（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器的阀门流量系数测试系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 阀门流量系数试验是测量阀门性能的主要试验之一。本文论述了种基 于虚拟仪器的阀门流鼠系数测试方法，该测试方法是以现代计算机检测技术 为基础，结合虚拟仪器技术，通过计算机和数据采集卡把硬件和软件有机结 合在一起而实现的。系统主要由：传感器( 压差、压力、流量、温度) 、数据 采集卡、工业计算机和测试软件组成。它具有：自动采集、自动处理、自动 保存试验数据和打印试验报告等功能，大大的提高了阀门流量系数测试的效 率和精度。 本文的主要内容：论述了虚拟仪器设计思想和计算机测试技术在实际中 的应用；具体分析了传感器和数据采集卡的工作原理、选型与应用调试；详 细探讨了测试系统的硬件和软件抗干扰设计；重点研究了系统中数据采集、 数据处理、数据保存、数据显示和试验报告打印等模块的设计与编程实现； 最后对该系统的测试结果进行了定性和定量分析，验证了阀门流量系数测试 系统的研制是成功的。 关键词：流量系数；虚拟仪器；数据采集；计算机测试；数据处理； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h et e s to fv a l v e sf l o wc o e f f i c i e n ti so n e o ft h ei m p o r t a n tt e s t so f v a l v e s p e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，an e wt e s tw a yo fv a l v e sf l o w c o e f f i c i e n tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti st a l k e da b o u ta n dr e a l i z e d t h es y s t e mi n c l u d e ss e n s o r s ，d a t a a c q u i s i t i o nc a r d ，i n d u s t r yc o n t r o l c o m p u t e ra n dt s e ts o f t w a r e t h ep l a t f o r mc a nc a r r yo u tt e s t i n gt h e v a l v e s p a r a m e t e r s ，p r o c e s s i n gt h et e s t e dd a t a ，s a v i n ga u t o m a t i c a l l y t h ep r o c e s s e dd a t a ，d i s p l a y i n gt h er e s u l ta n d p r i n t i n gt h er e p o r t t h e a c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo f t e s th a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d b yt h et e s t s y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i s t h e s i si n c l u d e st h e a p p l i c a t i o n o f c o m p u t e r t e s ta n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt ot h es y s t e m t h es e l e c t i o no ft h e h a r d w a r e ，t h ei n s t a l l a t i o na n d d e b u g g i n g o ft h es y s t e m ，t h em e t h o do f r e s i s t i n gd i s t u r b a n t eb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h et h e s i s ，t h e e m p h a s i si s t h ed e s i g no ft h es o f t w a r ei n t e r f a c ea n df u n c t i o n a tl a s t t h et e s t e dr e s u l ti s a n a l y s e da n dc o m p a r e di no r d e rt op r o v et h a tt h e t e s ts y s t e mt h et e s to fv a l v e sf l o wc o e f f i c i e n th a sb e e nd e v e l o p p e d s u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：f l o wc o e f f i c i e n t ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；d a t aa c q u i s i t i o n ； c o m p u t e rt e s t ；d a t ap r o c e s s i n g ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 虚拟仪器技术初探 随着科学技术和生产力的大发展，各种测试系统的组成越来越复杂，对 各参数的钡4 量精度及可靠性的要求也愈来愈高：一方面要求测试系统具有更 高的速度、精度、可靠性和自动化水平，以便尽量减少人力和提高工作效率； 另一方面要求测试系统具有更大的灵活性和适应性，并向多功能智能化方向 发展；此外还要求尽量缩短研制周期和降低成本。计算机在测试领域的应用 解决了这些难题，并出现了以虚拟仪器技术为代表的新型测试技术。 一、虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚 拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩 小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析 处理。虚拟仪器概念的出现打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工 作模式，使得用户可以根据自己的要求，设计自己的仪器系统。见图卜1 ， 在测试系统和仪器设计中尽量使用软件代替硬件，充分利用计算机技术来实 现和扩展传统测试系统与仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最 简单，也是最本质的表述。 传统仪器( 厂商定义功能)虚拟仪器( 用户定义功能) 图l - 1 传统仪器与虚拟仪器的区别 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 简称 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 n i ，在1 9 8 6 年提出的。虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一 种具体的仪器。换言之，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际 的物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型，但是有一点是相同的，那 就是虚拟仪器离不开计算机控制，软件是虚拟仪器设计中最重要、也是最复 杂的部分。 二、虚拟仪器的特点 虚拟仪器是计算机介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的仪 器种类。在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更 紧密地结合，形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点发生了 突破性的变化。从构成和功能上说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配上 相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没 有的特殊功能的高档低价的新型仪器；从使用上说，虚拟仪器利用强大的图 形化开发环境，建立直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板( 即软面板) ，可以有 效地提高仪器的使用效率。虚拟仪器的特点可以概括为以下四个方面： 1 丰富和增强了传统仪器的功能 充分利用了计算机强大的数据处理、传输和发布能力，使得系统的组建 变得更加灵活、简单，可以轻松的获得强大的测试功能。 2 突出软件就是仪器的新概念 仪器的很多功能都是由软件来完成的，用户可以根据需要编制相应的功 能软件，自动完成测试任务。 3 仪器由用户自己定义 用户拥有极大的空间来开发自己的测试系统，不受厂家设定的限制。 4 便于构成复杂的测试系统，经济性好 虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构 成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊断。此外，利用基 于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大 节约仪器购买和维护费用。 三、虚拟仪器的组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世 界中的被测信号，可分为两类：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任 务要求的虚拟仪器。最简单的是基于p c 总线的插卡式仪器，也包括带g p i b 接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、 国防等应用的高端v x i 仪器。虚拟仪器系统将不同功能、不同特点的硬件构 成为一个新的仪器系统，由计算机统一管理、统一操作。软件的功能定义了 仪器的功能。因此，虚拟仪器最重要、最核心的技术是虚拟仪器软件开发环 境。作为面向仪器的软件环境应具备以下特点：一是软件环境是针对测试工 程师而非专业程序员，因此，编程必须简单、易于理解和修改；二是具有强 大的人一机交互界面设计功能，容易实现模拟仪器面板；三是具有强大的数 据分析能力和数据可视化分析功能，提供丰富的仪器总线接口硬件驱动程序。 1 虚拟仪器的软件组成 虚拟仪器的软件一般由数据采集和控制模块、数据分析模块、数据显示 模块组成，其中数据采集和控制模块主要对数据采集的过程和模式进行控制， 并将被测信号以数字量的形式存放到计算机的内存中，数据分析模块主要对 采集到的数据进行分析、处理和滤波，数据显示模块主要对采集到的数据或 分析后的数据进行显示和存储。虚拟仪器的软件系统方框图见图卜2 a 圈卜2 虚拟仪器的软件系统框图 2 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器系统的硬件主要由传感器、信号转换与处理装置、接口电路和 计算机构成，其中传感器用来检测被测信号，信号转换与处理装置用来对传 感器检测到的信号进行转换、滤波、放大、隔离等，接口电路用来实现其它 硬件与计算机的接口与通信，计算机的任务是完成数据的分析、处理和输出。 虚拟仪器的硬件系统框图如图卜3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 卧嚣卜怔亘卜咂困 il i与处理f ilii 图1 - 3 虚拟仪器的硬件系统框图 四、虚拟仪器的软件开发环境 开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有 如下两类：文本式编程语言：如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c ，d e l p h i ， 【且b w i n d o w s c v i 等；图形化编程语言：如：l a b v i e w ，h p v i s e 等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便 条件和良好的开发环境。鉴于节约成本和计算机的功能限制，本系统所用的 软件为d e l p h i 6 0 。 五、虚拟仪器技术在阀门流量系数测试系统中的应用初探 虚拟仪器可以用于工业自动化、仪器产业改造、试验室等许多领域，在 阀门流量系数测试系统的应用还未见先例。经研究该系统拟采用了虚拟仪器 技术与计算机测试技术相结合，将传统上由仪表测量、人工读取数据和分析 数据的数据测试系统改为具有自动检测、自动数据处理、自动保存数据、并 能对测试中的某些参数进行自动控制和设定的功能强大的现代测试系统，它 的应用扩展了仪器的功能，彻底的改变了传统仪表测试和手动测试的测试方 法，大大提高了试验台的工作效率和测试精度，同时基于虚拟仪器的软件编 程使整个测试系统就像一个整体的仪器一样简洁、友好，给用户操作带来了 方便。 1 2 关于计算机检测技术 在智能仪器、信号检测与处理及工业自动化控制等领域中，都存在着信 号的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、流量、位移、液位等 模拟量转化为数字信号，然后收集、传送到计算机进一步处理的过程，即为 话南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 “数据采集”，相应的系统即为数据采集系统，计算机由于其自身强大的运算、 数据处理和数据传输功能，在数据采集领域得到了广泛的应用。 一、计算机在检测系统中的作用 计算机辅助测试( c a t ) ，是用计算机及其外部设备取代人的动作、感觉 功能和人的思想功能所进行的测试。计算机在测试过程中有如下作用： ( 1 ) 控制测试过程。 ( 2 ) 激励、产生可编程激励信号。 ( 3 ) 数据处理，对响应信号进行各种数字逻辑运算，作出判决和估值。 ( 4 ) 输出测试结果。 ( 5 ) 管理。 ( 6 ) 监控和报警。 计算机辅助测试的突出优点是具有软件功能：用软件资源提高测试的准 确性、可靠性、经济性，且投资小、收效大，性能价格比好。此外，系统总 逻辑由软逻辑和硬逻辑组成，具有柔性，特别适用于小批量、多品种产品的 测试。 二、计算机测试系统的组成 计算机测试系统由软件和硬件组成。 1 硬件组成 传感器l 俸感器2 信感器n 苴它仪器 或累坑 卧 委 l子j 寰境卜 l 接口 l 卧 l 、子莱娆k + r 石1 图卜4 微机测试系统的典型结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 如图卜4 所示，微机系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、 控制作用。例如，进行复杂的信号处理，控制决策，产生特殊的测试信号， 控制整个检测过程等等。此外，利用微机强大的信息处理能力和高速运算能 力，实现命令识别，逻辑判断，非线性误差修正，系统动态特性的自校正， 自学习，自适应，自诊断，自组织等功能。 数据采集子系统及接口用于和传感器、检测元件、变送器连接，实现参 数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。在各式各样的微机自 动检测系统中，数据采集是必不可少的，被测对象的有关参数由数据采集子 系统收集、整理后，经它的接口传送到微机子系统进行处理。 基本i o 子系统及接口用于实现人一机对话、输入或改变系统参数、改 变系统工作状态，输出检测结果、动态显示测试过程，实现以多种形式输出、 显示、记录、报警等功能。 通信予系统及接口用于实现本系统与其他仪器仪表系统的通信与互联， 依靠通信子系统可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同用途的微机测 控系统、集散型测控系统等等。 数据分配子系统及接口实现对被测对象、被测试元件、测试信号发生器、 甚至于系统本身和检测操作过程的自动控制。 2 ，软件组成 测试系统的软件分为系统软件和应用软件两部分。 系统软件是计算机运行的基本条件之一，它包括操作系统、监控程序、 编译程序和故障诊断程序等，这类程序具有通用性。 应用软件主要是用户根据实际的测试系统所编制的完成数据采集、数据 处理、数据显示、打印等实际功能的软件。 三、计算机测试技术在阀门流量系数测试系统中的应用探讨 在阀门流量系数测试系统中计算机是一个管理中心，数据采集卡起到联 系外界的纽带作用。它把传统测量仪器和现代计算机测试方法联系到一起， 充分体现了现代计算机测试技术给工业生产带来的方便。现代测试技术和虚 拟仪器的结合不仅使阀门流量系数的测试更精确，而且良好的人一机界面也 是传统仪器仪表测试无法比拟的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 3 本课题研究的目的、意义和内容 一、本选题研究的目的和意义 随着国民经济的发展，阀门在工业领域中的地位越来越重要，质量、性 能要求也越来越高。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数 值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。国外工业发达国家的阀门生产 厂家大多把不同压力等级、不同类型和不同公称通径阀门的流量系数值列入 产品样本，供设计部门和使用单位选用。流量系数值随阀门的尺寸、型式、 结构而变化，不同类型和不同规格的阀门都要分别进行试验，才能确定该阀 门的流量系数值。目前，在我国能够测量阀门流量系数的试验设备很少，远 远不能满足实际的需要，并且这些设备大多是采用传统仪表测量和手动测量 的落后方法，所能达到的精度比较低，但随着试验条件的成熟，尤其是现代 化测试方法在阀门流量系数测试中的应用，相信会给阀门的研究带来方便。 二、本课题研究的内容 本课题的研究的内容主要分为：测试管道的建立、数据采集予系统的搭 建、数据库的设计和软件的编制等。其中重点在于数据采集子系统的搭建和 软件的编制，他们的结合体现了虚拟仪器的思想。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章系统总体设计方案探讨 设计任何一个测试系统，必须认真慎重的拟定设计方案，并反复论证其 可行性，然后才能动手进行设计。这是因为方案对设计至关重要。没有正确 的方案，一切工作都是徒劳的。本系统的设计方案包括硬件设计方案和软件 设计方案。 2 1 硬件设计方案探讨 本系统是用来动态测试阀门流量系数的，其中的关键就是能够准确、快 速的提取测试系统中的压力、压差、流量和温度等随时间动态变化的物理量， 而计算机是提取和处理这些信息的最好工具。因此提出构建以计算机为核心 的虚拟仪器测试系统，目的是能够较高精度、较高灵敏度、较高效率的获得 压力、压差、流量和温度等参数的静态和动态值。并能对采集的数据进行过 滤和处理，最大限度地消除测量的随机误差、系统误差和外界干扰，完成自 动校正零点、自动显示、输出数据以及打印试验报告等功能。 一、需求分析 构建基于虚拟仪器的阀门测试系统，首先需要测试用的管道系统，它是 测试能够进行的基础。管道的设计要求能够满足试验所需要的压力和流量， 并能够使其保持平稳，当然还要考虑其对传感器的保护作用，使整个系统的 使用寿命更长一些。 其次还要有把所要钡4 量的物理信号转换为能够进行测量的电信号的传感 器，本系统所要测量的物理量是：压力、压差、流量和温度，考虑到测量精 度和成本，选用了陶瓷压力传感器、电容式压差传感器，涡轮流量传感器和 p t l 0 0 热电阻分别测量压力、压差，流量和温度。由于涡轮流量传感器出来 的是不规则的频率信号，这种信号不利于计算机进行处理，因此在流量传感 器后面加了一个可以把频率转换为标准电流信号的二次仪表。 再次，构建基于虚拟仪器的阀门测试系统，光有传感器是远远不够的， 传感器出来的信号还要进行光电隔离、放大、d 转换后才能进入计算机进 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 行处理。综合以上因素，在系统中加入了一个具有放大、a m 转换、光电隔 离等功能的数据采集卡。 另外，还需要电源、接线板、信号连接线等辅助元件，其中电源是用来 给传感器和功率放大器供电的。 最后，既然是虚拟仪器，计算机是必不可少的，考虑到整个测试系统的 稳定性，选用了研华公司的工业控制计算机。 二、方案设计 综上所述，基于虚拟仪器的阀门流量系数测试系统硬件设计可分为：管 道设计、传感器位置规划和计算机测试子系统的设计。管道设计如图2 1 幽2 一i 臂道和传感器 1 可控水源2 止回阀3 流量调节阀4 过滤器5 测温传感器6 流量传感器7 流i t 数字累计仪 8 压力传感器9 ，压差变送器1 0 被测阔门 系统的可控水源是由一个大功率抽水泵组成；止回阀和流量调节阀主要 防止水倒流和保持系统流量的稳定；过滤器的作用是过滤水中的杂质，保护 涡轮流量传感器的涡轮免受伤害。 测控子系统的设计框图如图2 2 软 兰怵 廿 件 母 图2 2 微机测控系统 温度传感器 压力、压差传感器 琉量传燕器 报警装置 流量调节 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 被测的各种参数( 压力、压差、流量、温度) 由传感器变换成易于后续 处理的电信号。如果传感器输出信号太弱或信号质量太差，则应经过前端预 处理电路进行放大，滤波等处理。然后经过数据采集子系统转换成数字量， 通过数据总线进入微机系统，计算机处理数据，然后验证是否符合试验所要 求的条件。若不能满足条件( 如试验温度过低，流量不稳定，压力过商等) 则触发报警装置，同时发出调节或禁止试验的指令以保护试验装置不被破坏： 若能够满足试验条件，计算机就开始数据运算，并对运算结果进行显示、记 录入数据库、绘制成曲线、图表等，然后由i 0 子系统完成阀门规格、型号、 适应条件等基本参数的人一机交互，最后打印出试验报告a 2 2 软件设计方案探讨 如果说硬件决定了整个系统的性能，那么软件则是整个测试系统的中心， 它对整个测试系统起到“大脑”的作用，没有软件再好的硬件也无法工作。 虚拟仪器正是利用软件将所有硬件有机的结合起来，并按照用户的要求编制 出具有良好人一机交互性的各种功能模块。软件是硬件的延伸，软件不但能 可视化地实现硬件的所有功能，而且还能对硬件的功能进行拓展。它充分利 用计算机强大的数据处理、运算和传输的能力，实现许多硬件不容易实现的 功能，如数字滤波、数据分析、数据显示和数据存储等。 一、需求分析 本系统主要是用来测试阀门性能参数的，它要求能够准确的得出阀门的 流量系数，流阻系数和当量长度；能够对试验环境进行自动判断保证试验数 据的合理性以及试验系统的安全性；能够存储试验数据以便后期查询；能够 打印出完整的试验报告等。因此软件模块主要包括：数据采集与控制、数据 分析与处理、数据显示与存储和报警设置等。 数据采集与控制模块主要完成：初始化数据采集卡，设定采集模式和参 数，控制采集过程，提取采集到的数据。 数据分析与处理模块主要完成：数字滤波，数据转换，数据统计和计算。 数据显示与存储模块主要完成：数据保存，绘制曲线，保存曲线，打印 试验报告和测试记录查询。 系统设置模块主要完成：报警参数的设置，报警的触发和传感器的标定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 要完成以上功能，需要使用开发环境良好的编程软件来进行界面设计和 编程，本系统选用d e l p h i 6 0 作为开发软件；另外，还要使用数据库来保存测 试的结果，本系统选用d e l p h i 6 0 自带d a t a b a s ed e s k t o p 作为建立数据库的 工具。 二、方案设计 通过以上的需求分析，可以绘制出软件模块方框图，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 软件模块方框图 首先由数据采集与控制模块对传感器输出的信号进行采集，然后由数据 分析与处理模块再对采集到的数据进行分析和处理，最后由数据显示与存储 模块输出或存储用户所要求的曲线和试验报告。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章系统硬件设计探讨 硬件的性能直接决定着系统的性能，因此选用硬件时首先考虑的是它的 性能是否达到使用要求。但与此同时，还要考虑它的可靠性、经济性、适用 性，在性能满足使用要求的前提下，尽量选用价格低、使用方便可靠、适应 性强、易于维修的硬件。 3 1 检测系统的组建原则 一个检测系统由传感器、信号调理电路、微处理器计算机数据采集与处 理等各环节组成。在检测系统的设计时，应考虑系统性能设计指标与各组成 环节性能指标的关系，合理地就行误差分配，以最少的策划过成本、最简单 的实现方案获得最好的系统静态和动态性能指标。 将传感器、信号调理电路、数据采集系统组建为一个测量系统的基本原 则是使测量系统的基本参数、静态性能及动态性能均达到预先规定的要求。 组建过程中预估工作是非常重要的。预估工作就是根据对测量系统规定的参 数指标要求，选择和确定系统的各个环节( 传感器、调理电路、数据采集系 统) 。正确的预估表现在：根据预估确定的环节组成检测系统后，经过标定试 验进行性能评定能达到规定的要求，同时检测系统的总体成本低。预估过程 是一个反复设定、权衡调整直至最后确定的过程，属于误差分配的为题。 h l ( j w )a w ) 围3 - 1 基本检测系统 下面以图3 - 1 所示的基本检测系统为例来讨论组建检测系统的基本方 法。图中的环节s 。代表传感器；环节s ：代表信号调理电路：环节s 。代表数据 采集系统的核心单元具有采样保持电路的a d 转换器。这里的信号调理 电路为简单的信号调理电路放大器。图中h 。( j w ) 和h z ( j w ) 分别代表传感 器与放大器的频率特性。 匹南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 一、基本参数的预估 基本参数的预估项目主要是分辨率和量程。设检测系统总的灵敏度为s ， 可表示为 s ；尝。粤粤粤皤印， ( 3 _ 1 ) 缸缸血，血， 式中s 。一传感器的灵敏度，s ，。堕； s r 一放大器的放大倍数，又称增益，s ：。a u a 2 ； w l s 。- - a d 转换器的分辨率，s 。一芸。 预估时通常按系统的精度与量程以及工作环境的要求，先确定传感器的 类型及其灵敏度值s 。：然后再根据系统要求的分辨率( 由量程和精度指标得 到) 确定a d 转换器的分辨率；最后，根据a d 转换器的量程与传感器的输 出范围确定放大器的增益。 二、动态性能的预估 测量动态信号的系统均应满足动态性能的要求。譬如：设某动态信号的 最高频率，卅为1 0 0 0 h z ，动态频率增幅值误差要求不能大于5 ，根据上述要 求，我们将测量系统中的模拟部分( 传感器与放大器) 与数字部分( 数据采 集系统) 分别进行评估，也就是从系统动态性能出发来确定组成系统各个环 节的动态性能。 1 模拟部分 模拟部分中传感器与放大器各自的频率特性分别为： h 1 ( m - 黜 ( 3 _ z ) 吲m 一搿 睁3 ) 因此，模拟部分总的频率特性h ( j ) 为： 刚小揣一鬻勰1 日砌础：( m ( 3 - a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 故动态幅值误差y 可表示为： y 。! 望! ! 划二! 坐! ! 剑。1 0 0 ( 3 - 5 ) h v ( ，) 其中：i h ( j 6 0 ) | - | h ，( ，) j i h 。( j o j ) i ；l h 。( ，) i d h ( o ) i ，它是执行信号传 递功能的理想频率特性。 一般传感器为一阶或二阶系统，放大器为一阶系统。当传感器与放大器 均为一阶系统时，动态幅值误差y 为： y 。 1 1 1一1( 3 6 ) 1 + ( 研1 ) 2 1 + ( 蛳2 ) 2 式中t 一传感器的时间常数； f ：一放大器的时间常数。通常放大器给出的指标是带无，则 1 f _ 一 。碱 将选取的f 。及f ：带式( 3 6 ) ，应使埘* 玉矿埘时满足允许值，即i7 f c 5 若传感器为二阶系统，放大器为一阶系统，这时有 7 事 1 ( 3 7 ) 式中。一传感器的固有角频率； 0 一传感器的阻尼比； f ，一放大器的时间常数。 2 数字部分 数字部分与动态误差有关的指标是 d 转换器的转换时间t c 。 在保证a d 转换器转换误差不大于量化误差的条件下，被测信号的频率 最大值厶由下式决定 f ! l ( 3 8 ) “写丽i ” 式中n a d 转换的位数； t c _ a d 转换的转换时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 2 传感器的选择 传感器如同人的感官，是用来感知与接受外界信号的。它是测试系统中 的第一个环节，也是至关重要的环节。它的质量直接关系到测试的精度和可 靠性。在选用传感器时首先要从检测系统组建原则分析，综合考虑：灵敏度、 漂移、过载能力、稳定性、可靠性、经济性等。在本系统中使用了压力传感 器、差压变送器、流量传感器和温度传感器，综合以上各方面因素和实际使 用要求，选用了陶瓷电容压力变送器、1 1 5 1 d p 电容式压差变送器、l w g y 涡轮流量传感器、s 3 9 型流量数字积算仪和w d b 温度变送器。 一、陶瓷电容压力传感器 1 工作原理 平行板电容器，如不考虑边缘效应，其电容量为： c 。竺 ( 3 - 9 ) d 式中：c 为平行板的电容；d 为平行板之间的距离；为平行板间的介 电常数；s 为平行板问的面积。 当平行板的距离d 减小a d ，则电容器的电容量增加a c ，即有 虮啬一堡tc丝d百1dd ( 3 _ 1 0 ) 一筋d d 当掣( 。1 时，上式可以变为： 肌c 等( 1 + 争 ( 3 _ 由此式可见： ( 1 ) 当和s 一定时，可以通过测定电量的变化量a c 来求得极扳 间位移量的变化量； ( 2 ) 如果一个极板固定不动，另一个极板接弹性元件，随压力而改 变其位置，即改变叫，则电容的变化爨a c 就代表了压力值。 ( 3 ) a c 和鲋之间是非线性的，且极板间的距离越小，灵敏度越高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 为了提高灵敏度和减小非线性，一般均采用差动形式，即将可 动极板放置于两块固定极板之间，当压力变化时，一个电容的 电容量增大，而另一个电容的电容量则减小。该方法可以用来 测量压差。 2 主要性能与指标 电源：2 4 v d c ；无负载时变送器可工作在1 2 v d c ，最大为4 0 v d c 输出信号：4 2 0 m a 二线制 量程：o 1 o m p a 负载阻抗r 与电源电压v 的关系为：r 、 o ) t h e n b e g i r l p s z e r r m s g ：= s z e r r m s g ： d r v g e t e r r o r m e s s a g e ( 1 e r r c o d e ，p s z e r r m s g ) ： a p p l i c a t i o n m e s s a g e b o x ( p s z e r r m s g ，e r r o r i ! ，m bo k ) ： d o e s e r r ：= 1 ： e n d e l s e d o e s e r r ：= 0 ： e n d ： 打开设备) e r r c d e ：= d r g _ d e v i c e o p e n ( 0 ，d e v i c e h a n d l e ) ： i fd o e s e r r ( e r r c d e ) = 1t h e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 e x l t ： f 初始化板卡) p t d e v g e t f e a t u r e s b u f f e r ：= 1 p d e v f e a t u r e s ： e r r c d e ：= d r v _ d e v i c e g e t f e a t u r e s ( d e v i c e h a n d l e ，p t d e v g e t f e a t u r e s ) ： i fd o e s e r r ( e r r c d e ) = 1t h e n b e g i n d r v _ d e v i c e c l o s e ( d e v i c e h a n d l e ) ： 关闭设备) e x i t ： e n d ： 设置增益 f o ri ：= 0t ol e n - ld o g m n a r r a y i ：= 1 7 ： 设置采集参数) p t m a i c o n f i g n u m c h a n ：= f e n ： p t m a i c o n f i g s t a r t c h a n ：= 0 ： p t m a i c o n f i g g a i n a r r a y ：= g a i n a r r a y ： e r r c d e ：= d r v _ m a i c o n f i g ( d e v i c e h a n d l e ，p t m a i c o n f i g ) ： ifd o e s e r r ( e r r c d e ) = 1t h e n b e g i n d r vd e v i c e c l o s e ( d e v i c e h a n d l e ) ： e x i t ： e n d ： 二、数据采集模块的设计与实现 1 采集卡进行模拟数据采集的两种方法 数据采集卡进行数据采集可分为单点采集和多通道扫描采集两种方法， 其程序框图如图4 - 1 。在本测试系统中由于要求各个数据具有同时性，故采 用多通道扫描的采集方式。 2 主要函数简介 在进行多通道循环采集时，主要用到的函数如下： d r v _ m a i v o l t a g e l n 该函数主要用来读取采集卡采集到的模拟信号值， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 它的参数为d r v _ d e v i c e o p e n 返回的数据指针和接受数据指针。 d r v _ m a i b i n a r y i n 该函数和d r v m a i v o l t a g e l n 一样是用来读取采集 卡采集到的模拟信号值，但是它读取的是模拟信号的二进制数值。 2 程序设计与实现 ii b ) 图4 1 数据采集方式 a ) 单点采集方式，b ) 多通道扫描采集方式 在本测试系统中数据的采集主要是通过自动时间触发采集和手动触发采 集两种方法完成的。自动时间间隔由测试者自己设定，它是通过定时触发的 方法实现的，程序如下： p r o c e d u r et t e s t f r m t _ t e s t t i m e r ( s e n d e r ：t o b j e c t ) ： v a rv o l t a g e ：a r r a y 0 1 5 o fs i n g l e ： i ，c h a n ：i n t e g e r ： v a l u e ，v：s i n g l e ： b e g i n p t m a i v o l t a g e i n n u m c h a n ：= l e n ： p t m a i v o l t a g e i n s t a r t c h a n ：= 0 ： p t m a i v o l t a g e i n g a i n a r r a y ：- g a i n a r r a y ： p t m a i v o l t a g e l n t r i g m o d e ：= 0 ： p t m a i v o l t a g e i n v 0 1 t a g e a r r a y ：= v o l t a g e ； 把通道的测量值保存到 数组 e r r c d e ：= d r vm a i v o l t a g e i n ( d e v i c e h a n d l e ，p t m a i v 0 1 t a g e i n ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 5 页 ifd o e s e r r ( e r r c d e ) = lt h e n b e g i n d r v d e v i c e c l o s e ( d e v i c e h a n d l e ) ： e x i t ： e n d i 手动测试程序设计和自动测试的基本一致，不在赘述，不同的是每进行 一次测试需要测试者自己来触发，它的好处在于当进行测试时，测试者可以 把整个系统调到一个稳定的状态，然后再触发采集卡进行数据采集，这样可 以保证测试数据的稳定性和准确性。 4 2 数据分析与处理模块设计探讨 在完成数据采集之后，还要对采集到的数据进行分析和处理。这一点是 非常必要的。数据采集得到的数据只是模拟信号经过a d 转换后的数值，还 不是最终的测试结果，必须将其进行重新标度后才是真正的测试数据。另外， 数据采集卡和传感器本身都有零点偏移，因此还要对这些偏移进行补偿后才 能使测试值更准确。再者，虽然在硬件中已进行了抗干扰设计，但仍然会有 一些年扰信号与被测信号叠加在一起被采集进来。因此还要对采集到的数据 进行软件数字滤波后才能得到更加真实的钡9 试结果。当然，阀门流量系数是 通过测量值计算出来的，数据采集还不是最终所要的结果，还要对采集到的 数据进行整理和计算。 、标度转换模块的设计与实现 数据采集卡得到的数据只是模拟信号经过a d 转换后得到的数据，不能 作为最终的测试结果，它只是代表通道的电压值，必须进行标度转换后才有 实际的意义。 传感器输出的信号为4 2 0 m a 电流值，数据采集卡只能采集通道的电压 值，因此传感器的输出信号在接入数据采集卡之前必须转换为电压值，在本 系统中是通过在传感器输出电流信号上串入一个2 5 0 欧精密电阻来实现的， 因此数据采集卡采集到的电压值的范围为1 - 5 v 。 1 流量测试的标度转换 标度转换的主要目的是把电压值转换为代表实际意义的测薰值，根据数 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 据采集卡的采集原理，流量标度转换的公式为： f l o w i = ( g a i n i 一1 ) * f _ m a x ( 5 - 1 ) ( 4 一1 ) 上式中，f l o w i 为每个流量采样时刻的流量值( 单位为m 3 h ) ，g a i n i 为数据采集卡每个采样时刻的采样值，f _ m a x 为流量传感器的最大量程。 2 压差测试的标度转换 压差标度转换原理和流量标度转换原理一样，转换公式如下： d p i = ( g a i n i 一1 ) * d p _ m a x ( 5 - 1 ) ( 4 2 ) 上式中，d p i 为每个压差采样时刻的压差值( 单位为k p a ) ，g a i n i 为数 据采集卡每个采样时刻的采样值，d pm a x 为压差传感器的最大量程。 3 压力测试的标度转换 压力标度转换原理和流量标度转换原理一样，转换公式如下： p t i ? = ( g a i n i - i ) p f l a x ( 5 1 ) ( 4 3 ) 上式中，p 【i 】为每个压力采样时刻的压力值( 单位为k p a ) ，g a i n i 为数 据采集卡每个采样时刻的采样值，pm a x 为压力变送器的最大量程。 4 温度测试的标度转换 温度标度转换原理和流量标度转换原理一样，转换公式如下： t e m p i = ( g a i n i 一1 ) * t e m p _ m a x ( 5 - 1 ) ( 4 - 4 ) 上式中，t e m p i 为每个温度采样时刻的温度值( 单位为) ，g a i n i 为 数据采集卡每个采样时刻的采样值，t e m p _ m a x 为温度传感器的最大量程。 二、软件数字滤波模块的设计与实现 在测试系统中引入计算机的另一个好处是，可以利用计算机强大的数据 处理、存储能力和丰富的算法对采样数据进行各种处理，很多靠硬件无法完 成或很难完成的滤波却可以用软件轻松实现。 对于本系统，虽然在硬件的设计上己采取了一定的抗干扰措施，但仍然 有不少的高频干扰信号和随机干扰信号混在被测信号中被采集进来。因此软 件抗干扰设计是不可少的，它主要针对高频干扰和随机干扰，软件抗干扰设 计就是数字滤波。 用软件消除千扰的措施有以下几种： 1 用软件消除多路开关的抖动 任何一种开关( 机械或电子) ，在切换初始，由于机械性能或电气性能的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 限制，都会出现抖动现象，经过一段时间后才能稳定下来。多路开关在切换 模拟信号通道时，同样存在这样的问题。消除开关抖动可以用软件延时的方 法来解决。即在转换开关通道时，加上一段延时之后再采样，采样精度会有 很大提高。 2 用软件消除采样数据中的零电平漂移 电子器件大多数对温度比较敏感，其工作特性随温度变化而变化n 反映 在输出上，是使零电平随温度变化而有缓慢的漂移。这种漂移必定会叠加到 采集的数据上，导致采样误差的增加。 为了提高数据采集的精度，在用计算机对模拟输入通道进行巡回采集时， 首先对朱加载的传感器进行检测，并将所有零电平信号读入计算机内存中相 应的单元，然后才开始采样程序的执行。在采样程序中，每读入一批数据， 都要先经过“清零过程”程序处理。“清零过程”程序将采集到的数据与零电 平相减，得出的是不受零电平漂移影响的数据，从而使采集到的数据消除了 所包含的零电平漂移分量。 3 ，数宇滤波 所谓滤波，就是从所要测量的信号中除去不需要的信号。因为工业控制 现场的工作环境一般比较恶劣，干扰源比较多，因此几乎所有的数据采集系 统都会受到不同程度的干扰，因此大多数信号前置处理部分都接有r c 低通滤 波器，以最大限度地剔除5 0 h z 或6 0 h z 的噪声。对于较小的干扰信号则往往 需要使用防混淆滤波器，防混淆滤波器也是一种低通滤波器，但它具有非常 陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于数据采集卡输入带宽的全部信号除去。 但是对于频率比较低的干扰信号，用硬件滤波就非常困难。数字滤波是利用 计算程序对采集信号进行分析处理，以达到消除低频干扰的目的。它与硬件 滤波相比具有以下优点： 数字滤波器是用程序实现的，不需要加任何硬件设备，也不存在阻抗匹 配问题，可以多个通道共用。不但节约投资，还可以提高可靠性、稳定性。 可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟滤波器由于受电容量的影响， 频率不能太低。 灵活性好。可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法。 数字滤波的方法有很多种，但常用的有以下几种。 ( 1 ) 程序判断滤波 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 叫乏 旺一一e 一1 l 盥( 4 - 5 ) x 。一x | 麒 式中y n 一第n 次滤波器输出值； y ，。一第n 1 次滤波器输出值； x 。一第n 次采样值； x o - i 一第n 1 次采样值。 程序判断滤波能有效地防止随机干扰和传感器不稳定而引起的严重信号 失真，适应变化缓慢的参数。 ( 2 ) 算术平均滤波 匕。专善置 “- 6 式中y 。r 第n 个采样时刻的滤波器输出； x ，一在这个采样周期内的第i 次采样； n 一总的采样次数。 这种滤波方法主要用于抑制周期性干扰信号，适应