虛擬儀器技術及其在電廠化學儀表實驗中的應用

張衛紅，劉玉秋，陳建華

(1.東北電力大學化學工程學院，吉林吉林132012，2.東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012;3.東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

隨著計算機和互聯網的迅速發展，20世紀末虛擬儀器技術受到廣泛重視并快速進入實用階段。計算機作為最富有現代科技特色的教學工具，越來越多地應用到了教育領域的各個方面。高?；瘜W學科的人才培養在很大程度上依賴于實驗教學，通過實驗教學環節的培養才會使學生具有更好的創新能力與良好的專業素質。

虛擬儀器技術為化學實驗教學提供了一種嶄新的教學模式。電廠化學儀表實驗是我院專業實驗課之一，課程內容抽象、涉及面廣、信息量大。在傳統的實驗教學中，由于教學資金投入有限，實驗教學儀器相對落后等問題，導致了實驗教學內容陳舊，無法適應現場相關技術的發展，學生的知識體系在深度和廣度上的構建受到影響。將虛擬儀器技術應用于電廠化學儀表實驗教學后，使現場的最先進的儀器儀表技術通過虛擬儀器構建出來應用到實驗教學中，從而使學生能夠直接掌握現場的先進技術，同時使實驗內容更生動直觀，有效提高實驗教學效果。

1 虛擬儀器技術概述

虛擬儀器是通用計算機硬件資源、標準數字電路與通用計算機軟件資源的有機結合。虛擬儀器既具有傳統儀器的基本功能，又能由用戶根據自己的需要，定義和設計儀器的測試功能，并且測試系統功能可根據軟件模塊的功能及不同組合而靈活配置。虛擬儀器具有良好的功能擴展和靈活的界面個性化設計等優點。其主要有以下特點:

(1)性價比高，使用方便，易于維護;

(2)強大的信號處理能力?？梢酝瑫r對多個參數進行定時高效的測量，最大限度地減少誤差，大大提高檢測精度，實現最優化的測量控制;

3)具有靈活的人機界面設計功能。

2 傳統教學改革措施的嘗試

傳統的實驗教學“附屬”于理論教學，多半是在理論教學的基礎上進行的驗證性實驗，同時由于教學資金投入有限，實驗教學儀器相對落后等問題的存在，導致實驗教學內容滯后于現場化學測試技術的發展。使學生的知識體系在深度和廣度上的構建受到影響。針對實驗教學環節這一突顯矛盾，在實驗教學中進行了“因地制宜改革實驗教學”的嘗試，即在驗證性實驗的基礎上，增添了有誤實驗和綜合研究實驗，利用到現場實習、調研機會，將現場淘汰的儀器儀表作為實驗教學的補充，由于淘汰儀器會在結構和原理部分存在一些缺陷，找到其原因，對學生動手能力的提高和加深理論認識具有十分重要意義?；谝陨纤枷耄锰蕴瓋x器與實驗室陳舊實驗儀器，我們開設了有誤實驗和綜合研究實驗，即學生要找到儀器在結構和原理設計不合理的地方或損壞的零部件，在此基礎上提出學生自己的分析見解和改進方案，并對儀器加以改進，引導學生在理論的基礎上在實踐中摸索研究。但這種改革嘗試仍存在一定問題，例如:學生仍然接觸不到先進高檔儀器，并解決不了每年遞增學生做實驗緊張問題等。

3 虛擬電廠化學儀表實驗室的構建

隨著虛擬實驗技術的逐步發展，虛擬實驗在教學上的應用也越來越深入和廣泛，許多高校及科研院所都積極地投入虛擬實驗系統構建，開展虛擬實驗教學研究。根據傳統的實驗教學方案，充分利用LabVIEW的強大功能和計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件(處理器、存儲器、顯示器)和測量儀器(傳感器、數據采集卡)等硬件資源與LabVIEW軟件功能(包括圖形用戶界面、數據的分析處理、通訊等)有機地結合起來，構建了電廠化學儀表虛擬實驗室平臺［2］。

與傳統儀器相同之處，虛擬儀器也是由信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出這三大功能構成。其中，由測試硬件完成信號的采集與控制，而信號分析與處理、結果表達與輸出則由計算機來完成。同時應用虛擬儀器的網絡功能構建網絡教學體系。電廠化學儀表虛擬實驗室組成見圖1。

上述系統根據實驗環節選擇檢測不同化學參數所需的傳感器、信號調理電路、數據采集卡及各種相關實驗器材［3］。傳感器拾取被測信號，經由信號調理電路對信號進行放大和預濾波，轉換為標準信號送入采集卡進行A/D轉換，通過RS232總線或PCI總線送入計算機進行數據處理和結果輸出。

圖1 電廠化學儀表虛擬實驗室組成

4 虛擬儀器技術在電廠化學儀表實驗中的應用

實驗教學環節在理工科學生培養中占有重要地位，對于深化學生對知識的理解和掌握、培養學生分析及解決問題的能力具有重要作用?？朔鹘y實驗教學弊端，彌補教學條件的不足，虛擬現實技術拓展實驗空間，有效提高學生學習質量及效率。隨著虛擬現實硬件系統及虛擬現實構造程序和有關數據庫等軟件系統的完善，虛擬儀器技術在實驗教學中得以廣泛應用。

化學實驗室儀器種類繁多，許多儀器價格昂貴，易損壞。電廠化學儀表虛擬實驗系統的構建既能降低儀器成本，又能使學生對理論知識有深入直觀的認識，有效提高授課效果。磷酸根分析儀是化學監督中重要監測儀表之一，在線磷酸根快速分析儀是一套集成電子實驗虛擬儀器系統，實驗平臺采取模塊化方式編程，各種測量參數作為子程序，方便系統功能的更新與擴展。程序主界面通過按鈕的方式調用各個測量參數界面，實現相應測量功能。本文以磷酸根分析儀為例建立虛擬儀器模式。該虛擬儀器主要分為硬件部分和軟件部分。

4.1 硬件部分

根據測控對象選取相應的傳感器，磷酸根分析儀我們選用光電傳感器，根據傳感器的類型選取相應的信號調理電路，進行信號調理、放大，調理后的信號流程如下:

信號源—→調理電路—→A/D轉換器—→單片機89C51—→串口RS232—→上位機Lab —→VIEW 程序［4］。

4.2 軟件部分

系統采用美國NI公司Lab VIEW 8.0軟件平臺，編程實現了磷酸根濃度、溫度的自動測量，界面如圖2所示。

系統采用計算機的屏幕代替傳統儀表的操作面板，包括顯示器、指示燈、旋鈕、開關、按鍵等，學生可以通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的各種控件。傳統儀器電路部分的功能則是通過編制相應的虛擬儀器程序替代。通過事件結構或分支結構實現虛擬面板相應的功能的選擇、各種工作參數的設置等。與傳統儀器相比，虛擬磷酸根分析儀界面更加美觀，功能更加豐富［5］。用戶可以通過點擊“DY9010介紹”按鈕瀏覽磷酸根實驗原理、儀器功能特點等，通過點擊“操作步驟簡介”按鈕瀏覽儀器操作步驟。

圖2 虛擬磷酸根分析儀

虛擬磷酸根分析儀操作步驟:

4.2.1 開機

點擊開機按鈕，儀器的所以指示等將同時亮2秒中，然后熄滅。這表明儀器初始狀態正常。將虛擬磷表的流路系統連接完畢后，儀器進入測量狀態。

4.2.2 標定

儀器測量前，單擊標定按鈕，可進行標定。標定后儀器會自動存儲標定曲線的斜率、偏移量。若測量前不進行標定，儀器會自動讀取上次標定曲線的斜率、偏移量。

4.2.3 測量

測量對應功能鍵位復位/測量復用按鈕。該按鍵有兩個功能:首次點擊，實現儀器恢復初始化狀態，儀器各種顯示均恢復為默認值;再次點擊，儀器將進行測量，程序將與串口進行通信，實時采集傳感器信號，同時進行信號的處理，最后通過表盤和顯示框進行顯示，測量結果的正確與否通過測量指示燈指示。

數據采集通過單片機實現，利用RS-232串口傳送至上位機。點擊“進行串口實驗”按鈕，虛擬儀器將會顯示從串口同步讀入虛擬儀器的數據，用戶可以通過選擇采集次數來決定采集數據的多少，數據間采集間隔是默認的。采集的數據將被存儲用于離線分析虛擬磷表的工作情況［6］。

5 結束語

虛擬儀器能夠實現和擴展傳統儀器的功能，其成本低，開發快，人機界面友好，應用方便，可有效減少傳統儀器組合測試中的誤差問題。虛擬化學儀器實驗室的構建使學生能夠通過網絡對所學實驗進行預習和演練，加強學生對實驗的認知深度，增強學生實驗動手能力與創新意識。同時也改善了設備不足帶來的實驗教學不完善等問題。通過教學實踐證明，化學虛擬實驗室的構建切實可行，并取得了預期效果。

［1］王舞禮，楊華.基于虛擬儀器技術的計算機測控實驗平臺［J］.實驗技術與管理，2010，27(1):80-82.

［2］張躍勤，王新輝，李云龍.基于數據采集的虛擬儀器實驗教學系統的開發與應用［J］.實驗技術與管理，2007，24(11):82-85.

［3］蔡共宣.虛擬儀器在測試技術教學實驗中的應用［J］.實驗科學與技術，2007，5(1):56-58.

［4］劉剛，嵇英華，蔡十華.虛擬儀器技術及其在電工電子實驗中的應用［J］.江西教育學院學報，2007，28(3):15-17.

［5］張小牛，侯國屏，趙偉.虛擬儀器技術回顧與展望［J］.測控技術2000，19(9):22-24.

［6］張躍勤，雷敏.基于虛擬儀器技術的實驗教學平臺及其應用［J］.儀表技術，2006，15(3):2-4.