貫流風機性能測試系統及方法
2023-05-03 16:01:31
專利名稱：貫流風機性能測試系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種測量方法及裝置，具體涉及一種貫流風機性能測試系統及方法。
背景技術：
貫流風機的試驗研究始於法國，1892年由法國的莫爾特(Mortier)發明。開始只 用於礦山通風，20世紀50年代貫流風機引起了人們的重視，對它的研究和應用進入了新的 階段。我國對貫流風機的試驗、研究始於20世紀70年代，到80年代，洛陽工學院、東北農學 院等單位的學者對貫流風機作了專題研究，對我國貫流風機的設計應用起到很好的作用。
與離心式風機、軸流式風機相比，貫流風機具有結構簡單、體積小、產生的氣流平 穩、動壓係數較高而作用距離較長及噪聲低等特點，近年來被廣泛應用於家用電器和空調 設備等低壓通風換氣的場合。 設計高性能的貫流風機，必須探討其結構參數與運動參數，建立模型風機進行試 驗，對模型風機進行性能測試與分析。 貫流風機的性能是以輸送流量、產生全壓、所需功率及效率來體現的，這些工作參 數之間存在著相應的關係，當流量與轉速變化時，會引起其他參數相應的變化。為了正確選 擇、使用貫流風機，必須了解貫流風機性能參數之間的相互關係。由於貫流風機的特殊結 構，加上其流動的非對稱性與複雜性，使得對其性能的影響因素不甚明了 ，貫流風機理論至 今仍欠完善，所以貫流風機性能參數的獲取主要依賴於性能試驗貫流風機產品的性能測試 是風機製造廠用於新產品開發試驗、檢驗產品質量的重要手段。 目前我國貫流風機的性能測試都處於手工階段或半手工階段，不僅精度低、速度 慢、可靠性差，而且費時費力，效率較低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是解決現有貫流風機性能測試存在的上述技術問 題，而提供一種具有多項自動測試功能、適應性強，操作簡單、維護方便和有較高的可靠性 和準確性的貫流風機性能測試系統及方法。 本發明採用的技術方案是這種貫流風機性能測試系統包括傳感器系統、單片機 測控系統、計算機，傳感器系統包括風機轉速傳感器、風機風速傳感器、風溫溫度傳感器、大 氣壓力傳感器、風機動壓壓力傳感器、風機靜壓壓力傳感器、風機扭矩傳感器、噪聲測量儀， 傳感器系統的上述傳感器和測量儀輸出電信號連接至單片機測控系統，單片機測控系統以 單片機為核心，完成數據的轉換和處理，最後通過串行口將數據送入上位計算機處理和顯 示。 上述技術方案中，單片機測控系統以AT89S52單片機為核心，主要包括模/數轉換 電路、串行通信電路、看門狗電路和電源電路、 上述技術方案中，風速傳感器結構為在風機出風口安裝一個平穩氣流的圓管形 不鏽鋼導風筒，皮托管一端伸入導風筒內，皮托管另一端輸出的靜壓端和全壓端連接微型
3差壓變送器，微型差壓變送器將壓差轉化為電信號，送入單片機測控系統，導風筒及皮托管
都安裝固定在移動臺上，電機帶動移動臺移動，對風機出風口任意位置多點測量。
上述技術方案中，扭矩傳感器為磁電式相位差型扭矩傳感器，結構為在電機輸出
軸和風機軸之間安裝彈性軸，彈性軸的軸兩端安裝兩信號齒輪，兩信號齒輪的上方各裝有
一組信號線圈，信號線圈內裝有磁鋼，與信號齒輪組成磁電信號發生器。 上述技術方案中，風機轉速傳感器採用光電轉速傳感器，在貫流風機葉片上疊加 反光紙。 本發明的貫流風機性能測試方法為由傳感器系統的風機轉速傳感器、風機風速 傳感器、扭矩傳感器、大氣壓力傳感器、風機動壓壓力傳感器、風機靜壓壓力傳感器、風溫溫 度傳感器、噪聲測量儀；實時採集各種相應參數，傳感器和測量儀將各種物理信號轉化為電 路模擬信號，並將採集到的各種代表相應性能參數的模擬信號傳輸給單片機測控系統，單 片機測控系統將模擬信號轉換為數位訊號，並進行數據處理，最後單片機測控系統通過串 行口將數據送入上位計算機處理，計算機將所接收的各種信號轉化為相應的性能數值並在 顯示器上進行顯示，同時將數據進行儲存和性能曲線繪製。 上述技術方案中，貫流風機效率的測量是通過測出電動機輸出功率和風機輸出功
率所得，而風機輸出功率的求取，是用皮托管多點測量風壓全壓和風壓靜壓、計算所得。 本發明的技術效果在於採用測試臺、主控計算機、單片機測控系統和傳感器系統
對貫流風機的各種性能參數進行測試，實現了貫流風機性能參數測試自動化，有效的提高
了性能測試工作的效率，使貫流風機產品的質量得到有效的保障，為貫流風機製造廠新產
品開發提供有力的技術支持。本發明具有多項自動測試功能，適應性強，操作簡單，維護方
便，可靠性好，準確性高。 本發明以計算機為基礎的貫流風機性能測試系統及裝置，測量精度高，測量數據 可靠，並可自動採集風機性能試驗數據、自動進行數據處理，並且實現數據的存儲、自動繪 制風機性能曲線。系統界面友好，操作方便，不但可以大大節省人力，減輕勞動強度，而且可 以降低成本，改善勞動環境。 貫流風機性能測試系統及裝置，目前國內外貫流風機生產廠家未見使用，也沒有 看到相關文獻報導。
圖1為本發明結構原理框圖 圖2 圖10為本發明單片機測控系統實施電路圖，其中 圖2為電源電路圖 圖3為單片機最小系統電路圖 圖4為模/數轉換電路圖 圖5為串行通信電路圖 圖6為噪聲測量電路圖 圖7為扭矩測量信號處理電路圖 圖8為溫度測量電路圖 圖9為大氣壓測量電路圖
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圖10為A/D轉換基準電源電路圖 圖11為風速測量結構示意圖 圖12為扭矩測量結構示意圖 圖13為本發明測試流程圖 圖14為上位計算機數據測試界面圖 圖15為系統實物圖 圖16為噪聲測量原理圖
具體實施例方式
本發明包括上位計算機、單片機測控系統和傳感器系統。 傳感器系統包括轉速傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器 和噪聲測量傳感器，將性能測試所需轉速、風速、溫度、壓力、扭矩及噪聲等各項參數轉換成
電信號。 單片機測控系統以AT89S52單片機為核心，主要包括模/數轉換電路、信號放大電 路、電流_電壓變換電路、串行通信電路，看門狗電路和電源電路。完成數據的轉換和處理， 通過串行口將數據送入上位計算機處理。 測試流程開始後，由溫度、風速等傳感器實現風溫等各種相應參數的實時採集，傳 感器將各種物理信號轉化為電路模擬信號，並將採集到的各種代表相應性能參數的模擬信 號傳輸給單片機測控系統，單片機測控系統將模擬信號轉換為數位訊號並傳輸給計算機， 計算機將所接收的各種信號轉化為相應的性能數值並在顯示器上進行顯示，同時將數據進 行儲存和性能曲線繪製。 模/數轉換器採用Microchip公司開發的高性價比12位逐次漸近型A/D轉換芯 片MCP3208，它具有高速、功耗低、工作方式靈活，單端輸入工作方式和準差分輸入工作方 式，可通過命令設置，其中準差分輸入工作方式能有效抑制輸入端共模幹擾的影響等特點。 該晶片內部含有採樣/保持電路，與微處理器採用SPI接口總線通訊、幾乎無外圍器件，從 而減少了由於外圍器件而引入的幹擾和誤差，同時也提高了可靠性。MCP3208的轉換速度 可達100kHz，具有CH0-CH7八個模擬信號輸入端(MCP3208晶片的0_7引腳)，在本系統中， MCP3208的通道0輸入噪聲傳感器的模擬信號、通道1輸入風速傳感器的模擬信號。通道 4輸入大氣壓力傳感器MAX 4100A第6腳輸出的模擬信號、通道5、6輸入靜壓、全壓傳感器 的輸出模擬信號。MCP3208的CLK、 D0UT、 DIN、 CS引腳分別接單片機的P2. 0、 P2. 1、 P2. 2、 P2. 3。單片機通過P2. 1引腳讀取轉換數據。 扭矩測量的輸出脈衝波送入AT89S52的定時/計數器Tl (P3. 5)。由單片機測量出 相位差脈衝的寬度，發送至上位機。轉速測量的輸出脈衝送入AT89S52的外部中斷INTO (P3. 2)，設置脈衝的負跳變觸
發中斷，在中斷服務程序中啟動定時計數器計算脈衝寬度，發送至上位機。 溫度測量傳感器DS18B20採用外接電源方式，DQ端(2腳)接單片機的P2. 6與微
處理器通信。 單片機的串行口發送端TXD (P3. 1)和接收端RXD (P3. 0)分別連接MAX232的11腳 和12腳，MAX232的13腳和14腳連接上位計算機，接收單片機發送的數據、發送命令給單片機。 下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明 參見圖1，整個系統由管理計算機系統、單片機測控系統和傳感器系統構成。傳感 器系統包括風機轉速傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器和噪聲測 量傳感器。 參見圖2 IO，單片機測控系統電路以AT89S52單片機為核心，主要包括壓力測 量、扭矩測量、轉速測量、溫度測量、風速測量、噪聲測量電路，串行通信電路，看門狗電路和 電源電路。 1)壓力測量 大氣壓力測量選用Motorola的MAX 4100A氣壓傳感器。該傳感器的溫度補償範
圍為-40 +125°C ;壓力範圍為20kPa 1050kPa ;輸出與大氣壓相對應的模擬電壓，信號
(Vs = 5. 0V)範圍為O. 3 4. 65V;測量精度為0. 1 % V，同時在20kPa 1050kPa時具有良
好的線性，具體輸出關係如下Vout = Vs (0. 01059P-0. 1528) 士Error 式中，Vs是工作電壓，P是大氣壓值，Vout為輸出電壓。Vout經MCP3208A/D通道 4轉換成相應的數字量後送入單片機處理。 靜壓、全壓測量採用JYB壓力變送器(精度0. 5級)直接將風筒內的靜壓信號轉 換為4 20mA的標準電流信號。轉化為0-5V電壓信號，經A/D轉換MCP3208的通道5、6 轉換為數字量，信號傳入單片機檢測系統。
2)參見圖11風速測量 採用皮托管和美國BESTACE微型差壓變送器，型號為761-10-44A，在風機出風口 處安裝了一個平穩氣流的圓管形不鏽鋼管即導風筒1。皮托管2伸入導風筒l，通過電機帶 動移動臺3及導風筒1的左右移動，實現出風口任意位置的多點風速測量。皮托管2的靜 壓端4和全壓端5連接微型差壓變送器，將壓差信號轉化為4 20mA的標準電流信號，轉 化為0-5V電壓信號，經A/D轉換MCP3208的通道1轉換為數字量，信號傳入單片機檢測系 統。 3)參見圖12扭矩測量 在電機與風機轉軸之間安裝磁電式相位差型扭矩傳感器。在兩轉軸端之間安裝彈 性軸6，在彈性軸的軸兩端安裝有兩隻信號齒輪7，在兩齒輪的上方各裝有一組信號線圈8。 在信號線圈內均裝有磁鋼9，與兩信號齒輪組成磁電信號發生器。當信號齒輪隨彈性軸轉動 時，由於信號齒輪的齒頂及齒、谷交替周期性的掃過磁鋼的底部，使氣隙磁導產生周期性的 變化，線圈內部的磁通量亦產生周期性變化，使線圈中產生感應電動勢，其波形近似為正弦 波。若轉軸沒有受到扭矩的作用，兩個正弦電動勢應同相位。受到轉矩作用時，放置傳感器 相距為L的兩截面的相對轉角為9 ，即為兩正弦電動勢的相位差，經0P07比較器過零比較 整形，得出兩個方波，再將它們經74LS32或門後，輸出脈衝波送入AT89S52的定時/計數器 Tl。由單片機測量出相位差脈衝的寬度，發送至上位機、計算出扭矩值。
4)轉速測量 用美國蒙娜多的R0S-5P光電轉速傳感器測量轉速，在貫流風機葉片上疊加反光 紙，在風機轉動時，在傳感器輸出端產生一路與轉速相關的脈衝，由單片機對其進行計算處理，實現對風機轉速的信號採集。
5)溫度測量 用美國達拉斯公司生產的DS18B20數字式溫度傳感器測量大氣溫度。DS18B20的 測量範圍為-55t: +125t:，最高分辨可達0. 0625°C。 DS18B20可以直接讀出被測溫度值， 而且採用三線制與單片機相連，減少了外部的硬體電路，具有低成本和易使用的特點。
DS18B20採用外接電源方式，DQ端(2腳)接單片機的P2. 6與微處理器通信。
6)噪聲測量 噪聲經高靈敏度、無指向性駐極體傳聲器轉換成電信號。傳聲器頻率特性在50 14000Hz範圍內不均勻度小於1. 5dB，三級放大電路由運放LM324構成，調整相關外圍元件 參數，使其幅頻特性與A計權曲線相近。Dl、 Cl、 Rl組成峰值檢波網絡，其輸出直流電平反 映了噪聲聲壓的大小，經A/D轉換MCP3208的通道0轉換為數字量，信號傳入單片機檢測系 統。測量原理如圖16所示 參見圖ll，貫流風機效率測量是用電動機的輸出功率(即風機的輸入功率)和風 機的輸出功率計算所得。 風機輸入功率N = Fn/9550 (F_電機與風機之間扭矩，n_電機轉速) 風機輸出功率是用皮托管為傳感器測量風壓(包括全壓和靜壓，通過多點測量求
平均值的方法求出)，由公式計算所得。 全壓P^就是皮托管高壓端壓力，通過皮托管高壓端接微差壓傳感器的正端，而傳 感器的負端不連皮托管低壓端，置於空氣中，壓力傳感器所測得的值。 靜壓Pft是皮托管低壓端壓力，可通過皮托管低壓端接微差壓傳感器的負端，而傳
感器的正端不連皮托管高壓端，置於空氣中，壓力傳感器所測得的值。風機輸出功率Ne = P全Q/1000，單位為KW，風機效率n = P全Q/(1000N)， 其中，風量Q =風速X風機出風口斷面面積，單位m3。 其中，V-平均風速(單位m/s) K-皮托管校準係數(通常取0. 99 1. 01) P動-氣體動壓(單位Pa)，可用微差壓傳感器測得，且P動二 P全-P靜，P全，P靜表示 氣體全壓和靜壓。
表示一個標準大氣壓，t表示所測氣體溫度，單位為t:。 參見圖13，測試流程開始後，由溫度、風速等傳感器實現風溫等各種相應參數的實
時採集，傳感器將各種物理信號轉化為電路模擬信號，並將採集到的各種代表相應性能參
數的模擬信號傳輸給單片機測控系統，單片機測控系統將模擬信號轉換為數位訊號並傳輸
給計算機，計算機將所接收的各種信號轉化為相應的性能數值並在顯示器上進行顯示，同
時將數據進行儲存和性能曲線繪製，得到檢測結果後，即可暫停檢測工作。 參見圖14，上位管理計算機是基於Windows2000/XP操作平臺，以VisualBasic
6. 0為開發軟體並結合Access2000和Crystal R印ort 9實現資料庫和報表相關功能。 p -氣體密度(單位Kg/m3)且P =
(l + 0.00367^Pt;
，P自tt表示當地大氣壓，P
7Visual Basic 6. 0具有良好的圖形界面接口 、內置眾多控制項、可視化集成開發環境、方便的 軟體調試環境、便捷的資料庫訪問能力、能夠方便地實現數據採集、處理、資料庫訪問、自動 控制、測試結果顯示、列印等功能。 上位機系統可劃分為實時數據檢測模塊、數據管理模塊以及系統設置模塊。
系統安裝、操作步驟如下 1、安裝先在上位計算機上安裝測試軟體，運行進入系統主界面。再將貫流風機在 測試臺上相應的位置安放固定； 2、接線接通貫流風機和單片機控制系統電源； 3、啟動運行單片機控制程序，點擊上位機主界面菜單"數據檢測"進入參數檢測 界面，參數檢測界面包含數據顯示、系統設置和參數曲線圖顯示部分。設置好需要測試的貫 流風機型號和批次，單擊開始按鈕開始測試； 4、停止停止單片機控制程序的運行，退出上位測試系統，再關斷電源，系統工作 過程完全停止。
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權利要求
一種貫流風機性能測試系統，其特徵在於包括傳感器系統、單片機測控系統、計算機，傳感器系統包括風機轉速傳感器、風機風速傳感器、風溫溫度傳感器、大氣壓力傳感器、風機動壓壓力傳感器、風機靜止壓力傳感器、風機扭矩傳感器、噪聲測量儀，傳感器系統的上述傳感器和測量儀輸出電信號都連接至單片機測控系統，單片機測控系統以單片機為核心，完成數據的轉換和處理，最後通過串行口將數據送入上位計算機處理和顯示。
2. 根據權利要求1所述的貫流風機性能測試系統，其特徵在於單片機測控系統以AT89S52單片機為核心，主要包括模/數轉換電路、串行通信電路、看門狗電路和電源電路、
3. 根據權利要求1所述的貫流風機性能測試系統，其特徵在於風速傳感器結構為在風機出風口安裝一個平穩氣流的圓管形不鏽鋼導風筒，皮托管一端伸入導風筒內，皮托管另一端輸出的靜壓端和全壓端連接微型差壓變送器，微型差壓變送器將壓差轉化為電信號，送入單片機測控系統，導風筒及皮托管都安裝固定在移動臺上，電機帶動移動臺移動，對風機出風口任意位置多點測量。
4. 根據權利要求1所述的貫流風機性能測試系統，其特徵在於扭矩傳感器為磁電式相位差型扭矩傳感器，結構為在電機輸出軸和風機軸之間安裝彈性軸，在彈性軸的軸兩端安裝兩信號齒輪，兩信號齒輪的上方各裝有一組信號線圈，信號線圈內裝有磁鋼，與信號齒輪組成磁電信號發生器。
5. 根據權利要求1所述的貫流風機性能測試系統，其特徵在於風機轉速傳感器採用光電轉速傳感器，在貫流風機葉片上疊加反光紙。
6. —種貫流風機性能測試系統及方法，其特徵在於由傳感器系統的風機轉速傳感器、風機風速傳感器、扭矩傳感器、大氣壓力傳感器、風機動壓壓力傳感器、風機靜壓壓力傳感器、風溫溫度傳感器、噪聲測量儀；實時採集各種相應參數，傳感器和測量儀將各種物理信號轉化為電路模擬信號，並將採集到的各種代表相應性能參數的模擬信號傳輸給單片機測控系統，單片機測控系統將模擬信號轉換為數位訊號，並進行數據處理，最後單片機測控系統通過串行口將數據送入上位計算機處理，計算機將所接收的各種信號轉化為相應的性能數值並在顯示器上進行顯示，同時將數據進行儲存和性能曲線繪製。
7. 根據權利要求6所述的貫流風機性能測試系統及方法，其特徵在於貫流風機效率的測量是通過測出電動機輸出功率和風機輸出功率所得，而風機輸出功率的求取，是用皮托管多點測量風壓全壓和風壓靜壓、計算所得。
全文摘要
一種貫流風機性能測試系統及方法，包括傳感器系統、單片機測控系統、計算機，傳感器系統包括風機轉速傳感器、風機風速傳感器、風溫溫度傳感器、大氣壓力傳感器、風機動壓壓力傳感器、風機靜止壓力傳感器、風機扭矩傳感器、噪聲測量儀，傳感器系統的上述傳感器和測量儀輸出電信號連接至單片機測控系統，單片機測控系統以單片機為核心，完成數據的轉換和處理，最後通過串行口將數據送入上位計算機處理和顯示。本發明具有多項自動測試功能、適應性強，操作簡單、維護方便，有較高的可靠性和準確性。
文檔編號G01M99/00GK101710030SQ20091004325
公開日2010年5月19日 申請日期2009年4月29日 優先權日2009年4月29日
發明者劉輝, 唐勇, 龐佑霞, 朱宗銘, 梁亮, 許焰, 謝明華 申請人:長沙學院