一种风机风量在线测量系统及方法与流程

1.本发明涉及动车用风机检测技术领域，尤其是涉及一种风机风量在线测量系统及方法。


背景技术：

2.现有动车组牵引电机冷却，通常是配备专用冷却风机，将冷却风吹入牵引电机内部，对电机进行冷却。风机自身并不具备自我诊断的功能，需要被冷却设备报警后，再通过排查才能发现风机供风不足的问题。针对该项问题，本方案为风机增加了自我风量诊断功能，即风机风量在线测量系统，实时监测风机风量，当风量低于某个阈值时，系统发出警报，提示机修人员检查风机或冷却系统出现故障。
3.风机无法自我诊断风量不足的问题，其主要原因是：1)风机风量的测量通常是设置专用的测量管道来测量风量，但显然该种方式不适合在线应用；2)测量某个截面的风速，但风机中并不存在风速比较均匀的截面或者需要在截面上布置大量的传感器测量该截面不同位置的风速，这在实现上是比较困难的。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种风机风量在线测量系统及方法，这种方式只需要实时监测风机风道的最小截面处的压力即可，比实时监测风量或风速等参数的操作难度低很多，为风量监测提供了新的途径。
5.一种风机风量在线测量系统，包括用于检测风机风道内压力的压力传感器，所述压力传感器用于检测风机风道的最小截面处压力。具体的，压力传感器设置在风机风道外，通过连接管连接压力传感器与风机风道的最小截面处。
6.检测时，先使用压力传感器检测不同风量所对应的压力值；之后根据风量与压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；然后，以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量，并以最大风量和最小风量在曲线上获取最大和最小压力阈值；最后，在风机运行过程中，压力传感器实时检测压力，当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常，同时，根据压力传感器实时检测的压力可以直接获得风机的实时风量。
7.这种系统只需要实时监测风机风道的最小截面处的压力即可，比实时监测风量或风速等参数的操作难度低很多，为风量监测提供了新的途径。
8.由于本发明的风机还可以应用于列车上，列车在穿行与不同地貌运行通常会带来周围环境的改变，而风机压力会随着环境变化而变化。作为一种改进的方案，该系统还包括分别用于测量风机风道的最小截面处的大气压力和温度及湿度的大气压力传感器和温湿度传感器；所述压力传感器检测的压力为空气的标准工况下的压力值；空气的标准工况下指的是大气压力为1atm、温度为20℃、湿度为50％。
9.当风机处于空气的标准工况时，所述压力传感器测得的实际压力为空气的标准工况下的压力值；当风机处于空气的非标准工况时，将压力传感器测得的实际压力转化为标准工况下的压力值。
10.当风机处于空气的非标准工况时，压力的具体转化过程为：
[0011][0012]
式中，p
c-为压力传感器测得的实际压力；
[0013]
ρ
c-为实际空气密度；
[0014]
p
b-为标准工况下的压力值；
[0015]
ρ
b-为标准工况下的空气密度。
[0016]
关于空气密度ρc和ρb，分别按照下式进行计算：
[0017][0018][0019]
式中，t
1-为温湿度传感器测得的实际温度；
[0020]
ψ
1-为温湿度传感器测得的实际湿度；
[0021]
p
1-为大气压力传感器测得的实际大气压力；
[0022]
p
1s-为实际的饱和水蒸气压力；
[0023]
t
2-为标准工况下的温度；
[0024]
ψ
2-为标准工况下的湿度；
[0025]
p
2-为标准工况下的大气压力；
[0026]
p
2s-为标准工况下的饱和水蒸气压力；
[0027]
其中，t1和t2为环境绝对温度，即环境温度t+273；p
1s
和p
2s
可以根据环境温度查表得到。
[0028]
一种使用上述系统的风机风量在线测量方法，具体步骤如下：
[0029]
s1：在风机的风道的最小截面处安装用于检测实时风量的压力传感器；
[0030]
s2：压力传感器检测不同风量所对应的压力值；
[0031]
s3：根据风量与压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；
[0032]
s4：以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量；
[0033]
s5：以步骤s4中的最大风量和最小风量在步骤s3的曲线上获取最大和最小压力阈值；
[0034]
s6：风机运行过程中，压力传感器实时检测压力，根据压力传感器实时检测的压力可以直接获得风机的实时风量；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常。
[0035]
为了使该方法能够更好的应用于行驶的列车上，避免环境变化对风机压力的影响，提出另一种使用上述系统的风机风量在线测量方法，具体步骤如下：
[0036]
s1：在风机的风道的最小截面处安装用于检测实时风量的压力传感器、大气压力传感器和温湿度传感器；
[0037]
s2：压力传感器检测不同风量所对应的压力值；
[0038]
检测同一风量下的压力值的具体过程为：同一压力传感器、大气压力传感器和温湿度传感器分别得到实时的实际压力、实际大气压力、实际温度和实际湿度，当处于空气的非标准工况时，将压力传感器测得的实际压力转化为标准工况下的压力值；
[0039]
s3：根据风量与标准工况下的压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；
[0040]
s4：以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量；
[0041]
s5：以步骤s4中的最大风量和最小风量在步骤s3的曲线上获取最大和最小压力阈值；
[0042]
s6：风机运行过程中，压力传感器、大气压力传感器和温湿度传感器实时检测实际压力、实际大气压力、实际温度和实际湿度，当实际大气压力、实际温度和实际湿度处于空气的标准工况时，压力传感器实时测得的实际压力可以直接获得风机的实时风量；当实际大气压力、实际温度和实际湿度处于空气的非标准工况时，压力传感器实时测得的实际压力转化为标准工况下的压力值，进而获得风机的实时风量；当压力传感器处于标准工况下检测的压力值在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当压力传感器处于标准工况下检测的压力值在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常。
[0043]
本发明的有益之处在于：这种系统只需要实时监测风机风道的最小截面处的压力，用压力安全范围代替风量安全范围，使用者可以通过压力传感器测得的压力值直观的监测风机风量，比实时监测风量或风速等参数的操作难度低很多，为风量监测提供了新的途径；此外，本发明的系统和方法能够避免环境对监测准确性的影响，可以适用于在行驶的列车上安装的风机。
附图说明
[0044]
图1为本发明的系统的结构示意图；
[0045]
图2为本发明的系统剖视视角的结构示意图；
[0046]
图3为本发明的系统在风机风道进口最小截面处的压力曲线图；
[0047]
图4为本发明的系统在风机风道出口截面处的压力曲线图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0049]
实施例1
[0050]
一种风机风量在线测量系统，如图1所示，包括用于检测风机风道内压力的压力传感器1，所述压力传感器1用于检测风机风道的最小截面处压力。具体的，压力传感器1设置在风机风道外，并固定于风机上，通过连接管2连接压力传感器1与风机风道的最小截面处。由于风机风道内设置传感器存在安装不便的问题，通过设置连接管2即可以设置准确获得该处的压力，又便于传感器的固定和安装。(图1中为了展示清楚连接管2与压力传感器1之
间的位置，将连接管2被遮挡的一部分内容用虚线进行了表示。)
[0051]
检测时，先使用压力传感器1检测不同风量所对应的压力值；之后根据风量与压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；然后，以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量，并以最大风量和最小风量在曲线上获取最大和最小压力阈值；最后，在风机运行过程中，压力传感器1实时检测压力，当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常，同时，根据压力传感器1实时检测的压力可以直接获得风机的实时风量。
[0052]
由于最大风量和最小风量是两个定值，只需要计算最大压力和最小压力两个阈值即可，转化过程简单，并且用压力安全范围代替风量安全范围，使用者可以通过压力传感器1测得的压力值直观的监测风机风量。此外，这种系统只需要实时监测风机风道的最小截面处的压力即可，比实时监测风量或风速等参数的操作难度低很多，为风量监测提供了新的途径。
[0053]
如果风机处于一个相对稳定的环境中，那么监测过程中可以忽略由于环境因素对风机的影响。但是本发明的风机还可以应用于列车上，列车在穿行与不同地貌运行通常会带来周围环境的改变，而风机压力会随着环境变化而变化。由于本发明检测的准确性主要来自风机压力和风机风量的关系，因此，为了提高系统监测的准确性，在绘制风量-压力关系曲线以及监测风机运行是否异常过程的整个过程中，应该使风机处于一个稳定的环境。这里稳定的环境主要指的大气压力、环境的温度和湿度前后保持一致。
[0054]
为此，该系统还包括分别用于测量风机风道的最小截面处的大气压力和温度及湿度的大气压力传感器3和温湿度传感器4，所述大气压力传感器3和温湿度传感器4固定在风机上，可以固定于与压力传感器1同一位置处；作为一种优选方案，本发明压力传感器1检测的压力均为空气的标准工况下的压力值，其中，空气的标准工况具体是指：大气压力p2为1atm、温度t2为20℃、湿度ψ2为50％(即空气密度为1.2kg/m3)。
[0055]
当风机处于空气的标准工况时，所述压力传感器1测得的实际压力为空气的标准工况下的压力值；当风机处于空气的非标准工况时，需要将压力传感器1测得的实际压力转化为标准工况下的压力值，具体如下式：
[0056][0057][0058]
式中，p
c-为压力传感器测得的实际压力；
[0059]
ρ
c-为实际空气密度；
[0060]
p
b-为标准工况下的压力值；
[0061]
ρ
b-为标准工况下的空气密度。
[0062]
关于空气密度ρc和ρb，分别按照下式进行计算：
[0063]
[0064][0065]
式中，t
1-为温湿度传感器测得的实际温度；
[0066]
ψ
1-为温湿度传感器测得的实际湿度；
[0067]
p
1-为大气压力传感器测得的实际大气压力；
[0068]
p
1s-为实际的饱和水蒸气压力；
[0069]
t
2-为标准工况下的温度；
[0070]
ψ
2-为标准工况下的湿度；
[0071]
p
2-为标准工况下的大气压力；
[0072]
p
2s-为标准工况下的饱和水蒸气压力；
[0073]
需要说明的是，t1和t2均为环境绝对温度，即环境温度t+273；p
1s
和p
2s
可以根据环境温度查表得到。
[0074]
此外，该系统内还可以设置控制器，压力传感器1、大气压力传感器3和温湿度传感器4均与控制器相连接并向控制器内实时传输对应的检测数据，同时在控制器内预设上述计算程序，如果得到的标准工况下的压力值超出最大和最小压力阈值，则显示风机异常，从而实现风机风量的实时自动检测。
[0075]
实施例2
[0076]
使用实施例1中所述系统的风机风量在线测量方法，具体步骤如下：
[0077]
s1：在风机的风道的最小截面处安装用于检测实时风量的压力传感器1；
[0078]
s2：压力传感器1检测不同风量所对应的压力值；
[0079]
s3：根据风量与压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；
[0080]
s4：以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量；
[0081]
s5：以步骤s4中的最大风量和最小风量在步骤s3的曲线上获取最大和最小压力阈值；
[0082]
s6：风机运行过程中，压力传感器实时检测压力，根据压力传感器1实时检测的压力可以直接获得风机的实时风量；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当检测的实时压力在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常。
[0083]
如果实施例1中所述系统应用于一个不断变化的环境中，比如经过不同地貌的列车，可能会造成风机运行监测不准确。为了避免环境的变化会对风机压力产生的影响，提高风机监测的准确性，提出另一种使用实施例1中所述系统的风机风量在线测量方法，具体步骤如下：
[0084]
s1：在风机的风道的最小截面处安装用于检测实时风量的压力传感器1、大气压力传感器3和温湿度传感器4；
[0085]
s2：压力传感器1检测不同风量所对应的压力值；
[0086]
检测同一风量下的压力值的具体过程为：压力传感器1、大气压力传感器3和温湿度传感器4分别得到实时的实际压力、实际大气压力、实际温度和实际湿度，当处于空气的非标准工况时，将压力传感器1测得的实际压力转化为标准工况下的压力值；
[0087]
s3：根据风量与标准工况下的压力的关系值绘制风量-压力关系曲线；
[0088]
s4：以风机用电机在额定功率运行时的风量为最大风量，以风机运行环境所需的最低风量为最小风量；
[0089]
s5：以步骤s4中的最大风量和最小风量在步骤s3的曲线上获取最大和最小压力阈值；
[0090]
s6：风机运行过程中，压力传感器1、大气压力传感器3和温湿度传感器4实时检测实际压力、实际大气压力、实际温度和实际湿度，当实际大气压力、实际温度和实际湿度处于空气的标准工况时，压力传感器1实时测得的实际压力可以直接获得风机的实时风量；当实际大气压力、实际温度和实际湿度处于空气的非标准工况时，压力传感器1实时测得的实际压力转化为标准工况下的压力值，进而获得风机的实时风量；当压力传感器1处于标准工况下检测的压力值在最小压力阈值和最大压力阈值之间时，风机运行正常；当压力传感器1处于标准工况下检测的压力值在最小压力阈值和最大压力阈值之外时，风机运行异常。
[0091]
上述方法使影响风机压力的环境因素在绘制风量-压力关系曲线和监测风机压力的过程中保持一致，避免风机在环境变化过程中环境对风机压力的影响，从而提高监测的准确性。
[0092]
实施例3
[0093]
本实施例是以动车组用冷却风机为例，来进一步说明本发明实施例1中的系统和实施例2中的方法。
[0094]
在对风机风量进行监测时，需要在风机上找到一个压力比较稳定且随风量单调变化的位置作为压力检测点，通过对检测点的压力监测来实现风量的监测。
[0095]
为此，如图1-4所示，本实施例中选取了两个截面测量风机压力：风机进口最小截面和风机出口截面，其中，进口截面尺寸为φ210mm，出口截面尺寸为215mm*215mm。
[0096]
测量截面风机压力时在截面上设置检测点a，如图2所示，具体的设置过程及测试方法方式如下：在风机进风口最小截面处设置检测点，并通过连接管连接用于测量进风口最小截面处压力的压力传感器；以同样的方式在风机出口截面上设置检测点，并连接用于测量风机出口截面处压力的压力传感器。
[0097]
本实施例中用的风机的定额功率是6kw，定额风量是50m3/min，在空气的标准工况(空气密度为1.2kg/m3)下，选取20％的额定风量到150％的额定风量之间的7个不同的风量；分别测量7个工况下的风机风量和检测点的压力，风机进口最小截面和风机出口截面上的每个检测点均测量4次，得到结果如表1所示，然后以风机风量为横坐标，检测的压力值为纵坐标，建立二者之间的关系曲线，如图3和图4所示。
[0098]
表1不同风量条件下不同检测位置的压力值
[0099][0100]
*上表中的数据测量过程中仅风量不同，其他条件均相同。
[0101]
从上表中可以看出：在同一风量作用下，在风机进口最小截面处测得的压力值比较稳定，而风机出口截面处4次测得的压力值波动幅度比较大，且每次测得的压力值均不相同，如果用任何一次测得的压力直接代表风量都不具有代表性。
[0102]
除此之外，从图3和图4中可以看出，在20％的额定风量到150％的额定风量范围内，风机进口最小截面处的压力值随风机风量单调变化，也就是压力值与风机风量一一对应，而风机出口截面处的压力值随风机风量波动，不是单调变化，压力值和风机风量无法一一对应，比如压力值为4000pa时，就对应了两个风机风量。
[0103]
所以，在风机进口最小截面处压力多次测量的结果差异不大，该截面位置处的压力具有稳定性，并且在风机进口最小截面处测得的压力值能够与唯一确定的一个风机风量相对应，具有单一性和确定性，从而证明了本发明采用在风机进口最小截面处实时的压力值监测风机的实时风量的可行性。
[0104]
在获得图3的曲线后，通过在风机进口最小截面处设置的压力传感器监测风机的实时风量，具体过程为：
[0105]
首先确定风机的最大风量和最小风量：本实施例中的风机对动车组牵引电机进行通风冷却，风机正常运行时提供50m3/min的冷却风，其正常运行时电机输出功率为5.5kw；风机用电机的额定功率为6kw，能够提供55m3/min的冷却风；牵引电机在运行过程中最低所需风量为45m3/min。因此，以额定功率为6kw运行时的风量为最大风量，以牵引电机在运行过程中最低所需风量为最小风量，从而得到本风机的阈值范围是：45m3/min～55m3/min。
[0106]
然后根据图3中的曲线，将本风机的阈值范围是转化为压力的阈值范围：26～38pa。
[0107]
当压力传感器1测得的压力值处于上述压力的阈值范围内，则风机正常运行；当压力传感器1测得的压力值超出上述压力的阈值范围，则风机运行异常。
[0108]
此外，压力传感器1测得的压力值还可以通过图3中的曲线直接获得风机的实时风量，便于随时监测风机风量的情况。
[0109]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施
例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。