基于LabWindows_CVI的電器試驗用多參數(shù)測試系統(tǒng)的虛擬儀器平臺

1、文章編號:10057277(2008010045052008年第30卷第1期第45頁電氣傳動自動化ELECTRIC DRIVE AUTOMATIONVol.30,No.12008,30(1:45491引言虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項新技術(shù),可取代傳統(tǒng)儀器進行測試等工作。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比,有如下特點:在通用硬件平臺確定的基礎(chǔ)上,由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能;儀器的功能可根據(jù)用戶需要由軟件來定義,而不是事先由廠家定義好;儀器性能的改進和更新只需進行相關(guān)軟件的設(shè)計更新,而不需要購買新的儀器;虛擬儀器在工程應(yīng)用和社會效益方面具有突出優(yōu)勢。目前我國高檔臺式儀器如數(shù)字示波

2、器、頻率分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進口,這些儀器加工工藝復(fù)雜,對制造水平要求高,生產(chǎn)突破有困難,而采用虛擬儀器技術(shù)克服了上述缺點;研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短;虛擬儀器開放、靈活,且與計算機同步發(fā)展,與網(wǎng)絡(luò)及其它設(shè)備互聯(lián)。虛擬儀器還具有功能多,體積小,使用方便,易于將其它硬件與計算機相連,虛擬操作面板上的操作鍵由軟件直接生成,可避免傳統(tǒng)儀器常出現(xiàn)的機械故障,虛擬儀器資源可重復(fù)使用等優(yōu)點。低壓電器試驗是保證低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要手段,也是改進產(chǎn)品設(shè)計的重要途徑。在虛擬儀器中,當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡、計算機和必要的信號輸入/輸出設(shè)備構(gòu)成的硬件平臺確定后,軟件是測量功能的關(guān)鍵,從某種意義上來說:“軟

3、件就是儀器”,系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用LabWindows/CVI6.0虛擬儀器軟件開發(fā)工具來完成。利用該工具可以方便地實現(xiàn)虛擬面板的設(shè)計,可調(diào)用數(shù)據(jù)采集、驅(qū)動、串口通訊等程序。同時,LabWindows/CVI6.0提供C 語言的編程環(huán)境,可用于編制滿足測試功能的一些特殊算法的測試程序。2虛擬儀器平臺的硬件設(shè)計2.1傳感器部分低壓電器通斷試驗屬強電的瞬變信號,在試驗過程中,開關(guān)斷口間產(chǎn)生的過電壓高,分?jǐn)嚯娏鞔?都需要經(jīng)過電壓、電流傳感器才能送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),由于這些瞬變信號中含有高頻分量,因此基于LabWindows/CVI 的電器試驗用多參數(shù)測試系統(tǒng)的虛擬儀器平臺王武(天水長城電器試驗研究所,甘

4、肅天水741018摘要:介紹了基于LabWindows/CVI 的電器試驗用多參數(shù)測試系統(tǒng)的虛擬儀器平臺的實現(xiàn)。在硬件方面,由傳感器、電壓和電流放大器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機組成硬件平臺;在軟件算法方面,使用了譜分析法,結(jié)合Blackman 窗對采集信號進行數(shù)據(jù)處理,大大提高了測試精度。軟件編程中采集結(jié)構(gòu)化編程思想,利用先進的虛擬儀器程序設(shè)計語言工具LabWindows/CVI ,使得測試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰,易于維護和擴充。關(guān)鍵詞:電器試驗;虛擬儀器;LabWindows/CVIVirtual instrument platform of multi-parameter testing syste

5、mfor electrical apparatus on LabWindows/CVIWANG Wu(Tianshui Changcheng Electric Apparatus Testing Research Institute ,Tianshui 741018,China Abstract:The virtual instrument platform of Multi-parameter testing system for electrical apparatus on LabWindows/CVI is introduced.In hardware,the platform is

6、composed of sensor,amplifiers of voltage and current,data acqui-sition card and industrial PC.In software algorithm,the Blackman Window on FFT algorithm is used for data processeing.The precision of system is enhanced greatly.The module programming thought and advanced software LabWindows/CVI made t

7、he system easy to maintain and robust in structure.Key words:electrical apparatus testing ;virtual instrument ;LabWindows/CVI46電氣傳動自動化2008年第1期一般的電壓互感器和電流互感器都不適用,而選用精度高且頻響特性好的傳感器,以期能不失真地準(zhǔn)確傳遞信號。2.1.1電壓傳感器分壓器可分為電阻分壓器、電容分壓器和阻容分壓器。開關(guān)電器在進行交流通斷試驗時,施加工頻電壓,頻率比較低,為了避免相位失真,選用電阻分壓器。在電壓的記錄測量中,如果被測電壓的幅值很大,常使測量儀器不

8、能承受,對于電壓放大器,其耐壓水平為1000V,在這種情況下可采用橋式分壓方法來測量,同時電阻選用具有低感性的標(biāo)準(zhǔn)電阻,而且對選用電阻進行了老化和阻值挑選。其線路如圖1所示。其中R1、R2是附加的標(biāo)準(zhǔn)電阻,分壓比為6:1,這樣,c、d兩點輸至系統(tǒng)的電壓就等于被測電壓信號的1/6,它的對地電壓只等于被測電壓的1/12。2.1.2電流傳感器開關(guān)強電流實驗室對大電流的測量,特別是分?jǐn)鄬嶋H電流的測量,除了周期分量外,還存在非周期分量,大小容量的產(chǎn)品及試驗的種類都很多,使得電流測量的范圍很大,從幾十安到200kA,要準(zhǔn)確地測量分?jǐn)嘣囼灥乃矐B(tài)電流,傳感器是一個重要的測量環(huán)節(jié)。常用的電流傳感器有鐵芯電流互感

9、器、低感分流器、帶氣隙的鐵芯電流互感器、ROGOWSKI線圈等。目前認為測量短時大電流的傳感器用ROGOWSKI線圈為好。ROGOWSKI線圈是將繞組導(dǎo)線均勻地繞在一個非鐵磁性材料環(huán)骨架上,母線從線圈中心穿過,當(dāng)母線上有電流通過時,根據(jù)電磁感應(yīng)原理在線圈兩端會產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢,在這兩端接上合適的電阻R,就可以測量電流。由于繞組線圈本身與電流回路沒有電的聯(lián)系,而是通過電磁場耦合,故與主回路有良好的電氣絕緣,線圈上的感應(yīng)電動勢為:e(t=d(tdt=0NS2r×dI(tdt式中:N為線圈匝數(shù);I(t為被測電流;r為繞組的平均半徑;S為繞組的橫截面積;0=4×10-7H/m(真

10、空磁導(dǎo)率。在實際使用中,由于輸出的二次電壓與一次母線電流的導(dǎo)數(shù)成正比,故在相位上相差/2,為了使它們相位一致,故需在線路上加一積分環(huán)節(jié),這樣,整個采樣繞組回路由繞組線圈、測量回路和積分回路組成。ROGOWSKI線圈的基本原理如圖2所示。由圖2可知:ue(t=R F/R1+jR F C本系統(tǒng)選用ROGOWSKI線圈,它分為固定式和可彎曲式兩種,固定式線圈經(jīng)積分放大器輸出為4檔,靈敏度分別為10A/V、100A/V、1kA/V、10kA/V,測量準(zhǔn)確度為±0.1%,頻寬為1Hz-10kHz(3dB;可彎曲式的線圈經(jīng)積分放大器二次輸出為4檔,靈敏度分別為0.1kA/V、1kA/V、10kA

11、/V、100kA/V,測量準(zhǔn)確度為±1.0%,頻帶寬為1Hz-100kHz(3dB 。2008年第1期47王武基于LabWindows/CVI的電器試驗用多參數(shù)測試系統(tǒng)的虛擬儀器平臺2.2前置放大器部分2.2.1放大電流信號的電壓放大器電流信號經(jīng)ROGOWSKI線圈采樣后,傳輸?shù)椒糯箅娏餍盘柕碾妷悍糯笃?電壓放大器的輸入范圍為0-5V,且對放大器中選用的電阻進行老化和電阻值挑選。電路如圖3所示。隔離放大器選用穩(wěn)定微小溫漂的隔離運算放大器AD203SN,它通過變壓器隔離信號和電源,應(yīng)用于比較惡劣的環(huán)境條件,其信號輸入范圍為±10V,輸出范圍為±10V,帶寬為10kH

12、z,工作溫度范圍為:-55至+125,該放大器的非線性在±0.025%之間,增益為1-10,隔離電壓為1500V(有效值。2.2.2電壓放大器電壓經(jīng)精密電阻分壓后,傳輸至電壓放大器,放大器輸入范圍為0-200V,電壓放大器電路如圖4所示。由圖4可知經(jīng)過電壓傳感器分壓的輸入電壓傳輸?shù)讲罘质椒糯笃鹘?jīng)2M和5k精密電阻分壓送入高精度的單片集成測量放大器AD524的2個運算放大器的反相輸入端,AD524是一種高增益、高輸入電阻和高共模抑制比的高精度放大器,其最大的放大倍數(shù)A=1000,非線性度僅為0.003% (當(dāng)A=1時,共模抑制比CMRR>120dB(當(dāng)A= 1000時。2.3數(shù)據(jù)

13、采集卡NI6220數(shù)據(jù)采集卡(DAQ是性價比很高的產(chǎn)品,采樣速率高達250kHz/s,支持DMA方式和BURST模式,保證了實時信號不間斷采集與存儲。它支持雙極性和單極模擬信號輸入,信號輸入范圍分別為(-5+5V和(0-10V,其中A/D轉(zhuǎn)換器為16位,提供16路單端或8路差動模擬輸入通道,24路數(shù)字I/O口。本設(shè)計采用雙極性模擬輸入模式。3系統(tǒng)軟件設(shè)計虛擬儀器程序設(shè)計語言工具LabWindows/CVI 6.0的核心是對象編程,虛擬儀器的面板和面板中的控件等都是對象。對象是數(shù)據(jù)和代碼的組合,在LabWindows/CVI虛擬儀器的設(shè)計中,可將對象中的代碼和數(shù)據(jù)當(dāng)作一個整體來對待。其編程的主要

14、特點是將用戶界面當(dāng)作面板,模擬一臺實際儀器的面板,類似于VB或其它編程語言中的FORM,同時它也是一個對象。虛擬儀器的面板是傳統(tǒng)儀器面板與軟件界面的融合。同時,LabWindows/CVI以ANSI C 為核心,將功能強大,使用靈活的C語言平臺和用于數(shù)據(jù)采集分析和表達的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺,交互式編程方法,豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增加了C語言的功能,為檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個理想的軟件開發(fā)環(huán)境。檢測系統(tǒng)主要由軟件完成最多8路信號的采集、分析處理、波形顯示和數(shù)值運算。因此,檢測系統(tǒng)軟件總體包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)值運

15、算與分析等四大模塊。以上各模塊的編程可應(yīng)用LabWindows/CVI6.0軟件開發(fā)平臺,各 模塊的編程可以調(diào)用子程序 ,而子程序的某些功能可以通過調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)原碼模塊實現(xiàn)。主程序的流程圖5所示。3.1系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)初始化包括數(shù)據(jù)采集卡的初始化、顯示波形的初始化以及將采集到的數(shù)據(jù)存入指定的存儲單元等功能。系統(tǒng)初始化模塊的流程如圖6所示。48電氣傳動自動化2008年第1期 數(shù)據(jù)采集卡的初始化包括數(shù)采卡的觸發(fā)模式、A/D 極性、A/D 輸入通道、采樣頻率和采樣點數(shù)等的設(shè)置。在本系統(tǒng)設(shè)計中,數(shù)據(jù)采集卡選用軟件觸發(fā)模式、雙極性單端輸入通道模式,采樣頻率最高為250kHz ,根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的長短,

16、可以設(shè)置所要采樣的點數(shù)。3.2數(shù)據(jù)采集這一部分的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的采集和存儲,在設(shè)定好初始化模塊后,可以進行數(shù)據(jù)的采集,采集完成后,數(shù)據(jù)將和系統(tǒng)的初始化設(shè)定值一起存入文件中,數(shù)據(jù)采集模塊的流程如圖7所示。 當(dāng)各種初始化程序完成后,軟件發(fā)出采集指令,軟件控制數(shù)據(jù)采集卡S/H 端口發(fā)出采樣/保持脈沖,同時數(shù)據(jù)采集卡對各通道的信號進行采集,保存到指定的存儲單元,待檢測到觸發(fā)信號時,將以后的波形鎖定,存入存儲單元,以便采集完成后,調(diào)入數(shù)據(jù)進行信號分析處理。4測試系統(tǒng)的應(yīng)用實例電器試驗用多參數(shù)測試系統(tǒng)的目的是得到在試驗過程中的實際波形以及相關(guān)參數(shù),如有效值、峰值、焦耳積分等,從而進行數(shù)值的相關(guān)分

17、析,得到有價值的結(jié)論。如圖8所示為測試系統(tǒng)采集到的實際波形,該波形為低壓接觸器在6000次的操作性能試驗過程中采集到的瞬態(tài)波形。在得到瞬態(tài)波形后,通過調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值運算與分析軟件,可以獲得電壓和電流的有效值和峰值、功率因數(shù)、焦耳積分、通電時間、燃弧時間、通斷時間,弧前I 2t 、熔斷I 2t 等參量。5結(jié)束語所謂虛擬儀器就是在通用的帶有數(shù)據(jù)采集卡的計算機平臺上配合測試輸入通道調(diào)理電路,編制不同的軟件做成不同功能的測試儀器,從而大大縮短了研發(fā)周期,降低了研發(fā)成本。LabWindows/CVI 是一種專用的虛擬儀器軟件平臺,它提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲庫函數(shù),用它來做測試平臺,可以代替硬件測

18、試設(shè)備,還可以根據(jù)用戶要求定義和設(shè)計儀器,真正實現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念,降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。參考文獻:1丁正平,齊忠毅.開關(guān)電器強電流試驗計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J .江蘇電器,2001,(6.2劉君華,白鵬,湯曉軍,郭會軍.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計M .北京:電子工業(yè)出版社,2003.3劉君華,申忠如,郭福田.現(xiàn)代測試技術(shù)與系統(tǒng)集成M .北京:電子工業(yè)出版社,2005.(上接第40頁型的領(lǐng)域知識。模糊查詢是為了適應(yīng)現(xiàn)場鉆井工程技術(shù)人員的需要,構(gòu)造的領(lǐng)域知識咨詢系統(tǒng)。當(dāng)鉆井工程技術(shù)人員想了解某方面的事故知識時,根據(jù)事故類型、事故征兆、事故控制和事故事例等相應(yīng)知識可自動調(diào)出

19、其相關(guān)內(nèi)容。事故事例查詢庫主要收錄了國內(nèi)個大油田的相關(guān)事故類型的事例,它包含事例的油田名稱、井號、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、井深結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、事故發(fā)生經(jīng)過和事故處理過程等內(nèi)容。事故控制查詢庫收錄了國內(nèi)多種鉆井事故類型的處理辦法,它可以提供事故發(fā)生的基本資料和專家的處理措施,工程技術(shù)人員可以借鑒專家提供的相關(guān)事故的處理方法。6結(jié)論開發(fā)鉆井事故知識實時咨詢系統(tǒng)是在事故診斷的基礎(chǔ)上,根據(jù)油田的實際情況,利用VisualBasic 程序設(shè)計語言,充分利用面向?qū)ο蠓椒?OOP 和Active 控件技術(shù)等先進的編程方法和思想實現(xiàn)本查詢系統(tǒng),它可成為鉆井事故知識的助理工程師。參考文獻:1郭建民.鉆井事故處理實例知識表示模式的研

20、究J .西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,2005,(4,241-243.2Walt Aldred Dick Plumb,lan Bradford John Cook VidhyaGholkar.Managing drilling Risk.Oilfield Review ,Summer 1999:2-20.3蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問題M .北京:石油工業(yè)出版社,2001.4朱素英.基于語音的圖書資料查詢漢語接口研究D .國防科技大學(xué),2005,(6:38-41.作者簡介:韓朝輝(1976-,男,碩士研究生,畢業(yè)于西安石油大學(xué),現(xiàn)為長慶石油勘探局工程技術(shù)研究院特殊井工藝技術(shù)服務(wù)中心工作。婁季豐(1

21、970-,助理工程師,現(xiàn)在甘肅省天水市首鋼岷山機械廠從事新產(chǎn)品開發(fā)和研究設(shè)計工作。收稿日期:2007-01-094劉君華,白鵬,賈惠芹,閻曉艷.虛擬儀器編程語言Lab-Windows/CVI 教程M .北京:電子工業(yè)出版社,2001.5張毅剛,喬立巖.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI6.0編程指南M .北京:機械工業(yè)出版社,2002.作者簡介:王武(1971-,男,工程師,畢業(yè)于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,工程碩士,現(xiàn)從事低壓電器試驗方面的工作。收稿日期:2007-03-20控制和PID 控制比例系數(shù)的調(diào)整,充分發(fā)揮了各自的優(yōu)點,該控制器具有良好的動、靜態(tài)性能,特別是對參數(shù)變化及干擾的適應(yīng)性、穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單一的控制器,應(yīng)用于調(diào)節(jié)壓縮機功率,使系統(tǒng)有更快的動態(tài)響應(yīng)、更小的超調(diào)量,使系統(tǒng)體現(xiàn)出節(jié)能與舒適兩大優(yōu)勢,實現(xiàn)了房間溫度良好控