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实验室设置虚拟水泵系统中压力变送器选型与校准
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实验室设置虚拟水泵系统中压力变送器选型与校准

时间:2020-03-06 11:52:14

 摘 要: 除了理论方法,流体机械课程也要求有良好的实践和实验室的练习,在课程结束后,学生应全面了解实践的好处和其中可能出现的问题。以水泵为研究对象,设计了演示教学试验台,这使得把以下知识演示和教育给学生成为可能: 伯努利方程、叶轮机械的欧拉方程、水力损失、文丘里流量计—几何和测量、空化和漩涡流现象,以及执行 ISO 9906国际标准的水泵测试、水泵控制和能源效率问题,确定水力系统特性,用体积法校准文丘里流量计。将引导学生如何选择和连接压力变送器,以及如何校准这些仪器,如何应用和升级已开发的 LabVIEW 应用程序。此外,许多安装的部件是透明的,如入口和压力侧的管道、文丘里流量计、主要校准槽以及水泵蜗壳。通过下面试验台的实验,可以激发学生撰写电子技术报告的积极性。另外,在软件 LabVIEW 设计中,还介绍了在并联和串联模式下水泵测试的虚拟实验。图 17 幅。7dO压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
引 言
水泵是非常常用的机器之一,因此其本身特别值得注意,在流体力学课程以及更为具体的工程科目中常被进行研究。在塞尔维亚贝尔格莱德大学机械工程水力机械和能源系统部门,设计及制造了小型展示型的教育装置,目的是为了展示许多理论应用的问题,如伯努利方程和用于涡轮机械的欧拉方程,以及让学生学习并理解空化和漩涡流的流体流动现象。在另一方面,可让学生找出关于此工程的问题,如水泵测试、水力系统的特性、泵的能效、文丘里仪表的校准等。因为许多安装的组件都是透明的,所以流体的流动始终都是可见的。压力变送器的校准功能内置集成在 LabVIEW 中,学生在实验室中进行实验,然后画出图表和写出电子报告。除了这些真实的实验之外,两个虚拟实验也可以在串联和并联模式下进行2台水泵运行的演示,水泵特性曲线还可以通过水泵的转速变化来改变。这种类型的调节可以与节流阀的调节相比较,学生可以测量水泵特性并观察每个水管中的流量。
 
1 教育演示装置
1. 1 试验台
根据 ISO 9906 标准的测量程序,去建立具有教育示范意义测定水泵特性曲线的装置 [5] 。在图 1中展示的是各种水泵控制的可能性 (见图 1)。格兰富的水泵型号为 UPE 50—120 F,直列式,是系统的心脏 (见图 2)。透明的外壳替换了原来的外壳,该外壳带有轴向入口和径向出口,流动方向在图 2 中用箭头指出。在此实验装置中可以应用两个控制模式 (比例或压力常数),但是在这些应用中,水泵转速的调节可以直接在水泵上通过手动调节或通过 R—100 型的红外遥控器调节。
初期的教学试验台
图 1 初期的教学试验台
1_ 具有透明外壳的水泵; 2_ 弯管; 3_ 透明水管;4_ 透明文丘里流量计; 5 和 6_ 用于排空上水池的阀门;7_ 用于校准上水池的刻度; V. 10_ 吸入阀; 11_ 吸入管;12_ 下水池 (容量为 250 L); 13_ T 型接头; V. 20_ 阀门;21_ 用于补充上水池水量的水管; 22_ 喷嘴; 23_ 上水池(容量为 55 L); V. 30_ 阀门; 31_ 连接到下水池的水管。
 
图 3 所示 8 和 9 的装置是 TPd—101 型差压变送器 (见图 3),由贝尔格莱德大学微电子技术学院化学技术和冶金研究所制造。该实验装置的测量量程是 0~3 Pa,电源输入范围是 14~26 VDC,输出电流为 4~20 mA,并在 LabVIEW 应用中引入了标定曲线。如图 4 所示的真空表是内置在位置 10,该真空表也是由同一厂家生产的 (见图 4)。
 
1. 2 试验台功能
在试验台上,可以演示以下实验室练习:
+如图 3 所示用体积法校准文丘里流量计(需要关闭图 1 中的阀门 V. 30)。
+需按照 ISO 9906 的标准测定水泵的 Q—H 曲线以及水泵的单机功率和效率 [5] 。
+水泵的空化测试。
+在图 3 中水泵是在指定的地面高度上输送水(H geo 是常数)。在这种情况下,阀门 V. 30 关闭。
+水泵在主水池和下水池之间循环输水,此时H geo 等于零 (见图 4)。
+带旁路的泵调节,在这种情况下,泵压力侧的管道是并联的,调节由阀门 V. 30 执行。
+能效问题: 水泵调节与节流阀、水泵转速和旁路的比较试验。
水泵系统指定的地面高度上输送水
为了更形象展示压力变送器的物理特性,以及对压力值和压力差的理解,在图中的所有压力变送器用 U 形管表示。
 
注: 在图 1 和图 2 中试验台装置的编号与图 3 和图 4中的装置一一对应。在图 4 中,在水泵的吸入侧有一个用于真空测定的压力变送器。
水只作循环
注: 在图 1 和图 2 中试验台装置的编号与图 3 和图 4中的装置一一对应。在图 4 中,在水泵的吸入侧有一个用于真空测定的压力变送器。
学生首先通过学习以下步骤学会如何启动和停止离心泵:
+检查水泵是否装满了水。
+如果没有,打开如图 1 所示白色指引线 2 上T 型管的盖子。
+关闭图 1 上所示的 3 个阀门,它们分别是V. 10、V. 20 和 V. 30。
+装满大约 3. 5 L 的水。
+关闭如图 1 所示白色指引线 2 上 T 型接头上的盖子。
+启动泵。
+打开泵吸入侧的阀门 V. 10。
+慢慢打开阀门 V. 20 和/或 V. 30。关闭流程是:
+关闭阀门 V. 20 和/或 V. 30。注意: 所有水泵压力侧的阀门都应关闭。
+关闭阀门 V. 10。
+关闭水泵。
 
如图 1 和图 3 所示,水泵从下水池 (12) 中抽水,水经过阀门 V. 10 进入吸入管 (11),再通过 T 型管 (2) 流到管道 (3) 以及文丘里流量计(4),在阀门 V. 20 和 V. 30 打开的情况下,流到上下水池 (23) (12)。
 
1. 3 文丘里流量计校准
如图 1 中数字标号为 4 的文丘里流量计是内置在试验台中,因为该流量计没有标准的几何形状,所以需要校准。这个校准需要在试验台上通过关闭阀门 V. 30 同时调整水泵的转速进行 (见图 3)。通过对上水池 23 中精确测量的流量比较来校准文丘里流量计,该测量的流量与压力变送器 8 传来的信号是成比例的 (见图 3)。
 
对上水池中测量的流量公式定义是:
Q= ΔV/Δt(1)
式中,Δt 为测量的时间间隔,ΔV 为水的填充体积。在测量之前,上水池 (23) 已由量筒进行校准,其结果如下:
 
ΔV=0. 120 05·ΔH (2)
式中,ΔH 是在水库水位表上连续两次测量的读数之差。把这种方式获得的流量读数与连接到文丘里流量计的压力变送器上的读数进行比较,就能确定其校准系数。这需要在流量相同的情况下反复重复该实验,随后用泵频率调节器调节附加流量,取所有值的平均值为非常终的校准系数。
 
文丘里流量计校准是需要在打开阀门 V. 10、V. 20 和关闭阀门 V. 30 的状态下进行。已知上水池也就是校准池的容量 (23,图 1),它与上水箱(2) 中的水位计有关。学生在测量时间的同时需要在上水箱中读取水位,流量是通过测得的体积除以测量的时间求得 (1)。
 
调节各种变化的水流,用文丘里流量计上的差压变送器 (4) 测量压降。在此基础上,计算文丘里流量计系数,并准备好进行测量。
 
1. 4 在实验中测定水泵特性曲线
关闭阀门 V. 20 和 V. 30 (图 4)。首先,调节水泵转速,因为 2 个阀门都关闭了,所以流量为零。水泵扬程 (H) 的定义如下:
20200306115712.jpg
式中,p 是平均压力,c 是平均速度,Z 是截面中心的测量高度,ρ 是流体密度,g 是重力加速度,Ⅰ和Ⅱ分别表示水泵的进口和出口的测量截面。测量截面的标准在 ISO 9906 进行了定义,它是用差压变送器 9 来测量的 (图 4)。用下列方
式计算平均速度:
QQ截图20200306115732.jpg
式中,A i 是管道内部横截面的面积 ( A i =D 2i π/4,其中 D i是管道内部截面的直径,D I =56. 2 mm和 D II =30 mm) ,在公式中 i= Ⅰ,Ⅱ。测量的高度差保持常数,用公式 ΔZ=Z II-ZI 来表示。
 
通过文丘里流量计测量 (如通过差压变送器 8) 流量 (图 4)。用电功率表测量电动机的功率 (P)。在测出上面所有这些数据之后,水泵效率 (η) 可以用如下公式计算得出:
20200306115735.jpg
慢慢打开阀门 V. 30 直到完全打开。至此,可以得到在该转速下的水泵特性曲线。按上面步骤,也可以测得在其他转速下的水泵特性曲线。图 5 中展示的是贝尔格莱德大学做实验时,在非常大和非常小转速下获得的水泵特性曲线 (见图 5)。
实验得到的非常大和非常小转速下泵的特性曲线
根据图 6 可以得出明显的结论 (见图 6),水泵特性曲线只能在较小流量中得到测试。这需要去升级并改进试验台,图 6 给出的是水泵特性曲线。因此,一个完整的水泵特性曲线是通过将阀门V. 30 从完全关闭到慢慢完全打开来测得的,并按照 ISO 9906 规定的标准进行。在此之后,学生可以降低或增加水泵的转速,并观察该水泵的另一种特性曲线。
在现有试验台上得到的泵的特性曲线
1. 5 系统特性曲线的实验测定
         如图 4 所示,系统特性曲线的测定可以在该试验台的配置中测得。此时,阀门 V. 20 是完全关闭的,阀门 V. 30 开始时是完全打开的。该曲线可以通过改变水泵的转速来测定。关闭阀门 V. 30 并改变水泵的转速将得到另一种管道的水力曲线。学生还可以通过同时打开阀门 V. 20 和 V. 30 来观察复杂的水力系统 (平行工作管道)。水泵的工况点已经改变,通过改变水泵转速来演示改变水管 21 的流动方向 (对上水箱、无流量和 T 接头),从而在T 接头 (13,图 1) 上产生不同的能量。
 
1.6、3%净的正吸出高度 (NPSH3) 的实验测定
         净的正吸出高度是指吸出高度和液体水汽高度之差。净的正吸出高度 (NPSHR) 是由水泵制造商提供的非常小净的正吸出高度,用于在规定的水泵参数下达到指定的性能。3%净的正吸出高度(NPSH3) 是指总水头因空化而下降 3%,这是通过水的测试来决定的,在该测试中下水池是敞开的。水泵特性曲线 H=f (Q) 是由之前所描述的方式测定的。图 4 中的试验台测量程序如下:
+将水泵的转数调整到指定值。
+用之前说明的方法确定水泵特性曲线。
+阀门 V. 30 处于恒定位置,在此期间打开阀门 V. 10。
+所有的 3 个压力是由如图 4 压力变送器 8、9、10 测量的,而在每个 V. 10 位置可以计算得到流量 Q 和扬程 H。
+测定新的水泵特性曲线。
+注意流量,它对应的扬程比非空化区的流量低 3%。
+如下是根据 Q 3 计算 3% 净的正吸出高度(NPSH3):
20200306115829.jpg
式中,P D 是水汽的压力。
+针对阀门 V. 30 新位置重复整个实验过程。
+测定曲线 NPSH3=f (Q)。
第二种方法,采取与上述阀门 V. 10 和 V. 30
相反的动作,即改变阀门 V. 30 把手的开关角度,使阀门 V. 10 处于恒定位置。
同一试验台也可用于测定初始的净的正吸出高度 NPSH (NPSH ini )。该试验台的透明部分可以观察到第一次空化气泡,流程如下:
+将水泵的转数调整到指定值。
+阀门 V. 30 处于恒定位置,同时缓慢关闭阀门 V. 10。
+当第一次空化气泡产生时,读取压力变送器8 和 10 (图 4) 的数值。
+根据实验测量的数据,用如下的公式计算初始的净的正吸出高度:
 

20200306115859.jpg7dO压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
第二种测定 NPSH ini 的方法如下:
+将水泵的转数调整到指定值。
+在空化气泡出现的时候,让阀门 V. 10 处于恒定的位置,保持阀门 V. 30 处于打开状态。
+关闭阀门 V. 30,直到所有气泡消失。
+根据压力变送器 8 和 10 上的测量压力 (图4),用公式 (7) 计算 NPSH ini 的值。
+把阀门 V. 10 转到新的位置并重复以上流程。
+获得曲线 NPSH ini =f (Q)。
 
产生的空化气泡表示,在透明压力管中水泵叶轮后面有湍流的漩涡流。这是一个非常重要的现象,这种现象不仅在水力机械中发生,而且也发生在许多其他的能量、过程系统以及自然界中,它与水力机械的欧拉方程以及整个液压系统的能量效率密切相关。
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