1、概述
化工過程流體機(jī)械是過程裝備與控制工程專業(yè)的主干核心課程，風(fēng)機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)是該門專業(yè)課程中zui基本的試驗(yàn)。學(xué)生們通過試驗(yàn)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，獲取風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，繪制風(fēng)機(jī)性能曲線，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，風(fēng)機(jī)性能測(cè)試是成品風(fēng)機(jī)的檢驗(yàn)、選型、改制，新產(chǎn)品的開發(fā)、研制的基礎(chǔ)，也是科學(xué)、合理、客觀地評(píng)價(jià)其產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提和基礎(chǔ)。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，化工過程流體機(jī)械理論性強(qiáng)、課程抽象難懂和分析計(jì)算難度大，該試驗(yàn)的開設(shè)對(duì)于學(xué)生理解和掌握課程中眾多理論和原理內(nèi)容有不可替代的作用，應(yīng)保證理論教學(xué)與配套試驗(yàn)教學(xué)同步開展。
在借鑒國內(nèi)企業(yè)及高校的相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，執(zhí)行《GB /T 1236—2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)》，結(jié)合理論和試驗(yàn)教學(xué)的要求，本文介紹一種可移動(dòng)式風(fēng)機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)裝置( 以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)裝置) ，該裝置能自動(dòng)采集風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)、PID調(diào)整運(yùn)行工況、處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能自動(dòng)繪制風(fēng)機(jī)性能曲線;試驗(yàn)裝置可進(jìn)行風(fēng)機(jī)出口性能測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，振動(dòng)和噪聲較小，未出現(xiàn)喘振和失速現(xiàn)象，可利用該裝置開展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)及研究。
2 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2． 1 總體設(shè)計(jì)
試驗(yàn)裝置既可以用于本專業(yè)課程的教學(xué)試驗(yàn)，又可以為本專業(yè)課的教師提供科研平臺(tái)，所以考慮投資少、占用面積少、操作方便、維護(hù)方便、性能可靠等要求，總體構(gòu)思如下:
(1) 考慮試驗(yàn)設(shè)備的小型化和學(xué)生操作的安全性，被測(cè)風(fēng)機(jī)選用為流量和功率較小的直流風(fēng)機(jī)。
(2) 為獲取被測(cè)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的完整性能，采用風(fēng)室試驗(yàn)裝置，在風(fēng)室內(nèi)安裝多噴嘴流量計(jì)，通過調(diào)整使用的噴嘴數(shù)，來滿足不同流量范圍的風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)需要。
(3) 試驗(yàn)過程中需調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況，獲取多個(gè)工作狀態(tài)的性能參數(shù)，因而，應(yīng)設(shè)計(jì)可變排氣系統(tǒng)，并提出改變工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)方案。
(4)風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行特性并不相同，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)計(jì)為可調(diào)，并在同一測(cè)試中保持恒定，因而，需配備電壓可調(diào)穩(wěn)壓直流電源，并設(shè)計(jì)被測(cè)風(fēng)機(jī)兩端電壓調(diào)解方案。
(5)為了后續(xù)的風(fēng)機(jī)性能研究，風(fēng)機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)對(duì)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄:噴嘴前后的差壓、噴嘴上游空氣溫度、噴嘴上游空氣濕度、大氣壓力、風(fēng)室靜壓、被測(cè)風(fēng)機(jī)兩端電壓和電流。
試驗(yàn)臺(tái)總體由機(jī)械部分、電氣和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分主要包括測(cè)試風(fēng)機(jī)、風(fēng)室本體、輔助風(fēng)機(jī)、噴嘴、穩(wěn)流網(wǎng)、風(fēng)機(jī)測(cè)試接口等，如圖1 所示。所測(cè)直流風(fēng)機(jī)由穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供的直流電壓驅(qū)動(dòng)，其進(jìn)口為自由進(jìn)風(fēng)的大氣，出口使用喉箍連接在測(cè)試接口管道，通過測(cè)試接口引風(fēng)至風(fēng)室，在風(fēng)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)測(cè)量和工作點(diǎn)調(diào)節(jié)，被測(cè)風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)方便拆卸、安裝;試驗(yàn)置使用輔助風(fēng)機(jī)克服通過試驗(yàn)裝置時(shí)壓力的損失，通過變頻器控制輔助風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成可變排氣系統(tǒng)。

圖1試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分示意
2．2風(fēng)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
風(fēng)室由有機(jī)玻璃搭建，內(nèi)部尺寸為530mm×530mm×1400mm。為擴(kuò)展流量測(cè)定范圍，采用在風(fēng)室中布置多噴嘴的流量測(cè)定辦法，選用喉徑比為0．6的橢圓母線噴嘴，共布置5個(gè)噴嘴，出口喉部直徑分別為15，25，30，40和70mm，可滿足測(cè)試風(fēng)量范圍10～816m³/h。設(shè)計(jì)檢查門，以方便操作人員在風(fēng)機(jī)改變流量時(shí)對(duì)噴嘴開啟情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在測(cè)量噴嘴前后各布置3層整流網(wǎng)，上游整流網(wǎng)是確保進(jìn)入測(cè)量平面前氣流的均勻性，下游整流網(wǎng)為了吸收噴嘴射流的動(dòng)能，并讓射流在近似不受限制的空間內(nèi)正常膨脹?？紤]到出口系統(tǒng)效應(yīng)的影響，被測(cè)風(fēng)機(jī)出口的接口管道至少應(yīng)保證3倍管徑的直管段，以消除不穩(wěn)定氣流和湍流。
2．3工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)工作工況的調(diào)節(jié)和測(cè)量，試驗(yàn)裝置針對(duì)風(fēng)室靜壓和被測(cè)風(fēng)機(jī)電源電壓，采用PID調(diào)節(jié)技術(shù)，設(shè)計(jì)了工況自動(dòng)化調(diào)解方案。試驗(yàn)裝置的自動(dòng)控制通過指示調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，每次調(diào)節(jié)輔助風(fēng)機(jī)頻率改變工況后，修正風(fēng)機(jī)端電壓，端電壓修正后輔助風(fēng)機(jī)頻率又需再次調(diào)整，如此反復(fù)，直至工況趨于穩(wěn)定，測(cè)試風(fēng)機(jī)端電壓恒定，風(fēng)室靜壓為設(shè)定值。這樣既可以模擬風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口靜差壓近似為零的zui大流量工況，也可以設(shè)定相應(yīng)的空氣阻力進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2．3．1風(fēng)室靜壓控制
風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的升壓的一部分即靜壓用于克服管路中的阻力，風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，靜壓力與阻力相等，也就是位于工作點(diǎn)位置，使被測(cè)風(fēng)機(jī)在“定靜壓”下達(dá)到一定的流量，以控制被測(cè)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)，從而得到風(fēng)機(jī)性能曲線。
風(fēng)室靜壓控制系統(tǒng)屬于典型的閉環(huán)控制，是實(shí)時(shí)的靜壓變送器、計(jì)算機(jī)和變頻器三者之間閉合的三角關(guān)系。當(dāng)被測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由傳感器讀取的當(dāng)前靜壓值，與計(jì)算機(jī)設(shè)定靜壓值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前靜壓值高于設(shè)定靜壓值，則需加大輔助風(fēng)機(jī)的抽氣量、提高變頻器頻率，使排出管路阻力損失減小，調(diào)節(jié)器放大系數(shù)為負(fù)，該調(diào)節(jié)器設(shè)置為正作用，如圖2 所示。

圖2風(fēng)室靜壓控制回路
2．3．2風(fēng)機(jī)電源電壓控制
所測(cè)直流風(fēng)機(jī)由穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供的可調(diào)直流電壓驅(qū)動(dòng)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比，通過改變直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行工況，實(shí)際運(yùn)行時(shí)由于電機(jī)繞組絕緣耐壓的限制，電機(jī)的電壓不可能大于額定電壓，否則擊穿電機(jī)，通常采用降壓調(diào)速方式。風(fēng)機(jī)電源電壓控制如圖3所示，調(diào)節(jié)器選擇反作用調(diào)節(jié)方式。

圖3被測(cè)風(fēng)機(jī)電源電壓控制回路
實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵為指示調(diào)節(jié)器，本裝置采用UT3通用型數(shù)字指示調(diào)節(jié)器，接受變送器送來的信號(hào)，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，對(duì)其差值進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，即PID調(diào)節(jié)，以電流輸出或電壓脈沖輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該指示調(diào)節(jié)器的特點(diǎn):性能，配備有調(diào)節(jié)器的性能，包括基于梯形圖語言的順控功能，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS－DP以及RS－485*1通信協(xié)議，14段大屏彩色液晶顯示器，以及導(dǎo)航鍵等操作向?qū)Чδ?結(jié)構(gòu)緊湊，進(jìn)深65m;控制周期200s，工步數(shù)300步，專門用于制造裝置的單回路控制。
2．4電氣和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所有電氣和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均安裝在控制柜內(nèi)，方便裝置的操作，又能防止學(xué)生人為誤動(dòng)，引發(fā)裝置損壞或人員觸電等安全事故。試驗(yàn)裝置的供電需求有:變頻器、輔助風(fēng)機(jī)的380V交流供
電，計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備的220V交流供電，被測(cè)風(fēng)機(jī)0－30V的可調(diào)節(jié)直流供電，及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的24V恒定直流供電。220V電源上加裝了canny well單級(jí)電源濾波器，以過濾交流電傳輸過程中的高次、低次電源雜音，改善電源質(zhì)量;負(fù)載上游安裝ABS54B－40A微型斷路器，實(shí)現(xiàn)短路和過載電流保護(hù)、隔離，可保護(hù)負(fù)載，防止人員間接接觸;設(shè)置GMC型交流電磁接觸器，根據(jù)控制柜上的按鈕開關(guān)發(fā)出的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)裝置的停車、啟動(dòng)功能。
各傳感器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，如圖4所示，通過接口端子將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊選用研華ADAM4117模塊，采集傳感器電壓、電流信號(hào)，用RS485接口傳輸至計(jì)算機(jī)。

圖4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意
采用Visual C++編制風(fēng)機(jī)性能測(cè)試程序，主要實(shí)現(xiàn)以下功能:完成風(fēng)機(jī)性能曲線的測(cè)定，可實(shí)現(xiàn)調(diào)零、輸入風(fēng)機(jī)型號(hào)及操作者信息、噴嘴選擇、所有參數(shù)信息采集、數(shù)據(jù)處理、對(duì)各輸入狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)字顯示和波形顯示、生成實(shí)驗(yàn)報(bào)表及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的打印、歷史查詢和幫助;設(shè)定風(fēng)室靜壓和測(cè)試風(fēng)機(jī)電壓值，設(shè)置實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn);具有手動(dòng)、人工自動(dòng)、全自動(dòng)3種測(cè)試模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)風(fēng)機(jī)電壓、變頻器等自動(dòng)控制;能自動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)性能做出判別，可對(duì)判穩(wěn)條件，即平均值和均方差的偏差值進(jìn)行設(shè)定;具有狀態(tài)指示、報(bào)警和保護(hù)功能。
3、參數(shù)計(jì)算方法
風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)主要有風(fēng)量Q、升壓ΔP、功率和效率，當(dāng)風(fēng)機(jī)壓比大于1．02和基準(zhǔn)馬赫數(shù)大于0．15時(shí)，應(yīng)采用如下可壓縮流體的一般計(jì)算方法。
3．1風(fēng)量的計(jì)算
使用多噴嘴流量計(jì)來測(cè)試風(fēng)量，依據(jù)流體力學(xué)的節(jié)流原理，通過測(cè)量噴嘴前后的差壓來測(cè)量流體流量的大小。按可壓縮氣體流動(dòng)方法對(duì)氣體壓縮性進(jìn)行修正，考慮氣流雷諾數(shù)的影響，對(duì)多噴嘴的流量計(jì)算采用迭代法。

式中ρu———噴嘴上游空氣密度，kg/m³，可按照濕空氣氣體常數(shù)法，根據(jù)溫濕度和壓力進(jìn)行計(jì)算
di———噴嘴直徑，m
αi———噴嘴流量系數(shù)
測(cè)試系統(tǒng)采用長(zhǎng)頸比為L(zhǎng)/d = 0．6的流量噴嘴，流量系數(shù)為:

3．2升壓ΔP計(jì)算
風(fēng)機(jī)升壓是指風(fēng)機(jī)進(jìn)口截面(1截面) 與出口截面(2截面) 氣體的全壓之差，即單位體積的氣體流過風(fēng)機(jī)后所獲取的總能量。通過伯努利方程分析可知:

式中Psc———靜風(fēng)壓，即風(fēng)機(jī)有效利用的能量，由風(fēng)室上游的靜壓變送器獲取，Psc=P2－P1
Pd———動(dòng)風(fēng)壓，即風(fēng)機(jī)中未被利用的能量，
因?yàn)轱L(fēng)機(jī)出口處氣體流速u2比較大，因此動(dòng)風(fēng)壓不能忽略，風(fēng)機(jī)的升壓為靜風(fēng)壓和動(dòng)風(fēng)壓之和。
3．3功率的計(jì)算
風(fēng)機(jī)所輸送的氣體在單位時(shí)間內(nèi)從風(fēng)機(jī)中獲取的能量稱為全壓有效功率，對(duì)于風(fēng)機(jī)，忽略其壓縮性，視為不可壓縮流體:Pe = ΔPQ   (4)
風(fēng)機(jī)的靜壓有效功率為Pest:Pest = ΔPstQ   (5)
被測(cè)風(fēng)機(jī)為直流電源驅(qū)動(dòng)，其軸功率P 為電
壓U和電流I之積:P=UI   (6)
3．4效率的計(jì)算
效率表征能量利用和轉(zhuǎn)換的程度，是反映風(fēng)機(jī)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，主要指標(biāo)有全壓效率η和靜壓效率ηst，分別為全壓有效功率Ps和靜壓有效功率Pest與風(fēng)機(jī)軸功率P之比。
試驗(yàn)時(shí)，使風(fēng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)出對(duì)應(yīng)于不同靜壓的風(fēng)量、全壓、功率和效率等參數(shù)，風(fēng)機(jī)性能測(cè)試的結(jié)果應(yīng)按相似定律轉(zhuǎn)化為給定轉(zhuǎn)速和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣狀態(tài)下的空氣動(dòng)力性能參數(shù)，以便于風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行比較。將所得數(shù)據(jù)整理后用曲線表示，即得到風(fēng)機(jī)的特性曲線。
4、教學(xué)效果
為了驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)的正確性，對(duì)1#直流通風(fēng)機(jī)在電壓12V、風(fēng)室靜壓100Pa工況下，重復(fù)做6次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)選取不同的噴嘴，所測(cè)該工況下風(fēng)量大小及相對(duì)于6組數(shù)據(jù)平均值的誤差見表1，數(shù)據(jù)基本吻合，zui大重復(fù)性*．59%?？梢?，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與噴嘴的選取無關(guān)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性誤差小，因而，該試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，有較好的氣密性，測(cè)試手段合理，測(cè)試儀表采樣精度高，數(shù)據(jù)處理方法正確。先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和的測(cè)試結(jié)果，提高了試驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了大學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)作風(fēng)。
 

表1風(fēng)量測(cè)試對(duì)比
試驗(yàn)臺(tái)嚴(yán)格按照《GB/T 1236—2000工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)》設(shè)計(jì)制造，并在試驗(yàn)前由學(xué)生按照標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)后處理方案，在試驗(yàn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，加強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)化培養(yǎng)和教育，激發(fā)了大學(xué)生對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和生產(chǎn)的關(guān)注和意識(shí)，提高了大學(xué)生標(biāo)準(zhǔn)化素質(zhì)。
被測(cè)風(fēng)機(jī)選用為流量和功率較小的直流風(fēng)機(jī)，降低了相應(yīng)的風(fēng)室、管路、噴嘴和輔助風(fēng)機(jī)等裝置的成本，大大降低了裝置運(yùn)行過程中的噪音。
被測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)，通過UT3指示調(diào)節(jié)器進(jìn)行PID自動(dòng)調(diào)節(jié)，一方面可實(shí)現(xiàn)工況點(diǎn)調(diào)節(jié)的化，另一方面，PID調(diào)節(jié)應(yīng)用實(shí)例使抽象的控制理論具體化，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，另外，該裝置的風(fēng)室靜壓控制回路為典型的正作用調(diào)節(jié)，為裝備過程控制知識(shí)體系增加了正作用應(yīng)用實(shí)例。試驗(yàn)裝置預(yù)留數(shù)據(jù)采集接口，可讓學(xué)生自主編程設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)，達(dá)到綜合性、設(shè)計(jì)性試驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。試驗(yàn)裝置綜合了風(fēng)機(jī)性能、噴嘴流量測(cè)量、變頻調(diào)速、PID控制、控制儀表、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集等知識(shí)點(diǎn)，能讓學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有較大的幫助。