基于LabVIEW的贯流泵压力脉动测试系统设计

宋振华 夏悦玥 汤方平 周济人

摘 要：贯流泵是一种被广泛应用于低扬程、大流量场合的泵型，但是在贯流泵运行过程中产生的压力脉动严重影响了它的性能并危及运行安全。本文应用LabVIEW开发了基于DAQpad-6020E数据采集软件并结合水泵试验台构建了一套水泵的压力脉动测试系统，为压力脉动的测试和研究提供了可靠的试验手段。

关键词：贯流泵；压力脉动；数据采集；LabVIEW

1.引言

贯流泵是适用于大流量、低扬程的一种泵型，具有装置效率高，水力损失小，过流能力大，机组结构紧凑，水工布置简单，土建和运行费用低等优点。南水北调东线工程以及苏州市在建的外围十大枢纽中多座泵站采用的就是贯流泵装置。对贯流泵装置的水压力脉动特性进行分析，将有助于水泵性能的提高和机组的安全运行，对工程实际有着比较重要的指导价值。

LabVIEW是美国NI公司开发的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，因其具有丰富的数据采集、分析和存储VI库，以及其特有的灵活和强大的功能，越来越广泛的应用于实验室研究和工业控制中的测试及测量领域。为了实现压力脉动信号的采集和处理，本文以LabVIEW 7.1为编程环境开发了集成化的信号采集软件，实现了对信号的采集、显示、存储和分析[1]。本文以该系统为基础结合水泵试验台构建了一套压力脉动测试系统，为压力脉动的深入研究提供了可靠的试验手段。为测试系统性能，以南水北调工程金湖泵站贯流泵模型为研究对象进行了试测，结果表明本套系统具有测量精度高、稳定性好及便于后续的数据处理和分析等优点。

2.压力脉动测试系统

2.1测试试验台

测试用试验台为扬州大学江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台。该试验台为一立式封闭循环系统，系统主管道直径为500mm，总长度51m，系统水体总容量约60m3。试验台主要由汽蚀筒、压力水箱、汽水分离筒、电磁流量计、辅助泵、调节闸阀、管路等组成，试验台效率测试的总误差为±0.39%。

测试装置如图1所示，进口测压断面设置在进水箱A-A位置，出口测压断面设在压力水箱B-B位置，装置扬程H等于A-A和B-B两断面的总能头差。

1.测压断面A-A 2.进水箱 3.进水流道 4.叶轮 5.导叶

6.泵筒 7.灯泡体（电机）8.出水流道 9.出水箱 10.测压断面B-B

图1 高精度水力机械试验台

2.2测试信号采集系统

压力脉动信号采集系统由硬件和软件两部分构成，分别为：

（1）软件部分：即为基于LabVIEW开发的虚拟仪器数据采集系统。

（2）硬件部分：主要包括压力变送器、SCC-CI20模块、调理板、数据采集卡、PC机。

其中数据采集卡是信号采集的核心，它主要完成数据的采集、A/D转换和存储。在本系统中采用了NI公司的DAQpad-6020E[2]配套SC-2345[3]进行数据采集。其主要性能指标为：量程为±10V，A/D转换精度为12位，通道数为16路并行，最高采样率为100KS/s。试验时由变送器将压力信号转换为电流信号，经过SCC-CI20模块转为电压信号后送入信号调理板，由数据采集卡进行A/D 转换和数据采集，再通过USB接口与计算机通信。

为精确测量水泵内的压力脉动，建议试验用压力变送器应选用性能稳定的产品。本文选用的是溅射薄膜压力变送器，它的特点是响应频带宽，可以覆盖10KHz以内的宽带范围，测量范围为0～0.7MPa，输出4～20mA。结合试验台中使用的转速、流量及扬程等传感器共同工作以配合压力脉动的测量。本套系统中所使用的全部仪器设备清单见表1。

表1 压力脉动测试系统仪器设备清单

2.2.1数据采集系统

数据采集是LabVIEW 的核心技术之一。LabVIEW提供了与NI公司的数据采集硬件相配合的丰富的软件资源，通过软件控制数据采集卡完成模拟信号的采集，并可根据需要将采集到的数据进行分析和计算，并将结果送往屏幕输出显示。采用LabVIEW开发平台设计的基于DAQpad-6020E的数据采集系统的结构如图2所示。

图2 基于DAQpad-6020E的数据采集系统结构图

软件主要包括前面板程序（Front Panel）和框图应用程序（Block Diagram）以及图标和连结器窗格（Icon and connector pane）三部分。软件系统中各功能模块的具体说明如下：

（1）主界面：主要提供进入各功能模块的入口和主要的人机交互界面，如图3所示。

图3 数据采集系统主界面

（2）数据的存储和采集模块：将变送器所传输的数据不失真的进行采集，并将采集的数据按照二进制数字的形式存储在计算机中；

其中值得注意的是在进行数据采集时可能需要连续采集几组数据，中间时间间隔很小，此时可能会遇到数据文件保存重名导致覆盖原數据的问题，所以应注意对数据存储部分进行数据文件自动命名的设计。

本系统采用PC机的时间和数据文件长度来进行自动命名，同时也可自行输入测试相关的特征字符以免在数据文件较多时混淆，时间精确到秒。

（3）时频处理模块：通过数据采集卡采到的数据经计算后显示幅频图和相频图。只在数据采集时可用。

时域处理：点击则自动弹出时域实时处理窗口，其中包括自相关处理和功率谱显示。

频域处理：点击则自动弹出频域实时处理窗口，其中可以进行包括频谱和相频的显示及加窗处理等操作。

（4）数据回放模块：读取已存储的数据文件，将数据以波形形式配合数组形式显示给用户查看，进行后期的观察和分析。

图4 数据回放界面

数据回放程序页面见图4所示。在数据进行回放的同时程序将自动把二进制文件另存为十进制的TXT文件，以便于后期利用第三方工具如Matlab对数据进行进一步的处理。

在进行测试时，需先将硬件全部打开，然后才能启动数据采集软件，在测试过程中可自由的对任一通道进行采集，并决定是否对数据进行时频处理、保存、回放等，在操作过程中会对一些危险动作自动弹出警告信息，提示用户注意。

3.使用测试系统时的注意事项

为保证本套系统测试的准确性和精确度，在进行测试时必须注意以下相关事项。

3.1测点的选取

应根据国家标准GB/T17189-1997《水力机械振动和脉动现场测试规程》中对脉动压力的测量和处理方法的规定，试验中对水泵的压力脉动测点位置主要选在叶轮和导叶内，建议取如下10个测点位置，具体布置如下所述：

（1）在叶轮室内叶片扭转方向均匀安装5个压力变送器测量整个叶片的压力变化[4]，其中1号变送器处于叶轮进口，测量叶轮进口处的压力脉动；5号变送器处于叶轮和导叶间隙中，以便于测量叶轮和导叶之间动静干扰引发的压力脉动。2、3、4号则沿叶片扭曲方向均匀分布于1号和5号之间。

（2）在导叶的任一个叶道内近导叶进口处均匀布置4个压力变送器，以测量导叶内的压力脉动。

（3）在导叶出口处布置一个压力变送器，以测量导叶出口处的压力脉动。

安装时要求变送器与管壁齐平，如不齐平则会导致数据中包含连接管的压力特性。各测点布置具体位置如图5所示。

叶轮测点

导叶测点

图5 叶轮及导叶测点布置图

3.2试验误差的减小

为了测量贯流泵叶轮的压力脉动特性需沿叶片扭转方向在壁面处开若干个孔，利用压力传感器同时测量这些位置处的压力脉动。试验装置中所涉及的变送器测头虽小但仍需拧在M20大小的孔内，而试验用叶轮直径和长度均较小，在相对较小的空间内开设5个M20的测孔会影响正常的流动状态。而理想的测试条件要求壁面必须光滑。为了克服壁面测孔对叶轮内流动的影响，试验时建议采取两种办法处理：1）尽量减小测孔直径。测孔直径越小，对流动的影响也越小，但这对传感器的选型要求较高。选择测头面积小，动态响应好，且能承受一定高压的压力传感器的确是影响试验精度的首要问题。本套试验装置选择了测头直径约2mm，响应频率达到10kHz，承载力达到 07MPa 的压力传感器，但由于外螺纹为M20×15，所以采用了以下折中方法：考虑到叶轮室壁厚，采用了内壁面用M3的小孔然后在外壁面用M20的孔连接，尽量保证测头与内壁面齐平，又不影响流态。2）10个测孔不能布置在同一子午面上，以避免测孔集中布置产生对流动影响的放大效应。另外需要特别注意的是，在进行正式测试前必须对每个变送器进行逐一率定，并在后继的数据处理时将率定系数考虑进去以减小误差。

4.测试系统实际应用

为测试本套压力脉动测试系统的准确性及精度，本文以南水北调工程金湖泵站贯流泵模型为研究对象进行了试测。试验采用了ZM25叶轮（3叶片）配套Dy88导叶（5叶片）。

测试用贯流泵的额定转速为1375r/min，额定流量 307.6 l/s，叶片角度为0o。为了测试运行转速对轴流泵内压力脉动特性的影响，特选择表2所示的工况进行试验。

表2 模型试验工况数据表

试验时首先根据试验工况安排表逐一调节轴流泵转速，待电机转速稳定后运行 2～3 分钟，当流量表显示流量波动在一定范围内，立即对各路信号同时进行采集，每通道采样频率为10000Hz，采样持续时间为30s。试验数据处理用独立的计算机完成，采用傅立叶变换（FFT）和小波变换法对数据进行分析处理。

试测结果与理论分析结果基本一致，表明本套系统具有测量精度高、稳定性好及便于后续的数据处理和分析等优点。

5.结语

使用基于LabVIEW的贯流泵压力脉动测试系统进行压力脉动测试，其突出的优势不仅在于其在数据采集的同时即可对数据进行相关的处理操作，对测试对象的适应性大为增强，具有很好的开放性和移植性，同时它的高精度、稳定性好等诸多优点，为贯流泵压力脉动的研究提供了很好的实验支撑。（作者单位：1.蘇州市河道管理处；2.扬州大学水利科学与工程学院）

参考文献：

[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] 韩丹.双向贯流泵站进出水流道流场数值模拟.河海大学.2005：33-40