虛擬儀器與實驗儀器在工業熱工設備及測量課程中的應用研究

王 杰 周霞萍 魯錫蘭 吳詩勇 周彥波

華東理工大學 上海 200237

虛擬儀器是20世紀80年代美國NI(National Instrument)公司提出的新概念儀器[1]。虛擬儀器通過在計算機上加入一組特定的軟件、硬件，可完成多種傳統儀器的功能[2,3]。

虛擬儀器通過傳感器采集和數據融合，配以PC機平臺，構成各種性能的數據采集控制儀器和系統，應用于自動測試、過程控制、儀器設計和資料分析等領域[4,5]。

將虛擬儀器技術應用于工業熱工設備及測量理論課程及專業實驗教學，與傳統的熱電偶測量教學相比，減少了儀器設備及工業仿真實踐在教學中的應用成本，對培養學生動手能力、創新能力有較大的促進作用。

1 課程內容

工業熱工設備及測量課程授課中，根據虛擬儀器的知識，首先著重講授步驟和特點，如：(1)采用C語言，通過定義和功能模塊圖標，迅速建立應用程序。(2)利用函數庫及高級程序，調節代表儀器功能的多種操作、進行數據處理、輸出顯示圖標，配置參數，數據流程框圖，就能完成編程工作。(3)編制的程序具有兼容性，能互相移植，程序的可重復利用性強。(4)測試的中間結果或最終結果可用數字、字符或曲線顯示在屏幕上，也可打印、繪圖或將數據記錄在磁帶或磁盤上。(5)虛擬儀器支持并行、串行等通訊接口及數據采樣卡。(6)能通過網絡進行動態數據交換，查詢結構化語言，以及與其他Windows應用程序或數據資源接口。然后講授虛擬儀器軟硬件構成知識(如圖1所示)。

圖1 虛擬儀器軟硬件構成系統

由圖1可知，該儀器系統至少要包含儀器接口、通信接口和驅動程序接口三種軟件。其中，儀器驅動程序接口是虛擬儀器的核心，通過硬件控制紐帶和橋梁，由軟件將計算機數據分析、顯示能力與儀器驅動器結合在一起，完成虛擬儀器在教學中的系統應用。

2 教學手段與方法

本課程在虛擬儀器教學改革的授課中，還結合工業熱工設備及測量課程配套的專業實驗加以知識的深化。如熱電偶測量是科學實驗及工業熱工、化工、電力設備常用的溫控指標，在現實儀器測定中需要恒溫加熱控制爐、冰點恒溫器、電位器、數據記錄器等構成，有單極、雙極、同名級等熱電動勢測定方法，需要采用標準熱電偶對被測熱電偶進行測定校正，以精確過程控制參數。本課程教學采用虛擬與實驗儀器結合的方式，要求學生完成“虛擬儀器在熱電偶測量中的應用實驗。根據大量標準的熱電動勢數據，編制軟件(附程序)，建立工作界面，獲得實際裝置所用熱電偶的測量數據。

附：熱電偶測量在虛擬儀器應用中的數據結構及程序：

3 教學實驗與效果

熱電偶測量將虛擬儀器與實驗儀器結合，用熱電偶作為溫度傳感器，通過信號調理送入插入式數據采集卡，然后送到計算機進行處理，并將所要的控制信息通過接口送到實驗現場執行器(如圖2所示)。

圖2 虛擬儀器在熱電偶測量實驗中的系統構成

實際操作中，在預先編制測試程序前提下，在計算機操作界面中(如圖3所示)輸入實測的熱電動勢值，并進行實驗結果的分析與比較。

圖3 虛擬儀器與實驗儀器結合工作界面

虛擬儀器與實驗儀器結合，用計算機實現對儀器的操作和控制，可以方便地將多臺儀器組合起來，形成較大的自動測量系統，省去了數據記錄、數據分析等傳統儀器設備，降低了實驗及工業運用仿真的成本，培養了學生的動手能力和創新能力。

[1]張毅剛.虛擬儀器技術介紹[J].國外電子測量技術,2006(6):1-6.

[2]許力,張波,陶薇薇.基于Lab VIEW的數字電路實驗教學平臺設計[J].實驗室科學,2011,14(4):98-100.

[3]姜波,權春善,樸永哲.現代儀器與生物化學分析課程教學改革與實踐[J].中央民族大學學報,2011(1):94-96.

[4]姜海波.虛擬儀器技術在高校教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2010(15):53-54.

[5]胡清.基于虛擬儀器的遠程實驗教學的設想[J].實驗科學與技術,2003(1):52-54.