周同旭，韓頔，王修禮，王柏柏，董麟，李雅潔

（1.國家能源中小水電設(shè)備重點實驗室，天津 300180；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300399）

基于NI的高精度水力機(jī)械試驗臺測試系統(tǒng)設(shè)計

周同旭1，韓頔2，王修禮1，王柏柏1，董麟1，李雅潔1

（1.國家能源中小水電設(shè)備重點實驗室，天津 300180；2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300399）

國家能源中小水電設(shè)備重點實驗室水力機(jī)械試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW軟件和PXI Express硬件的測試方案，再配合一整套的高精度測試傳感器和測量儀表，實現(xiàn)高速、高效、高精度和高吞吐量實時在線測量，在試驗過程中最大程度上減少測量誤差，提高測試精度。并能自動存儲、開機(jī)自動恢復(fù)、顯示、繪出實驗結(jié)果和打印，保證了試驗測量精度，提高試驗效率。通過試驗證明，該系統(tǒng)測量精度高，運行穩(wěn)定可靠，操作方便，達(dá)到國際IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

水力機(jī)械試驗臺；LabVIEW軟件；數(shù)據(jù)采集

國家能源中小水電設(shè)備重點實驗室水力機(jī)械試驗臺數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)采用NI公司的Lab-VIEW軟件和PXI Express硬件的系統(tǒng)設(shè)計方案配合進(jìn)口傳感器和檢測儀表，自主研發(fā)的高精度測試系統(tǒng)，該水力機(jī)械試驗臺主要功能有：混流式、軸流式和貫流式水輪機(jī)模型能量特性和汽蝕特性試驗；水泵水輪機(jī)模型能量特性、汽蝕特性和全特性試驗；水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)模型飛逸特性、力特性、壓力脈動等試驗，并能觀察汽蝕圖像。其主要參數(shù)為：最高試驗水頭60 m，最大試驗流量1.6 m3/s，水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪直徑350～500 mm，測功電機(jī)功率600kW，測功電機(jī)最高轉(zhuǎn)速2200r/min，供水泵功率280 kW×2，試驗綜合系統(tǒng)誤差范圍為±0.25%。

水力機(jī)械試驗臺是針對水輪機(jī)模型機(jī)組進(jìn)行試驗研究和分析，通過模擬運行下的高精度測量可獲得模型水輪機(jī)在各種水工況下的參量，如水頭、轉(zhuǎn)速和效能數(shù)據(jù)。通過試驗比對，檢驗水輪機(jī)設(shè)計方案優(yōu)劣，確定其模型轉(zhuǎn)輪的性能。最后利用相似原理推廣到原型水輪機(jī)上，不僅縮短了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的開發(fā)周期，同時還節(jié)約了其制造成本。

水力機(jī)械試驗臺采用NI公司的LabVIEW作為測試軟件和PXI Express儀器作為測試硬件。通過軟件的DAQmx和PXI Express儀器快速PCI總線的高吞吐量實現(xiàn)高精度測試，保證了測試系統(tǒng)的精度與性能，實現(xiàn)了整個試驗臺高綜合測量精度與運行效率。

1 測試系統(tǒng)方案

水力機(jī)械試驗臺由水庫、校正池、折向器、稱重罐、壓力罐、尾水罐、穩(wěn)壓罐、各種管路、供水泵、補(bǔ)水泵、測功電機(jī)、水輪機(jī)模型機(jī)組、電動蝶閥和電磁流量計等各種傳感器組成，試驗管路為封閉循環(huán)系統(tǒng)，其中水庫容積為750 m3。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System line diagram

圖1中，1為水庫；2為小校正池；3為大校正池；4為折向器；5為大流量計；6為小流量計；7為穩(wěn)流罐；8，9為主泵；10為補(bǔ)水泵；11為水管路；12為壓力罐；13為尾水罐；14為模型機(jī)；15為測功電機(jī)；16為電動蝶閥。

測試系統(tǒng)分為2部分：硬件連接部分和軟件處理部分。其中硬件如圖2所示，分別由計算機(jī)、信號采集板卡、通訊卡、傳感器和光纖組成，PXIe-1062Q為測試機(jī)箱，PXIe8375和PCIe-8375分別為測試箱和計算機(jī)的通訊卡，通過光纖相連，PXI-6238板卡為電流信號采集卡，PXI-6251為電壓信號采集卡，各傳感器把采集到的電信號以TTL電平、4～20 mA或者0～10 V的形式傳送到數(shù)據(jù)采集卡中，通過在計算機(jī)中建立的數(shù)學(xué)模型解析運算，獲得水輪機(jī)模型的各種特性曲線和過流部件的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware system block diagram

測試系統(tǒng)軟件由記錄數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊以及報告生成模塊組成，其中數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括數(shù)據(jù)信號處理、函數(shù)計算、曲線生成（3次樣條曲線）、誤差分析（系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差）和函數(shù)生成（采用最小二乘法），功能見圖3。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software system block diagram

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計和誤差分析

測試系統(tǒng)的主要內(nèi)容為：傳感器標(biāo)定、能量特性測試、轉(zhuǎn)輪飛逸特性測試、空化測試和風(fēng)損測試。

2.1 傳感器標(biāo)定程序

傳感器標(biāo)定程序主要有：磁柵尺傳感器標(biāo)定、電磁流量計傳感器標(biāo)定、水頭差壓傳感器標(biāo)定、力矩傳感器標(biāo)定、導(dǎo)葉開度傳感器標(biāo)定和溫度傳感器標(biāo)定等，程序具有系統(tǒng)參數(shù)復(fù)位、程序初始化、數(shù)據(jù)保存、曲線擬合、誤差分析、自動輸出報表和程序終止功能。通過多次重復(fù)試驗和改變試驗參數(shù)，得到多個數(shù)據(jù)點，由程序的曲線擬合功能，利用最小二乘法得出曲線的數(shù)學(xué)關(guān)系，將計算得到的數(shù)據(jù)點和曲線的誤差輸出到誤差帶圖表，最終將試驗結(jié)果存入計算機(jī)并輸出數(shù)據(jù)到報表，標(biāo)定程序界面如圖4所示。

圖4 傳感器標(biāo)定程序Fig.4 Sensor calibration procedure

在本測試系統(tǒng)中，主要決定測試精度的為磁柵尺傳感器標(biāo)定和電磁流量計傳感器標(biāo)定。

1）磁柵尺傳感器標(biāo)定。采用容積法的流量率定方法，需要精確標(biāo)定出率定池的水位高度與校正池容積的關(guān)系曲線，水位高度測量準(zhǔn)確度直接影響到校正池容積標(biāo)定的精度。率定實驗采用經(jīng)過一個嚴(yán)格計量的容積為14.693 m3、精度為0.05%標(biāo)準(zhǔn)校正罐進(jìn)行率定。

將標(biāo)準(zhǔn)校正罐中注滿水，以此注入校正池內(nèi)，以第10桶水位為基準(zhǔn)水位，每多向校正池中注入1罐水，液面會上升一定高度，計算機(jī)系統(tǒng)讀取磁珊尺傳感器發(fā)出的脈沖信號，得出液面在校正池增加的高度H，建立磁尺行程與校正池體積V之間的關(guān)系，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)，得出關(guān)系曲線。

2）電磁流量計傳感器標(biāo)定。流量的測量誤差占試驗綜合誤差的70%左右。本試驗臺的最大流量為1.6 m3/s，選用進(jìn)口高精度電磁流量計，內(nèi)徑500 mm，能測量正反2個方向的流量，流量計安裝正反方向均有5倍以上流量計直徑的直管段，以保證水流的穩(wěn)定。同時2個方向上均設(shè)有1個穩(wěn)壓罐，并在灌頂部裝有放氣閥，以保證流量計中充滿水時無氣泡，采用在一定時間窗口內(nèi)流過流量計的液體量的方法標(biāo)定流量計。通過采集流量計頻率、折向器反饋信號、流量投入時間和磁柵尺高度來標(biāo)定電磁流量計。

在程序啟動后，先將數(shù)據(jù)初始化，并讀取參數(shù)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后將參數(shù)清零，同時等待折向器反饋信號。當(dāng)程序檢測到反饋信號時作為計時的起始時間，啟動計時子程序，子程序?qū)y量系統(tǒng)投入的時間和液位高度開始并計算體積，由流量Q和流量計的頻率P作為單個試驗點，輸入P—Q圖，重復(fù)多次試驗，得到多個數(shù)據(jù)點，由程序的曲線擬合功能得出Q=f(P)的數(shù)學(xué)關(guān)系，將計算得到的曲線和數(shù)據(jù)點的誤差輸出到誤差帶，標(biāo)定流量計的誤差范圍在±0.18%范圍內(nèi)，見圖5。

圖5 曲線擬合和誤差圖Fig.5 Curve fitting and error diagram

2.2 能量、飛逸和空化測試程序

能量測試、飛逸測試、空化測試需要設(shè)置力矩傳感器、水頭差壓傳感器、導(dǎo)葉開度、溫度傳感器、速度編碼器和流量計等參數(shù)，并讀取試驗的常數(shù)和各種傳感器的標(biāo)定系數(shù)，程序?qū)⒉杉降母鞣N傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后用相應(yīng)的計算公式計算出單位轉(zhuǎn)速N11、單位流量Q11、單位效率Etam和汽蝕系數(shù)Sigma等，在軟件的坐標(biāo)圖表中分別標(biāo)出N11-Etam,Q11-N11,Q11-N11和N11-Sigma多個數(shù)據(jù)點，用3次樣條差值方法將得到的多個數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，得出關(guān)系曲線并輸出到相應(yīng)的關(guān)系圖表。效能曲線如圖6所示，圖6中，A0代表在某一槳葉角度下的導(dǎo)葉開度，并將試驗數(shù)據(jù)保存到計算機(jī)中。

圖6 某型號轉(zhuǎn)輪的效能曲線圖Fig.6 Efficiency curves diagram of a Model Runner

3個測試程序都具有數(shù)據(jù)初始化、數(shù)據(jù)清零、保存數(shù)據(jù)點、曲線擬合、數(shù)據(jù)刪除和程序終止功能。該系統(tǒng)同時具有數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，在意外斷電或者系統(tǒng)緊急停車后，重新啟動程序，只需要輸入文件名，即可查看相應(yīng)曲線和試驗數(shù)據(jù)，方便試驗人員的操作和保證了記錄數(shù)據(jù)的完整性。

2.3 綜合誤差分析

水輪機(jī)模型試驗的綜合誤差包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分。系統(tǒng)誤差是以各單項測量儀表的原位率定及標(biāo)定儀表的原級標(biāo)準(zhǔn)儀表的誤差為基礎(chǔ)，并考慮其他系統(tǒng)因素引起的誤差。隨機(jī)誤差則按同一穩(wěn)定工況（一般選擇最優(yōu)工況）下效率的N次平均值與其標(biāo)準(zhǔn)誤差計算確定。

模型試驗測定的系統(tǒng)誤差Eη-S：

式中：EQ為流量測量誤差，EQ≤0.183%；EH為水頭測量誤差，EH≤0.078 74%；ET為力矩測量誤差，ET≤0.06%；En為轉(zhuǎn)速測量誤差，En≤0.002 6%。

模型效率的隨機(jī)誤差Eη-r：

模型效率試驗的綜合誤差Eη：

3 實際應(yīng)用及結(jié)論

由于本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)充分發(fā)揮自身高速、高效、高精度的優(yōu)勢，再配合一整套的高精度測試傳感器和測量儀表，可在最大程度上減少測量誤差，提高測試精度，并且有很高的重復(fù)性。在試驗過程中，操作方便，能自動存儲、開機(jī)自動恢復(fù)、顯示、打印、繪出實驗結(jié)果，提高試驗效率和試驗精度。該系統(tǒng)界面友好，運行穩(wěn)定，操作簡便，實現(xiàn)了測試過程的可視化和良好的維護(hù)性。

目前，該測試系統(tǒng)已經(jīng)在國家能源中小水電設(shè)備重點實驗室水力機(jī)械通用實驗臺中投入應(yīng)用。與國內(nèi)多家水電設(shè)備制造廠家共同合作，開展對軸流式和混流式水輪機(jī)模型機(jī)組的性能試驗，主要包括水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的效率試驗、空化試驗和飛逸試驗等，能量試驗效率綜合誤差小于0.25%，并繪制出了相應(yīng)的試驗曲線。該測試系統(tǒng)在精度控制和速度控制上完全滿足IEC國際規(guī)程要求。

［1］陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］曹鹍.水輪機(jī)原理及水力設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［3］矯英祺，任國全.基于LabWindows/CVI的振動測試數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2015，34（1）：52-54.

Design of a Testing System for High-precision Hydraulic Mechinery Test Stand Based on NI

ZHOU Tongxu1，HAN Di2，WANG Xiuli1，WANG Baibai1，DONG Lin1，LI Yajie1
（1.National Energy Key Laboratory of Small and Medium Sized Hydropower Equipment，Tianjin300180，
China；2.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin300399，China）

NationalEnergyKeyLaboratoryofSmallandMediumSizedHydropowerEquipmentwithhigh-precision hydraulic machinery test stand data acquisition system，adopted NI LabVIEW software and PXI Express hardware testing scheme，and then matched with a set of high accuracy testing sensors and measuring instruments，achieved high speed，high efficiency，high accuracy and high throughput real-time on-line measurement.And which could automatically store，turn on the automatic recovery，display，draw the experimental results and print，to ensure the accuracy of the test，improve the test efficiency.Through the experimental verification，the system has high precision，stable and reliable operation，easy to use，and reaches the international IEC standards.

hydraulic machinery test stand；LabVIEW software；data acquisition

TP274

A

10.19457/j.1001-2095.20161215

2015-11-12

修改稿日期：2016-06-15

周同旭（1985-），男，碩士研究生，工程師，Email：dongdong993@163.com