專利名稱:高性能風速檢測系統的制作方法
【專利摘要】高性能風速檢測系統屬于流量計量【技術領域】，系統可以產生寬范圍、高穩定性和均勻性的流場，用于多種風速測量儀表的快速準確檢測。本實用新型提供一種便于對風速測量儀表進行檢測和實驗的高性能風速檢測系統。本實用新型包括入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段、試驗段，其結構要點入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段依次首尾相連呈下長邊中部開口的長方形，長方形下長邊開口處為試驗段，入口段、縮流段分別置于長方形下長邊開口的兩側，第一拐角段、第二拐角段分別置于所述長方形兩側短邊上。
【專利說明】高性能風速檢測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于流量計量【技術領域】，系統可以產生寬范圍、高穩定性和均勻性的流場，用于多種風速測量儀表的快速準確檢測。
【背景技術】
[0002]國際上在大氣環境監測(如生產企業有害煙氣量排放的測量)，室內通風環境空氣質量的檢測(如大型建筑中央空調通風換氣能力的測量)，安全生產(如煤礦通風換氣能力的測量)，氣象預報等行業領域中大量廣泛使用著空氣流速測量儀器。此外，空氣流速不僅是航空航天、精密測量等前沿科研領域所必需解決的測量問題，也是體育運動場館，如奧運會運動場館達標的指標之一。因此，空氣流速測量與國防科研、環境保護、人民生活都有著緊--?聯系。
[0003]隨著風速測量儀表的快速發展，其種類多樣化、測量準確度顯著提高，而大量風速儀表的檢測工作依靠傳統的測風裝置，已經遠不能達到要求，很多高準確度的風速計對風場的各項技術指標要求都很高。國際上風洞的發展非常早，英、德、法、美、日等國家多采用以LDA為風速標準，其測量擴展不確定度(知2)從0.1%?2.5%不等。雖然以LDA為標準的風速檢測裝置風速測量不確定度較小，但LDA的價格及其昂貴，系統的穩定時間長，檢測時參數設置繁瑣，標準器對中要求嚴苛，檢測結果受溫度、煙氣發生質量、被檢儀器固定位置等眾多因素影響，發出的煙氣還容易污染被檢的風速儀。國內計量技術機構的的很多風速檢測裝置結構簡單，流場整定效果差，控制部分很簡易，變頻調速方式大都采用落后的電位器調節方式，風場的穩定性不高，均勻性較差，量程范圍較窄，通常其流場均勻性在1.5%左右，流場穩定性在0.5%左右，量程比小于1:70。風場穩定時間較長，裝置的整體性能不高，嚴重制約了風速儀表檢測和科研工作的發展。
【發明內容】
[0004]本實用新型就是針對上述問題，提供一種便于對風速測量儀表進行檢測和實驗的高性能風速檢測系統。
[0005]為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案，本實用新型包括入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段、試驗段，其結構要點入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段依次首尾相連呈下長邊中部開口的長方形，長方形下長邊開口處為試驗段，入口段、縮流段分別置于長方形下長邊開口的兩側，第一拐角段、第二拐角段分別置于所述長方形兩側短邊上(所述入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段均采用筒體結構)。
[0006]作為另一種優選方案，本實用新型所述風扇段內設置有風機，風機軸與直流電機輸出軸相連，直流電機控制信號輸入端口與變頻調速器的控制信號輸出端口相連，變頻調速器的控制信號輸入端口與程控器的控制信號輸出端口相連，程控器的控制信號輸入端口與工業控制機的控制信號輸出端口相連；所述直流電機的軸段設置有旋轉編碼器，旋轉編碼器的信號輸出端口與工業控制機的信號輸入端口相連；所述縮流段出口處設置有標準風速儀，標準風速儀的信號輸出端口與工業控制機的信號輸入端口相連。
[0007]作為另一種優選方案，本實用新型所述風機的葉片采用鋁合金葉片，風機的葉片和輪緣采用數控一次成型結構；所述縮流段采用雙三次曲線結構；所述穩流段采用六邊形蜂窩發生器裝置。
[0008]作為另一種優選方案，本實用新型還包括手持控制器，手持控制器上設置有所述風機的風速設定按鈕，控制器的信號傳輸端口通過485串口與所述工業控制機的信號傳輸端口相連。
[0009]作為另一種優選方案，本實用新型所述工業控制機的信號輸入端口與信號采集模塊的信號輸出端口相連，信號采集模塊的信號輸入端口分別與壓力變送器的信號輸出端口、溫濕度變送器的信號輸出端口、標準皮托管處壓差檢測壓差變送器的信號輸出端口、喇叭口調整板處溫度檢測溫度變送器的信號輸出端口相連，標準皮托管設置在所述縮流段出口處，調整板設置在入口段(溫度、壓力、濕度變送器可以自動進行風速修正，標準風速通過標準風速計或標準皮托管得到)。
[0010]其次，本實用新型所述風扇段與過渡段通過非金屬減震筒連接，減震筒兩端分別通過密封卡帶與風扇段、過渡段非剛性連接。
[0011]另外，本實用新型所述第二拐角段設置有氣流導向板。
[0012]本實用新型有益效果。
[0013]本實用新型采用環路方式，使風扇產生的不穩定流場經過過渡段、擴散段、拐角段、整流段、穩定段、縮流段的整理，形成均勻穩定的流場，在試驗段可以進行各類風速測量儀表的檢測和實驗。
[0014]經中國計量科學研宄院檢測裝置的測量范圍達到0.2m/s?50m/s，裝置的流場均勾性優于0.37% ;流場穩定性優于0.10% ;流場紊流度優于0.68%ο多項技術指標優于國內外技術機構同類裝置的技術水平。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步說明。本實用新型保護范圍不僅局限于以下內容的表述。
[0016]圖1是本實用新型結構示意圖。
[0017]圖2是本實用新型轉速調節控制框圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖所示，本實用新型包括直流電機、風機、過渡段、擴散段、拐角段、整流段、穩定段、縮流段、試驗段、入口段。系統可采用雙閉環控制和分離型PID組合的方式進行控制，雙閉環調速系統的內環是電流控制環，外環是速度控制環，直流電機軸段加裝旋轉編碼器作為速度控制環的反饋。每一個環都含有一個調節器，可以實現直流電動機的調壓調速和調磁調速，能夠增加直流電動機的調速范圍，改善電動機的低速特性。這種控制方式下，風速的控制是通過對風機轉速的控制來實現的。風速控制系統采用前饋-反饋控制系統。前饋控制是指利用預先植入工業控制機系統的風機轉速-風速的數學模型控制轉速，控制曲線采用大量實際實驗擬合轉速和風速的曲線，通常情況下可直接達到所設定的風速，如果未達到風速要求，則反饋進行控制，對轉速進行調整，調整的幅度由當前風速與設定風速之差決定，一般情況下，至多進行一次調整就可達到所設定的風速。
[0019]當風速的控制要求較高，如風速誤差小于0.2m/s時，采用雙閉環和分離型PID控制方式進行控制，由于風速控制是靠控制電機轉速實現的，不同于溫度控制，電機不能一下達到目標轉速，會對電機有非常大的損傷，所以采用兩種控制方法結合進行控制。系統軟件預先設定有閾值，在達到閾值之前，控制系統采用雙閉環控制方式達到設定閾值的風速，這時系統采用內置的通過實驗擬合得到的轉速風速調節曲線進行調速，當風速大于閾值后分離型PID控制方式介入進行風速控制，PID控制方式采用比例積分和微分進行參數設定。
[0020]采用標準風速儀和標準皮托管的雙標準器方式，實現了超寬的風速測量范圍，達到了普通兩個風洞才能達到的風速范圍，風速量程比達到了 1:250。系統將高剛性鋁合金葉片應用于風扇段，葉片和輪緣均為數控加工一次成型，保證了葉片安裝的準確性，實現了低轉速高流速的技術特性。縮流段采用雙三次曲線(現有結構)綜合性能最優，能夠很好地保證試驗段核心區域氣流的穩定和均勻。穩流段采用六邊形蜂窩發生器裝置，兼顧流場穩定性和壓力損失。系統配備手動、自動兩種控制方式，手動通過手持控制器來進行控制，控制器上設置有風速設定按鈕，通過485與工業控制機通訊，按鈕按下的指令直接傳給工業控制機，工業控制機根據指令驅動電機調速。自動為預先設定所需風速點，檢測開始后工業控制機自動運行并采集數據，當前風速檢測完畢后，進行下一點的檢測；既可以通過工業控制機直接控制，也可以通過手持式控制器進行控制。控制系統可設置自動采集數據、遠程攝像讀取直讀儀表顯示數據、自動計算數據、數據庫管理部分，可極大提高檢測效率；同時具有監視設備的運行狀態故障提示功能。
[0021]工業控制機通過程序控制器用485通訊方式與控制柜內的變頻調速器進行通訊，控制變頻調速器來驅動直流電機，直流電機帶動風扇轉動產生風，風扇段與主體通過減震筒連接，減震筒由非金屬材料制成，用于風扇段和裝置過渡段的連接，由于不是采用剛性連接，通過密封卡帶將兩個部分連接在一起，可以降低振動對裝置本體的影響。風通過過渡段進行流場漸擴，通過擴散段把氣體的動能轉換為壓力能，以減少風洞能量損失，經過拐角段的氣流導向板(現有產品)防止氣流分離，改善氣流流動，減少氣流損失，大大降低了氣流改變方向帶來的各種不良影響。當氣流通過拐角處的時候會產生渦流，在拐角處設置導向板，可以很好地減少或避免產生渦流，然后流場經過穩定段的蜂窩器將氣流導直，使其平行于風道軸線，把氣流中的大旋渦切割成小旋渦，加速旋渦的衰減，最后經過縮流段使氣流均勻加速收縮，同時能夠降低氣流的縱向和橫向湍流度，使得流場穩定均勻，附面層(接近裝置內壁的部分)盡可能薄且不發生分離，在試驗段就可以進行各類風速儀表的檢測。風通過試驗段后繼續進行循環，通過入口段和擴散段進行整理，流經拐角段重新進入風扇段，推動風機繼續運行。
[0022]本實用新型系統的轉速調節方式可為雙閉環調速和分離型PID結合的雙控制方式，具體風速控制方式為；由工業控制機發出指令至變頻調速系統，變頻調速器控制風機開始運行，逐步達到所要求的風速值，電機配有編碼器用于監視風機的轉速，并將其反饋給工業控制機，并比較實際轉速與設定轉速的偏差，有偏差則進行調整，同時標準風速儀將標準風速也反饋給工業控制機，用于監視實際風速值與設定風速值的偏差，如果有偏差則進行調整。調整的轉速方式為兩種，一種為雙閉環方式，用于風速設定偏差較大的情況下，這種方式是依據預先設定的風速轉速控制曲線進行雙閉環調節，設定風速通過控制曲線函數進行計算得到轉速值，變頻調速器調節電機達到設定轉速值，并計算風速值偏差，如有偏差反饋給工業控制機進行再調節。另一種方式是采用分離型PID調節方式，用于風速設定偏差較小的情況下，調節前需要設定閾值參數以及PID參數，調節時在設定閾值以下用轉速風速控制曲線(通過大量數據并用最小二乘法擬合的曲線，根據要求擬合曲線的過程是本領域技術人員經常性工作)進行雙閉環調節，達到閾值以后采用PID進行調節，這種控制方式調速較快，準確性較高。
[0023]可以理解的是，以上關于本實用新型的具體描述，僅用于說明本實用新型而并非受限于本實用新型實施例所描述的技術方案，本領域的普通技術人員應當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或等同替換，以達到相同的技術效果；只要滿足使用需要，都在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.高性能風速檢測系統，包括入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段、試驗段，其特征在于入口段、第一擴散段、第一拐角段、風扇段、過渡段、第二擴散段、第二拐角段、整流段、穩定段、縮流段依次首尾相連呈下長邊中部開口的長方形，長方形下長邊開口處為試驗段，入口段、縮流段分別置于長方形下長邊開口的兩側，第一拐角段、第二拐角段分別置于所述長方形兩側短邊上。2.根據權利要求1所述高性能風速檢測系統，其特征在于所述風扇段內設置有風機，風機軸與直流電機輸出軸相連，直流電機控制信號輸入端口與變頻調速器的控制信號輸出端口相連，變頻調速器的控制信號輸入端口與程控器的控制信號輸出端口相連，程控器的控制信號輸入端口與工業控制機的控制信號輸出端口相連；所述直流電機的軸段設置有旋轉編碼器，旋轉編碼器的信號輸出端口與工業控制機的信號輸入端口相連；所述縮流段出口處設置有標準風速儀，標準風速儀的信號輸出端口與工業控制機的信號輸入端口相連。3.根據權利要求2所述高性能風速檢測系統，其特征在于所述風機的葉片采用鋁合金葉片，風機的葉片和輪緣采用數控一次成型結構；所述縮流段采用雙三次曲線結構；所述穩定段采用六邊形蜂窩發生器裝置。4.根據權利要求2所述高性能風速檢測系統，其特征在于還包括手持控制器，手持控制器上設置有所述風機的風速設定按鈕，控制器的信號傳輸端口通過485串口與所述工業控制機的信號傳輸端口相連。5.根據權利要求2所述高性能風速檢測系統，其特征在于所述工業控制機的信號輸入端口與信號采集模塊的信號輸出端口相連，信號采集模塊的信號輸入端口分別與壓力變送器的信號輸出端口、溫濕度變送器的信號輸出端口、標準皮托管處壓差檢測壓差變送器的信號輸出端口、喇叭口調整板處溫度檢測溫度變送器的信號輸出端口相連，標準皮托管設置在所述縮流段出口處，調整板設置在入口段。6.根據權利要求1所述高性能風速檢測系統，其特征在于所述風扇段與過渡段通過非金屬減震筒連接，減震筒兩端分別通過密封卡帶與風扇段、過渡段非剛性連接。7.根據權利要求1所述高性能風速檢測系統，其特征在于所述第二拐角段設置有氣流導向板。
【文檔編號】G01P21-02GK204269680SQ201420587110
【發明者】王振, 陸科, 王俊, 李宏偉, 劉洋, 韓聰, 李濤 [申請人]遼寧省計量科學研究院