虚拟仪器技术毕业设计论文.doc

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1、摘 要1Abstract2第1章 绪论41.1引言41.2 概述41.3 研究的目的和意义41.4 通风机检测的国内外发展现状51.5 本次研究的主要任务61.6 本章小结7第2章 虚拟仪器技术及测试系统总体方案72.1 虚拟仪器简述72.2 虚拟仪器系统的构成82.2.1 虚拟仪器的硬件82.2.2 虚拟仪器的软件92.3 虚拟仪器的特点102.4 虚拟仪器的开发平台102.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台LabVIEW102.4.2 LabVIEW 的特点112.5 风机性能试验概述112.5.1 风机性能试验的原理和方法112.5.2 风机的性能参数122.5.3通风机性能曲线

2、的绘制132.5.4 风机性能参数指标142.5.5 通风机性能计算142.5.6 多通道采集方案的选择152.5.7 数据采集卡各部分的设计162.5.8 系统总体方案的确定172.6 测试系统各个部分功能182.7 本章小结18第3章 传感器的选型与设计193.1 大气压与负压传感器193.2 温湿度传感器223.3 风速传感器243.4 MG8型钳形电流互感器253.5 转速传感器263.6 传感器的安装位置和方法283.7本章小结30第4章 信号调理电路和数据采集卡的设计304.1 信号调理简介304.2 信号调理电路的组成311 放大器314.3 信号调理电路的设计324.4直流电源

3、324.4.1 简介324.4.2 电路原理图334.5数据采集卡344.5.1 数据采集卡的结构框图344.5.2 多路开关AD7506344.5.3 AD1671模数转换器354.5.4 EPM7064可编程逻辑器件354.5.5 USB2.0接口芯片364.6 本章小结37第5章 数据采集系统软件设计375.1本次通风机检测系统的设计思想375.2 检测系统的功能385.3 检测系统软件整体设计395.3.1软件构成395.3.2系统界面395.3.3数据采集程序实现415.3.4数据处理模块425.3.5曲线拟合475.3.6参数设置模块495.3.7历史速度曲线存储和查询模块495.

4、3.8报表输出模块505.4 本章小结51第六章 结论526.1 概述526.2 系统的优点526.3 该检测系统的不足之处53参考文献54致 谢55摘 要通风机性能检测试验是对通风机技术研究和生产的必要环节。随着通风机技术的发展，对其检测技术的要求也越来越高。现代通风机性能测试正从传统人工测试向自动化测试转变。计算机技术与测试仪器技术相结合，出现了一种新的测试仪器虚拟仪器。虚拟仪器是一种充分利用计算机资源，由用户设计的具有虚拟操作面板的计算机测试仪器系统。虚拟仪器技术和网络通信技术相结合，使网络化虚拟仪器应运而生，集信号采集、传输和处理为一体，不受地域、环境的限制。本文主要分为三部分。第一部

5、分介绍了本次设计的目的及意义、该课题国内外的发展现状以及虚拟仪器的概念、特点、组成并详细地介绍了 LabVIEW 开发环境；第二部分分析通风机性能检测的基本原理，并在虚拟仪器技术的基础上，构建了系统的总体结构，然后根据系统设计要求完成了系统硬件设计，对传感器、数据采集卡进行了选型，设计了信号调理电路；第三部分围绕开发的系统进行讨论和研究，针对网络化虚拟仪器、远程测试系统的实现要求，以 LabVIEW 作为开发平台具体实现了数据采集系统的软件设计。该基于LabVIEW的通风机检测系统以软件代替硬件，操作简单，功能强大。与传统测试仪器相比，提高了测试精度和开发效率，减轻了劳动强度。同时，本系统将U

6、SB接口技术引进到数据采集卡中，使其输出连接具有即插即用、方便快捷等特点。它可以实时采集通风机的性能参数，如：风速、功率、温度、湿度、大气压力、静压、转速等。关键词：虚拟仪器；通风机性能检测；数据采集卡 ；LabVIEWAbstract Fan performance testing experiment is an indispensible step in the technology study and production of fan. With the development of the fan technological, its detection technology re

7、quirements are also getting higher. Modern fan performance testing is transforming from the traditional manual testing to automatic test. With integration of computer and testing instruments, virtual instrument has emerged as a new testing technology. Virtual instrument makes full use of computer re

8、sources, has the user-defined function and a virtual operation panel on the computer. With combination of virtual instruments and network communication technology, network-based virtual instruments came into being, characterized with integrated collection, transmission and processing without geograp

9、hical, environmental restrictions. The paper is divided into three parts. The first section describes the purpose and significance of the design issues , the development status of the subject at home and abroad as well as the concept of virtual instruments , characteristics, composition and detailed

10、 description of the characteristics of the LabVIEW environment detection system；the second part introduced the basic principle of fan performance testing, and the overall structure of the system is constructured on the basis of virtual instrument, the system hardware is designed according to the sys

11、tem design requirement, and the sensors and the data collection card are chosed and the signal modulation circuit is designed；the third part of the discussion and research around the development of the system as a development platform , LabVIEW for Networked Virtual Instrument , remote test system i

12、mplementation requires specific data acquisition system software design . The fan detection system（based on LabVIEW) ,which used the software instead of hardware ,is simply operated and has powerful function.It improved the testing precision and the development efficiency and reduced the working int

13、ensity.Meanwhile,the system,which introduced the USB technology into the data acquisition card,has the plug-and-play and convenient.It can acquire the performance parameters of the fanner.Such as: wind speed, power, temperature, humidity, atmospheric pressure, static pressure, rotate speed and so on

14、.KEY WORDS:Virtual Instrument；Fan performance testing,the data acquisition card;LabVIEW第1章 绪论1.1引言通风机(fan)是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。 通风机广泛用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物的通风、排尘和冷却，锅炉和工业炉窑的通风和引风，空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风，谷物的烘干和选送，风洞风源和气垫船的充气和推进等。风机在气力输送系统中处于核心地位，它输送的风量和提供的压力有力地保证了系统的有效性和可靠性。1.2 概述风机是一类

15、将原动机的机械能转化为气体压力能和动能的流体机械，属于通用机械范畴。风机的安全可靠性在工农业生产中的地位显而易见。而风机的安全性及其工作效益与它的性能息息相关，所以风机良好的性能是保障生产安全运行、取得预期运行效益的最基本要求。风机性能测试是成品风机的检验、选型、改制，新产品的开发、研制，风机参数的获得、风机性能曲线的绘制以及风机运行状况检测等的基础，也是科学、合理、客观地评价其产品质量和性能的前提和基；同时风机性能试验也是高等学校气动与流体力学、农业机械、矿山机械、环保机械等课程的重要实验内容之一。1.3 研究的目的和意义通风机是煤矿生产过程中下不可缺少的安全设备，它起着冲淡和排除井下的有害

16、气体和粉尘，为井下各巷道及采、掘进面提供新鲜空气，保证井下工作人员有足够数量和质量的空气供呼吸，从而确保了井下工作人员的人身安全，并且改善了井下的工作环，因此通风机也被称为“矿井的肺脏”。然而最近几年来，我国煤矿事故频繁发生，严重威胁着矿工的生命安全，并且给国家带来了一定的经济损失。究其原因主要有两个方面：第一，我国煤矿使用的通风机设备落后，更新不即时，虽然矿用通风机在我国已经有了很长时间的发展，但是风机老化甚至退役、报废再用现象仍然普遍存在，尤其在一些乡镇煤矿企业中这种现象更为严重。第二，我国风机的监测技术比较落后，主要以人工操作试验过程、手工测量和记录试验数据、手工绘制风机特性曲线为主，因

17、此普遍存在测量结果偏差较大，从而导致绘制的风机特性曲线不能准确反映风机的运行状况。煤矿安全规程中大型机电设备的性能参数提出明确要求，为满足要求必须定期进行设备性能参数的全面测定，并进行系统分析，以保证设备处于良好的运行状态。所以设备的日常检测和性能测试工作就变的非常重要，对其进行定期“体检”，掌握设备的性能状态，及时发现缺陷，消除隐患，做到科学管理和科学使用 由此可以看到，从设备运行的安全性和经济性来考虑，建立风机设备的测试系统势在必行。怎样利用先进的控制技术和自动测试技术开发新型的风机监测系统，使其具有提高矿山设备运行的可靠性，及时发现故障并进行故障诊断、故障排除的综合功能，已成为目前最迫切

18、需要解决的问题。传统的风机气动性能测试平台是用压力计、流量计、温度计、功率计、转速仪等读数仪器来测量相关参数,再通过后期的计算,来获得性能曲线等数据,整个测试过程耗时比较长,存在不稳定的人为误差。传统的测试仪,计算处理一般依赖于硬件的计算网络,硬件的计算网络不仅制造调试很困难,测量的精度也受到硬件的制约,仪器的长期精度难以得到保证,利用软件的方法进行数字计算处理,不仅可以减少仪器的硬件,也可保证仪器的长期精。因此, 决定开发一种集多种设备测试功能为一体、检测范围可调节的测试系统。该系统以数据采集卡和软件开发环境LabVIEW为平台，以个人电脑为基础，可以实现数据的采集、传送、分析、处理、存储和

19、生成报告等多种功能。虚拟仪器的发展标志着自动测试与电子测试仪器领域技术发展的一个崭新方向。将虚拟仪器技术应用于设备的综合性能测试中，实现了多种设备测试系统一体化和集成化，节省了仪器的购置成本，提高测试效率，而且增加了测试系统的通用性，不仅可以用于地下开采和水电工程的相关设备，还可以用于其他行业同类设备的技术测定。发展基于计算机辅助的自动测试技术是提高测试精度和测试效率、减轻劳动强度、完善测试手段的重要途径，也是产品质量监督科学化的必要手段，对新产品的开发、研制和设计具有十分重要的现实意。1.4 通风机检测的国内外发展现状近几年，国内已经有一些科研单位和高校利用微型计算机的强大功能，结合现有的一

20、些编程语言（如 VB、VC 等）开发了风机测试系统，在基于虚拟仪器的矿用设备性能监测检测系统研制开发方面，国内也已经取得了一些成：例如中国矿业大学“电子计算机在矿井通风管理工作中的应用”研究基础上，结合“提高矿井主扇综合运行效益研究”项目，研制成风机装置性能测定计算机数据采集系统；河北农业大学的钱东平、霍晓静等开发的基于虚拟仪器技术的风机性能自动测试系统；华东工业大学开发研制了离心风机、轴流风机、冷却塔风机以及屋顶风机全性能自动测试装置；安徽理工大学的裴九芳、张新利用虚拟仪器对压缩机的性能测试进行了研究；昆明工学院在“FCC2 风机性能微机测试系统”的基础上，研制开发了风机性能参数微机测试系统

21、；浙江大学的武钢、朱祖超利用虚拟仪器技术对水泵瞬态特性进行实验研究；廖俊、罗晟等进行了计算机辅助风机试验系统的研究；兖州矿业公司南屯煤矿和山东矿业学院共同研究了“南屯煤矿压风机工矿检测系统”；红石岩煤矿的惠龙安开发的基于虚拟仪器的矿用轴流式通风机性能测试与分析；华中科技大学的戚新波、范峥、陈学广研制的基于虚拟仪器的风机性能测试系统等。但是由于矿山环境复杂、井下工作环境差，再加上国产的一些在线监测设备整体水平还比较低，而国外进口仪器普遍价格昂贵，且功能方面不能完全满足生产的实际需要，以及前我国矿山企业不景气，这些进口仪器很难得到普及等多方面原因，到目前为止，国内还没有出现较为理想的、能满足矿井工

22、作现场要求的自动测试系统。美国 NI 公司推出的虚拟仪器，它以其图形化的数据流语言和强大的功能赢得了工程师和科研人员的青睐。经过十几年的不断完善，和传统的编程软件相比，目前虚拟仪器已经在数据采集，数据处理，界面修饰和开发周期等方面有了无可比拟的优势，因此它已逐渐成为测试测量行业的主流软件。在国外一些发达国家，虚拟仪器在测试领域的应用非常普遍，许多科学家和工程师把虚拟仪器应用在测试工程领域，并且取得了非常显著的效。例如德国大众汽车公司将虚拟仪器应用到汽油发动机综合测试中，在大大节省开发资金和缩短开发周期的同时，取得了比传统仪器更好的测试效果。IBM 公司将虚拟仪器技术厚膜混合集成电路的测试中，同

23、样也取得了鲜明的效果。可以说，虚拟仪器给矿山设备检测注入了新的气。本课题就是为了适应矿山安全生产的迫切需要，针对目前矿山生产过程中的实际情况，以虚拟仪器技术为基础而进行的创新性研究。1.5 本次研究的主要任务1、掌握通风机性能检定的基本理论和基本方法，研究通风机风速、风压检测新理论、新方法。 2、选用合适的传感器件，设计安排传感器的安装与布置，研究点代面测风方法和静压差测风方法。通风机所要测的每一个性能参数对应一种传感器。其中有：风速、温度、湿度、大气压、相对静压（负压）、轴功率和转速等。在选择传感器时，不仅要考虑系统精度要求，还要考虑其性价比，同时也要考虑其所处的工作环境。3、信号调理电路的

24、设计。根据不同的传感器及国标精度要求，设计相应传感器的信号调理电路，用多路模拟开关处理风速传感器信号。在信号调理电路的设计中，主要考虑所选的传感器是否需要外加电源，如果需要则要通过设计电路来为其提供相应的电压。另外换要考虑外界的干扰，看是否需要加入滤波器或隔离电路离开消除外界干扰。 4、数据采集系统硬件设计 。确定USB接口方案，USB2.0接口模块设计，A/D转换模块设计，数字I/O模块设计，复杂大规模可编程集成电路(CPLD)设计，电源设计等。首先确定数据采集卡各组成部分。主要包括：多路开关、A/D转换器、接口芯片和控制芯片（CPU）。对于多路开关的选择要根据所需通道数来确定。而对于A/D

25、模数转换器的选择要考虑其转换时间、转换精度等。接口芯片的确定需要考虑其性能及与计算机接口问题。控制芯片要考虑系统的要求和它的效率及性价比等。 5、数据采集系统软件设计采用LabVIEW软件平台将功能模块逐个进行编程，从数据采集、数据处理、曲线拟合、数据存储等方面进行优化设计。通过编程将各个模块进行组合实现系统软件设计。最后要对系统软件进行调试，分析系统调试中出现的问题并加以解决。1.6 本章小结本章主要介绍了本课题的研究背景和意义，简述了国内外通风机性能检测的发展现状，也说明了本课题的主要做的任务。 第2章 虚拟仪器技术及测试系统总体方案2.1 虚拟仪器简述虚拟技术、计算机通信技术与网络技术是

26、信息技术的重要组成部分，它们被称为 21世纪科学技术中的三大核心技。虚拟技术的出现大大改变了人类现有的思维模式、工作模式和生活模式。虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是一种全新的仪器形式。它的出现使仪器与计算机之间的界限开始消失，是仪器发展史上的一场革命。虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（NI）在 1986 年提出的。所谓虚拟仪器，是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户根据需求定义和设计的具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器通过应用程序将计算机和功能模块硬件结合起来，用户通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像是在操作一台自己设计的测试仪器

27、一样，从而完成测试任。虚拟仪器的实质是利用计算机显示模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现数据运算、分析和处理；利用 I/0 接口设备完成信号采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的“虚拟”包括以下两方面的含义：（1） 虚拟仪器面板是虚拟的。虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统面板上的各种器件所完成的功能是相同的，并由各种开关、按钮、显示器等实现仪器的功能操作。传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行操作的。而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”，用户只需选用代表某种软件程序的图形“控件”即可，由

28、计算机的鼠标“键击”来对其进行操作。因此，设计虚拟面板的过程就是在“前面板”设计窗口中从控制模板选取、摆放所需的图形“控件”。尤其是 LabVIEW图形化编程语言可在短时间内轻松完成一个美观而又实用的“虚拟仪器前面板”的设计，整个设计过程轻松而有趣。（2） 虚拟仪器测量功能由软件编程实现。在以计算机为核心的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现仪器的功能，可以通过不同的测试功能软件模块的组合来实现多种测试功能。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需求，充分利用计算机技术，用软件代替硬件设计自己的仪器系统，“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最简

29、单最本质的含义。目前，虚拟仪器在发达国家已十分普及。在国内也有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统。2.2 虚拟仪器系统的构成任何测量系统都可分为数据采集、数据分析和处理、数据显示和输出三大模块，将这些模块分别用不同的硬件和软件实现，就可以构成不同的虚拟仪器系统。虚拟仪器系统包括硬件和软件两要素。硬件部分的功能是获取真实世界中的被测信号；软件部分的作用是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，软件通常用专用的虚拟仪器开发语言编写。所以，虚拟仪器系统可以用一个简单的公式来表达：虚拟仪器系统=计算机及其附件+开发虚拟仪器的软件+必要的硬件。2.2.1 虚拟仪器的硬件通常虚拟仪器测试系统的硬件包括传感器

30、、信号调理、信号采集等I/O接口设备和通用计算机。计算机一般是PC机或工作站，是硬件平台的核心，是虚拟仪器系统的心脏和动力；传感器是测试系统获取信息的基础；I/O接口设备完成被测信号的采集、放大、A/D、D/A转换等。虚拟仪器的形式取决于实际的物理系统和构成仪器的I/O接口的硬件类型，但都离不开计算机控制。虚拟仪器测试系统的组成如图2-1所示。虚拟仪器的硬件构成方式主要有五种类：（1） PC-DAQ（DataAcquisition）系统：是基于计算机标准总线（如 ISA,PCI 等）的内置功能插卡，是以数据采集卡、调理电路和计算机为硬件平台的插卡式虚拟系统。（2） GPIB 系统：以 GPIB

31、（General Purpose Interface Bus）标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。典型的 GPIB 测试系统包括一台计算机、一块 GPIB 接口卡和若干台通过 GPIB 电缆相连的 GPIB 仪器。（3） VXI 系统：以 VXI(VME bus eXtension for Instrumentation)标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。4） PXI 系统：以 PXI（PCI eXtension for Instrumentation）标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。（5） 串口系统：以 Seri

32、al 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的虚拟仪器系统。任何虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到 PC 机或工作站等计算机平台加上应用软件而构成的。A/D 技术的发展使插入式 DAQ 卡发展很快，性能不断提高，得到广泛应用。PC-DAQ 式测试系统是构成虚拟仪器的最基本的方式，也是最廉价的方式。2.2.2 虚拟仪器的软件虚拟仪器系统的软件结构包含以下三部分：应用程序开发环境、仪器驱动程序、输入输出（I/O）接口软件。 （1） I/0 接口软件：存在于硬件和驱动程序之间，是最接近硬件的软件层，完成对硬件内部寄存器单元进行直接存取数据操作，为硬件和驱动程序提供信息传递的低层软件层，是实现开放统一的虚

33、拟仪器系统的基础。（2） 驱动程序层：是系统应用程序实现仪器控制的桥梁，一般以动态链接库或静态库形式供应用程序调用。驱动程序的实质是为用户提供一个用于仪器操作的较为抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。（3） 应用程序开发环境：是完成测试系统数据的分析、计算、存储、显示、输出等任务，是虚拟仪器的核心和完成任务的关键。应用程序开发环境是用于编写应用程序的编程工具，可由开发人员的喜好和测试需求进行选择。2.3 虚拟仪器的特点虚拟仪器是计算机技术在仪器仪表领域的应用所形成的一种全新的仪器设计概念，它与传统仪器相比显示出了众多的优点：尽可能采用了通用的硬件，各种

34、仪器的差异主要是软件；可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。2.4 虚拟仪器的开发平台 在虚拟仪器中，软件起着重要的作用，软件把整个测量系统连接起来。虚拟仪器软件开发有三个准则：标准化、模块化和可重用性。目前，最流行的趋势是图形化编程环境，其中 LabVIEW 应用较广。2.4.1 面向仪器与测控过程的图形化开发平台LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（实验室虚拟仪器工程平台）的缩写，主要用于仪器控制、数据采集、数据分

35、析等领域。它是一种基于图形编程语言G 语言(Graphical Programming Language)的可视化开发平。 LabVIEW 程序称为虚拟仪器程序（Virtual Instrument），简称为 VI。一个 VI 程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接器。前面板（Front Panel）是 VI 的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出（其中，用于让用户输入数据到程序中的控件称为“控制量”；用于显示程序输出的控件称为“指示量”），目的是仿真真实仪器的前面板。LabVIEW 内部集成了大量的生成图形界面的模板，如：旋钮、开关、图形图表显示器和通用的文本框等

36、。通过这些控件可以很容易的完成面板设计，设计出的前面板可接收用户的控制信号和显示输出结果。另外，LabVIEW 实现了开放性设计，允许用户自行设计面板素材。框图程序（Block Diagram）是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制，也是 LabVIEW 作为 G 语言的集中体现。LabVIEW 框图程序是基于数据流的处理方案，与传统的文本式编程不同，框图程序与我们所熟悉的程序流程图思想非常相似。一个框图程序由多个小“框图元”通过连线连接而成，每个“框图元”只有当所有输入信号都有效的条件下，才会输出信号。图标/连接器（Icon/Connector）用于把 VI 定义成一个子程序（Su

37、b VI），以便在其它程序中加以调用，这使 LabVIEW 得以实现层次化、模块化编程。在设计大型系统时，一步完成一个复杂系统的设计有相当的难度，所以设计者多采用模块设计，把一个复杂系统分为多个子系统，每一个都可以完成一定的功能。2.4.2 LabVIEW 的特点 LabVIEW 软件的特点可归纳为以下几点： （1） 图形化的仪器编程环境：使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面54。针对测控领域，LabVIEW 提供了大量的仪器面板中的控制对象，用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己个性特点的控制对象； （2） 内置的程序编译器：它采用编译方式运行 32 位应用程序，解决了

38、其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译 C 的速度； （3） 并行机制：使用图标表示功能模块，使用连线表示数据传递，使用为多数工程师熟悉的数据流程图式的语言编程，这样使得编程过程与思维过程非常相似； （4） 灵活的程序调试手段：用户可以在源代码中设置断点、单步执行源代码、在源代码中的数据流连线上设置探针，观察程序运行过程中数据流的变化等； （5） 支持多种系统平台：在 Windows NT/95，UNIX，HP 等系统平台上，NI 都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移值； （6） 强大的函数库：从基本的数学函数、字符串处理函数、数组运算函数

39、和文件输入输出函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函数，可供用户直接调用； （7） 开放式的开发平台：提供 DLL 接口和 CIN 节点来使用户有能力在 LabVIEW平台上使用其它软件平台编译的模块；（8） 网络功能：它支持 TCP/IP，DDE，DataSocket 等功能。 2.5 风机性能试验概述2.5.1 风机性能试验的原理和方法 风机总是与管网联合工作，气体在风机中获得外功时，其压力与流量之间的关系是按风机的性能曲线变化的。而当气体通过管网时，其全压流量（P-Q）关系又要遵循管网的性能曲线，这样，风机的性能与管网的性能之间必须有如下关系： （1） 通过风机与管网的气体流量要完全相

40、等；（2） 风机所产生的全压的一部分即静压 Ps只用于克服管网中的阻力 H，全压的其余部分消耗在气流从管网出口时所具有的动压 Pd上，风机的全压 P 等于管网的总阻力与出口动压损失之和，即 P=H+Pd。图2-2 风机压力与管网阻力之间的关系曲线图 要满足上述要求，整个装置只能在风机P-Q 曲线与管网性能曲线的交点 A 上运行。在 A 点，两者的流量 Qm相等，静压力与阻力 H 也相等，A 点称为工况点。工况点是由风机静压曲线与管网性能曲线的交点来决定的，当管网性能曲线变为 H、H时工况点也随之改变，若风机的压力曲线不变，工况点就沿着压力曲线移动至 A、A。风机性能测试正是基于这一原理，在风机

41、的某一恒定转速下，调节排气节流阀的开度，从而改变管网特性曲线、改变工况点，从而改变了风机的流量等参数，在各个对应的工况点下测定该风机的静压、动压、电机转速、轴功率等参数，通过计算得到各工况点的效率，进而绘制风机的性能曲线，包括流量全压曲线（Q-P）、流量功率（Q-N）曲线、流量效率（Q-）曲线、流量静压（Q-Ps）曲线等，实现对该风机在一定转速下的性能标。 由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的各种损失，因而不能准确的计算出各个性能参数，所以用计算的方法得到的性能曲线与实际工作性能曲线之间存在较大差异。特别对于非设计工况，计算值与实际值的误差就更大。因此，风机的工作

42、性能参数要由试验得到，试验的目的在于确定工作风机的工作性能曲线，从而确定风机的工作范围，以便向用户提供可靠的使用数据和高效率的风机。2.5.2 风机的性能参数风机主要性能参数有流量、全压、功率、转速及效率。 （1） 流量：单位时间内风机所输送的流体量称为为流量，也称为风量。常用体积流量 Q 表示，其单位为“/s”或“”。（2） 全压：单位体积的气体在风机内所获得的能量称为全压，也称为风压。常用P 表示，单位为 Pa。（3） 轴功率：原动机传递给风机转轴上的功率，即为输入功率，又称为轴功率，常用 表示，单位为 kW。（4） 有效功率：单位时间内通过风机的气体所获得的总能量称为有效功率，常用Ne表

43、示，单位 kW。（5） 效率：风机输入功率不可能全部传给被输送气体，其中必有一部分能量损失，被输送的气体实际所得到的功率比原动机传递至风机轴端的功率要小，风机有效功率与轴功率之比称为风机效率。常以 表示。风机全压效率可达 90。风机效率越高，则气体从风机中得到的能量有效部分就越大，经济性就越高。（6） 转速：风机轴每分钟的转速称为转速，常以 n 表示，单位为 r/min。其中由传感器测得的参数有：风速、温度、湿度、相对静压（负压）、大气压力、风机转速和风机轴功率。其它参数可以在此基础上通过公式求得。2.5.3通风机性能曲线的绘制绘制通风机性能曲线，也就是风机的风量-风压曲线、风量-功率曲线和风

44、量-效率曲线。 通风机运行参数列出如下：（1）风量通风机风量指风机进口(抽出式工作时) 或出口(压入式工作时) 通过的空气流量, 是断面上平均流速与面积的乘积, 用/S 表示。在风机口附近风流较平稳的断面均匀地布置若干个风杯式风速传感器, 风杯旋转可转换成频率信号并反映测点风速大小, 各点风速平均值即得平均流速。其中风速传感器的安装方式会在后面详细介绍。（2）风压通风机风压是对矿井内风流作功的压力。对抽出式风机而言, 其进口风道内静压低于风道外大气压, 两者差的绝对值称相对静压（负压）, 用较先进的扩散硅压阻传感器测量, 输出毫伏级信号。这时, 风机风压等于相对静压与该断面平均动压之差, 单位

45、是Pa。（3）大气参数它包含3个量: 有大气压, 与风压类似; 还有温度和湿度, 采用采用相应的传感器测得其值的大小。（4）转速风机转速采用非接触式红外光电传感器测量, 红外光束射到机轴上, 转动一周, 轴上反射纸就返回一个光信号, 经接收放大后的频率即转速, 单位是rPm , 精度为0.1rPm。（5）电气参数根据电工学中双表法原理, 需测量任意两相的电压和对应相的电流, 用于计算电动机的各项参数以及风机的输入功率。2.5.4 风机性能参数指标环境气压：800hPa1060 hPa；环境温度：050；风速：0.5m/s20m/s，(0.100.20)m/s；压力：0 Pa 6000Pa(10

46、Pa)，0 Pa 2000Pa(0.1Pa)；电参数仪表：0.2级。本系统采用以上标准环境参数进行设计。2.5.5 通风机性能计算（1）风速平均风速的计算公式如（2.1）所示。(2.1) 其中C为平均风速， 、表示各测试点风速，N表示测试点个数（所用风杯个数）。（2）风量风量的计算公式如（2.2）所示。 (2.2)其中Q为风量，S为断面面积，C为平均速度。（3）空气密度空气密度的计算公式如（2.3）所示。 （2.3）其中T为测量断面处温度，P为测量断面处压强。（4）通风机进、出口动压通风机进口动压计算公式如（2.4）所示。 （2.4）其中为空气密度，C为平均风速。通风机出口动压计算公式如式（2

47、.5）所示。 (2.5)其中A为住口截面面积。(5)通风机的全压和静压为了计算全压和静压，首先要确定管道阻力大小。主要有管道摩擦阻力和整流栅局部阻力。 测压管道摩擦损失（2.6）式中：f为摩擦系数，取f=0.025；为测压段管长；d为测压段的直径。 整流栅局部损失（2.7）式中：为损失系数，取=0.1.则管道阻力大小为（2.8）于是通风机全压：（2.9）通风机产生的静压：（2.10）（6）通风机的有效功率和效率全压有效功率：（2.11）静压有效功率：（2.12）效率有下列各式计算。全压效率（2.13）静压效率（2.14）式中：为通风机轴功率。由以上各值计算后，可绘制通风机的性能曲线。2.5.6 多通道采集方案的选择本