儀器儀表在水體運轉試驗數字搜集里運用

　　1虛擬儀器技術(shù)

　　虛擬儀器就是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶(hù)設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實(shí)現的一種計算機儀器系統。

　　美國國家儀器公司推出的軟件包LabVIEW是虛擬儀器系統開(kāi)發(fā)的標準平臺。LabVIEW的編程和其他高級語(yǔ)言不同，它是基于一種圖形化的語(yǔ)言G語(yǔ)言的編程。創(chuàng )建虛擬儀器的過(guò)程共分以下3步：

　　1)創(chuàng )建虛擬儀器的交互式用戶(hù)接口(稱(chēng)為前面板)，它模仿了實(shí)際儀器的面板。在程序前面板上，輸入量被稱(chēng)為控制(Controls)，輸出量被稱(chēng)為顯示(Indicators)。就是一個(gè)示波器的前面板部分，它具有真實(shí)示波器的所有測量功能。

　　2)虛擬儀器從流程圖中接收命令(用G語(yǔ)言創(chuàng )建)。流程圖是一個(gè)編程問(wèn)題的圖形化解決方案，也是虛擬儀器的源代碼。每一個(gè)程序前面板都對應著(zhù)一段框圖程序。

　　虛擬示波器3)創(chuàng )建虛擬儀器的圖標和連接。圖標是子VI在其他程序框圖中被調用的節點(diǎn)表現形式;而連接器則表示節點(diǎn)數據的輸入/輸出口，就像函數的參數。用戶(hù)必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。這樣，其他的虛擬儀器才能將數據傳輸給一個(gè)子儀器。

　　2虛擬儀器技術(shù)的應用

　　2.1實(shí)驗設備

　　根據水力過(guò)渡實(shí)驗的需要，本文設計了輸水管線(xiàn)瞬態(tài)水力工況的實(shí)驗。如所示，實(shí)驗裝置由上位水箱、兩條平行的長(cháng)約20m、內徑40mm有機玻璃管，連通管、穩壓井、下位水箱、水箱、閥門(mén)、5個(gè)CYB13型壓力傳感器及水表組成。通過(guò)改變末端的閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變整條管線(xiàn)的運行工況，測量工況變化時(shí)壓強與流量的瞬態(tài)變化情況。

　　2.2壓強數據采集

　　實(shí)驗的壓強數據采集系統包括NI公司的數據采集卡DAQCard-6024E、CB-68LP接線(xiàn)端子及5個(gè)壓力傳感器。利用CB-68LP接線(xiàn)端子可同時(shí)采集16路模擬輸入數據，在計算機中可以設置采集信號的采樣方式、采樣頻率、信號輸入范圍、單通道采樣頻率等。采集的信號可直接顯示在1中，并且用不同顏色的曲線(xiàn)標出。

　　編程時(shí)把數據采集助手放入程序流程圖中，它會(huì )自動(dòng)的彈出面板。在面板中可以對數據采集卡進(jìn)行設置，先選擇模擬輸入電壓信號，然后就會(huì )彈出數據采集的物理通道選擇面板，選擇所需的通道，以后就可以對每個(gè)通道進(jìn)行單獨設置。

　　數據采集助手可以設置n個(gè)通道進(jìn)行連續采樣，采集到的數據是n維的動(dòng)態(tài)波形數據，在進(jìn)行數據分析的時(shí)候很不方便，需要把它轉換成便于操作、分析的數據集合。即將DAQAssistant與IndexArray函數相連，IndexArray就會(huì )含n個(gè)索引端子，通過(guò)設置索引端子的數值可以將n維波形數據中的一維單獨提取出來(lái)。提取出每個(gè)通道的數據，加上采樣的時(shí)間，與一個(gè)簇函數(cluster)相連，就能夠將某一個(gè)工況一定時(shí)間段內的所有數據集合起來(lái)，LabVIEW程序框圖見(jiàn)3.本實(shí)驗采用了6個(gè)通道，其中4個(gè)壓強數據采集通道，2個(gè)流量數據采集通道，采集到的數據以日期時(shí)間為文件名存入Excel表格中。

　　2.3流量數據采集

　　本文利用水表的電磁感應特性采集流量數據。

　　水表內部指針帶動(dòng)有磁鐵的圓盤(pán)(最小刻度盤(pán))，當磁鐵經(jīng)過(guò)彈簧片時(shí)，彈簧片吸合，成為回路;磁鐵轉過(guò)彈簧片后，彈簧片松開(kāi)，形成開(kāi)路。當下一次彈簧片吸合時(shí)，完全一個(gè)周期，記錄一個(gè)周期時(shí)間，即水表最小刻度盤(pán)指針轉動(dòng)一圈的時(shí)間dt(轉一圈流過(guò)V=0.01m3水量)。此時(shí)間dt內，管道內流量為Q=V/dt.

　　為了獲得時(shí)間dt，在數據采集卡上設置一個(gè)虛擬的電壓輸出通道，輸出電壓定為5V與水表串聯(lián)，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)10k電阻。當電磁感應開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電路連通，10k電阻兩端的電壓約為5V;當電磁感應開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電路斷開(kāi)，10k電阻兩端的電壓為0V，電路圖。將10k電阻兩端的電壓輸入計算機中分析，發(fā)現它的電壓變化如圖5所示是一系列的柱狀波。柱波的周期與水表最小刻度盤(pán)指針轉動(dòng)一圈的時(shí)間dt相同，分析采集到的柱波數據得出它的周期，根據Q=V/dt計算獲得流量數據。

　　2.4數據分析

　　如所示，關(guān)閉1號輸水管末端閥門(mén)，關(guān)閉2號輸水管末端電磁閥，排氣閥打開(kāi)。當管道內水流狀態(tài)穩定后，打開(kāi)2號輸水管末端電磁閥(極限工況)，14號測壓點(diǎn)瞬態(tài)壓強變化。

　　電磁閥的打開(kāi)速度非�？�，從圖中可以看出4號測壓點(diǎn)壓強瞬間減小的幅度最大。此時(shí)的流量是0.

　　0011m/s，4號測壓點(diǎn)穩態(tài)時(shí)壓強約為1.89m(米水柱)，[注：1m水注壓強為98kPa]工況變化時(shí)壓強減小到1.01m(米水柱)。這是因為4號測壓點(diǎn)離電磁閥最近，3號測壓點(diǎn)由于連接管的原因，離電磁閥的距離也較近，所以壓強瞬間減小的幅度比2、3號測壓點(diǎn)大，這個(gè)實(shí)驗結果符合水錘波傳遞的規律。

　　實(shí)驗時(shí)可以不斷改變工況，實(shí)時(shí)采集實(shí)驗數據，通過(guò)虛擬儀器可以大大增加數據采集的速度與準確度，為理論分析(采用特征線(xiàn)法)提供了良好的數據基礎。

　　3結語(yǔ)

　　虛擬儀器實(shí)現了傳統測量技術(shù)和計算機技術(shù)的融合，具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的基于虛擬儀器的測量分析系統支持多種傳感器，可以在水力實(shí)驗中進(jìn)行多通道的快速瞬態(tài)采集。其軟件系統用LabVIEW編程實(shí)現，界面友好，具有較全面的圖形顯示、數據分析處理能力。利用這項新的技術(shù)設計的測量?jì)x器，還可以應用于其他的水力學(xué)實(shí)驗中，改變管段的數量及連接方式，改變傳感器的類(lèi)型就可以獲得不同的實(shí)驗數據，從而進(jìn)行實(shí)驗與理論的相關(guān)分析。不久的將來(lái)可以將這項新技術(shù)引入供水管網(wǎng)工程中，組成強大的測量網(wǎng)絡(luò )，并與GIS進(jìn)行系統集成，實(shí)現數據融合，適應管網(wǎng)工程數字化發(fā)展的趨勢。