□白新華

雖然水泵的結(jié)構(gòu)十分簡單，但是當(dāng)液體在泵中流動時，運(yùn)動方式卻非常復(fù)雜，所以有人形容泵是最簡單同時又是最復(fù)雜的機(jī)械。到現(xiàn)在為止，泵的特性的精確確定仍不能完全由理論計算來進(jìn)行，而需要利用實(shí)驗(yàn)的手段來求得，所以對泵測試技術(shù)的深入研究就顯得非常重要。

一、泵試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

通常泵試驗(yàn)系統(tǒng)是由三大部分組成的，即試驗(yàn)管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)。

試驗(yàn)管路系統(tǒng)由管道及管件、穩(wěn)定裝置、汽蝕筒、閥門、水池等部分構(gòu)成，利用設(shè)計原理和安裝方式確保通過相關(guān)測量斷面的液流具有以下三種性質(zhì)：軸對稱性、等靜壓分布性、沒有由于無裝置而引起的旋渦。

控制系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、管路切換、起動控制以及管路閥門的調(diào)節(jié)控制等部分組成?？刂葡到y(tǒng)的主要作用：給試驗(yàn)泵的電機(jī)以及多條管路的電動閥門提供閥門開度、管路選擇、閥門到位等控制。

泵試驗(yàn)的測量系統(tǒng)則是試驗(yàn)系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分，測量系統(tǒng)規(guī)定了對試驗(yàn)泵進(jìn)行參數(shù)測量時要用到的儀表儀器，這些儀表儀器主要是為了測量流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、軸功率等相關(guān)數(shù)據(jù)，我國泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216采用的是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2548，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了泵試驗(yàn)系統(tǒng)中測量儀表所允許的系統(tǒng)誤差以及最大總誤差，分別如表1、表2所示。

表l 測量儀表所允許系統(tǒng)誤差

表2 測量儀表所允許的最大總誤差

二、水泵性能的測試

正如前面所述，水泵的測量系統(tǒng)通常包括各個測試參數(shù)的測量傳感裝置、信號變換裝置以及數(shù)據(jù)采集、處理裝置等，所產(chǎn)生的誤差主要來自三個方面，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差以及過失誤差。

因?yàn)閮x表構(gòu)造精度以及環(huán)境條件的改變而產(chǎn)生的誤差叫做系統(tǒng)誤差，對同一參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測量的過程中，系統(tǒng)誤差的大小和符號幾乎是不變的，這樣就可以利用原位校正來降低甚至消除系統(tǒng)誤差。

因?yàn)橐恍┨厥獾牟缓每刂频呐既灰蛩禺a(chǎn)生的誤差叫做隨機(jī)誤差，雖然測量值的變化沒有一定的規(guī)律，但是當(dāng)精度一定時，對參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測量時隨機(jī)誤差通常從正態(tài)分布規(guī)律。隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定的界限，而且隨著重復(fù)次數(shù)的增加隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值將逐漸趨向于零，如果使用計算機(jī)，可以利用增加重復(fù)測量的次數(shù)，來減小隨機(jī)誤差的大小。

因?yàn)槿藶樵蚨a(chǎn)生的測量誤差叫做過失誤差。在人工測量的條件下，過失誤差是很難避免的，如果是利用計算機(jī)采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過失誤差可以利用萊以特準(zhǔn)則、Roman Malinowski準(zhǔn)則、Grubbs準(zhǔn)則等相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行剔除。

根據(jù)上面的分析可以看出，測量過程中的過失誤差基本能夠忽略不計，隨機(jī)誤差可以通過多次測量來減小，而系統(tǒng)誤差是構(gòu)成測量誤差的重要部分。所以，在計算機(jī)輔助測試(CAT)中，如何降低系統(tǒng)誤差是提高測試精度的重點(diǎn)。

各測試參數(shù)的綜合精度可以通過泵效率測試誤差反映出來。泵效率測

試誤差的計算公式如下式：

式中：△η ——試驗(yàn)泵的效率測試誤差；

△θ——試驗(yàn)泵的流量測量系統(tǒng)誤差；

△H——試驗(yàn)泵的揚(yáng)程測量系統(tǒng)誤差，如對試驗(yàn)泵的進(jìn)出口的揚(yáng)程進(jìn)行分別測量，則：

△M——試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)誤差；

△n——試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)誤差。

在上面所列被測試的參量中，儀器儀表的精度和相應(yīng)的原位校正，根據(jù)達(dá)到高精度測量要求時投入的設(shè)備的費(fèi)用多少以及難易程度情況來排序，排在第一的是流量的測量和原位校正，排在第二的是轉(zhuǎn)矩的測量和原位校正，之后是揚(yáng)程的測量和原位校正，除了上述三個參數(shù)以外的測量,轉(zhuǎn)速、溫度等誤差是相對容易解決的。下面就對這些測量進(jìn)行分析。

(一)流量測量儀表及其原位校正

GB/T3214《水泵流量測定方法》推薦了適合水泵行業(yè)進(jìn)行流量測量的幾種方法，主要有下面五種：

1.節(jié)流式流量計：由節(jié)流裝置以及差壓計構(gòu)成。節(jié)流式流量計是利用流體經(jīng)過節(jié)流裝置的時候所造成的壓力差來進(jìn)行測量的，常見的節(jié)流裝置主要有孔板和噴嘴。

2.渦輪流量計：由渦輪變送器和顯示儀表構(gòu)成。

3.水堰：主要由堰板以及堰槽組成。

4.電磁流量計：主要由傳感器以及信號處理器構(gòu)成。

5.容積法和稱重法：這兩種方法通常應(yīng)用在測量精度高、流量小的情況下，主要是對某一時期的平均流量進(jìn)行測定，主要由容器和計時裝置所構(gòu)成。根據(jù)泵的A級規(guī)范，可以在試驗(yàn)室里完成高精度流量測量的主要方法見表3。

表3 高精度流量的主要測量方法

其他流量測量方法，如標(biāo)準(zhǔn)孔板等方法因?yàn)闇y量的精度低，一般在對精度要求較高的測量中不予考慮。在表3中的基本方法里，測量精度最高的方法是稱重法，但此法需要有大型容器。通常利用高精度天平來校正稱重容器，校正的時間一般是大于等于60s。稱重法適用于流量小于等于1.5L/s的流量測量試驗(yàn)。容積法通常也是利用高精度天平來校正的，校正的時間一般是大于等于60s，可用于對較大流量進(jìn)行測量。

基本方法通常用于原位校正。原位校正是指在試驗(yàn)現(xiàn)場安裝完測量儀表之后，用比它高一級精度的儀表進(jìn)行的校正。比如說，對葉片泵進(jìn)行能量特性試驗(yàn)，一條能量特性曲線通常應(yīng)測試13～15個測試點(diǎn)，而且應(yīng)該在一次試驗(yàn)中完成。但是基本試驗(yàn)方法測量每一個測試點(diǎn)的時間比較長，故通常在高精度A級試驗(yàn)的時候，能夠事先利用基本方法原位校正的流量計對流量進(jìn)行測量，這樣測量的系統(tǒng)誤差大約在0.3～1%的范圍內(nèi)。

在泵試驗(yàn)過程中，流量測量時產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差是試驗(yàn)誤差的主要組成部分。要提高測試的精度就要大大降低系統(tǒng)誤差，而利用分段原位校正流量計的方法可提高測試精度。

當(dāng)進(jìn)行壓力測量時，水泵行業(yè)往往采用下面幾種測量儀表：液柱式壓力計、壓力傳感器、電氣壓力表、彈性壓力表、活塞壓力計。

通常采用的精度比較高的壓力信號傳感器，它的系統(tǒng)誤差大約保持在±0.1～0.2%的范圍內(nèi)。

如果利用0.02級的高精度活塞計以及真空計進(jìn)行壓力信號傳感器的原位校正，能夠更大程度地降低系統(tǒng)誤差進(jìn)行原位校正的時候，把傳感器與活塞壓力計連接在一起，慢慢進(jìn)行加碼或者慢慢進(jìn)行減碼，通過打印機(jī)打印測量結(jié)果。詳細(xì)的操作方法如下：

第一步要求出壓力傳感器在不加碼時的零點(diǎn)值，這個值就是微機(jī)的讀數(shù)值；第二步是求出各個測量點(diǎn)的脈沖壓力當(dāng)量的平均值。

實(shí)測值= (微機(jī)讀數(shù)-零點(diǎn)值)×校正系數(shù)，絕對誤差=實(shí)測值-活塞壓力計的祛碼值。

上面的計算方法可以通過計算機(jī)編程來完成。

(二)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量儀表及其原位校正

對轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量的主要目的就是為了計算軸功率，必須測定同步的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速。

測量轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的儀器儀表種類很多，現(xiàn)在比較常用的是JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的精度為±0.5%～1%，轉(zhuǎn)速測量的精度為±0.1%。從這兩個數(shù)據(jù)可以看出，該儀表不適合用在對精度要求比較高的測量試驗(yàn)中。

三、測試數(shù)據(jù)的后期處理

測量儀表輸出的電信號通常是數(shù)字量信號或者模擬量信號。測試儀器儀表通常輸出的都是數(shù)字量信號，計算機(jī)能夠利用并行接口來接受數(shù)據(jù)，所以不存在沒有數(shù)據(jù)時的轉(zhuǎn)換誤差。

電磁流量計以及壓力信號傳感器等測試儀器儀表通常輸出的都是模擬量信號，需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之后才可以被計算機(jī)采集分析。數(shù)模轉(zhuǎn)換通常采用8位，分辨率一般是0.003921，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±4.5%；有的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用12位，分辨率為0.0002442，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.3%，這兩種方法都不適合應(yīng)用在高精度測試中?，F(xiàn)在數(shù)模轉(zhuǎn)換采用的分辨率為0.00001525，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.02%，這樣就可以忽略其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化誤差。

根據(jù)上面介紹，如果利用現(xiàn)在高精度的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等測量儀器儀表，對這些儀器儀表原位校正之后，利用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過計算機(jī)的采集與分析，得出測試系統(tǒng)誤差分別為：流量ΔQ=±0.18%，揚(yáng)程

所以，利用現(xiàn)代高精度測量儀器儀表，泵效率的測試誤差大約在±0.3%～0.5%。

五、結(jié)論

本文通過對水泵性能測試以及后期數(shù)據(jù)處理的探討，提出了流量測量儀表及其原位校正、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量儀表及其原位校正兩種性能的測試方法，對實(shí)際應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義。