CN105572422B - 高性能风速检测系统 - Google Patents

Abstract

高性能风速检测系统属于流量计量技术领域，系统可以产生宽范围、高稳定性和均匀性的流场，用于多种风速测量仪表的快速准确检测。本发明提供一种便于对风速测量仪表进行检测和实验的高性能风速检测系统。本发明包括入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段、试验段，其结构要点入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段依次首尾相连呈下长边中部开口的长方形，长方形下长边开口处为试验段，入口段、缩流段分别置于长方形下长边开口的两侧，第一拐角段、第二拐角段分别置于所述长方形两侧短边上。

Description

高性能风速检测系统

技术领域

本发明属于流量计量技术领域，系统可以产生宽范围、高稳定性和均匀性的流场，用于多种风速测量仪表的快速准确检测。

背景技术

国际上在大气环境监测（如生产企业有害烟气量排放的测量），室内通风环境空气质量的检测（如大型建筑中央空调通风换气能力的测量），安全生产（如煤矿通风换气能力的测量），气象预报等行业领域中大量广泛使用着空气流速测量仪器。此外，空气流速不仅是航空航天、精密测量等前沿科研领域所必需解决的测量问题，也是体育运动场馆，如奥运会运动场馆达标的指标之一。因此，空气流速测量与国防科研、环境保护、人民生活都有着紧密联系。

随着风速测量仪表的快速发展，其种类多样化、测量准确度显著提高，而大量风速仪表的检测工作依靠传统的测风装置，已经远不能达到要求，很多高准确度的风速计对风场的各项技术指标要求都很高。国际上风洞的发展非常早，英、德、法、美、日等国家多采用以LDA为风速标准，其测量扩展不确定度（k=2）从0.1%～2.5%不等。虽然以LDA为标准的风速检测装置风速测量不确定度较小，但LDA的价格及其昂贵，系统的稳定时间长，检测时参数设置繁琐，标准器对中要求严苛，检测结果受温度、烟气发生质量、被检仪器固定位置等众多因素影响，发出的烟气还容易污染被检的风速仪。国内计量技术机构的的很多风速检测装置结构简单，流场整定效果差，控制部分很简易，变频调速方式大都采用落后的电位器调节方式，风场的稳定性不高，均匀性较差，量程范围较窄，通常其流场均匀性在1.5%左右，流场稳定性在0.5%左右，量程比小于1:70。风场稳定时间较长，装置的整体性能不高，严重制约了风速仪表检测和科研工作的发展。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种便于对风速测量仪表进行检测和实验的高性能风速检测系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段、试验段，其结构要点入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段依次首尾相连呈下长边中部开口的长方形，长方形下长边开口处为试验段，入口段、缩流段分别置于长方形下长边开口的两侧，第一拐角段、第二拐角段分别置于所述长方形两侧短边上（所述入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段均采用筒体结构）。

作为另一种优选方案，本发明所述风扇段内设置有风机，风机轴与直流电机输出轴相连，直流电机控制信号输入端口与变频调速器的控制信号输出端口相连，变频调速器的控制信号输入端口与程控器的控制信号输出端口相连，程控器的控制信号输入端口与工业控制机的控制信号输出端口相连；所述直流电机的轴段设置有旋转编码器，旋转编码器的信号输出端口与工业控制机的信号输入端口相连；所述缩流段出口处设置有标准风速仪，标准风速仪的信号输出端口与工业控制机的信号输入端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述风机的叶片采用铝合金叶片，风机的叶片和轮缘采用数控一次成型结构；所述缩流段采用双三次曲线结构；所述稳流段采用六边形蜂窝发生器装置。

作为另一种优选方案，本发明还包括手持控制器，手持控制器上设置有所述风机的风速设定按钮，控制器的信号传输端口通过485串口与所述工业控制机的信号传输端口相连。

作为另一种优选方案，本发明所述工业控制机的信号输入端口与信号采集模块的信号输出端口相连，信号采集模块的信号输入端口分别与压力变送器的信号输出端口、温湿度变送器的信号输出端口、标准皮托管处压差检测压差变送器的信号输出端口、喇叭口调整板处温度检测温度变送器的信号输出端口相连，标准皮托管设置在所述缩流段出口处，调整板设置在入口段（温度、压力、湿度变送器可以自动进行风速修正，标准风速通过标准风速计或标准皮托管得到）。

作为另一种优选方案，本发明所述风扇段与过渡段通过非金属减震筒连接，减震筒两端分别通过密封卡带与风扇段、过渡段非刚性连接。

作为另一种优选方案，本发明所述第二拐角段设置有气流导向板。

作为另一种优选方案，本发明所述工业控制机发出指令至变频调速器，变频调速器控制风机开始运行，逐步达到要求的风速值，电机的旋转编码器监视风机的转速，并将转速信号反馈给工业控制机，工业控制机比较实际转速与设定转速的偏差，有偏差则进行调整，同时标准风速仪将标准风速也反馈给工业控制机，用于监视实际风速值与设定风速值的偏差，如果有偏差则进行调整。

调整转速的方式为两种，一种为双闭环方式，用于风速设定偏差较大的情况下，这种方式是依据预先设定的风速转速控制曲线进行双闭环调节，设定风速通过控制曲线函数进行计算得到转速值，变频调速器调节电机达到设定转速值，并计算风速值偏差，如有偏差反馈给工业控制机进行再调节；另一种方式是采用分离型PID调节方式，用于风速设定偏差较小的情况下，调节前需要设定阈值参数以及PID参数，调节时在设定阈值以下用转速风速控制曲线进行双闭环调节，达到阈值以后采用PID进行调节（系统的调速采用双闭环和分离型PID两种控制方法结合，达到对气体流速的快速调节）。

其次，本发明所述控制曲线为通过测量数据用最小二乘法拟合的控制曲线。

另外，本发明所述双闭环方式的内环是电流控制环，外环是速度控制环；每一个环都含有一个调节器，对直流电机进行调压调速和调磁调速；风机的风速控制采用前馈-反馈控制；前馈控制利用预先植入工业控制机的风机转速-风速的数学模型控制转速，控制曲线采用实验拟合转速和风速的曲线；如果未达到风速要求，则反馈进行控制，对转速进行调整，调整的幅度由当前风速与设定风速之差决定；当风速大于阈值后，分离型PID调节方式采用比例积分和微分进行参数设定。

本发明有益效果。

本发明采用环路方式，使风扇产生的不稳定流场经过过渡段、扩散段、拐角段、整流段、稳定段、缩流段的整理，形成均匀稳定的流场，在试验段可以进行各类风速测量仪表的检测和实验。

经中国计量科学研究院检测装置的测量范围达到0.2m/s～50m/s，装置的流场均匀性优于0.37%；流场稳定性优于0.10%；流场紊流度优于0.68%。多项技术指标优于国内外技术机构同类装置的技术水平。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明转速调节控制框图。

具体实施方式

如图所示，本发明包括直流电机、风机、过渡段、扩散段、拐角段、整流段、稳定段、缩流段、试验段、入口段。系统采用双闭环控制和分离型PID组合的方式进行控制，双闭环调速系统的内环是电流控制环，外环是速度控制环，直流电机轴段加装旋转编码器作为速度控制环的反馈。每一个环都含有一个调节器，可以实现直流电动机的调压调速和调磁调速，能够增加直流电动机的调速范围，改善电动机的低速特性。这种控制方式下，风速的控制是通过对风机转速的控制来实现的。风速控制系统采用前馈-反馈控制系统。前馈控制是指利用预先植入工业控制机系统的风机转速-风速的数学模型控制转速，控制曲线采用大量实际实验拟合转速和风速的曲线，通常情况下可直接达到所设定的风速，如果未达到风速要求，则反馈进行控制，对转速进行调整，调整的幅度由当前风速与设定风速之差决定，一般情况下，至多进行一次调整就可达到所设定的风速。

当风速的控制要求较高，如风速误差小于0.2m/s时，采用双闭环和分离型PID控制方式进行控制，由于风速控制是靠控制电机转速实现的，不同于温度控制，电机不能一下达到目标转速，会对电机有非常大的损伤，所以采用两种控制方法结合进行控制。系统软件预先设定有阈值，在达到阈值之前，控制系统采用双闭环控制方式达到设定阈值的风速，这时系统采用内置的通过实验拟合得到的转速风速调节曲线进行调速，当风速大于阈值后分离型PID控制方式介入进行风速控制，PID控制方式采用比例积分和微分进行参数设定。

采用标准风速仪和标准皮托管的双标准器方式，实现了超宽的风速测量范围，达到了普通两个风洞才能达到的风速范围，风速量程比达到了1:250。系统将高刚性铝合金叶片应用于风扇段，叶片和轮缘均为数控加工一次成型，保证了叶片安装的准确性，实现了低转速高流速的技术特性。缩流段采用双三次曲线（现有结构）综合性能最优，能够很好地保证试验段核心区域气流的稳定和均匀。稳流段采用六边形蜂窝发生器装置，兼顾流场稳定性和压力损失。系统配备手动、自动两种控制方式，手动通过手持控制器来进行控制，控制器上设置有风速设定按钮，通过485与工业控制机通讯，按钮按下的指令直接传给工业控制机，工业控制机根据指令驱动电机调速。自动为预先设定所需风速点，检测开始后工业控制机自动运行并采集数据，当前风速检测完毕后，自动进行下一点的检测；既可以通过工业控制机直接控制，也可以通过手持式控制器进行控制。控制系统可设置自动采集数据、远程摄像读取直读仪表显示数据、自动计算数据、数据库管理部分，可极大提高检测效率；同时具有监视设备的运行状态故障提示功能。

工业控制机通过程序控制器用485通讯方式与控制柜内的变频调速器进行通讯，控制变频调速器来驱动直流电机，直流电机带动风扇转动产生风，风扇段与主体通过减震筒连接，减震筒由非金属材料制成，用于风扇段和装置过渡段的连接，由于不是采用刚性连接，通过密封卡带将两个部分连接在一起，可以降低振动对装置本体的影响。风通过过渡段进行流场渐扩，通过扩散段把气体的动能转换为压力能，以减少风洞能量损失，经过拐角段的气流导向板（现有产品）防止气流分离，改善气流流动，减少气流损失，大大降低了气流改变方向带来的各种不良影响。当气流通过拐角处的时候会产生涡流，在拐角处设置导向板，可以很好地减少或避免产生涡流，然后流场经过稳定段的蜂窝器将气流导直，使其平行于风道轴线，把气流中的大旋涡切割成小旋涡，加速旋涡的衰减，最后经过缩流段使气流均匀加速收缩，同时能够降低气流的纵向和横向湍流度，使得流场稳定均匀，附面层（接近装置内壁的部分）尽可能薄且不发生分离，在试验段就可以进行各类风速仪表的检测。风通过试验段后继续进行循环，通过入口段和扩散段进行整理，流经拐角段重新进入风扇段，推动风机继续运行。

本发明系统的转速调节方式为双闭环调速和分离型PID结合的双控制方式，具体风速控制方式为；由工业控制机发出指令至变频调速系统，变频调速器控制风机开始运行，逐步达到所要求的风速值，电机配有编码器用于监视风机的转速，并将其反馈给工业控制机，并比较实际转速与设定转速的偏差，有偏差则进行调整，同时标准风速仪将标准风速也反馈给工业控制机，用于监视实际风速值与设定风速值的偏差，如果有偏差则进行调整。调整的转速方式为两种，一种为双闭环方式，用于风速设定偏差较大的情况下，这种方式是依据预先设定的风速转速控制曲线进行双闭环调节，设定风速通过控制曲线函数进行计算得到转速值，变频调速器调节电机达到设定转速值，并计算风速值偏差，如有偏差反馈给工业控制机进行再调节。另一种方式是采用分离型PID调节方式，用于风速设定偏差较小的情况下，调节前需要设定阈值参数以及PID参数，调节时在设定阈值以下用转速风速控制曲线（通过大量数据并用最小二乘法拟合的曲线，根据要求拟合曲线的过程是本领域技术人员经常性工作）进行双闭环调节，达到阈值以后采用PID进行调节，这种控制方式调速较快，准确性较高。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.高性能风速检测系统，包括入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段、试验段，其特征在于入口段、第一扩散段、第一拐角段、风扇段、过渡段、第二扩散段、第二拐角段、整流段、稳定段、缩流段依次首尾相连呈下长边中部开口的长方形，长方形下长边开口处为试验段，入口段、缩流段分别置于长方形下长边开口的两侧，第一拐角段、第二拐角段分别置于所述长方形两侧短边上；

所述风扇段内设置有风机，风机轴与直流电机输出轴相连，直流电机控制信号输入端口与变频调速器的控制信号输出端口相连，变频调速器的控制信号输入端口与程控器的控制信号输出端口相连，程控器的控制信号输入端口与工业控制机的控制信号输出端口相连；所述直流电机的轴段设置有旋转编码器，旋转编码器的信号输出端口与工业控制机的信号输入端口相连；所述缩流段出口处设置有标准风速仪，标准风速仪的信号输出端口与工业控制机的信号输入端口相连；

所述工业控制机发出指令至变频调速器，变频调速器控制风机开始运行，逐步达到要求的风速值，电机的旋转编码器监视风机的转速，并将转速信号反馈给工业控制机，工业控制机比较实际转速与设定转速的偏差，有偏差则进行调整，同时标准风速仪将标准风速也反馈给工业控制机，用于监视实际风速值与设定风速值的偏差，如果有偏差则进行调整；

调整转速的方式为两种，一种为双闭环方式，用于风速设定偏差较大的情况下，这种方式是依据预先设定的风速转速控制曲线进行双闭环调节，设定风速通过控制曲线函数进行计算得到转速值，变频调速器调节电机达到设定转速值，并计算风速值偏差，如有偏差反馈给工业控制机进行再调节；另一种方式是采用分离型PID调节方式，用于风速设定偏差较小的情况下，调节前需要设定阈值参数以及PID参数，调节时在设定阈值以下用转速风速控制曲线进行双闭环调节，达到阈值以后采用PID进行调节；

所述风机的叶片采用铝合金叶片，风机的叶片和轮缘采用数控一次成型结构；所述缩流段采用双三次曲线结构；所述稳定段采用六边形蜂窝发生器装置；

所述工业控制机的信号输入端口与信号采集模块的信号输出端口相连，信号采集模块的信号输入端口分别与压力变送器的信号输出端口、温湿度变送器的信号输出端口、标准皮托管处压差检测压差变送器的信号输出端口、喇叭口调整板处温度检测温度变送器的信号输出端口相连，标准皮托管设置在所述缩流段出口处，调整板设置在入口段；

所述风扇段与过渡段通过非金属减震筒连接，减震筒两端分别通过密封卡带与风扇段、过渡段非刚性连接；

所述控制曲线为通过测量数据用最小二乘法拟合的控制曲线；

所述双闭环方式的内环是电流控制环，外环是速度控制环；每一个环都含有一个调节器，对直流电机进行调压调速和调磁调速；风机的风速控制采用前馈-反馈控制；前馈控制利用预先植入工业控制机的风机转速-风速的数学模型控制转速，控制曲线采用实验拟合转速和风速的曲线；如果未达到风速要求，则反馈进行控制，对转速进行调整，调整的幅度由当前风速与设定风速之差决定；当风速大于阈值后，分离型PID调节方式采用比例积分和微分进行参数设定。

2.根据权利要求1所述高性能风速检测系统，其特征在于还包括手持控制器，手持控制器上设置有所述风机的风速设定按钮，控制器的信号传输端口通过485串口与所述工业控制机的信号传输端口相连。

3.根据权利要求1所述高性能风速检测系统，其特征在于所述第二拐角段设置有气流导向板。