基于水泵性能測試與數(shù)據(jù)處理的探討

□白新華

雖然水泵的結(jié)構(gòu)十分簡單，但是當(dāng)液體在泵中流動時(shí)，運(yùn)動方式卻非常復(fù)雜，所以有人形容泵是最簡單同時(shí)又是最復(fù)雜的機(jī)械。到現(xiàn)在為止，泵的特性的精確確定仍不能完全由理論計(jì)算來進(jìn)行，而需要利用實(shí)驗(yàn)的手段來求得，所以對泵測試技術(shù)的深入研究就顯得非常重要。

一、泵試驗(yàn)系統(tǒng)的組成

通常泵試驗(yàn)系統(tǒng)是由三大部分組成的，即試驗(yàn)管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及測量系統(tǒng)。

試驗(yàn)管路系統(tǒng)由管道及管件、穩(wěn)定裝置、汽蝕筒、閥門、水池等部分構(gòu)成，利用設(shè)計(jì)原理和安裝方式確保通過相關(guān)測量斷面的液流具有以下三種性質(zhì)：軸對稱性、等靜壓分布性、沒有由于無裝置而引起的旋渦。

控制系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、管路切換、起動控制以及管路閥門的調(diào)節(jié)控制等部分組成?？刂葡到y(tǒng)的主要作用：給試驗(yàn)泵的電機(jī)以及多條管路的電動閥門提供閥門開度、管路選擇、閥門到位等控制。

泵試驗(yàn)的測量系統(tǒng)則是試驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的組成部分，測量系統(tǒng)規(guī)定了對試驗(yàn)泵進(jìn)行參數(shù)測量時(shí)要用到的儀表儀器，這些儀表儀器主要是為了測量流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、軸功率等相關(guān)數(shù)據(jù)，我國泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3216采用的是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO2548，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了泵試驗(yàn)系統(tǒng)中測量儀表所允許的系統(tǒng)誤差以及最大總誤差，分別如表1、表2所示。

表l 測量儀表所允許系統(tǒng)誤差

表2 測量儀表所允許的最大總誤差

二、水泵性能的測試

正如前面所述，水泵的測量系統(tǒng)通常包括各個(gè)測試參數(shù)的測量傳感裝置、信號變換裝置以及數(shù)據(jù)采集、處理裝置等，所產(chǎn)生的誤差主要來自三個(gè)方面，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差以及過失誤差。

因?yàn)閮x表構(gòu)造精度以及環(huán)境條件的改變而產(chǎn)生的誤差叫做系統(tǒng)誤差，對同一參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測量的過程中，系統(tǒng)誤差的大小和符號幾乎是不變的，這樣就可以利用原位校正來降低甚至消除系統(tǒng)誤差。

因?yàn)橐恍┨厥獾牟缓每刂频呐既灰蛩禺a(chǎn)生的誤差叫做隨機(jī)誤差，雖然測量值的變化沒有一定的規(guī)律，但是當(dāng)精度一定時(shí)，對參數(shù)進(jìn)行多次重復(fù)測量時(shí)隨機(jī)誤差通常從正態(tài)分布規(guī)律。隨機(jī)誤差的絕對值不會超過一定的界限，而且隨著重復(fù)次數(shù)的增加隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值將逐漸趨向于零，如果使用計(jì)算機(jī)，可以利用增加重復(fù)測量的次數(shù)，來減小隨機(jī)誤差的大小。

因?yàn)槿藶樵蚨a(chǎn)生的測量誤差叫做過失誤差。在人工測量的條件下，過失誤差是很難避免的，如果是利用計(jì)算機(jī)采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過失誤差可以利用萊以特準(zhǔn)則、Roman Malinowski準(zhǔn)則、Grubbs準(zhǔn)則等相關(guān)準(zhǔn)則進(jìn)行剔除。

根據(jù)上面的分析可以看出，測量過程中的過失誤差基本能夠忽略不計(jì)，隨機(jī)誤差可以通過多次測量來減小，而系統(tǒng)誤差是構(gòu)成測量誤差的重要部分。所以，在計(jì)算機(jī)輔助測試(CAT)中，如何降低系統(tǒng)誤差是提高測試精度的重點(diǎn)。

各測試參數(shù)的綜合精度可以通過泵效率測試誤差反映出來。泵效率測

試誤差的計(jì)算公式如下式：

式中：△η ——試驗(yàn)泵的效率測試誤差；

△θ——試驗(yàn)泵的流量測量系統(tǒng)誤差；

△H——試驗(yàn)泵的揚(yáng)程測量系統(tǒng)誤差，如對試驗(yàn)泵的進(jìn)出口的揚(yáng)程進(jìn)行分別測量，則：

△M——試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)矩測量系統(tǒng)誤差；

△n——試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)誤差。

在上面所列被測試的參量中，儀器儀表的精度和相應(yīng)的原位校正，根據(jù)達(dá)到高精度測量要求時(shí)投入的設(shè)備的費(fèi)用多少以及難易程度情況來排序，排在第一的是流量的測量和原位校正，排在第二的是轉(zhuǎn)矩的測量和原位校正，之后是揚(yáng)程的測量和原位校正，除了上述三個(gè)參數(shù)以外的測量,轉(zhuǎn)速、溫度等誤差是相對容易解決的。下面就對這些測量進(jìn)行分析。

(一)流量測量儀表及其原位校正

GB/T3214《水泵流量測定方法》推薦了適合水泵行業(yè)進(jìn)行流量測量的幾種方法，主要有下面五種：

1.節(jié)流式流量計(jì)：由節(jié)流裝置以及差壓計(jì)構(gòu)成。節(jié)流式流量計(jì)是利用流體經(jīng)過節(jié)流裝置的時(shí)候所造成的壓力差來進(jìn)行測量的，常見的節(jié)流裝置主要有孔板和噴嘴。

2.渦輪流量計(jì)：由渦輪變送器和顯示儀表構(gòu)成。

3.水堰：主要由堰板以及堰槽組成。

4.電磁流量計(jì)：主要由傳感器以及信號處理器構(gòu)成。

5.容積法和稱重法：這兩種方法通常應(yīng)用在測量精度高、流量小的情況下，主要是對某一時(shí)期的平均流量進(jìn)行測定，主要由容器和計(jì)時(shí)裝置所構(gòu)成。根據(jù)泵的A級規(guī)范，可以在試驗(yàn)室里完成高精度流量測量的主要方法見表3。

表3 高精度流量的主要測量方法

其他流量測量方法，如標(biāo)準(zhǔn)孔板等方法因?yàn)闇y量的精度低，一般在對精度要求較高的測量中不予考慮。在表3中的基本方法里，測量精度最高的方法是稱重法，但此法需要有大型容器。通常利用高精度天平來校正稱重容器，校正的時(shí)間一般是大于等于60s。稱重法適用于流量小于等于1.5L/s的流量測量試驗(yàn)。容積法通常也是利用高精度天平來校正的，校正的時(shí)間一般是大于等于60s，可用于對較大流量進(jìn)行測量。

基本方法通常用于原位校正。原位校正是指在試驗(yàn)現(xiàn)場安裝完測量儀表之后，用比它高一級精度的儀表進(jìn)行的校正。比如說，對葉片泵進(jìn)行能量特性試驗(yàn)，一條能量特性曲線通常應(yīng)測試13～15個(gè)測試點(diǎn)，而且應(yīng)該在一次試驗(yàn)中完成。但是基本試驗(yàn)方法測量每一個(gè)測試點(diǎn)的時(shí)間比較長，故通常在高精度A級試驗(yàn)的時(shí)候，能夠事先利用基本方法原位校正的流量計(jì)對流量進(jìn)行測量，這樣測量的系統(tǒng)誤差大約在0.3～1%的范圍內(nèi)。

在泵試驗(yàn)過程中，流量測量時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差是試驗(yàn)誤差的主要組成部分。要提高測試的精度就要大大降低系統(tǒng)誤差，而利用分段原位校正流量計(jì)的方法可提高測試精度。

當(dāng)進(jìn)行壓力測量時(shí)，水泵行業(yè)往往采用下面幾種測量儀表：液柱式壓力計(jì)、壓力傳感器、電氣壓力表、彈性壓力表、活塞壓力計(jì)。

通常采用的精度比較高的壓力信號傳感器，它的系統(tǒng)誤差大約保持在±0.1～0.2%的范圍內(nèi)。

如果利用0.02級的高精度活塞計(jì)以及真空計(jì)進(jìn)行壓力信號傳感器的原位校正，能夠更大程度地降低系統(tǒng)誤差進(jìn)行原位校正的時(shí)候，把傳感器與活塞壓力計(jì)連接在一起，慢慢進(jìn)行加碼或者慢慢進(jìn)行減碼，通過打印機(jī)打印測量結(jié)果。詳細(xì)的操作方法如下：

第一步要求出壓力傳感器在不加碼時(shí)的零點(diǎn)值，這個(gè)值就是微機(jī)的讀數(shù)值；第二步是求出各個(gè)測量點(diǎn)的脈沖壓力當(dāng)量的平均值。

實(shí)測值= (微機(jī)讀數(shù)-零點(diǎn)值)×校正系數(shù)，絕對誤差=實(shí)測值-活塞壓力計(jì)的祛碼值。

上面的計(jì)算方法可以通過計(jì)算機(jī)編程來完成。

(二)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量儀表及其原位校正

對轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量的主要目的就是為了計(jì)算軸功率，必須測定同步的轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速。

測量轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速的儀器儀表種類很多，現(xiàn)在比較常用的是JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。JC型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的精度為±0.5%～1%，轉(zhuǎn)速測量的精度為±0.1%。從這兩個(gè)數(shù)據(jù)可以看出，該儀表不適合用在對精度要求比較高的測量試驗(yàn)中。

三、測試數(shù)據(jù)的后期處理

測量儀表輸出的電信號通常是數(shù)字量信號或者模擬量信號。測試儀器儀表通常輸出的都是數(shù)字量信號，計(jì)算機(jī)能夠利用并行接口來接受數(shù)據(jù)，所以不存在沒有數(shù)據(jù)時(shí)的轉(zhuǎn)換誤差。

電磁流量計(jì)以及壓力信號傳感器等測試儀器儀表通常輸出的都是模擬量信號，需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換之后才可以被計(jì)算機(jī)采集分析。數(shù)模轉(zhuǎn)換通常采用8位，分辨率一般是0.003921，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±4.5%；有的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用12位，分辨率為0.0002442，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.3%，這兩種方法都不適合應(yīng)用在高精度測試中?，F(xiàn)在數(shù)模轉(zhuǎn)換采用的分辨率為0.00001525，轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到±0.02%，這樣就可以忽略其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化誤差。

根據(jù)上面介紹，如果利用現(xiàn)在高精度的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速等測量儀器儀表，對這些儀器儀表原位校正之后，利用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的采集與分析，得出測試系統(tǒng)誤差分別為：流量ΔQ=±0.18%，揚(yáng)程

所以，利用現(xiàn)代高精度測量儀器儀表，泵效率的測試誤差大約在±0.3%～0.5%。

五、結(jié)論

本文通過對水泵性能測試以及后期數(shù)據(jù)處理的探討，提出了流量測量儀表及其原位校正、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量儀表及其原位校正兩種性能的測試方法，對實(shí)際應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義。