基于虚拟仪器的矿用水泵性能测试系统的研制

基于虚拟仪器的矿用水泵性能测试系统的研制

李卫周

李卫周

（四川煤矿安全监察局安全技术中心）

摘要：本文通过对矿用水泵性能参数的测试原理及方法的研究，将先进的虚拟仪器技术引入本测试系统中，应用USB总线的数据采集卡，使该测试系统的功能集成化，测试过程智能化。软件设计部分采用了面向对象的、图形化的LabVIEW编程语言及模块化设计方法，使软件具有可重用性好、执行效率高、维护方便等优点。

关键词：矿用水泵；虚拟仪器；性能测试

1.前言

在矿井的开采过程中，矿用水泵的作用就是及时把矿井涌水排到地面，保证井下人员的安全和生产的正常进行。由于水泵功率大、耗电多，且长期运行在极其恶劣的环境中，因此，对水泵进行安全性能方面的检测，保证其高效可靠地运行，对降低生产成本、提高效益、保证井下人员的安全具有重要的意义。2005年国家颁布了新的《中华人民共和国安全生产行业标准——煤矿在用主排水系统安全检测检验规范》（以下简称《规范》），其中要求每年必须对在用水泵进行性能参数的检测检验。

传统的分立式水泵检测仪器存在功能简单、可重配置性差、精度较低等缺点。但是，虚拟仪器技术的出现对测控领域开创了一种新的研究方法，它以软件为中心，利用计算机强大的计算、显示、存储和连接能力，用户可以根据自己的需求来定义仪器的功能，复杂的硬件功能可以通过简单的软件方法来实现，即美国NI公司提出的“软件即仪器”的思想。本文采用虚拟仪器技术对矿用水泵的性能测试系统进行了研究。

2.水泵性能参数的测试原理及方法

2.1水泵流量的测试

水泵在单位时间内排水的体积，叫做水泵的流量，一般用符号Q表示，单位为m3/s或m3/h。本文采用非接触式的超声波流量计进行流量测试，它是一种新型的非接触式测量仪表，通过检测流体流动时对超声束（超声脉冲）的作用，以测量流体的流量。数学分析表明，超声波流量计测量时，管径越小，测量误差越大，所以它非常适合矿用水泵这一大管径、大流量场合。根据所测物理量的不同，我们采用时差法对管道流量进行测量，时差法是根据超声波在流动的流体中顺流与逆流传播时的速度之差与被测流体流速之间的关系来求流速或流量的，而且用时差法时，其传感器的安装方式常采用管外斜置式结构。

2.2水泵扬程的测试

单位重量的水经过水泵后获得的能量，叫做水泵的扬程，用符号H表示，单位为m。扬程测试采用在水泵进、出口安装压力传感器，以此测得水泵入口压力和出口压力，然后通过式（2-1）计算出水泵的扬程，因此水泵扬程的测量关键是压力的测量，压力传感器的安装见图1所示。

本系统的硬件主要包括各种传感器、信号调理电路、数据采集卡和计算机四部分。传感器将待测量转化为电信号，经调理模块进行信号调理，然后由数据采集卡将信号输入计算机。结构框图如图2所示。

3.1传感器的选择与安装

信号的转换精度直接影响数据处理的真实程度，因此，选择合适的传感器是很重要的，根据一般传感器的选用原则和《规范》中对测试仪器精度的要求，本文选用了如下所述的各型号的传感器：流量测量选用型号为DCT-1088的超声波流量传感器，其测量范围为±0～15m/s，输出信号为4～20mA电流信号；扬程测量选用型号为CYB-17的压力传感器，其中测量范围为0～1MPa的用于入口压力的测量，测量范围为0～100MPa的用于出口压力的测量，两者均输出4～20mA电流信号；转速的测量选用M8型反射式光电传感器，其工作电源为10～30VDC，最高开关频率为2K/s，输出形式是直流NPN?集

电极开路。电机输入功率的测量选用型号为WBP214P71的功率传感器，其输出为4～20mA的电流信号，工作电压为24VDC。

3.2信号调理电路

用户的测试应用程序又可分为用户界面程序和用户测试程序两个层次。用户界面程序我们采用了模块式结构，主要由设置、测试项目、性能曲线、报表、操作和帮助六个模块组成（如图4所示），其中设置模块主要完成水泵基本信息的填写和测试结果的数据存储路径的设置；测试项目模块是本软件的核心部分，它通过调用相关的子VI（如流量子VI、扬程子VI等）来完成水泵各性能参数的测试，同时将测量的结果以TDMS文件自动保存，这为以后数据的管理提供了方便；性能曲线模块主要实现性能曲线数据的测定与性能曲线图的绘制；操作模块则实现对运行中相关子VI的停止操作的功能；帮助模块方便测试人员使用该软件。

用户测试程序流程图如图5所示，根据水泵各性能参数的测试要求，在测试程序设计中将所测参数归纳划分为流量测试、扬程测试、转速测试、电参数及效率、综合测试、曲线数据的测定、性能曲线图的绘制、报表生成及报表查看等九个子VI，各子VI完成数据的采集、分析处理、存储等功能，用户界面程序中各模块功能的实现则可通过调用这九个独立的子VI来实现。如果用户以后想要在该测试系统中修改或增加新的功能，用户只要根据需要修改这九个独立的子VI中的部分就可以了，因此这种设计思想为以后软件的维护与更新提供了很大的方便。另外，在数据存贮中，该系统采用TDMS数据文件格式，它将二进制数据和XML格式的ASCII数据结合在一起，存储高效、访问快速，方便访问和查找文件中的信息，同时可用于存储测试的数据，尤其是包含一个或多个数组的数据，它允许创建新的数据结构，还可以存储数据相关的附加信息，并且可根据一个或多个条件查询数据。

5.结论

首先，该虚拟仪器测试系统充分利用了计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使测试系统的自动化程度和测量精度大大地提高了。其次，本测试系统在硬件上采用接口简单、使用方便的USB总线结构；测试软件采用图形化的Labview编程语言和开发环境，仪器以菜单和对话框作为人机交互界面，操作友好快捷。最后，本系统通用性强，用户可在该系统上进行一定的改动、增加相应的传感器，就可构建新的虚拟仪器测试平台。

参考文献：

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作者简介：

李卫周（1980—），男，汉族，陕西宝鸡人，机电工程师，主要从事矿山设备检测、技术咨询、科研等工作。