 高精度流量的主要测量方法

其他流量测量方法，如标准孔板等方法因为测量的精度低，一般在对精度要求较高的测量中不予考虑。在表3中的基本方法里，测量精度最高的方法是称重法，但此法需要有大型容器。通常利用高精度天平来校正称重容器，校正的时间一般是大于等于60s。称重法适用于流量小于等于1.5L/s的流量测量试验。容积法通常也是利用高精度天平来校正的，校正的时间一般是大于等于60s，可用于对较大流量进行测量。

基本方法通常用于原位校正。原位校正是指在试验现场安装完测量仪表之后，用比它高一级精度的仪表进行的校正。比如说，对叶片泵进行能量特性试验，一条能量特性曲线通常应测试13～15个测试点，而且应该在一次试验中完成。但是基本试验方法测量每一个测试点的时间比较长，故通常在高精度A级试验的时候，能够事先利用基本方法原位校正的流量计对流量进行测量，这样测量的系统误差大约在0.3～1%的范围内。

在泵试验过程中，流量测量时产生的系统误差是试验误差的主要组成部分。要提高测试的精度就要大大降低系统误差，而利用分段原位校正流量计的方法可提高测试精度。

当进行压力测量时，水泵行业往往采用下面几种测量仪表：液柱式压力计、压力传感器、电气压力表、弹性压力表、活塞压力计。

通常采用的精度比较高的压力信号传感器，它的系统误差大约保持在±0.1～0.2%的范围内。

如果利用0.02级的高精度活塞计以及真空计进行压力信号传感器的原位校正，能够更大程度地降低系统误差进行原位校正的时候，把传感器与活塞压力计连接在一起，慢慢进行加码或者慢慢进行减码，通过打印机打印测量结果。详细的操作方法如下：

第一步要求出压力传感器在不加码时的零点值，这个值就是微机的读数值；第二步是求出各个测量点的脉冲压力当量的平均值。

实测值= (微机读数-零点值)×校正系数，绝对误差=实测值-活塞压力计的祛码值。

上面的计算方法可以通过计算机编程来完成。

(二)转矩和转速测量仪表及其原位校正

对转矩以及转速进行测量的主要目的就是为了计算轴功率，必须测定同步的转矩以及转速。

测量转矩以及转速的仪器仪表种类很多，现在比较常用的是JC型转矩转速仪。JC型转矩转速仪的精度为±0.5%～1%，转速测量的精度为±0.1%。从这两个数据可以看出，该仪表不适合用在对精度要求比较高的测量试验中。

三、测试数据的后期处理

测量仪表输出的电信号通常是数字量信号或者模拟量信号。测试仪器仪表通常输出的都是数字量信号，计算机能够利用并行接口来接受数据，所以不存在没有数据时的转换误差。

电磁流量计以及压力信号传感器等测试仪器仪表通常输出的都是模拟量信号，需要进行数模转换之后才可以被计算机采集分析。数模转换通常采用8位，分辨率一般是0.003921，转换精度可以达到±4.5%；有的数模转换采用12位，分辨率为0.0002442，转换精度可以达到±0.3%，这两种方法都不适合应用在高精度测试中。现在数模转换采用的分辨率为0.00001525，转换精度可以达到±0.02%，这样就可以忽略其产生的转化误差。

根据上面介绍，如果利用现在高精度的流量、扬程、转矩以及转速等测量仪器仪表，对这些仪器仪表原位校正之后，利用16位数模转换，经过计算机的采集与分析，得出测试系统误差分别为：流量ΔQ=±0.18%，扬程

所以，利用现代高精度测量仪器仪表，泵效率的测试误差大约在±0.3%～0.5%。

五、结论

本文通过对水泵性能测试以及后期数据处理的探讨，提出了流量测量仪表及其原位校正、转矩和转速测量仪表及其原位校正两种性能的测试方法，对实际应用具有一定的理论指导意义。