前言
工程設(shè)計(jì)和研究開(kāi)發(fā)需要大量復(fù)雜的試驗(yàn)，常常需要把各種設(shè)備組合在一起構(gòu)成統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)室熱工水力學(xué)測(cè)控平臺(tái)中不但需要許多設(shè)備，而且需要模擬和仿真許多設(shè)備。這樣做不但可減少投資和運(yùn)行成本，也為加快試驗(yàn)進(jìn)度提供了必要條件，計(jì)算機(jī)和虛擬儀器技術(shù)在構(gòu)建這種平臺(tái)過(guò)程中發(fā)揮了巨大作用。
測(cè)控平臺(tái)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)虛擬儀器和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的思想，采用NI公司的LabVIEW和PXI系列產(chǎn)品組建成了熱工水力學(xué)測(cè)控平臺(tái)，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個(gè)由PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCI板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCMCIA板卡數(shù)采系統(tǒng)和GPIB儀器系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，非常適合于各類實(shí)驗(yàn)室。
熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)有四個(gè)大型熱工實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，每個(gè)臺(tái)架都有大量的溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)，還有輔助的電壓、電流、功率等信號(hào)。采用PXI和MXI技術(shù)，形成圖2所示的測(cè)量系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)靠近實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，通過(guò)MXI光纜將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的PXI系統(tǒng)和控制室的PC主控機(jī)連接起來(lái)，所以大量的信號(hào)傳輸線都位于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，雖然數(shù)量很多，但長(zhǎng)度很短，這樣既節(jié)約了大量費(fèi)用，又有利于抗干擾。四個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架共用一套便攜式PXI－MXI系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了實(shí)驗(yàn)水平和效率。
先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)
依托LabVIEW軟件包強(qiáng)大的信號(hào)處理功能，開(kāi)發(fā)了基于頻率信號(hào)流量計(jì)的流量測(cè)量和仿真分析系統(tǒng)、自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定測(cè)量和仿真系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量和仿真系統(tǒng)，以及基于G Web服務(wù)器的熱電偶校驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)室中大量使用渦街和渦輪流量計(jì)，流量信號(hào)是近似正弦波的頻率信號(hào)，頻率大小代表了流量的大小。由于實(shí)驗(yàn)室中電場(chǎng)、磁場(chǎng)相互影響和50Hz電網(wǎng)干擾，其測(cè)量精度受到很大影響，往往達(dá)不到流量傳感器本身的精度。利用LabVIEW信號(hào)處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開(kāi)發(fā)出基于頻率信號(hào)的流量計(jì)流量測(cè)量和仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可作流量測(cè)量用，又可作為仿真分析用，達(dá)到優(yōu)化測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了高精度流量測(cè)量，具有所需采樣點(diǎn)數(shù)少、分辨率高和抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
兩相流特性和兩相流不穩(wěn)定研究是熱工水力學(xué)學(xué)科的研究前沿，采用LabVIEW信號(hào)處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開(kāi)發(fā)出自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定性測(cè)量和仿真分析系統(tǒng)，為深入研究?jī)上嗔鞑环€(wěn)定性問(wèn)題提供了先進(jìn)的測(cè)量和分析工具。
應(yīng)用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量是先進(jìn)的流量測(cè)量技術(shù)，它利用流體攜帶的某種特征信號(hào)，對(duì)載流管道相距L位置上的檢測(cè)信號(hào)X(t)和Y(t)作相關(guān)處理來(lái)確定流體的運(yùn)動(dòng)速度，即流體的流量。
利用LabVIEW軟件庫(kù)中Signal Processing的Cross Correlation等模塊，即可容易地開(kāi)發(fā)出相關(guān)技術(shù)流量測(cè)量分析系統(tǒng)。在熱工實(shí)驗(yàn)中，流體的溫度和電導(dǎo)等信號(hào)都可作特征信號(hào)用，由相關(guān)函數(shù)Rxy最大值可知，信號(hào)Y(t)比信號(hào)X(t)延遲時(shí)間τ，根據(jù)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離L,即可得到流體的流速W=L/τ。
用LabVIEW軟件庫(kù)中G Web服務(wù)器等模塊，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程控制的熱電偶校驗(yàn)系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的校驗(yàn)監(jiān)控程序進(jìn)行操作，例如設(shè)定恒溫溫度，采集設(shè)備和通道號(hào)等參數(shù)。
基于LabVIEW的熱工仿真技術(shù)
熱工仿真技術(shù)主要是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、熱工水力學(xué)原理、數(shù)值計(jì)算方法和虛擬熱工儀表技術(shù)，進(jìn)行傳熱學(xué)和流體力學(xué)方面的數(shù)值模擬，即用計(jì)算機(jī)進(jìn)行熱工實(shí)驗(yàn)，達(dá)到（或基本達(dá)到）與熱工水力學(xué)過(guò)程一致的結(jié)果和高可視化的數(shù)據(jù)表達(dá)，用來(lái)進(jìn)行工程性實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)和估計(jì)，達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，提高水平和效率，提高工程建設(shè)的可行性和經(jīng)濟(jì)性的目的。
“模塊化與組合”的方法是用LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序的基本方法之一。所謂“模塊化”就是對(duì)基本的熱工對(duì)象的特征屬性以及其熱工過(guò)程的計(jì)算方法進(jìn)行封裝，形成一個(gè)獨(dú)立的、可復(fù)用的基本模塊，此模塊既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過(guò)合理的聯(lián)接與其他基本模塊組合運(yùn)行；所謂“組合”就是根據(jù)各個(gè)基本模塊輸入?yún)?shù)的類型以及相互關(guān)系對(duì)其進(jìn)行聯(lián)接，前一個(gè)模塊的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)合理的處理后，作為后一個(gè)模塊的輸入?yún)?shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)整個(gè)程序的運(yùn)行，從而完成由簡(jiǎn)單的基本模塊組成復(fù)雜仿真系統(tǒng)的過(guò)程，如圖3所示。
1．模塊化
熱工對(duì)象模塊是LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。要搭建一個(gè)具有基礎(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)的基本熱工對(duì)象模塊，首先需要對(duì)一個(gè)熱工對(duì)象的特征及屬性的進(jìn)行總結(jié)、提煉，抽取其中的共同屬性作為模塊的輸入?yún)?shù)、中間隱含參數(shù)或是輸出參數(shù)，然后建立這些參數(shù)的物理關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型表達(dá)這些關(guān)系；必要的時(shí)候再根據(jù)需要輔以適當(dāng)?shù)妮o助計(jì)算模塊和對(duì)象的特性參數(shù)，從而形成一個(gè)完整且可以復(fù)用的基礎(chǔ)熱工對(duì)象模塊。當(dāng)模塊應(yīng)用于仿真程序時(shí)，它就成為程序框圖中的一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”。
2．組合
LabVIEW的運(yùn)行是由數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是只有當(dāng)所有輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)都已經(jīng)準(zhǔn)備好的時(shí)候，一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”才能執(zhí)行其功能，當(dāng)“節(jié)點(diǎn)”的流程執(zhí)行完后， 其所有的輸出端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)值，傳給下一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”的輸入端。
這種數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行方式使用戶“組合”各個(gè)基本熱工對(duì)象模塊的過(guò)程變得更加容易，因?yàn)橛脩艨梢詫?shí)際的物理過(guò)程中的能量、質(zhì)量的流動(dòng)映射成數(shù)學(xué)模型中相應(yīng)的數(shù)據(jù)流動(dòng)，所以用戶在編程過(guò)程中就可以根據(jù)實(shí)際的物理過(guò)程中各個(gè)熱工對(duì)象之間的關(guān)系來(lái)聯(lián)接各個(gè)基本的熱工對(duì)象模塊。
其仿真程序的框圖如圖5所示，為了清晰的顯示上面所述的組合結(jié)構(gòu)，這里隱去了程序框圖中的一些模塊的部分參數(shù)。
3．熱工仿真程序系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)“模塊化與組合”這個(gè)基本思想，所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW開(kāi)發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。
結(jié)論
應(yīng)用美國(guó)NI公司的LabVIEW和PXI等先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)，將虛擬儀器和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于熱工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)熱工參數(shù)的測(cè)量和控制，開(kāi)發(fā)成功了多項(xiàng)先進(jìn)的熱工測(cè)量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，拓寬了熱工測(cè)控平臺(tái)的功能。
