基于LabView的壓力變送器校驗系統(tǒng)的設計

汝濤

【摘要】：目前火電機組檢修期間都要組織校驗人員對部分壓力變送器校驗。而其一般校驗的過程是人工觀察數(shù)據和手動記錄數(shù)據，因此就會人為得產生誤差，并且數(shù)據采集、處理、與存儲的數(shù)量少而慢;數(shù)據的分析更無從談起。以虛擬儀表技術為趨勢的自動測試系統(tǒng)，在測試領域中有廣泛的應用前景。虛擬系統(tǒng)的應用不但大大減輕人員的勞動強度，而且能讓數(shù)據實時在波形圖中顯示，還能夠對大數(shù)據進行采集、處理、存儲和分析。為此用以NI為平臺的核心軟件LabView開發(fā)了壓力變送器校驗平臺。該平臺在實時性、實用性、精確性、數(shù)據采集處理存儲分析等方面具有明顯的優(yōu)勢。

【關鍵詞】：儀表校驗 虛擬儀表技術 大數(shù)據 LabView

0引言

隨著測量技術也不斷發(fā)展，數(shù)據采集和處理向一體化、實時化、數(shù)字化方向發(fā)展。LabVIEW集成了與滿足各類協(xié)議的硬件及數(shù)據采集卡通訊的全部功能。功能強大且靈活的Labview在存儲分析等方面功能具有明顯的優(yōu)勢。

基于Labview軟件的強大功能，再結合實際生產過程中變送器校驗存在許多要改善的地方，故以Labview2014軟件開發(fā)的壓力變送器校驗平臺為例，展現(xiàn)其現(xiàn)實測量時帶來的優(yōu)勢。

1測試平臺的系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)硬件包括便手動液壓源（如便攜式手動液壓源等），壓力變送器，精密壓力表，數(shù)據采集卡（如NI公司的采集卡等），PC機，Labview軟件。

2數(shù)據采集系統(tǒng)設計

數(shù)據采集卡采用USB通訊方式。使用 NI-VISA 與 USB 設備進行通訊。NI-VISA是NI公司開發(fā)的用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口。

因為采集到的信號仍有可能夾雜著干擾信號，所以對信號進行濾波是必要的。而Labview提供了各種各樣的濾波方式。濾波最終能增加了采集到的信號準確性，減少干擾。

2.1數(shù)據采集卡

數(shù)據采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。對壓力采集使用模擬量數(shù)據采集卡。

計算機通過DAQ設備接收原始數(shù)據。DAQ助手（DAQ Assistant）能快速收集實際數(shù)據，還控制DAQ系統(tǒng)，命令DAQ設備進行數(shù)據采集的具體通道和時間。

2.2通訊程序

通過配置 NI-VISA 來控制 USB 設備，NI-VISA 與 USB 設備進行通訊時，USB 設備的種類應選擇為USB 測試與測量類（USBTMC）。

在Labview的VI中，使 USB 設備打開了一個 VISA 對話框，指令被寫入設備，所發(fā)送的具體指令是詢問設備的 ID，詢問設備的指令集，并讀取回饋信息，所有通訊結束后，關閉VISA 對話框。

2.3數(shù)據濾波

對采集到的信號可能帶有夾雜的干擾信號，所以設計VI對信號進行濾波。濾波部分選用濾波速度快，對相位沒有要求的遞歸類濾波器（IIR），即3階Butterworth濾波器。為了測試濾波效果，設計一個帶有噪聲正弦波的仿真信號，進過3階Butterworth濾波器濾波前后的波形對比。

程序解釋：建立一個for循環(huán)，選擇一個仿真信號發(fā)生器并設置其的頻率、振幅、噪聲等，該仿真信號發(fā)生器就會產生一個虛擬的波形。設置濾波器進行濾波得到濾波后的波形。并在前面板上顯示濾波前后的波形。

通過3階Butterworth濾波器濾波前后的波形對比，我們可以看得出濾波可以得到更好更準確的數(shù)據。

3數(shù)據處理

首先我們設計的系統(tǒng)前面板具有數(shù)據輸入，如設定量程，從標準壓力變送器讀取的標定點等。其次VI具有計算線性方程的系數(shù)、均方根誤差和顯示波形的功能。最后還要能對采集的數(shù)據進行保存。

一般壓力變送器的靜態(tài)特性可用（1）所示的線性方程來擬合模擬。

3.1前面板設計

LabVIEW提供了豐富的界面控件供開發(fā)者選擇，利用這些控件做出讓人耳目一新的界面效果。LabVIEW還可在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。

由于待檢驗的壓力變送器的量程需要輸入到VI中進行計算，故前面板需要帶輸入功能。數(shù)據經過VI程序處理后要在波形圖中顯示供檢驗人員分析。

從前面板中我們可以清楚的看到被校驗的變送器的壓力P和電流I的擬合曲線，以及標準表的曲線。從XY趨勢圖就可以看出被校驗壓力變送器的線性。

3.2后面板設計

Labview包含大量的函數(shù)和模塊，對數(shù)據處理既方便有快捷。由于需要計算模擬線性函數(shù)的系數(shù)，通過Labview的中函數(shù)和模塊設計了下面的子程序VI。

程序說明首先采用While循環(huán)分別對數(shù)據進行線性和多項式擬合處理，得到最優(yōu)擬合曲線，并讀取其系數(shù)。為了判斷實驗點是否異常和是否具有置信度是，我們要計算殘差：實際觀察值與估計值（擬合值）之差。殘差可以幫助判斷所擬合的線性模型是否滿足有關假設。當判明有某種假設條件欠缺時，需對假設條件加以校正或補救。根據具體情況，選擇合適的校正方案，考慮引入新自變量或考察誤差等自相因素。

采用While循環(huán)，選取在五個標定點時采集的壓力變量，通過計算得到均方根差，While循環(huán)結束條件為循環(huán)次數(shù)大于五次，當采集的沒有再次輸入時，程序暫停等待下次輸入。

4數(shù)據存儲與分析

我們在校驗變送器需要對每一臺變送器進行分析，而我們之所以能夠重復分析它，是因為我們對數(shù)據進行存儲并能對數(shù)據再次調用和查詢。為此要為該系統(tǒng)設計數(shù)據存儲功能。數(shù)據的分析離不開對數(shù)據的操作。

根據數(shù)據量以及數(shù)據的維護方式選擇常用的電子表格文件功能函數(shù)來保存數(shù)據。

如下程序圖在for循環(huán)中利用利用正弦和余弦函數(shù)生產二維數(shù)組數(shù)據寫入電子表格并讀取電子表格中的數(shù)據來顯示。

面對采集到的大量數(shù)據，如果校驗人員直接對數(shù)據進行分析是很麻煩的。Labview對采集到的數(shù)據進行濾波篩除，然后根據需要對數(shù)據進行波形顯示，對大數(shù)據進行計算。運行程序可以得到分析人員想要的數(shù)據，最終顯示在用戶面前。

5結語

該系統(tǒng)詳細的介紹了壓力變送器校驗系統(tǒng)設計的過程，從系統(tǒng)結構到數(shù)據通信，再到數(shù)據處理，最后到數(shù)據存儲等一系列子程序設計都體現(xiàn)了Labview在虛擬數(shù)據采集、處理等方面上的強大功能。特別是后面板的數(shù)據處理核心程序讓作者第一次了解了Labview強大功能。此次使用LabVIEW 軟件所設計的壓力變送器校驗系統(tǒng)為今后設計其他系統(tǒng)提供了寶貴的經驗。同理我們對本平臺可以進一步修改可以設計出差壓變送器的校驗平臺;還可以對該系統(tǒng)平臺進行進一步的優(yōu)化。

參考文獻

[1]校準——理論與實踐/美國Fluke公司著;汪鐵華譯.——北京.中國計量出版社，2001.1

[2]LabVIEW 編程樣式/（美）布魯姆著，劉章發(fā)，依法臻等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.6

[3]LabVIEW圖形編程/（美）Johnson，G.W，Jennings，R著;武嘉澍，陸勁昆譯.——北京：北京大學出版社，2002.1