基于LabVIEW的貫流泵壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋振華 夏悅玥 湯方平 周濟(jì)人

摘 要：貫流泵是一種被廣泛應(yīng)用于低揚(yáng)程、大流量場合的泵型，但是在貫流泵運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)嚴(yán)重影響了它的性能并危及運(yùn)行安全。本文應(yīng)用LabVIEW開發(fā)了基于DAQpad-6020E數(shù)據(jù)采集軟件并結(jié)合水泵試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建了一套水泵的壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)，為壓力脈動(dòng)的測試和研究提供了可靠的試驗(yàn)手段。

關(guān)鍵詞：貫流泵；壓力脈動(dòng)；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW

1.引言

貫流泵是適用于大流量、低揚(yáng)程的一種泵型，具有裝置效率高，水力損失小，過流能力大，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，水工布置簡單，土建和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。南水北調(diào)東線工程以及蘇州市在建的外圍十大樞紐中多座泵站采用的就是貫流泵裝置。對(duì)貫流泵裝置的水壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析，將有助于水泵性能的提高和機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)工程實(shí)際有著比較重要的指導(dǎo)價(jià)值。

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的一種基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，因其具有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)VI庫，以及其特有的靈活和強(qiáng)大的功能，越來越廣泛的應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究和工業(yè)控制中的測試及測量領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)壓力脈動(dòng)信號(hào)的采集和處理，本文以LabVIEW 7.1為編程環(huán)境開發(fā)了集成化的信號(hào)采集軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)和分析[1]。本文以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)結(jié)合水泵試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)建了一套壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)，為壓力脈動(dòng)的深入研究提供了可靠的試驗(yàn)手段。為測試系統(tǒng)性能，以南水北調(diào)工程金湖泵站貫流泵模型為研究對(duì)象進(jìn)行了試測，結(jié)果表明本套系統(tǒng)具有測量精度高、穩(wěn)定性好及便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析等優(yōu)點(diǎn)。

2.壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)

2.1測試試驗(yàn)臺(tái)

測試用試驗(yàn)臺(tái)為揚(yáng)州大學(xué)江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)為一立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)主管道直徑為500mm，總長度51m，系統(tǒng)水體總?cè)萘考s60m3。試驗(yàn)臺(tái)主要由汽蝕筒、壓力水箱、汽水分離筒、電磁流量計(jì)、輔助泵、調(diào)節(jié)閘閥、管路等組成，試驗(yàn)臺(tái)效率測試的總誤差為±0.39%。

測試裝置如圖1所示，進(jìn)口測壓斷面設(shè)置在進(jìn)水箱A-A位置，出口測壓斷面設(shè)在壓力水箱B-B位置，裝置揚(yáng)程H等于A-A和B-B兩斷面的總能頭差。

1.測壓斷面A-A 2.進(jìn)水箱 3.進(jìn)水流道 4.葉輪 5.導(dǎo)葉

6.泵筒 7.燈泡體（電機(jī)）8.出水流道 9.出水箱 10.測壓斷面B-B

圖1 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)

2.2測試信號(hào)采集系統(tǒng)

壓力脈動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，分別為：

（1）軟件部分：即為基于LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（2）硬件部分：主要包括壓力變送器、SCC-CI20模塊、調(diào)理板、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)。

其中數(shù)據(jù)采集卡是信號(hào)采集的核心，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。在本系統(tǒng)中采用了NI公司的DAQpad-6020E[2]配套SC-2345[3]進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其主要性能指標(biāo)為：量程為±10V，A/D轉(zhuǎn)換精度為12位，通道數(shù)為16路并行，最高采樣率為100KS/s。試驗(yàn)時(shí)由變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)過SCC-CI20模塊轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)后送入信號(hào)調(diào)理板，由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，再通過USB接口與計(jì)算機(jī)通信。

為精確測量水泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)，建議試驗(yàn)用壓力變送器應(yīng)選用性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。本文選用的是濺射薄膜壓力變送器，它的特點(diǎn)是響應(yīng)頻帶寬，可以覆蓋10KHz以內(nèi)的寬帶范圍，測量范圍為0～0.7MPa，輸出4～20mA。結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)中使用的轉(zhuǎn)速、流量及揚(yáng)程等傳感器共同工作以配合壓力脈動(dòng)的測量。本套系統(tǒng)中所使用的全部儀器設(shè)備清單見表1。

表1 壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)儀器設(shè)備清單

2.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集是LabVIEW 的核心技術(shù)之一。LabVIEW提供了與NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件相配合的豐富的軟件資源，通過軟件控制數(shù)據(jù)采集卡完成模擬信號(hào)的采集，并可根據(jù)需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，并將結(jié)果送往屏幕輸出顯示。采用LabVIEW開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)的基于DAQpad-6020E的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于DAQpad-6020E的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件主要包括前面板程序（Front Panel）和框圖應(yīng)用程序（Block Diagram）以及圖標(biāo)和連結(jié)器窗格（Icon and connector pane）三部分。軟件系統(tǒng)中各功能模塊的具體說明如下：

（1）主界面：主要提供進(jìn)入各功能模塊的入口和主要的人機(jī)交互界面，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

（2）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和采集模塊：將變送器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不失真的進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)按照二進(jìn)制數(shù)字的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；

其中值得注意的是在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)可能需要連續(xù)采集幾組數(shù)據(jù)，中間時(shí)間間隔很小，此時(shí)可能會(huì)遇到數(shù)據(jù)文件保存重名導(dǎo)致覆蓋原數(shù)據(jù)的問題，所以應(yīng)注意對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分進(jìn)行數(shù)據(jù)文件自動(dòng)命名的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)采用PC機(jī)的時(shí)間和數(shù)據(jù)文件長度來進(jìn)行自動(dòng)命名，同時(shí)也可自行輸入測試相關(guān)的特征字符以免在數(shù)據(jù)文件較多時(shí)混淆，時(shí)間精確到秒。

（3）時(shí)頻處理模塊：通過數(shù)據(jù)采集卡采到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后顯示幅頻圖和相頻圖。只在數(shù)據(jù)采集時(shí)可用。

時(shí)域處理：點(diǎn)擊則自動(dòng)彈出時(shí)域?qū)崟r(shí)處理窗口，其中包括自相關(guān)處理和功率譜顯示。

頻域處理：點(diǎn)擊則自動(dòng)彈出頻域?qū)崟r(shí)處理窗口，其中可以進(jìn)行包括頻譜和相頻的顯示及加窗處理等操作。

（4）數(shù)據(jù)回放模塊：讀取已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)以波形形式配合數(shù)組形式顯示給用戶查看，進(jìn)行后期的觀察和分析。

圖4 數(shù)據(jù)回放界面

數(shù)據(jù)回放程序頁面見圖4所示。在數(shù)據(jù)進(jìn)行回放的同時(shí)程序?qū)⒆詣?dòng)把二進(jìn)制文件另存為十進(jìn)制的TXT文件，以便于后期利用第三方工具如Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

在進(jìn)行測試時(shí)，需先將硬件全部打開，然后才能啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件，在測試過程中可自由的對(duì)任一通道進(jìn)行采集，并決定是否對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻處理、保存、回放等，在操作過程中會(huì)對(duì)一些危險(xiǎn)動(dòng)作自動(dòng)彈出警告信息，提示用戶注意。

3.使用測試系統(tǒng)時(shí)的注意事項(xiàng)

為保證本套系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確性和精確度，在進(jìn)行測試時(shí)必須注意以下相關(guān)事項(xiàng)。

3.1測點(diǎn)的選取

應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17189-1997《水力機(jī)械振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場測試規(guī)程》中對(duì)脈動(dòng)壓力的測量和處理方法的規(guī)定，試驗(yàn)中對(duì)水泵的壓力脈動(dòng)測點(diǎn)位置主要選在葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)，建議取如下10個(gè)測點(diǎn)位置，具體布置如下所述：

（1）在葉輪室內(nèi)葉片扭轉(zhuǎn)方向均勻安裝5個(gè)壓力變送器測量整個(gè)葉片的壓力變化[4]，其中1號(hào)變送器處于葉輪進(jìn)口，測量葉輪進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)；5號(hào)變送器處于葉輪和導(dǎo)葉間隙中，以便于測量葉輪和導(dǎo)葉之間動(dòng)靜干擾引發(fā)的壓力脈動(dòng)。2、3、4號(hào)則沿葉片扭曲方向均勻分布于1號(hào)和5號(hào)之間。

（2）在導(dǎo)葉的任一個(gè)葉道內(nèi)近導(dǎo)葉進(jìn)口處均勻布置4個(gè)壓力變送器，以測量導(dǎo)葉內(nèi)的壓力脈動(dòng)。

（3）在導(dǎo)葉出口處布置一個(gè)壓力變送器，以測量導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)。

安裝時(shí)要求變送器與管壁齊平，如不齊平則會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中包含連接管的壓力特性。各測點(diǎn)布置具體位置如圖5所示。

葉輪測點(diǎn)

導(dǎo)葉測點(diǎn)

圖5 葉輪及導(dǎo)葉測點(diǎn)布置圖

3.2試驗(yàn)誤差的減小

為了測量貫流泵葉輪的壓力脈動(dòng)特性需沿葉片扭轉(zhuǎn)方向在壁面處開若干個(gè)孔，利用壓力傳感器同時(shí)測量這些位置處的壓力脈動(dòng)。試驗(yàn)裝置中所涉及的變送器測頭雖小但仍需擰在M20大小的孔內(nèi)，而試驗(yàn)用葉輪直徑和長度均較小，在相對(duì)較小的空間內(nèi)開設(shè)5個(gè)M20的測孔會(huì)影響正常的流動(dòng)狀態(tài)。而理想的測試條件要求壁面必須光滑。為了克服壁面測孔對(duì)葉輪內(nèi)流動(dòng)的影響，試驗(yàn)時(shí)建議采取兩種辦法處理：1）盡量減小測孔直徑。測孔直徑越小，對(duì)流動(dòng)的影響也越小，但這對(duì)傳感器的選型要求較高。選擇測頭面積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，且能承受一定高壓的壓力傳感器的確是影響試驗(yàn)精度的首要問題。本套試驗(yàn)裝置選擇了測頭直徑約2mm，響應(yīng)頻率達(dá)到10kHz，承載力達(dá)到 07MPa 的壓力傳感器，但由于外螺紋為M20×15，所以采用了以下折中方法：考慮到葉輪室壁厚，采用了內(nèi)壁面用M3的小孔然后在外壁面用M20的孔連接，盡量保證測頭與內(nèi)壁面齊平，又不影響流態(tài)。2）10個(gè)測孔不能布置在同一子午面上，以避免測孔集中布置產(chǎn)生對(duì)流動(dòng)影響的放大效應(yīng)。另外需要特別注意的是，在進(jìn)行正式測試前必須對(duì)每個(gè)變送器進(jìn)行逐一率定，并在后繼的數(shù)據(jù)處理時(shí)將率定系數(shù)考慮進(jìn)去以減小誤差。

4.測試系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

為測試本套壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及精度，本文以南水北調(diào)工程金湖泵站貫流泵模型為研究對(duì)象進(jìn)行了試測。試驗(yàn)采用了ZM25葉輪（3葉片）配套Dy88導(dǎo)葉（5葉片）。

測試用貫流泵的額定轉(zhuǎn)速為1375r/min，額定流量 307.6 l/s，葉片角度為0o。為了測試運(yùn)行轉(zhuǎn)速對(duì)軸流泵內(nèi)壓力脈動(dòng)特性的影響，特選擇表2所示的工況進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 模型試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)時(shí)首先根據(jù)試驗(yàn)工況安排表逐一調(diào)節(jié)軸流泵轉(zhuǎn)速，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后運(yùn)行 2～3 分鐘，當(dāng)流量表顯示流量波動(dòng)在一定范圍內(nèi)，立即對(duì)各路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采集，每通道采樣頻率為10000Hz，采樣持續(xù)時(shí)間為30s。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理用獨(dú)立的計(jì)算機(jī)完成，采用傅立葉變換（FFT）和小波變換法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

試測結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，表明本套系統(tǒng)具有測量精度高、穩(wěn)定性好及便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析等優(yōu)點(diǎn)。

5.結(jié)語

使用基于LabVIEW的貫流泵壓力脈動(dòng)測試系統(tǒng)進(jìn)行壓力脈動(dòng)測試，其突出的優(yōu)勢不僅在于其在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理操作，對(duì)測試對(duì)象的適應(yīng)性大為增強(qiáng)，具有很好的開放性和移植性，同時(shí)它的高精度、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，為貫流泵壓力脈動(dòng)的研究提供了很好的實(shí)驗(yàn)支撐。（作者單位：1.蘇州市河道管理處；2.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院）

參考文獻(xiàn)：

[1] LabVIEW 7.1 user manual. National Instruments Corp.2004

[2] DAQpad-6020E user manual. National Instruments Corp.2004

[3] SCC-2345 user manual. National Instruments Corp.2004

[4] 韓丹.雙向貫流泵站進(jìn)出水流道流場數(shù)值模擬.河海大學(xué).2005：33-40