一种贯流风机性能测试装置的制作方法

专利名称：一种贯流风机性能测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量装置，具体涉及一种贯流风机性能测试装置。
背景技术：
贯流风机的试验研究始于法国，1892年由法国的莫尔特(Mortier)实用新型。开 始只用于矿山通风，20世纪50年代贯流风机引起了人们的重视，对它的研究和应用进入了 新的阶段。我国对贯流风机的试验、研究始于20世纪70年代，到80年代，洛阳工学院、东 北农学院等单位的学者对贯流风机作了专题研究，对我国贯流风机的设计应用起到很好的 作用。与离心式风机、轴流式风机相比，贯流风机具有结构简单、体积小、产生的气流平 稳、动压系数较高而作用距离较长及噪声低等特点，近年来被广泛应用于家用电器和空调 设备等低压通风换气的场合。设计高性能的贯流风机，必须探讨其结构参数与运动参数，建立模型风机进行试 验，对模型风机进行性能测试与分析。贯流风机的性能是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参 数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。为了正确选 择、使用贯流风机，必须了解贯流风机性能参数之间的相互关系。由于贯流风机的特殊结 构，加上其流动的非对称性与复杂性，使得对其性能的影响因素不甚明了，贯流风机理论至 今仍欠完善，所以贯流风机性能参数的获取主要依赖于性能试验贯流风机产品的性能测 试是风机制造厂用于新产品开发试验、检验产品质量的重要手段。目前我国贯流风机的性能测试都处于手工阶段或半手工阶段，不仅精度低、速度 慢、可靠性差，而且费时费力，效率较低。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是解决现有贯流风机性能测试存在的上述技术 问题，而提供一种具有多项自动测试功能、适应性强，操作简单、维护方便和有较高的可靠 性和准确性的贯流风机性能测试装置。本实用新型采用的技术方案是这种贯流风机性能测试装置包括传感器系统、单 片机测控系统、计算机，传感器系统包括风机转速传感器、风机风速传感器、风温温度传感 器、大气压力传感器、风机动压压力传感器、风机静压压力传感器、风机扭矩传感器、噪声测 量仪，传感器系统的上述传感器和测量仪输出电信号连接至单片机测控系统，单片机测控 系统以单片机为核心，完成数据的转换和处理，最后通过串行口将数据送入上位计算机处 理和显示。上述技术方案中，单片机测控系统以AT89S52单片机为核心，主要包括模/数转换 电路、串行通信电路、看门狗电路和电源电路、上述技术方案中，风速传感器结构为在风机出风口安装一个平稳气流的圆管形不锈钢导风筒，皮托管一端伸入导风筒内，皮托管另一端输出的静压端和全压端连接微型 差压变送器，微型差压变送器将压差转化为电信号，送入单片机测控系统，导风筒及皮托管 都安装固定在移动台上，电机带动移动台移动，对风机出风口任意位置多点测量。上述技术方案中，扭矩传感器为磁电式相位差型扭矩传感器，结构为在电机输出 轴和风机轴之间安装弹性轴，弹性轴的轴两端安装两信号齿轮，两信号齿轮的上方各装有 一组信号线圈，信号线圈内装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。上述技术方案中，风机转速传感器采用光电转速传感器，在贯流风机叶片上叠加 反光纸。本实用新型的贯流风机性能测试方法为由传感器系统的风机转速传感器、风机 风速传感器、扭矩传感器、大气压力传感器、风机动压压力传感器、风机静压压力传感器、风 温温度传感器、噪声测量仪；实时采集各种相应参数，传感器和测量仪将各种物理信号转 化为电路模拟信号，并将采集到的各种代表相应性能参数的模拟信号传输给单片机测控系 统，单片机测控系统将模拟信号转换为数字信号，并进行数据处理，最后单片机测控系统通 过串行口将数据送入上位计算机处理，计算机将所接收的各种信号转化为相应的性能数值 并在显示器上进行显示，同时将数据进行储存和性能曲线绘制。上述技术方案中，贯流风机效率的测量是通过测出电动机输出功率和风机输出功 率所得，而风机输出功率的求取，是用皮托管多点测量风压全压和风压静压、计算所得。本实用新型的技术效果在于采用测试台、主控计算机、单片机测控系统和传感器 系统对贯流风机的各种性能参数进行测试，实现了贯流风机性能参数测试自动化，有效的 提高了性能测试工作的效率，使贯流风机产品的质量得到有效的保障，为贯流风机制造厂 新产品开发提供有力的技术支持。本实用新型具有多项自动测试功能，适应性强，操作简 单，维护方便，可靠性好，准确性高。本实用新型以计算机为基础的贯流风机性能测试系统及装置，测量精度高，测量 数据可靠，并可自动采集风机性能试验数据、自动进行数据处理，并且实现数据的存储、自 动绘制风机性能曲线。系统界面友好，操作方便，不但可以大大节省人力，减轻劳动强度，而 且可以降低成本，改善劳动环境。本实用新型的贯流风机性能测试装置，目前国内外贯流风机生产厂家未见使用， 也没有看到相关文献报道。

图1为本实用新型结构原理框图图2 图10为本实用新型单片机测控系统实施电路图，其中图2为电源电路图图3为单片机最小系统电路图图4为模/数转换电路图图5为串行通信电路图图6为噪声测量电路图图7为扭矩测量信号处理电路图图8为温度测量电路图[0027]图9为大气压测量电路图图10为A/D转换基准电源电路图图11为风速测量结构示意图图12为扭矩测量结构示意图图13为本实用新型测试流程图图14为上位计算机数据测试界面图
具体实施方式
本实用新型包括上位计算机、单片机测控系统和传感器系统。传感器系统包括转速传感器、风速传感器、温度传感器、压力传感器、扭矩传感器 和噪声测量传感器，将性能测试所需转速、风速、温度、压力、扭矩及噪声等各项参数转换成 电信号。单片机测控系统以AT89S52单片机为核心，主要包括模/数转换电路、信号放大电 路、电流-电压变换电路、串行通信电路，看门狗电路和电源电路。完成数据的转换和处理， 通过串行口将数据送入上位计算机处理。测试流程开始后，由温度、风速等传感器实现风温等各种相应参数的实时采集，传 感器将各种物理信号转化为电路模拟信号，并将采集到的各种代表相应性能参数的模拟信 号传输给单片机测控系统，单片机测控系统将模拟信号转换为数字信号并传输给计算机， 计算机将所接收的各种信号转化为相应的性能数值并在显示器上进行显示，同时将数据进 行储存和性能曲线绘制。模/数转换器采用Microchip公司开发的高性价比12位逐次渐近型A/D转换芯 片MCP3208，它具有高速、功耗低、工作方式灵活，单端输入工作方式和准差分输入工作方 式，可通过命令设置，其中准差分输入工作方式能有效抑制输入端共模干扰的影响等特点。 该芯片内部含有采样/保持电路，与微处理器采用SPI接口总线通讯、几乎无外围器件，从 而减少了由于外围器件而引入的干扰和误差，同时也提高了可靠性。MCP3208的转换速度 可达100kHz，具有CH0-CH7八个模拟信号输入端(MCP3208芯片的0_7引脚)，在本系统中， MCP3208的通道0输入噪声传感器的模拟信号、通道1输入风速传感器的模拟信号。通道 4输入大气压力传感器MAX 4100A第6脚输出的模拟信号、通道5、6输入静压、全压传感器 的输出模拟信号。MCP3208的CLK、DOUT, DIN、CS引脚分别接单片机的P2. 0、P2. 1、P2. 2、 P2. 3。单片机通过P2. 1引脚读取转换数据。扭矩测量的输出脉冲波送入AT89S52的定时/计数器Tl (P3. 5)。由单片机测量出 相位差脉冲的宽度，发送至上位机。转速测量的输出脉冲送入AT89S52的外部中断INTO (P3. 2)，设置脉冲的负跳变触 发中断，在中断服务程序中启动定时计数器计算脉冲宽度，发送至上位机。温度测量传感器DS18B20采用外接电源方式，DQ端(2脚)接单片机的P2. 6与微 处理器通信。单片机的串行口发送端TXD(P3. 1)和接收端RXD(P3.0)分别连接MAX232的11脚 和12脚，MAX232的13脚和14脚连接上位计算机，接收单片机发送的数据、发送命令给单 片机。[0042]
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步说明参见图1，整个系统由管理计算机系统、单片机测控系统和传感器系统构成。传感 器系统包括风机转速传感器、风速传感器、温度传感器、压力传感器、扭矩传感器和噪声测 量传感器。参见图2 10，单片机测控系统电路以AT89S52单片机为核心，主要包括压力测 量、扭矩测量、转速测量、温度测量、风速测量、噪声测量电路，串行通信电路，看门狗电路和 电源电路。1)压力测量大气压力测量选用Motorola的MAX 4100A气压传感器。该传感器的温度补偿范 围为-40 +125°C;压力范围为20kPa 1050kPa;输出与大气压相对应的模拟电压，信号 (Vs = 5. 0V)范围为0. 3 4. 65V ；测量精度为0. 1% V,同时在20kPa 1050kPa时具有良 好的线性，具体输出关系如下Vout = Vs(0. 01059P-0. 1528)士Error式中，Vs是工作电压，P是大气压值，Vout为输出电压。Vout经MCP3208A/D通道 4转换成相应的数字量后送入单片机处理。静压、全压测量采用JYB压力变送器(精度0. 5级)直接将风筒内的静压信号转 换为4 20mA的标准电流信号。转化为0-5V电压信号，经A/D转换MCP3208的通道5、6 转换为数字量，信号传入单片机检测系统。2)参见图11风速测量采用皮托管和美国BESTACE微型差压变送器，型号为761-10-44A，在风机出风口 处安装了一个平稳气流的圆管形不锈钢管即导风筒1。皮托管2伸入导风筒1，通过电机带 动移动台3及导风筒1的左右移动，实现出风口任意位置的多点风速测量。皮托管2的静 压端4和全压端5连接微型差压变送器，将压差信号转化为4 20mA的标准电流信号，转 化为0-5V电压信号，经A/D转换MCP3208的通道1转换为数字量，信号传入单片机检测系 统。3)参见图12扭矩测量在电机与风机转轴之间安装磁电式相位差型扭矩传感器。在两转轴端之间安装弹 性轴6，在弹性轴的轴两端安装有两只信号齿轮7，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈8。 在信号线圈内均装有磁钢9，与两信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动 时，由于信号齿轮的齿顶及齿、谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙磁导产生周期性的 变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中产生感应电动势，其波形近似为正弦 波。若转轴没有受到扭矩的作用，两个正弦电动势应同相位。受到转矩作用时，放置传感 器相距为L的两截面的相对转角为θ，即为两正弦电动势的相位差，经0Ρ07比较器过零比 较整形，得出两个方波，再将它们经74LS32或门后，输出脉冲波送入AT89S52的定时/计数 器Tl。由单片机测量出相位差脉冲的宽度，发送至上位机、计算出扭矩值。4)转速测量用美国蒙娜多的R0S-5P光电转速传感器测量转速，在贯流风机叶片上叠加反光 纸，在风机转动时，在传感器输出端产生一路与转速相关的脉冲，由单片机对其进行计算处 理，实现对风机转速的信号采集。[0056]5)温度测量用美国达拉斯公司生产的DS18B20数字式温度传感器测量大气温度。DS18B20的 测量范围为_55°C +125°C，最高分辨可达0. 0625°C。DS18B20可以直接读出被测温度值， 而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20采用外接电源方式，DQ端(2脚)接单片机的P2. 6与微处理器通信。6)噪声测量噪声经高灵敏度、无指向性驻极体传声器转换成电信号。传声器频率特性在50 14000Hz范围内不均勻度小于1. 5dB，三级放大电路由运放LM324构成，调整相关外围元件 参数，使其幅频特性与A计权曲线相近。D1、Cl、Rl组成峰值检波网络，其输出直流电平反 映了噪声声压的大小，经A/D转换MCP3208的通道0转换为数字量，信号传入单片机检测系 统。参见图11，贯流风机效率测量是用电动机的输出功率(即风机的输入功率)和风 机的输出功率计算所得。风机输入功率N = Fn/9550 (F-电机与风机之间扭矩，n_电机转速)风机输出功率是用皮托管为传感器测量风压(包括全压和静压，通过多点测量求 平均值的方法求出)，由公式计算所得。全压P4就是皮托管高压端压力，通过皮托管高压端接微差压传感器的正端，而传 感器的负端不连皮托管低压端，置于空气中，压力传感器所测得的值。静压P11是皮托管低压端压力，可通过皮托管低压端接微差压传感器的负端，而传 感器的正端不连皮托管高压端，置于空气中，压力传感器所测得的值。风机输出功率Ne = P全Q/1000，单位为KW，风机效率η = P^Q/(1000Ν),其中，风量Q=风速X风机出风口断面面积，单位m3。风速 K ^ 1^2A
-if P-气体密度(单位Kg/m3)且P= n ^J3 ，P当地表示当地大气压，P
P其中，V-平均风速(单位m/s)K-皮托管校准系数(通常取0. 99 1. 01)P动-气体动压(单位Pa)，可用微差压传感器测得，且P动=P全-P静，P全，P静表示 气体全压和静压。
1.293/^ 地
(1 + 0.003670P标准
表示一个标准大气压，t表示所测气体温度，单位为。C。参见图13，测试流程开始后，由温度、风速等传感器实现风温等各种相应参数的 实时采集，传感器将各种物理信号转化为电路模拟信号，并将采集到的各种代表相应性能 参数的模拟信号传输给单片机测控系统，单片机测控系统将模拟信号转换为数字信号并传 输给计算机，计算机将所接收的各种信号转化为相应的性能数值并在显示器上进行显示， 同时将数据进行储存和性能曲线绘制，得到检测结果后，即可暂停检测工作。参见图14，上位管理计算机是基于Windows2000/XP操作平台，以VisualBasic 6.0为开发软件并结合Access2000和Crystal Report 9实现数据库和报表相关功能。 Visual Basic 6. 0具有良好的图形界面接口、内置众多控件、可视化集成开发环境、方便的软件调试环境、便捷的数据库访问能力、能够方便地实现数据采集、处理、数据库访问、自动 控制、测试结果显示、打印等功能。上位机系统可划分为实时数据检测模块、数据管理模块以及系统设置模块。系统安装、操作步骤如下1、安装先在上位计算机上安装测试软件，运行进入系统主界面。再将贯流风机在 测试台上相应的位置安放固定；2、接线接通贯流风机和单片机控制系统电源；3、启动运行单片机控制程序，点击上位机主界面菜单“数据检测”进入参数检测 界面，参数检测界面包含数据显示、系统设置和参数曲线图显示部分。设置好需要测试的贯 流风机型号和批次，单击开始按钮开始测试；4、停止停止单片机控制程序的运行，退出上位测试系统，再关断电源，系统工作 过程完全停止。
权利要求一种贯流风机性能测试装置，其特征在于包括传感器系统、单片机测控系统、计算机，传感器系统包括风机转速传感器、风机风速传感器、风温温度传感器、大气压力传感器、风机动压压力传感器、风机静止压力传感器、风机扭矩传感器、噪声测量仪，传感器系统的上述传感器和测量仪输出电信号都连接至单片机测控系统，单片机测控系统以单片机为核心，完成数据的转换和处理，最后通过串行口将数据送入上位计算机处理和显示。
2.根据权利要求1所述的贯流风机性能测试装置，其特征在于单片机测控系统以 AT89S52单片机为核心，主要包括模/数转换电路、串行通信电路、看门狗电路和电源电路、
3.根据权利要求1所述的贯流风机性能测试装置，其特征在于风速传感器结构为在 风机出风口安装一个平稳气流的圆管形不锈钢导风筒，皮托管一端伸入导风筒内，皮托管 另一端输出的静压端和全压端连接微型差压变送器，微型差压变送器将压差转化为电信 号，送入单片机测控系统，导风筒及皮托管都安装固定在移动台上，电机带动移动台移动， 对风机出风口任意位置多点测量。
4.根据权利要求1所述的贯流风机性能测试装置，其特征在于扭矩传感器为磁电式相 位差型扭矩传感器，结构为在电机输出轴和风机轴之间安装弹性轴，在弹性轴的轴两端安 装两信号齿轮，两信号齿轮的上方各装有一组信号线圈，信号线圈内装有磁钢，与信号齿轮 组成磁电信号发生器。
5.根据权利要求1所述的贯流风机性能测试装置，其特征在于风机转速传感器采用光 电转速传感器，在贯流风机叶片上叠加反光纸。
专利摘要一种贯流风机性能测试装置，包括传感器系统、单片机测控系统、计算机，传感器系统包括风机转速传感器、风机风速传感器、风温温度传感器、大气压力传感器、风机动压压力传感器、风机静止压力传感器、风机扭矩传感器、噪声测量仪，传感器系统的上述传感器和测量仪输出电信号连接至单片机测控系统，单片机测控系统以单片机为核心，完成数据的转换和处理，最后通过串行口将数据送入上位计算机处理和显示。本实用新型具有多项自动测试功能、适应性强，操作简单、维护方便，有较高的可靠性和准确性。
文档编号F04B51/00GK201671805SQ20092025907
公开日2010年12月15日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘辉, 唐勇, 庞佑霞, 朱宗铭, 梁亮, 许焰 申请人:长沙学院