基于LabVIEW的水力机械试验台测试系统

2011-07-02蔡尚炅王洪杰刘世勋魏显著陈金霞

大电机技术 2011年6期

蔡尚炅，王洪杰，刘世勋，魏显著，陈金霞

( 1. 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040 )

1 前言

现代水力设计方法及手段大大促进了大型水轮机的开发，然而设计结果如何，需要试验来鉴定。原型机试验有费用高、精度低等缺点，目前世界上已普遍采用水力机械模型试验来评价原型机性能[1,2]。然而水力机械试验周期长，现有试验台已不能满足日益增长的水电市场需求，再建水力机械试验试验台已成为必须。鉴于此，哈尔滨大电机研究所在高Ⅰ台、Ⅱ台的基础上，采用当前最新设计思想及测试平台，建设了哈尔滨大电机研究所水力机械Ⅲ台、Ⅳ台[3]。

水力机械模型试验的质量好坏，在很大程度上取决于其测量技术。要快速、准确地获取试验数据，需要一套可靠、高效的测试系统[4]。

美国National Instruments(NI)公司在测试测量技术上已处于世界领先地位，国内外大多采用其产品实现了各种测试功能。日本日立公司研制的“水力发电设备状态监测系统”以及日本东京电力公司和东芝公司共同研究开发“抽水蓄能发电机组自动监视系统”，均取得了良好成效[5]。

本测试系统选择NI公司的数据采集设备，利用其图形化开发软件LabVIEW设计了一套水力机械试验台测试系统。通过本测试系统软件可以在线实现水力机械模型的各种试验。对混流式、轴流式、贯流式水轮机以及可逆式水泵水轮机模型实现实时、快速和精确数据测量。

2 测试原理

水力机械模型试验，是在保证水轮机过流表面尺寸几何相似的情况下，通过相似换算原理，把模型转轮的试验结果转化为真实转轮的性能数据[6]。水力机械模型试验台如图1所示。

图1 水力机械模型试验台

3 基于LabVIEW的测试软件系统

3.1 程序结构设计

本测试系统软件任务复杂、功能齐全。采用基于事件结构的状态机模式来构建程序框架。该模式结合了队列状态机和事件结构，能快速准确地捕捉用户操作指令，并使软件稳定运行。数据采集任务同用户操作及参数显示分别放置在不同的循环内，这样保证了数据采集的连续性，也使得用户的操作更加准确。程序结构如图2所示。

图2 程序结构图

3.2 测试系统设计

测试系统软件设计包含三部分：一是传感器率定系统，二是数据采集系统，三是后处理系统。测试系统软件的架构如图3所示。

3.2.1 传感器率定系统

在进行数据采集试验之前，为保证传感器量值传递的准确性，需先对其进行率定。通过传感器率定，也即标定，建立真实物理值与电信号之间的匹配关系。测试系统对各种类型传感器的率定功能实现见表1。

3.2.2 数据采集系统

本测试系统数据采集系统可以实现混流式、轴流式、贯流式水轮机以及可逆式水泵水轮机模型的效率、空化、飞逸、蜗壳压差、轴向力、径向力、导叶水力矩、压力脉动、补气、变空化压力脉动、力矩波动、圆筒阀、成像观测试验，对可逆式水泵水轮机还能实现泵工况效率及四象限试验。基于虚拟仪器的测试系统具有移植性好，通用性强，使用方便等特点。具体功能如图4所示。

图3 测试系统软件架构

表1 传感器率定功能

（1）实时采集

数据采集过程中，根据率定结果，测试系统对传感器实时采集来的电信号进行实时转换，并计算出该工况下的各个特性参数，如效率等。考虑到试验系统参数运算量庞大，为方便管理，本测试系统采用 VC编译运算公式，生成动态链接库文件（即DLL文件）。最后采用LabVIEW中的调用库函数节点（CLN）函数，对其进行动态调用。

（2）数据保存

数据存储与分析过程在本系统中得以集成化，这使得试验人员解脱于繁重的事务劳动，从而关注试验本身的问题。进入试验时，系统根据试验项目内容及日期预先自动生成数据存放目录，并根据试验需求设定文件名。为了预防断电等外界不确定因素造成数据丢失，系统自动开辟一数据保存空间动态保存1min内的数据，用于特殊情况下进行数据恢复。