2011年10月09日12:03

1虚拟仪器技术

虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

美国国家仪器公司推出的软件包LabVIEW是虚拟仪器系统开发的标准平台。LabVIEW的编程和其他高级语言不同，它是基于一种图形化的语言G语言的编程。创建虚拟仪器的过程共分以下3步：

1）创建虚拟仪器的交互式用户接口（称为前面板），它模仿了实际仪器的面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），输出量被称为显示（Indicators）。就是一个示波器的前面板部分，它具有真实示波器的所有测量功能。

2）虚拟仪器从流程图中接收命令（用G语言创建）。流程图是一个编程问题的图形化解决方案，也是虚拟仪器的源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。

虚拟示波器3）创建虚拟仪器的图标和连接。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式；而连接器则表示节点数据的输入/输出口，就像函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。这样，其他的虚拟仪器才能将数据传输给一个子仪器。

2虚拟仪器技术的应用

2.1实验设备

根据水力过渡实验的需要，本文设计了输水管线瞬态水力工况的实验。如所示，实验装置由上位水箱、两条平行的长约20m、内径40mm有机玻璃管，连通管、稳压井、下位水箱、水箱、阀门、5个CYB13型压力传感器及水表组成。通过改变末端的阀门开度来改变整条管线的运行工况，测量工况变化时压强与流量的瞬态变化情况。

2.2压强数据采集

实验的压强数据采集系统包括NI公司的数据采集卡DAQCard-6024E、CB-68LP接线端子及5个压力传感器。利用CB-68LP接线端子可同时采集16路模拟输入数据，在计算机中可以设置采集信号的采样方式、采样频率、信号输入范围、单通道采样频率等。采集的信号可直接显示在1中，并且用不同颜色的曲线标出。

编程时把数据采集助手放入程序流程图中，它会自动的弹出面板。在面板中可以对数据采集卡进行设置，先选择模拟输入电压信号，然后就会弹出数据采集的物理通道选择面板，选择所需的通道，以后就可以对每个通道进行单独设置。

数据采集助手可以设置n个通道进行连续采样，采集到的数据是n维的动态波形数据，在进行数据分析的时候很不方便，需要把它转换成便于操作、分析的数据集合。即将DAQAssistant与IndexArray函数相连，IndexArray就会含n个索引端子，通过设置索引端子的数值可以将n维波形数据中的一维单独提取出来。提取出每个通道的数据，加上采样的时间，与一个簇函数（cluster）相连，就能够将某一个工况一定时间段内的所有数据集合起来，LabVIEW程序框图见3.本实验采用了6个通道，其中4个压强数据采集通道，2个流量数据采集通道，采集到的数据以日期时间为文件名存入Excel表格中。2.3流量数据采集 　　本文利用水表的电磁感应特性采集流量数据。 　　水表内部指针带动有磁铁的圆盘（最小刻度盘），当磁铁经过弹簧片时，弹簧片吸合，成为回路；磁铁转过弹簧片后，弹簧片松开，形成开路。当下一次弹簧片吸合时，完全一个周期，记录一个周期时间，即水表最小刻度盘指针转动一圈的时间dt（转一圈流过V=0.01m3水量）。此时间dt内，管道内流量为Q=V/dt. 　　为了获得时间dt，在数据采集卡上设置一个虚拟的电压输出通道，输出电压定为5V与水表串联，同时串联一个10k电阻。当电磁感应开关闭合时，电路连通，10k电阻两端的电压约为5V；当电磁感应开关断开时，电路断开，10k电阻两端的电压为0V，电路图。将10k电阻两端的电压输入计算机中分析，发现它的电压变化如图5所示是一系列的柱状波。柱波的周期与水表最小刻度盘指针转动一圈的时间dt相同，分析采集到的柱波数据得出它的周期，根据Q=V/dt计算获得流量数据。 　　2.4数据分析 　　如所示，关闭1号输水管末端阀门，关闭2号输水管末端电磁阀，排气阀打开。当管道内水流状态稳定后，打开2号输水管末端电磁阀（极限工况），14号测压点瞬态压强变化。 　　　电磁阀的打开速度非常快，从图中可以看出4号测压点压强瞬间减小的幅度最大。此时的流量是0. 　　0011m/s，4号测压点稳态时压强约为1.89m（米水柱），[注：1m水注压强为98kPa]工况变化时压强减小到1.01m（米水柱）。这是因为4号测压点离电磁阀最近，3号测压点由于连接管的原因，离电磁阀的距离也较近，所以压强瞬间减小的幅度比2、3号测压点大，这个实验结果符合水锤波传递的规律。　　实验时可以不断改变工况，实时采集实验数据，通过虚拟仪器可以大大增加数据采集的速度与准确度，为理论分析（采用特征线法）提供了良好的数据基础。 　　3结语 　　虚拟仪器实现了传统测量技术和计算机技术的融合，具有显著的优点。本文介绍的基于虚拟仪器的测量分析系统支持多种传感器，可以在水力实验中进行多通道的快速瞬态采集。其软件系统用LabVIEW编程实现，界面友好，具有较全面的图形显示、数据分析处理能力。利用这项新的技术设计的测量仪器，还可以应用于其他的水力学实验中，改变管段的数量及连接方式，改变传感器的类型就可以获得不同的实验数据，从而进行实验与理论的相关分析。不久的将来可以将这项新技术引入供水管网工程中，组成强大的测量网络，并与GIS进行系统集成，实现数据融合，适应管网工程数字化发展的趋势。

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