摘 要：在電力系統(tǒng)中,為了研究高壓電氣設(shè)備外絕緣特性,需要人工環(huán)境室的溫濕度能精確測(cè)量。本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于溫濕度測(cè)量中,以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái),以計(jì)算機(jī)為核心,配上傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)軟件,對(duì)人工環(huán)境室的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量,并將結(jié)果以圖形和數(shù)字兩種方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,而且還擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,顯示了虛擬儀器技術(shù)在溫濕度測(cè)量中應(yīng)用的靈活性和其功能的強(qiáng)大。 關(guān)鍵詞：虛擬儀器;傳感器;LabVIEW;溫濕度測(cè)量 Abstract: In the power system, to study the outer insulative character of high voltage electrical equipment, it is necessary to precise measure the temperature and humidity of the artificial environment room. In this paper, virtual instrument technology be applied to measurement of temperature and humidity, and with LabVIEW as software platform, using sensor, DAQ card and corresponding software to precise measure the temperature and humidity of the artificial environment room on the basis of the computer, and showing the result by two kinds of figure and data, also expanding data saving function, indicating the flexibility and strong function of VI technology be applied to measurement of temperature and humidity. Keywords: Virtual instrument; sensor; labVIEW; temperature and humidity measurement 0 前言 　　在電力系統(tǒng)中,電力設(shè)備和輸電導(dǎo)線經(jīng)常要通過酸性濕沉降以及覆冰的復(fù)雜大氣環(huán)境地區(qū),復(fù)雜大氣環(huán)境對(duì)電力系統(tǒng)的外絕緣選擇、防閃絡(luò)對(duì)策研究和保障安全運(yùn)行帶來許多新的技術(shù)問題和理論問題。為了對(duì)電力設(shè)備在復(fù)雜大氣條件下特性的研究,建立了一個(gè)溫濕度都能精確測(cè)量的人工環(huán)境室,以便根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)需要來調(diào)整溫度、濕度以滿足模擬自然界的復(fù)雜大氣環(huán)境的試驗(yàn)要求。在此人工環(huán)境室中溫度從-40～80℃精確可調(diào),濕度從0%～100%RH精確可調(diào)。人工環(huán)境室是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),它的主要參數(shù)是溫度、濕度,需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,并進(jìn)行量化顯示和大量數(shù)據(jù)的有規(guī)律存儲(chǔ)。在以往進(jìn)行溫度、濕度測(cè)量過程中,通常使用溫度計(jì)、濕度表等儀表和輸出模擬量的電測(cè)量?jī)x表來測(cè)量數(shù)據(jù),是由人工讀取和記錄模擬儀表上的溫濕度值,這種方法測(cè)量精度低,往往會(huì)加入外界和人為因素的影響,誤差大,觀測(cè)不方便,實(shí)時(shí)性差,效率低下。而且在電力系統(tǒng)測(cè)量中的高電壓等級(jí),使得人工難以近距離的直接讀數(shù)。為有效地解決這些問題,本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于溫濕度測(cè)量中,以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái),利用虛擬儀器與測(cè)試硬件間溝通的靈活性及軟件方便簡(jiǎn)捷的特點(diǎn),以計(jì)算機(jī)為核心,配上傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)軟件組成的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。 1 虛擬測(cè)量的硬件組成 　　基于虛擬儀器的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)就是把溫濕度等非電量轉(zhuǎn)換成模擬電量,再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,由計(jì)算機(jī)讀取、處理,最后在虛擬面板上顯示結(jié)果和存儲(chǔ)。它由硬件和軟件兩部分組成,硬件是本測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ),軟件是核心。本測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 溫濕度測(cè)量的原理框圖[/align] 　　硬件部分提供虛擬式溫濕度測(cè)量系統(tǒng)軟件的運(yùn)行平臺(tái),完成測(cè)量平臺(tái)的構(gòu)建和測(cè)量信息的獲取與保存,由傳感器探頭、電流變送器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。 　　1.1 溫濕度傳感器 　　本測(cè)量系統(tǒng)的溫濕度傳感器是溫濕度一體的。它的溫度測(cè)量范圍為-40～80℃,精度為0.2℃,濕度測(cè)量范圍為0%～100%RH,精度為2%RH,供電是24v的直流電源,輸出4～20mA直流電流,由測(cè)量探頭和電流變送器組成。 　　1.1.1 傳感器探頭 　　傳感器探頭溫度部分是由pt1000薄膜鉑熱電阻作為感溫元件的熱電阻,濕度部分是由聚酰亞胺作感濕介質(zhì)的電容型濕度傳感器。傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化,將濕度的變化轉(zhuǎn)化為電容的變化,最后分別轉(zhuǎn)化為電流的變化,但電流值很小。而在實(shí)驗(yàn)室做電壓等級(jí)很高的高壓實(shí)驗(yàn)時(shí),周圍環(huán)境電磁污染嚴(yán)重,探頭測(cè)量后得到的小電流很容易受到污染而失真。為此,在探頭中加一模數(shù)轉(zhuǎn)化器,把所得的小電流直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),然后用外皮是聚四氟材質(zhì)的高溫導(dǎo)線把這數(shù)字信號(hào)輸送給電流變送器進(jìn)行處理。這大大提高了信號(hào)抗干擾及長距離傳送的能力,而測(cè)量信號(hào)的長距離傳送使得測(cè)量人員能夠遠(yuǎn)離高電壓測(cè)量區(qū)域。 　　1.1.2 電流變送器 　　電流變送器通過它的電路板對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,主要作用是使變送器輸出信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡相適配。數(shù)據(jù)采集卡的輸入電平是0～5V,而傳感器探頭的輸出信號(hào)通常很小,這時(shí)必須采取放大措施以減小量化誤差,同時(shí)對(duì)混入信號(hào)中的虛假成分進(jìn)行濾波,以及壓縮頻帶、阻抗變換、屏蔽接地、信號(hào)線性化等處理。 　　探頭測(cè)量得到的數(shù)字信號(hào),傳送給電流變送器后,通過變送器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為微弱電信號(hào)。這微弱電信號(hào)通過變送器的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、補(bǔ)償及線性化等處理,輸出4～20mA電流信號(hào)。這種電流輸出使得其成為一種電流型傳感器,相當(dāng)于一個(gè)恒流源,因此不易受接觸電阻、引線電阻和噪聲的干擾,提高了信號(hào)長距離傳送能力及傳送過程中抗干擾能力。然后將這電流輸出信號(hào)通過屏蔽線傳送給數(shù)據(jù)采集卡,并在屏蔽線的未端串聯(lián)250歐的無感精密電阻作為取樣電阻,使輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)字化處理。傳感器接入測(cè)量電路的示意圖如下： [align=center] 圖2 傳感器接入測(cè)量電路的示意圖[/align] 　　1.2 數(shù)據(jù)采集卡 　　數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的入口,它將調(diào)理后的信號(hào)以一定頻率進(jìn)行采集并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集卡上,通過總線以查詢、中斷或DMA方式將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試必不可少的硬件,電流變送器輸出1～5V的電壓信號(hào)由它采集后, 再由內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能接收的數(shù)字信號(hào),最后由所編寫的LabVIEW程序進(jìn)行控制和處理,并在前面板上顯示。 　　本測(cè)量系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡是RBH8301國產(chǎn)通用數(shù)據(jù)采集卡,該數(shù)據(jù)采集卡具有高性能的數(shù)據(jù)采集能力,采用高精度、高密度FPGA邏輯芯片,USB2.0總線接口,通過USB總線直接與計(jì)算機(jī)的USB接口相連,不需要外部供電,直接用USB總線進(jìn)行供電。 2 虛擬測(cè)量的軟件設(shè)計(jì)與程序?qū)崿F(xiàn) 　　本測(cè)量系統(tǒng)以LabVIEW程序作為控制軟件。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序,是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境,是儀器控制與數(shù)據(jù)采集的編程平臺(tái)。LabVIEW程序?qū)?shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制而采集數(shù)據(jù)。電壓模擬信號(hào)被數(shù)據(jù)采集卡采集后輸入計(jì)算機(jī),LabVIEW程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,把信號(hào)還原成相應(yīng)的溫濕度數(shù)字信號(hào),并由前面板以多種方式顯示出來或者以數(shù)據(jù)文件形式保存。 　　2.1 標(biāo)度變換 　　數(shù)據(jù)采集卡采集到的不是測(cè)點(diǎn)的溫濕度值的直接讀數(shù),而只是代表該點(diǎn)溫濕度值的電壓模擬電信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中,被測(cè)模擬信號(hào)被檢測(cè)出來并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后, 它僅僅對(duì)應(yīng)于參數(shù)的大小，常需要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的和便于人們觀察的帶有量綱的工程量后經(jīng)運(yùn)算顯示才有意義。這就是工程量變換或標(biāo)度變換。要從采集到的電壓模擬信號(hào)得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫濕度值,需要進(jìn)行一次標(biāo)度變換,這個(gè)變換由LabVIEW程序來實(shí)現(xiàn)。其標(biāo)度變換公式如下： 　　2.2 框圖程序 　　LabVIEW程序是采用框圖程序進(jìn)行編程的,框圖程序是程序圖形化的源代碼。通過框圖程序編程對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定,以操縱和控制定義在前面板的輸入和輸出功能,完成對(duì)信號(hào)采集及分析處理功能的控制。編寫程序采用了模塊化思想,把整個(gè)程序分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)換算處理模塊、溫濕度顯示模塊,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)回放調(diào)用模塊。把每個(gè)模塊編寫成一個(gè)子VI,各模塊分別完成確定的任務(wù),再通過主程序分別調(diào)用每個(gè)子VI。 　?。?） 數(shù)據(jù)采集模塊子VI完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡控制使數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。主要包括：初始化數(shù)據(jù)采集卡、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集,讀取采集結(jié)果、停止數(shù)據(jù)采集等。其中初始化數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 　　（2）數(shù)據(jù)換算處理模塊子VI對(duì)采集的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度變換及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理。把電壓數(shù)據(jù)信號(hào)還原成相應(yīng)的溫濕度數(shù)字信號(hào),把采集到的數(shù)組形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串形式以便于保存。 　?。?）溫濕度顯示模塊子VI提供實(shí)時(shí)顯示工作方式,對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,顯示方式包括直接數(shù)值顯示和圖形顯示。 　　（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊子VI主要對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,供瀏覽歷史數(shù)據(jù)之用。由于實(shí)時(shí)顯示和處理進(jìn)行的相當(dāng)快,當(dāng)用戶需對(duì)數(shù)據(jù)做詳細(xì)分析時(shí),可選擇保存數(shù)據(jù)按鈕把采得的數(shù)據(jù)保存成字符串形式,并生成以時(shí)間為文件名的電子表格文件,以便日后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和過程描述。 　?。?） 數(shù)據(jù)回放調(diào)用模塊子VI是對(duì)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,當(dāng)用戶需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí),可在離線狀態(tài)下重新調(diào)出數(shù)據(jù)來分析。 [align=center] 圖3 調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊子VI的程序框圖[/align] 　　2.3 前面板 　　前面板由控制（controls）、指示（indicators）和修飾（Decoration）構(gòu)成,LabVIEW為前面板提供了豐富的圖形控件可以模擬傳統(tǒng)儀器工作方式,在前面板上放置所需要的控件和指示器,實(shí)現(xiàn)儀器控制以及數(shù)據(jù)輸入,結(jié)果顯示。當(dāng)運(yùn)行程序時(shí),只有前面板出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的屏幕上,作為虛擬測(cè)量和用戶的接口。只要按照要求在前面板上寫入相應(yīng)的控制參數(shù),完成采樣通道的設(shè)置,便可以進(jìn)行溫濕度測(cè)量。利用本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某日溫濕度測(cè)量的前面板如下圖所示： [align=center] 圖4 虛擬儀器溫濕度測(cè)量的前面板[/align] 3 結(jié)束語 　　虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)為測(cè)試系統(tǒng)的研制開辟了一條新途徑。本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器的人工環(huán)境室的溫濕度測(cè)量是虛擬儀器在測(cè)試與測(cè)量方面的應(yīng)用,充分利用了計(jì)算機(jī)的軟硬件資源,借助于傳感器,數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW語言完成溫濕度的數(shù)字化測(cè)量,具有開發(fā)時(shí)間短、人機(jī)界面好、操作方便、結(jié)果顯示形象直觀等特點(diǎn),不僅為測(cè)量的控制和觀測(cè)提供了方便,更重要的是提供了數(shù)據(jù)采集和讀數(shù)的精確度和實(shí)時(shí)性,從而增加了高電壓實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。 　　論文的創(chuàng)新點(diǎn):本文將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于高電壓實(shí)驗(yàn)室中人工環(huán)境室的溫濕度的數(shù)字化測(cè)量,為了將測(cè)量結(jié)果輸送到遠(yuǎn)離高電壓實(shí)驗(yàn)區(qū)和取得良好的抗電磁干擾的能力,傳感器采取了數(shù)字信號(hào)傳送和電流輸出的方式。在LabVIEW程序的編寫中采用了子VI的形式,便于調(diào)用和程序的移植。測(cè)量結(jié)果的輸出采用圖形和數(shù)值化的方式,并且為了以后高電壓實(shí)驗(yàn)的分析,調(diào)用溫濕度參數(shù)值的需要,擴(kuò)展了測(cè)量結(jié)果的存儲(chǔ)功能。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2005. 　　[2] 吳光杰,王海寶.注射過程中的多通道虛擬溫度監(jiān)測(cè)儀[J].自動(dòng)化儀表,2004,2:30～32. 　　[3] 王彥芳,封筠,賀海宏等.基于VI的恒溫區(qū)段測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,（22）5:170～171.