宋振華 夏悅玥 湯方平 周濟人

摘 要：貫流泵是一種被廣泛應(yīng)用于低揚程、大流量場合的泵型，但是在貫流泵運行過程中產(chǎn)生的壓力脈動嚴重影響了它的性能并危及運行安全。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)合水泵試驗臺構(gòu)建了一套水泵的壓力脈動測試系統(tǒng)，為壓力脈動的測試和研究提供了可靠的試驗手段。

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

1.引言

貫流泵是適用于大流量、低揚程的一種泵型，具有裝置效率高，水力損失小，過流能力大，機組結(jié)構(gòu)緊湊，水工布置簡單，土建和運行費用低等優(yōu)點。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。對貫流泵裝置的水壓力脈動特性進行分析，將有助于水泵性能的提高和機組的安全運行，對工程實際有著比較重要的指導(dǎo)價值。

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VI庫，以及其特有的靈活和強大的功能，越來越廣泛的應(yīng)用于實驗室研究和工業(yè)控制中的測試及測量領(lǐng)域。為了實現(xiàn)壓力脈動信號的采集和處理，本文以LabVIEW 7.1為編程環(huán)境開發(fā)了集成化的信號采集軟件，實現(xiàn)了對信號的采集、顯示、存儲和分析[1]。本文以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)結(jié)合水泵試驗臺構(gòu)建了一套壓力脈動測試系統(tǒng)，為壓力脈動的深入研究提供了可靠的試驗手段。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象進行了試測，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。

2.壓力脈動測試系統(tǒng)

2.1測試試驗臺

測試用試驗臺為揚州大學江蘇省水利動力工程重點實驗室的高精度水力機械試驗臺。該試驗臺為一立式封閉循環(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。試驗臺主要由汽蝕筒、壓力水箱、汽水分離筒、電磁流量計、輔助泵、調(diào)節(jié)閘閥、管路等組成，試驗臺效率測試的總誤差為±0.39%。

測試裝置如圖1所示，進口測壓斷面設(shè)置在進水箱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.進水箱 3.進水流道 4.葉輪 5.導(dǎo)葉

6.泵筒 7.燈泡體（電機）8.出水流道 9.出水箱 10.測壓斷面B-B

圖1 高精度水力機械試驗臺

2.2測試信號采集系統(tǒng)

壓力脈動信號采集系統(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。

其中數(shù)據(jù)采集卡是信號采集的核心，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換和存儲。在本系統(tǒng)中采用了NI公司的DAQpad-6020E[2]配套SC-2345[3]進行數(shù)據(jù)采集。其主要性能指標為：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。試驗時由變送器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電流信號，經(jīng)過SCC-CI20模塊轉(zhuǎn)為電壓信號后送入信號調(diào)理板，由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，再通過USB接口與計算機通信。

為精確測量水泵內(nèi)的壓力脈動，建議試驗用壓力變送器應(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)合試驗臺中使用的轉(zhuǎn)速、流量及揚程等傳感器共同工作以配合壓力脈動的測量。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的采集，并可根據(jù)需要將采集到的數(shù)據(jù)進行分析和計算，并將結(jié)果送往屏幕輸出顯示。采用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計的基于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：主要提供進入各功能模塊的入口和主要的人機交互界面，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主界面

（2）數(shù)據(jù)的存儲和采集模塊：將變送器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不失真的進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)按照二進制數(shù)字的形式存儲在計算機中；

其中值得注意的是在進行數(shù)據(jù)采集時可能需要連續(xù)采集幾組數(shù)據(jù)，中間時間間隔很小，此時可能會遇到數(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)注意對數(shù)據(jù)存儲部分進行數(shù)據(jù)文件自動命名的設(shè)計。

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

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

時域處理：點擊則自動彈出時域?qū)崟r處理窗口，其中包括自相關(guān)處理和功率譜顯示。

頻域處理：點擊則自動彈出頻域?qū)崟r處理窗口，其中可以進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)進行回放的同時程序?qū)⒆詣影讯M制文件另存為十進制的TXT文件，以便于后期利用第三方工具如Matlab對數(shù)據(jù)進行進一步的處理。

在進行測試時，需先將硬件全部打開，然后才能啟動數(shù)據(jù)采集軟件，在測試過程中可自由的對任一通道進行采集，并決定是否對數(shù)據(jù)進行時頻處理、保存、回放等，在操作過程中會對一些危險動作自動彈出警告信息，提示用戶注意。

3.使用測試系統(tǒng)時的注意事項

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

3.1測點的選取

應(yīng)根據(jù)國家標準GB/T17189-1997《水力機械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程》中對脈動壓力的測量和處理方法的規(guī)定，試驗中對水泵的壓力脈動測點位置主要選在葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)，建議取如下10個測點位置，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個壓力變送器測量整個葉片的壓力變化[4]，其中1號變送器處于葉輪進口，測量葉輪進口處的壓力脈動；5號變送器處于葉輪和導(dǎo)葉間隙中，以便于測量葉輪和導(dǎo)葉之間動靜干擾引發(fā)的壓力脈動。2、3、4號則沿葉片扭曲方向均勻分布于1號和5號之間。

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

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

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

葉輪測點

導(dǎo)葉測點

圖5 葉輪及導(dǎo)葉測點布置圖

3.2試驗誤差的減小

為了測量貫流泵葉輪的壓力脈動特性需沿葉片扭轉(zhuǎn)方向在壁面處開若干個孔，利用壓力傳感器同時測量這些位置處的壓力脈動。試驗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)，而試驗用葉輪直徑和長度均較小，在相對較小的空間內(nèi)開設(shè)5個M20的測孔會影響正常的流動狀態(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葉輪內(nèi)流動的影響，試驗時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，對流動的影響也越小，但這對傳感器的選型要求較高。選擇測頭面積小，動態(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精度的首要問題。本套試驗裝置選擇了測頭直徑約2mm，響應(yīng)頻率達到10kHz，承載力達到 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)生對流動影響的放大效應(yīng)。另外需要特別注意的是，在進行正式測試前必須對每個變送器進行逐一率定，并在后繼的數(shù)據(jù)處理時將率定系數(shù)考慮進去以減小誤差。

4.測試系統(tǒng)實際應(yīng)用

為測試本套壓力脈動測試系統(tǒng)的準確性及精度，本文以南水北調(diào)工程金湖泵站貫流泵模型為研究對象進行了試測。試驗采用了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。為了測試運行轉(zhuǎn)速對軸流泵內(nèi)壓力脈動特性的影響，特選擇表2所示的工況進行試驗。

表2 模型試驗工況數(shù)據(jù)表

試驗時首先根據(jù)試驗工況安排表逐一調(diào)節(jié)軸流泵轉(zhuǎn)速，待電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后運行 2～3 分鐘，當流量表顯示流量波動在一定范圍內(nèi)，立即對各路信號同時進行采集，每通道采樣頻率為10000Hz，采樣持續(xù)時間為30s。試驗數(shù)據(jù)處理用獨立的計算機完成，采用傅立葉變換（FFT）和小波變換法對數(shù)據(jù)進行分析處理。

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。

5.結(jié)語

使用基于LabVIEW的貫流泵壓力脈動測試系統(tǒng)進行壓力脈動測試，其突出的優(yōu)勢不僅在于其在數(shù)據(jù)采集的同時即可對數(shù)據(jù)進行相關(guān)的處理操作，對測試對象的適應(yīng)性大為增強，具有很好的開放性和移植性，同時它的高精度、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，為貫流泵壓力脈動的研究提供了很好的實驗支撐。（作者單位：1.蘇州市河道管理處；2.揚州大學水利科學與工程學院）

參考文獻：

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