【文章內(nèi)容簡介】 何測量系統(tǒng)都可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、數(shù)據(jù)顯示和輸出三大模塊，將這些模塊分別用不同的硬件和軟件實現(xiàn)，就可以構(gòu)成不同的虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器系統(tǒng)包括硬件和軟件兩要素。硬件部分的功能是獲取真實世界中的被測信號；軟件部分的作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，軟件通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫。所以，虛擬儀器系統(tǒng)可 13 以用一個簡單的公式來表達：虛擬儀器系統(tǒng) =計算機及其附件 +開發(fā)虛擬儀器的軟件 +必要的硬件。 虛擬儀器的硬件 通常虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件包括傳感器、信號調(diào)理、信號采集等 I/O接口設(shè)備和通用計算機。計算機一般是 PC 機或工作站，是硬件平臺的核心 ，是虛擬儀器系統(tǒng)的心臟和動力；傳感器是測試系統(tǒng)獲取信息的基礎(chǔ)； I/O 接口設(shè)備完成被測信號的采集、放大、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換等。虛擬儀器的形式取決于實際的物理系統(tǒng)和構(gòu)成儀器的 I/O 接口的硬件類型，但都離不開計算機控制。虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成如圖 21 所示。 虛擬儀器的硬件構(gòu)成方式主要有五種類? ?14型： （ 1） PCDAQ（ DataAcquisition）系統(tǒng)：是基于計算機標準總線（如 ISA,PCI 等）的內(nèi)置功能插卡，是以數(shù)據(jù)采 集卡、調(diào)理電路和計算機為硬件平臺的插卡式虛擬系統(tǒng)。 （ 2） GPIB 系統(tǒng)：以 GPIB（ General Purpose Interface Bus）標準總 14 線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊 GPIB 接口卡和若干臺通過 GPIB 電纜相連的 GPIB 儀器。 （ 3） VXI 系統(tǒng)：以 VXI(VME bus eXtension for Instrumentation)標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 4） PXI 系統(tǒng)：以 PXI（ PCI eXtension for Instrumentation）標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 （ 5） 串口系統(tǒng)：以 Serial 標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)。任何虛擬儀器系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到 PC 機或工作站等計算機平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。 A/D 技術(shù)的發(fā)展使插入式 DAQ 卡發(fā)展很快，性能不斷提高，得到廣泛應(yīng)用。 PCDAQ 式測試系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最基本的方式，也是最廉價的方式。 虛擬儀器的軟件 虛擬儀 器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包含以下三部分：應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境、儀器驅(qū)動程序、輸入輸出（ I/O）接口軟件。 （ 1） I/0 接口軟件：存在于硬件和驅(qū)動程序之間，是最接近硬件的軟件層，完成對硬件內(nèi)部寄存器單元進行直接存取數(shù)據(jù)操作，為硬件和驅(qū)動程序提供信息傳遞的低層軟件層，是實現(xiàn)開放統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 （ 2） 驅(qū)動程序?qū)樱菏窍到y(tǒng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁，一般以動態(tài)鏈接庫或靜態(tài)庫形式供應(yīng)用程序調(diào)用。驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供一個用 15 于儀器操作的較為抽象的操作函數(shù)集。對于應(yīng)用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動 程序來實現(xiàn)的。 （ 3） 應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境：是完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析、計算、存儲、顯示、輸出等任務(wù)，是虛擬儀器的核心和完成任務(wù)的關(guān)鍵。應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境是用于編寫應(yīng)用程序的編程工具，可由開發(fā)人員的喜好和測試需求進行選擇。 虛擬儀器的特點 虛擬儀器是計算機技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種全新的儀器設(shè)計概念，它與傳統(tǒng)儀器相比顯示出了眾多的優(yōu)點：盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件；可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器；用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器 。 虛擬儀器的開發(fā)平臺 在虛擬儀器中，軟件起著重要的作用，軟件把整個測量系統(tǒng)連接起來。虛擬儀器軟件開發(fā)有三個準則：標準化、模塊化和可重用性。目前，最流行的趨勢是圖形化編程環(huán)境，其中 LabVIEW 應(yīng)用較廣。 面向儀器與測控過程的圖形化開發(fā)平臺 — LabVIEW LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 16 （實驗室虛擬儀器工程平臺）的縮寫，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。它是一種基 于圖形編程語言 — G 語言 (Graphical Programming Language)的可視化開發(fā)平? ?15臺。 LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序（ Virtual Instrument），簡稱為 VI。一個 VI 程序包括三個主要部分：前面板、框圖程序、圖標 /連接器。前面板（ Front Panel）是 VI 的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出（其中，用于讓用戶輸入數(shù)據(jù)到程序中的控件稱為“控制量”；用于顯示程序輸出的控件稱為“指示量”），目的是仿真真實儀器的前面板。 LabVIEW 內(nèi)部集成了大量的生成圖形界面的模板，如：旋鈕、開關(guān)、圖形圖表顯示器和通用的文本框等。通過這些控件可以很容易的完成面板設(shè)計，設(shè)計出的前面板可接收用戶的控制信號和顯示輸出結(jié)果。另外， LabVIEW 實現(xiàn)了開放性設(shè)計，允許用戶自行設(shè)計面板素材?？驁D程序（ Block Diagram）是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制，也是 LabVIEW 作為 G 語言的集中體現(xiàn)。 LabVIEW 框圖程序是基于數(shù)據(jù)流的處理方案，與傳統(tǒng)的文 本式編程不同，框圖程序與我們所熟悉的程序流程圖思想非常相似。一個框圖程序由多個小“框圖元”通過連線連接而成，每個“框圖元”只有當所有輸入信號都有效的條件下，才會輸出信號。圖標 /連接器（ Icon/Connector）用于把 VI 定義成一個子程序（ Sub VI），以便在其它程序中加以調(diào)用，這使 LabVIEW 得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。在設(shè)計大型系統(tǒng)時，一步完成一個復雜系統(tǒng)的設(shè)計有相當?shù)碾y度，所以設(shè)計者多采用模塊設(shè)計，把一個復雜系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可以完成一定的功能。 17 LabVIEW 的 特點 LabVIEW 軟件的特點可歸納為以下幾點： （ 1） 圖形化的儀器編程環(huán)境：使用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機界面 [54]。針對測控領(lǐng)域， LabVIEW 提供了大量的儀器面板中的控制對象，用戶還可以通過控制編輯器將現(xiàn)有的控制對象修改成適合自己個性特點的控制對象； （ 2） 內(nèi)置的程序編譯器：它采用編譯方式運行 32 位應(yīng)用程序，解決了其他按解釋方式工作的圖形編程平臺速度慢的問題，其速度大體相當于編譯 C 的速度； （ 3） 并行機制：使用圖標表示功能模塊，使用連線表示數(shù) 據(jù)傳遞，使用為多數(shù)工程師熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言編程，這樣使得編程過程與思維過程非常相似； （ 4） 靈活的程序調(diào)試手段：用戶可以在源代碼中設(shè)置斷點、單步執(zhí)行源代碼、在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針，觀察程序運行過程中數(shù)據(jù)流的變化等； （ 5） 支持多種系統(tǒng)平臺：在 Windows NT/95， UNIX， HP 等系統(tǒng)平臺上，NI 都提供了相應(yīng)版本的軟件，并且平臺之間開發(fā)的應(yīng)用程序可直接進行移值； （ 6） 強大的函數(shù)庫：從基本的數(shù)學函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運算函數(shù)和文件輸入輸出函數(shù)到高級 的數(shù)字信號處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù)，可供用戶直接調(diào)用； 18 （ 7） 開放式的開發(fā)平臺：提供 DLL 接口和 CIN 節(jié)點來使用戶有能力在 LabVIEW 平臺上使用其它軟件平臺編譯的模塊； （ 8） 網(wǎng)絡(luò)功能：它支持 TCP/IP， DDE， DataSocket 等功能。 風機性能試驗概述 風機性能試驗的原理和方法 風機總是與管網(wǎng)聯(lián)合工作，氣體在風機中獲得外功時，其壓力與流量之間的關(guān)系是按風機的性能曲線變化的。而當氣體通過管網(wǎng)時，其全壓 — 流量（ PQ）關(guān)系又要遵循管網(wǎng)的性能曲 線，這樣，風機的性能與管網(wǎng)的性能之間必須有如下關(guān)系： （ 1） 通過風機與管網(wǎng)的氣體流量要完全相等； （ 2） 風機所產(chǎn)生的全壓的一部分即靜壓 Ps 只用于克服管網(wǎng)中的阻力 H，全壓的其余部分消耗在氣流從管網(wǎng)出口時所具有的動壓 Pd 上，風機的全壓 P 等于管網(wǎng)的總阻力與出口動壓損失之和，即 P=H+Pd。 圖 22 風機壓力與管網(wǎng)阻力之間的關(guān)系曲線圖 要滿足上述要求，整個裝置只能在風機 PQ 曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點 A 上運行。在 A 點，兩者的流量 Qm 相等，靜壓力與阻力 H 也相等， A 點稱為工況點。工況點是由風機靜壓曲線與管網(wǎng)性能曲線的交點來決定的，當管網(wǎng)性能曲線變?yōu)? H39。、 H39。39。時工況點也隨之改變，若風機的壓力曲線不變，工況點就沿著壓力曲線移動至 A39。、 A39。39。風機性能測試正是基于這一原理，在 19 風機的某一恒定轉(zhuǎn)速下 ，調(diào)節(jié)排氣節(jié)流閥的開度，從而改變管網(wǎng)特性曲線、改變工況點，從而改變了風機的流量等參數(shù)，在各個對應(yīng)的工況點下測定該風機的靜壓、動壓、電機轉(zhuǎn)速、軸功率等參數(shù)，通過計算得到各工況點的效率，進而繪制風機的性能曲線，包括流量 — 全壓曲線（ QP）、流量 — 功率（ QN）曲線、流量 — 效率（ Qη）曲線、流量 — 靜壓（ QPs）曲線等，實現(xiàn)對該風機在一定轉(zhuǎn)速下的性能標? ?16定。 由于風機內(nèi)部流體運動的復雜性，至今還不能用理論的方法精確計算出它的 各種損失，因而不能準確的計算出各個性能參數(shù)，所以用計算的方法得到的性能曲線與實際工作性能曲線之間存在較大差異。特別對于非設(shè)計工況，計算值與實際值的誤差就更大。因此，風機的工作性能參數(shù)要由試驗得到，試驗的目的在于確定工作風機的工作性能曲線，從而確定風機的工作范圍，以便向用戶提供可靠的使用數(shù)據(jù)和高效率的風機。 風機的性能參數(shù) 風機主要性能參數(shù)有流量、全壓、功率、轉(zhuǎn)速及效率? ?? ?18~17等。 （ 1） 流量：單位時間內(nèi)風機所輸送 的流體量稱為為流量，也稱為風量。常用體積流量 Q 表示，其單位為“ 3m /s”或“ h/m3 ”。 （ 2） 全壓：單位體積的氣體在風機內(nèi)所獲得的能量稱為全壓，也稱為風壓。常用 P 表示，單位為 Pa。 （ 3） 軸功率：原動機傳遞給風機轉(zhuǎn)軸上的功率，即為輸入功率，又稱為軸功率，常用 shN 表示，單位為 kW。 20 （ 4） 有效功率：單位時間內(nèi)通過風機的氣體所獲得的總能量稱為有效功率，常用 Ne 表示，單位 kW。 （ 5） 效率：風機輸入功率不可能全部傳給被輸送氣體，其中必有一部分能量損失，被輸送的氣體實際所得到的功率比原動機傳遞至風機軸端的功率要小，風機有效功率與軸功率之比稱為風機效率。常以 η 表示。風機全壓效率可達 90％。風機效率越高，則氣 shN 體從風機中得到的能量有效部分就越大，經(jīng)濟性就越高。 （ 6） 轉(zhuǎn)速：風機軸每分鐘的轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)速，常以 n 表示，單位為 r/min。 其中由傳感器測得的參數(shù)有：風速、溫度、濕度、相對靜壓（負壓）、大氣壓力、風機轉(zhuǎn)速和風機軸功率。其它參數(shù)可以在此基礎(chǔ)上通過公式求得。 通風機性能曲線的繪制 繪制通風機性能曲線，也就是風機的風量 風壓曲線、風量 功率曲線和風量 效率曲線。 通風機運行參數(shù)列出如下： （ 1）風量 通風機風量指風機進口 (抽出式工作時 ) 或出口 (壓入式工作時 ) 通過的空氣流量 , 是斷面上平均流速與面積的乘積 , 用 3m /S 表示。在風機口附近風流較平穩(wěn)的斷面均勻地布置若干個風杯式風速傳感器 , 風杯旋轉(zhuǎn)可轉(zhuǎn)換成頻率信號并反映測點風速大小 , 各點風速平均值即得平均流速。其中風速傳感器的安裝方式會在后面詳細介紹。 （ 2）風壓 通風機風壓是對礦井內(nèi)風流作功的壓力。對抽出式風機而言 , 其進口風道內(nèi)靜壓低于風道外大氣壓 , 兩者差的絕對值稱相對靜壓（負壓） , 用較先進的擴散硅壓阻傳感器測量 , 輸出毫伏級信號。這時 , 風機風壓等于相對靜壓與該斷面平均動壓之差 , 單位是 Pa。 21 （ 3）大氣參數(shù) 它包含 3 個量 : 有大氣壓 , 與風壓類似 。 還有溫度和濕度 , 采用采用相應(yīng)的傳感器測得其值的大小。 （ 4）轉(zhuǎn)速 風機轉(zhuǎn)速采用非接觸式紅外光電傳感器測量 , 紅外光束射到機軸上 , 轉(zhuǎn)動一周 , 軸上反射紙就返回一個光信號 , 經(jīng)接收放大后的頻率即轉(zhuǎn)速 , 單位是 rPm , 精度為 。 （ 5）電氣參數(shù) 根據(jù)電工學中雙表法原理 , 需測量任意兩相的電壓和對應(yīng)相的電流 , 用于計算電動機的各項參數(shù)以及風機的輸入功率。 風機性能參數(shù)指標 環(huán)境氣壓： 800hPa~1060 hPa； 環(huán)境溫度： 0℃ ~50℃； 風速： ~20m/s，177。 (~)m/s； 壓力： 0 Pa ~6000Pa(177。 10Pa)， 0 Pa ~2020Pa(177。 )； 電參數(shù)儀表： 級。 本系統(tǒng)采用以上標