CN111489609A - 基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统及方法，系统包括虚拟教学模块和虚拟实验模块，其中：所述虚拟教学模块包括安全教育子模块和设备介绍子模块，所述安全教育子模块用于介绍风机性能检测实验现场的安全教育及大型通风机设备的安全使用手册、技术指标，所述设备介绍子模块用于通过第一视角向用户展示大型通风机检测实验设备、场地及其功能；所述虚拟实验模块包括操作实训子模块和操作考核子模块，操作实训子模块用于提供风机性能检测的风机风量、风压、功率参数这3项核心实验内容，操作考核子模块用于对用户进行考核。本发明解决了风机性能检测教学展示手段单一、实验实践教学条件不足、真实实验环境恶劣无法展开等问题。

Description

基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统及方法

技术领域

本发明属于实验教学领域，特别涉及一种风机性能检测实验教学系统及方法。

背景技术

煤矿、非煤矿山等井下作业场所的正常生产时刻离不开新鲜风流的供给，现代化城市日益增多的各类地下工程同样需要连续、稳定、不间断的通风，因此风机作为通风工程的核心设备之一其作用是十分重要和关键的，风机能否正常运转是关乎安全生产的重中之重。为保证风机的安全、高效、连续运转，通风技术人员必须掌握其运行性能、稳定性及效率等参数，并定期开展风机性能检测检验工作。风机性能检测是安全科学与工程类专业通风课程的必修实验，但传统的理论教学枯燥乏味，只能通过文字、图片等静态资料进行，达不到交互式教学目的。而实验实践教学则由于风机体量大、电压高(10KV或6KV)、24h连续运转，测试连线复杂、高危等原因，存在诸多困难，无法开展。

发明内容

本发明提供一种基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统及方法，以解决风机性能检测教学展示手段单一、实验实践教学条件不足、真实实验环境恶劣无法展开等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，包括虚拟教学模块和虚拟实验模块，其中：

所述虚拟教学模块包括安全教育子模块和设备介绍子模块，所述安全教育子模块用于介绍风机性能检测实验现场的安全教育及大型通风机设备的安全使用手册、技术指标，所述设备介绍子模块用于通过第一视角向用户展示大型通风机检测实验设备、场地及其功能；

所述虚拟实验模块包括操作实训子模块和操作考核子模块，操作实训子模块用于提供风机性能检测的风机风量、风压、功率参数这3项核心实验内容，使用户开展交互式的相关测量设备连接及实验操作，操作考核子模块用于对用户进行的相关测量设备连接及实验操作以及测量理论知识进行考核。

该系统包括一个服务器端和若干客户端，服务器端和客户端通过网络连接，所述虚拟教学模块和虚拟实验模块搭载于服务器端上。

所述设备介绍子模块展示的大型通风机检测实验设备包括地面测量主通风机室设备、功率测量控制室设备以及风硐测量场地设备。

所述操作实训子模块包括风硐测量二级子模块、地面测量二级子模块、功率测量二级子模块、实验工况调节二级子模块，其中：

所述风硐测量二级子模块用于依据三杯风速传感器测风原理开展主通风机风量测定实验；

所述地面测量二级子模块用于依据静压差法原理开展风机测风和测压实验；

所述功率测量二级子模块用于依据三相电的相位关系开展主通风机电参数测定实验；

所述实验工况调节二级子模块用于通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验。

所述风硐测量二级子模块中，通过对风硐测量箱、风硐测量模块、温湿度变送器、风速表安装与连接，以及与之对应的操作，开展风硐风量测定实验。

所述地面测量二级子模块中，通过地面测量箱、地面测量模块、无线通信天线、大气压传感器、静压传感器及其连接操作完成风机测风和测压实验。

所述功率测量二级子模块中，通过功率测量箱、功率测量模块、电压传感器、电流传感器的连接以及与之对应的操作步骤，实现主通风机电参数测定实验。

一种风机性能检测实验教学方法，包括以下步骤：

用户登入所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，进入虚拟教学模块，学习安全教育内容；进入设备介绍子模块，学习大型通风机检测实验设备、场地及其功能；

用户进入虚拟实验模块，通过风硐测量二级子模块进行大型风机风量测定的互动式教学实验，通过地面测量二级子模块进行风机测风和测压实验，通过功率测量二级子模块进行主通风机电参数测定的实验；上述实验结束后，进入实验工况调节二级子模块，通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验；

上述步骤执行完毕后，所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统启动操作考核子模块，对上一步中用户进行各项实验以及测量理论知识进行考核。

有益效果：本发明提供的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统及方法，具有以下优点：

(1)利用虚拟仿真技术将煤矿主通风机检测检验场景逼真地呈现出来，并构建了实验中所需的各种设备及其连接、操作步骤，学生或实训者每进行一步实验都能迅速的见到效果以及提示下一步如何进行操作，能够实时、交互地完成风机检测检验的全部实验学习和实训。

(2)具有虚拟教学和虚拟实验两种不同的功能，将教学与实验实训有机相结合，实现了“教”与“学”相辅相成。可以多次重复，安全、环保、成本低廉地开展实际环境下难于开展的通风机设备性能检测检验实验、实践过程，这为一直困扰学科专业如何开展通风机性能检验检验教学与实验的问题提供了解决方案。

附图说明

图1为本发明的系统拓扑架构；

图2为本发明的系统组成示意图；

图3为安全教育子模块界面；

图4为主通风机室设备教学及漫游界面；

图5为控制室设备教学及漫游界面；

图6为风硐测量二级子模块虚拟实验操作界面；

图7为地面测量二级子模块虚拟实验操作界面；

图8为静压差法原理图；

图9为功率测量二级子模块虚拟实验操作界面；

图10为实验工况调节二级子模块虚拟实验界面；

图11为风硐测量考核界面；

图12为风洞中风表安装示意图；

图13为风表测风接线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统包括一个服务器端和若干客户端，服务器端和客户端通过网络连接，虚拟教学模块和虚拟实验模块搭载于服务器端上。在一个实施例中，基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统采用开放式虚拟实验网络管理系统，使用Apache服务器，以MySQL作为数据库支持，是一个基于校园网的可扩展且具有一定伸缩性的网络教学平台，目前已覆盖中国矿业大学全校区，具备了虚拟教学平台的网络运行环境，能够保证教学及实训的安全、稳定、可靠、开放共享运行。

如图2所示，本发明的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，包括虚拟教学模块和虚拟实验模块，其中：

虚拟教学模块包括安全教育子模块和设备介绍子模块，其中：

安全教育子模块用于介绍风机性能检测实验现场的安全教育及大型通风机设备的安全使用手册、技术指标；学生或实训人员可以通过鼠标点击当前聚焦的安全教育内容框并切换安全教育内容进行详细浏览、学习，其操作界面如图3所示。

设备介绍子模块用于通过第一视角向用户展示大型通风机检测实验设备、场地及其功能；其漫游界面如图4和图5所示。学生或实训人员可以通过点击漫游界面左下角的各个测量设备功能按钮开展进一步学习，鼠标移动拾取各测量元件并通过弹出的UI提示内容详细了解其名称、功能等知识。

虚拟实验模块包括操作实训子模块和操作考核子模块，其中：

操作实训子模块用于提供风机性能检测的风机风量、风压、功率参数这3项核心实验内容，使用户开展交互式的相关测量设备连接及实验操作实训，操作实训子模块包括风硐测量二级子模块、地面测量二级子模块、功率测量二级子模块、实验工况调节二级子模块，其中：

风硐测量二级子模块用于依据三杯风速传感器测风原理开展主通风机风量测定实验；通过对风硐测量箱、风硐测量模块、温湿度变送器、风速表安装与连接，以及与之对应的操作，开展风硐风量测定实验。满足对学生或实训者进行大型风机风量测定的互动式教学实验和实训操作目的。其界面可通过按住鼠标右键对镜头进行转向操作，也可通过鼠标滚轮调节镜头远近，如图6所示。三杯风速传感器测风方法及原理如下：

在测定方案所确定的测风位置(以矩形平峒为例)，按安装风表数(通常为9、12、16)将风洞断面分为3×3、3×4或4×4个等面积矩形，并使所装风表位于各个矩形的正中，如图12，以9只为例，将风洞断面分为3×3个等面积矩形。

三杯风速传感器测风方法的基本原理是用风表所在位置的点风速代替图11中所示的矩形断面上的平均风速，用N只风表的平均风速值代替风洞断面的平均风速，理论上存在一定误差，且N值越小误差越大。风表测风接线如图13所示。风表安装时应编号并与接线盒对号入座，以方便检查和更换。实验室条件下由于风筒断面较小，只能安装2～3只风表。

地面测量二级子模块用于依据静压差法原理开展风机测风和测压实验，如图7所示。其原理图如8所示，实验压力测量传感器的接口通过测压软胶管与风机外壳的测压端1和测压端2连接，测压端1和测压端2分别位于风机整流罩前后具有较大过风面积差的S₁与S₂两断面处，则其风量Q理论计算公式如式(1)所示：

式中：S₁—测风大断面面积，m²；S₂—测风小断面面积，m²；P₁—大断面处的静压值，Pa；P₂—小断面处的静压值，Pa；ρ—空气密度，kg/m³。

在虚拟教学系统中，学生或实训者通过地面测量箱、地面测量模块、无线通信天线、大气压传感器、静压传感器等设备及其连接操作完成相关风机测风测压实验和实训。

功率测量二级子模块用于依据三相电的相位关系开展主通风机电参数测定实验，如图9所示。通过功率测量箱、功率测量模块、电压传感器、电流传感器的连接以及与之对应的操作步骤，实现主通风机电参数测定实验，具体方法为：

电动机功耗参数的测定包括电压、电流、功率和功率因数，可由相应的测定仪表完成。测量前，应将三相电源的相位关系(A相(黄)、B相(绿)、C相(红))确定好，并在整个测定过程中保持不变。

①电压测量：用两只电压表分别并接在AB相和CB相之间，测得电压U_AB和U_CB并取平均值。

②电流测量：用两只电流表分别串接在A相和C相线路上，测得电流I_A和I_C并取平均值。注意当实际电流大于5A时，应配合电流互感器测量电流。

③功率因数测量：用功率因数表测量。

接线方法：将仪表电压端并入三相线路BC相，两个电流端子串入A相线路中，且*IA接入线，IA接出线。注意电流端子的额定电流为5A，当实际电流大于5A时，应配电流互感器。电压端子的额定电压为100V、220V、380V。在实验室低电压条件下不需配电压互感器，但高于此电压时必须配电压互感器，仪表电压端并在电压互感器的二次线路BC相上(100V)。

通过分别测量以上各量，即可用三相交流电路总功率的计算公式

计算出电动机功耗。

实验工况调节二级子模块用于通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验。计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线的方法为由学生或实训者人工计算或者通过计算机软件实现。曲线包括风压-风量曲线、功率-风量曲线、效率-风量曲线。如图10。

操作考核子模块用于对用户进行的相关测量设备连接及实验操作以及测量理论知识进行考核。如风硐测量考核界面如图11所示。学生或实训者可以通过鼠标移动拾取对应测量箱，点击进入指定测量子模块的考核功能环节。在考核过程中，各个连接及操作步骤会出现对应的公式及选择题，考核操作人员对该部分内容的掌握情况，最终显示考核分数。

基于上述系统，本发明的一种风机性能检测实验教学方法，包括以下步骤：

用户(学生或实训者)登入所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，进入虚拟教学模块，学习安全教育内容；进入设备介绍子模块，学习大型通风机检测实验设备、场地及其功能；

用户进入虚拟实验模块，通过风硐测量二级子模块进行大型风机风量测定的互动式教学实验，通过地面测量二级子模块进行风机测风和测压实验，通过功率测量二级子模块进行主通风机电参数测定的实验；上述实验结束后，进入实验工况调节二级子模块，通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验；

上述步骤执行完毕后，所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统启动操作考核子模块，对上一步中用户进行各项实验以及测量理论知识进行考核。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：包括虚拟教学模块和虚拟实验模块，其中：

所述虚拟教学模块包括安全教育子模块和设备介绍子模块，所述安全教育子模块用于介绍风机性能检测实验现场的安全教育及大型通风机设备的安全使用手册、技术指标，所述设备介绍子模块用于通过第一视角向用户展示大型通风机检测实验设备、场地及其功能；

所述虚拟实验模块包括操作实训子模块和操作考核子模块，操作实训子模块用于提供风机性能检测的风机风量、风压、功率参数这3项核心实验内容，使用户开展交互式的相关测量设备连接及实验操作，操作考核子模块用于对用户进行的相关测量设备连接及实验操作以及测量理论知识进行考核。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：该系统包括一个服务器端和若干客户端，服务器端和客户端通过网络连接，所述虚拟教学模块和虚拟实验模块搭载于服务器端上。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：所述设备介绍子模块展示的大型通风机检测实验设备包括地面测量主通风机室设备、功率测量控制室设备以及风硐测量场地设备。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：所述操作实训子模块包括风硐测量二级子模块、地面测量二级子模块、功率测量二级子模块、实验工况调节二级子模块，其中：

所述风硐测量二级子模块用于依据三杯风速传感器测风原理开展主通风机风量测定实验；

所述地面测量二级子模块用于依据静压差法原理开展风机测风和测压实验；

所述功率测量二级子模块用于依据三相电的相位关系开展主通风机电参数测定实验；

所述实验工况调节二级子模块用于通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：所述风硐测量二级子模块中，通过对风硐测量箱、风硐测量模块、温湿度变送器、风速表安装与连接，以及与之对应的操作，开展风硐风量测定实验。

6.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：所述地面测量二级子模块中，通过地面测量箱、地面测量模块、无线通信天线、大气压传感器、静压传感器及其连接操作完成风机测风和测压实验。

7.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，其特征在于：所述功率测量二级子模块中，通过功率测量箱、功率测量模块、电压传感器、电流传感器的连接以及与之对应的操作步骤，实现主通风机电参数测定实验。

8.一种基于权利要求1所述系统的风机性能检测实验教学方法，其特征在于：包括以下步骤：

用户登入所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统，进入虚拟教学模块，学习安全教育内容；进入设备介绍子模块，学习大型通风机检测实验设备、场地及其功能；

用户进入虚拟实验模块，通过风硐测量二级子模块进行大型风机风量测定的互动式教学实验，通过地面测量二级子模块进行风机测风和测压实验，通过功率测量二级子模块进行主通风机电参数测定的实验；上述实验结束后，进入实验工况调节二级子模块，通过调节通风阻力的方法使得大型风机在不同工况下运行，并采集各个工况下风机的风量、风压及功率，通过计算并绘制得出各工况下通风机的运行参数及曲线，从而完成大型通风机性能检测检验的全部测量实验；

上述步骤执行完毕后，所述基于虚拟现实的风机性能检测实验教学系统启动操作考核子模块，对上一步中用户进行各项实验以及测量理论知识进行考核。

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