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1、1矿用通风机性能测试分析虚拟仪器的研发 *摘要：根据通风机安全性能检测和煤矿生产的实际要求，开发了基于 USB总线结构的便携式通风机性能测试分析虚拟仪器。文中研究了通风机主要性能参数的测试方法，介绍了仪器硬件平台的组成和软件设计思想。通过实验和现场应用，表明该仪器能够对通风机的安全性能进行较为准确的分析和评价。关键词：通风机；性能测试；串行总线；虚拟仪器Research on the Virtual Instrument Used to Measure and Analyze the Performance of Coal Fan Abstract: According to the safe
2、ty performance inspection for fan and the actual requirements in production, the portable virtual instrument used to measure and analyze the fan performance is developed based on USB bus structure. In this paper, the measurement method for main performance parameters is investigated and the constitu
3、tion of hardware platform and the design thought of software are also introduced. The test and application on site indicates that this instrument can accurately evaluate and analyze the safety performance of fan. Key words: fan; performance measurement; series bus; virtual instrument 0 引言通风机是煤矿安全生产中
4、的重要设备，其性能关系到工作人员的人身安全和运行的经济性。在煤矿生产中，通风机被人们称为“矿井肺脏”。它的作用是向井下输送足够数量的新鲜空气，供工作人员呼吸，同时降低有害气体的浓度，使之对人体无害 1；另外，用于调节温度和湿度，改善井下工作环境，保证煤矿安全生产。目前，我国许多煤矿矿井通风形势不容乐观，很多矿井通风设备落后，带病运转、报废再用现象普遍存在。对通风机进行有效的性能检测，保证通风设备的安全运行和煤矿安全生产十分必要。长期以来，我国的通风机安全性能测试评价手段比较落后，以分散型仪表和装置，人工手动操作为主。这种方法和手段效率低、精度差，数据处理技术落后，很难提供客观公正的技术数据。笔
5、者利用先进的虚拟仪器新技术，依据通风机性能测试要求，设计了基于虚拟仪器技术的通风机性能测试分析仪，并将仪器用于煤矿主通风系统的性能测试中，收到了良好的效果。1 通风机主要参数测量原理和方法根据 AQ 1011-20052要求，对 通 风 系 统 需 检 验 的 基 本 性 能 参 数 有 ： 空 气 密度 、风 量 、 全 压vq、 静 压 、 轴 功 率 、 全 压 效 率 、 静 压 效 率 、 转 速 等 。 这 些 参 数 从 不 同 的 角 度 反 映 了pstshPstn风 机 的 工 作 性 能 。1.1 空气密度的测定在风机进口巷道中，布置压力和温、湿度传感器，测量绝对静压、温
6、度和湿度，并按式（1）计算空气密度： (1)30.79.4812satp式中 空气密度，kg/m 3p0大气压力，Pa空气相对湿度，psat温度 t时饱和水蒸气压力，Pat空气的温度，1.2 风量的测定风机的流量不能直接测出，可采用测量风速或测量风压两种方法计算获取风量。(1) 测风速求风量2根据现场实际情况选择正确的测风断面,根据断面形状合理布置风速传感器，测量各点的风速,并由式（2）计算风量（ ）：3m/s（2nivFQ1）式中 F 测 量 处 断 面 的 断 面 积 ,iv/si第 个 小 断 面 风 速(2) 测动压求风量在 流 速 均 匀 的 测 压 断 面 固 定 支 架 和 皮
7、托 管 ， 根 据 测 压 断 面 大 小 确 定 皮 托 管 的 数 目 ， 采 用 多 点 分联 测 法 ， 现 场 通 常 用 9 16支 。 全 压 孔 迎 风 正 对 气 流 ， 将 皮 托 管 的 “+”、 “-”接 头 用 软 管 与 压 差式 压 力 传 感 器 两 端 相 连 ， 获 取 全 压 与 静 压 之 差 ， 即 可 测 出 动 压 。 并 由 式（3）计算风速，式（2）计算风量。（3）diipv式中 ivm/si测 风 断 面 第 点 风 速 ,dpPai第 点 测 得 的 动 压3kg/空 气 密 度 ,1.3 静压测定根据风机的类型、风机工作方式和煤矿生产实际
8、情况，正确选择测定断面和布置测压点。在静压测量中可采用附壁静压片或静压管和皮托管两种方法 3。(1) 附壁静压片或静压管测定法在选定的测压断面上布置静压测点。圆形断面，测点布置在水平、垂直的两条直径与硐壁的交点处；矩形断面，测点布置在高、宽中线与硐壁的交点处。在各测点紧贴壁面安设附壁静压片或静压管。用软管将其与压力传感器相连，以获取 静 压 。(2) 皮托管测定法在一些情况下，如果在风硐壁面上无法设置静压测孔，则可在测量截面内设置测试点。布置方式依截面的形状而定，矩形截面，皮托管分区布置；圆形截面，皮托管按等面积环布置。在选定的测压断面固定支架，全压孔迎风正对气流，将皮托管的静压端用软管与压力
9、传感器相连，以获取 静压 。1.4 功率测定采用二瓦特法，通过测量电动机的输入功率实现轴功率的测量。由两个电压传感器和两个电流传感器测得两路电流和两路电压，并由式（4）计算出功率,由式（5）计算功率因数。（4）12cos(30)cos(30)ABCBPIUI输 入式中 A相 的 相 电 流 ， V端 相 电 压 ，CI相 的 相 电 流 ，B端 相 电 压 ，1ABIU与 的 相 位 差2C与 的 相 位 差3（5）)0(cosyxR式中 、 0:)0( :值 流 xyxR2 通风机性能测试虚拟仪器的研究与实现2.1 USB 总线结构虚拟仪器硬件平台根据通风机工作环境和检测的实际需要，通风机安
10、全性能测试仪器应便于携带、使用灵活。USB（ Universal Serial Bus） 通 用 串 行 总 线 是 一 种 新 的 PC 机 互 连 协 议 ， 具 有 总 线 供 电 、 低 成 本 、 即 插即 用 、 热 插 拔 、 方 便 快 捷 等 特 点 。 目 前 在 通 用 计 算 机 上 普 遍 配 置 了 USB 接 口 ， 基 于 USB 总 线 技 术 构建 虚 拟 仪 器 是 一 种 非 常 理 想 的 方 案 。 本虚拟仪器硬件平台采用 USB 总线结构，仪器硬件主要有传感器、信号调理电路、采集卡、计算机 4 部分。传感器将待测量转化为电信号，经调理模块进行信号调
11、理，然后由 NI USB-6221 采集卡采集转换输入计算机。本仪器中所选用的采集卡 NI 公司基于USB 总线的 NI USB-6221 采集卡。该采集卡包括 16 路模拟输入通道；2 路模拟输出、24 路数字I/O 端口； 2 个定时/计数器，采样速度 250k/s。仪器中温湿度传感器采用 JWSK-6ACWB 型；负压传感器采用 CYG1222 型；大气压力传感器采用 CYB201F，电流/ 电压传感器采用 WBVI411S47 组合型。仪器硬件结构如图 1 所示。温湿度传感器电流传感器 （ 2 ）电压传感器 （ 2 ）风速传感器 （ 8 ）大气压力传感器负压传感器 （ 2 ）信号调理电
12、路N I U S B - 6 2 2 1数据采集卡U S B 总线P C 机打印机图 1 仪器硬件结构图2.2 虚拟仪器软件设计通 风 机 虚 拟 仪 器 软 件 部 分 以 LabVIEW 8.0 为 开 发 平 台 ， 采 用 LabVIEW 面 向 组 件 的 设 计 方 法（ LabVIEW Component Oriented Design， LCOD） ， 该 方 法 的 最 大 好 处 是 在 确 定 组 件 之 后 ， 将 来 的 修 改（ 项 目 的 进 展 会 有 大 量 的 修 改 ） 都 会 限 制 在 组 件 本 身 ， 而 组 件 所 提 供 的 服 务 则 保 持
13、 相 对 不 变 。本 仪 器程 序 的 框 架 为 程 序 开 始 运 行 之 后 ， 在 主 程 序 中 完 成 程 序 的 初 始 化 、 驱 动 加 载 等 功 能 ； 之 后 根 据 需 求 选择 相 应 的 功 能 ， 并 调 用 相 应 的 程 序 模 块 ； 在 完 成 相 应 功 能 或 用 户 执 行 退 出 功 能 模 块 之 后 ， 可 选 择 程 序的 其 它 功 能 模 块 或 退 出 测 试 程 序 。 仪 器 软 件 结 构 示 意 图 如 图 2 所 示 。仪器软件采用菜单和对话框方式将各个具有独立功能的子 VI 集成为一个主 VI。主 VI 向用户提供通风机
14、性能试验的相关信息，为测试程序的其它模块提供支持，并完成相关参数的初始化、驱动加载等相关操作。设置模块完成通风机性能试验的参4通风机性能测试系统设置 测试项目 性能测试 振动 数据管理 控制 帮助基本信息设置性能测试参数压力功率温湿度风速振动采集回放振动信号分析查询删除数据回放开始测试停止测试退出程序帮助关于大气压力静压动压进口风速出口风速综合参数图 2 仪器软件结构框图数设置。基本信息用于输入检验报告内容所需的各种文本信息，为报表的生成提供信息。性能测试参数模块供用户输入风机、电机等待检设备的基本信息，如风机型号、电机额定功率、测量截面面积等参数。这些参数是计算和查询的基础，程序中采用 Gl
15、obal Variable 和 Local Variable 实现参数传递；测试项目模块提供各参数的单独测试。不同的测试项目各为单独模块，可独立完成项目的测试、数据记录、报表生成等功能；性能测试模块用于进行通风机的性能测试，并绘制通风机的性能曲线、生成检验报告。该模块程序包含有通道设置、数据采集、数据处理、风机性能参数换算、性能曲线绘制、报表生成以及数据存储等功能模块和子程序。测试中数据采集卡 NI USB-6221 的驱动采用 DAQmx - Data Acquisition VIs and Functions 模块中的相关子 VI 完成；数据管理模块采用LabVIEW 数据库访问工具包 L
16、abSQL 实现数据库的访问，包括数据查询、数据删除以及数据回放等功能。本程序数据库采用 Microsoft Access 数据库；控制模块用以控制测试的开始和结束，以及退出测试主程序；帮助模块向用户提供该测试系统软件的使用说明。另外，帮助文件提供通风机性能试验的原理。3 通风机性能测试与分析实例利用本仪器对某离心式通风机进行性能测试。通风机配套电机型号：J02-21-2；额定功率：1.5kW；额定电压：380V ；额定电流：3.22A ；额定转速： 2860r/min。在测试中测风断面选择在风机入风口附近。通过调节风门挡板的开启度来调节风阻大小，以获得风机不同工况点。在每个工况下，虚拟仪器通过布置在相应位置上的传感器（传感器布置如图 3 所示）实时采集静压、全压、温、湿度、大气压力、电机的电流和电压等参数，并对所测信号进行分析处理，得到动压、风量、大气密度等主要性能指标，同
