摘 要：在電力系統(tǒng)中,為了研究高壓電氣設備外絕緣特性,需要人工環(huán)境室的溫濕度能精確測量。本文將虛擬儀器技術應用于溫濕度測量中,以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺,以計算機為核心,配上傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相應軟件,對人工環(huán)境室的溫濕度進行實時精確測量,并將結果以圖形和數(shù)字兩種方式進行實時顯示,而且還擴展了數(shù)據(jù)存儲功能,顯示了虛擬儀器技術在溫濕度測量中應用的靈活性和其功能的強大。 關鍵詞：虛擬儀器;傳感器;LabVIEW;溫濕度測量 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,電力設備和輸電導線經常要通過酸性濕沉降以及覆冰的復雜大氣環(huán)境地區(qū),復雜大氣環(huán)境對電力系統(tǒng)的外絕緣選擇、防閃絡對策研究和保障安全運行帶來許多新的技術問題和理論問題。為了對電力設備在復雜大氣條件下特性的研究,建立了一個溫濕度都能精確測量的人工環(huán)境室,以便根據(jù)實際的試驗需要來調整溫度、濕度以滿足模擬自然界的復雜大氣環(huán)境的試驗要求。在此人工環(huán)境室中溫度從-40～80℃精確可調,濕度從0%～100%RH精確可調。人工環(huán)境室是一個復雜系統(tǒng),它的主要參數(shù)是溫度、濕度,需要對這些參數(shù)進行實時測量,并進行量化顯示和大量數(shù)據(jù)的有規(guī)律存儲。在以往進行溫度、濕度測量過程中,通常使用溫度計、濕度表等儀表和輸出模擬量的電測量儀表來測量數(shù)據(jù),是由人工讀取和記錄模擬儀表上的溫濕度值,這種方法測量精度低,往往會加入外界和人為因素的影響,誤差大,觀測不方便,實時性差,效率低下。而且在電力系統(tǒng)測量中的高電壓等級,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應用于溫濕度測量中,以LabVIEW為開發(fā)平臺,利用虛擬儀器與測試硬件間溝通的靈活性及軟件方便簡捷的特點,以計算機為核心,配上傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相應軟件組成的溫濕度測量系統(tǒng)。 1 虛擬測量的硬件組成 　　基于虛擬儀器的溫濕度測量系統(tǒng)就是把溫濕度等非電量轉換成模擬電量,再轉換成數(shù)字量,由計算機讀取、處理,最后在虛擬面板上顯示結果和存儲。它由硬件和軟件兩部分組成,硬件是本測量系統(tǒng)的基礎,軟件是核心。本測量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 溫濕度測量的原理框圖[/align] 　　硬件部分提供虛擬式溫濕度測量系統(tǒng)軟件的運行平臺,完成測量平臺的構建和測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、計算機系統(tǒng)組成。 　　1.1 溫濕度傳感器 　　本測量系統(tǒng)的溫濕度傳感器是溫濕度一體的。它的溫度測量范圍為-40～80℃,精度為0.2℃,濕度測量范圍為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的電容型濕度傳感器。傳感器將溫度的變化轉化為電阻的變化,將濕度的變化轉化為電容的變化,最后分別轉化為電流的變化,但電流值很小。而在實驗室做電壓等級很高的高壓實驗時,周圍環(huán)境電磁污染嚴重,探頭測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)轉化器,把所得的小電流直接轉換成數(shù)字信號,然后用外皮是聚四氟材質的高溫導線把這數(shù)字信號輸送給電流變送器進行處理。這大大提高了信號抗干擾及長距離傳送的能力,而測量信號的長距離傳送使得測量人員能夠遠離高電壓測量區(qū)域。 　　1.1.2 電流變送器 　　電流變送器通過它的電路板對信號進行調理,主要作用是使變送器輸出信號與數(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通常很小,這時必須采取放大措施以減小量化誤差,同時對混入信號中的虛假成分進行濾波,以及壓縮頻帶、阻抗變換、屏蔽接地、信號線性化等處理。 　　探頭測量得到的數(shù)字信號,傳送給電流變送器后,通過變送器中的數(shù)模轉換器轉化為微弱電信號。這微弱電信號通過變送器的信號調理電路進行放大、濾波、補償及線性化等處理,輸出4～20mA電流信號。這種電流輸出使得其成為一種電流型傳感器,相當于一個恒流源,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,使輸出信號轉換成1～5V的電壓標準信號,送入數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化處理。傳感器接入測量電路的示意圖如下： [align=center] 圖2 傳感器接入測量電路的示意圖[/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,它將調理后的信號以一定頻率進行采集并存儲在數(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)送入計算機內存進行處理。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器進行測試必不可少的硬件,電流變送器輸出1～5V的電壓信號由它采集后, 再由內置的模數(shù)轉換器轉換為計算機所能接收的數(shù)字信號,最后由所編寫的LabVIEW程序進行控制和處理,并在前面板上顯示。 　　本測量系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡是RBH8301國產通用數(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總線直接與計算機的USB接口相連,不需要外部供電,直接用USB總線進行供電。 2 虛擬測量的軟件設計與程序實現(xiàn) 　　本測量系統(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。LabVIEW程序對數(shù)據(jù)采集卡進行控制而采集數(shù)據(jù)。電壓模擬信號被數(shù)據(jù)采集卡采集后輸入計算機,LabVIEW程序對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理,把信號還原成相應的溫濕度數(shù)字信號,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 標度變換 　　數(shù)據(jù)采集卡采集到的不是測點的溫濕度值的直接讀數(shù),而只是代表該點溫濕度值的電壓模擬電信號。實際應用中,被測模擬信號被檢測出來并轉換成數(shù)字量后, 它僅僅對應于參數(shù)的大小，常需要轉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運算顯示才有意義。這就是工程量變換或標度變換。要從采集到的電壓模擬信號得出各個測點的溫濕度值,需要進行一次標度變換,這個變換由LabVIEW程序來實現(xiàn)。其標度變換公式如下： 　　2.2 框圖程序 　　LabVIEW程序是采用框圖程序進行編程的,框圖程序是程序圖形化的源代碼。通過框圖程序編程對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進行指定,以操縱和控制定義在前面板的輸入和輸出功能,完成對信號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)存儲模塊及數(shù)據(jù)回放調用模塊。把每個模塊編寫成一個子VI,各模塊分別完成確定的任務,再通過主程序分別調用每個子VI。 　?。?） 數(shù)據(jù)采集模塊子VI完成對數(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、啟動數(shù)據(jù)采集,讀取采集結果、停止數(shù)據(jù)采集等。其中初始化數(shù)據(jù)采集卡完成對數(shù)據(jù)采集卡進行參數(shù)設置。 　?。?）數(shù)據(jù)換算處理模塊子VI對采集的結果進行標度變換及數(shù)據(jù)轉換等處理。把電壓數(shù)據(jù)信號還原成相應的溫濕度數(shù)字信號,把采集到的數(shù)組形式的數(shù)據(jù)轉換成字符串形式以便于保存。 　?。?）溫濕度顯示模塊子VI提供實時顯示工作方式,對處理后的數(shù)據(jù)進行實時顯示,顯示方式包括直接數(shù)值顯示和圖形顯示。 　?。?）數(shù)據(jù)存儲模塊子VI主要對處理后的數(shù)據(jù)進行保存,供瀏覽歷史數(shù)據(jù)之用。由于實時顯示和處理進行的相當快,當用戶需對數(shù)據(jù)做詳細分析時,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,并生成以時間為文件名的電子表格文件,以便日后進行數(shù)據(jù)分析和過程描述。 　　（5） 數(shù)據(jù)回放調用模塊子VI是對儲存的數(shù)據(jù)進行回放,當用戶需對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理時,可在離線狀態(tài)下重新調出數(shù)據(jù)來分析。 [align=center] 圖3 調用數(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,實現(xiàn)儀器控制以及數(shù)據(jù)輸入,結果顯示。當運行程序時,只有前面板出現(xiàn)在計算機的屏幕上,作為虛擬測量和用戶的接口。只要按照要求在前面板上寫入相應的控制參數(shù),完成采樣通道的設置,便可以進行溫濕度測量。利用本測量系統(tǒng)對某日溫濕度測量的前面板如下圖所示： [align=center] 圖4 虛擬儀器溫濕度測量的前面板[/align] 3 結束語 　　虛擬儀器技術的出現(xiàn)為測試系統(tǒng)的研制開辟了一條新途徑。本文設計的基于虛擬儀器的人工環(huán)境室的溫濕度測量是虛擬儀器在測試與測量方面的應用,充分利用了計算機的軟硬件資源,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)字化測量,具有開發(fā)時間短、人機界面好、操作方便、結果顯示形象直觀等特點,不僅為測量的控制和觀測提供了方便,更重要的是提供了數(shù)據(jù)采集和讀數(shù)的精確度和實時性,從而增加了高電壓實驗的準確性。 　　論文的創(chuàng)新點:本文將虛擬儀器技術應用于高電壓實驗室中人工環(huán)境室的溫濕度的數(shù)字化測量,為了將測量結果輸送到遠離高電壓實驗區(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,便于調用和程序的移植。測量結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驗的分析,調用溫濕度參數(shù)值的需要,擴展了測量結果的存儲功能。 參考文獻： 　　[1] 楊樂平,李海濤,楊磊.LabVIEW程序設計與應用[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)測儀[J].自動化儀表,2004,2:30～32. 　　[3] 王彥芳,封筠,賀海宏等.基于VI的恒溫區(qū)段測量系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2006,（22）5:170～171.