基于LabView的壓力變送器校驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汝濤

【摘要】：目前火電機(jī)組檢修期間都要組織校驗(yàn)人員對(duì)部分壓力變送器校驗(yàn)。而其一般校驗(yàn)的過程是人工觀察數(shù)據(jù)和手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，因此就會(huì)人為得產(chǎn)生誤差，并且數(shù)據(jù)采集、處理、與存儲(chǔ)的數(shù)量少而慢;數(shù)據(jù)的分析更無從談起。以虛擬儀表技術(shù)為趨勢(shì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)試領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。虛擬系統(tǒng)的應(yīng)用不但大大減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能讓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在波形圖中顯示，還能夠?qū)Υ髷?shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和分析。為此用以NI為平臺(tái)的核心軟件LabView開發(fā)了壓力變送器校驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)在實(shí)時(shí)性、實(shí)用性、精確性、數(shù)據(jù)采集處理存儲(chǔ)分析等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】：儀表校驗(yàn) 虛擬儀表技術(shù) 大數(shù)據(jù) LabView

0引言

隨著測(cè)量技術(shù)也不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和處理向一體化、實(shí)時(shí)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(jù)采集卡通訊的全部功能。功能強(qiáng)大且靈活的Labview在存儲(chǔ)分析等方面功能具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

基于Labview軟件的強(qiáng)大功能，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中變送器校驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)為例，展現(xiàn)其現(xiàn)實(shí)測(cè)量時(shí)帶來的優(yōu)勢(shì)。

1測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)組成

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

2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡采用USB通訊方式。使用 NI-VISA 與 USB 設(shè)備進(jìn)行通訊。NI-VISA是NI公司開發(fā)的用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口。

因?yàn)椴杉降男盘?hào)仍有可能夾雜著干擾信號(hào)，所以對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)準(zhǔn)確性，減少干擾。

2.1數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào)，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析，處理。對(duì)壓力采集使用模擬量數(shù)據(jù)采集卡。

計(jì)算機(jī)通過DAQ設(shè)備接收原始數(shù)據(jù)。DAQ助手（DAQ Assistant）能快速收集實(shí)際數(shù)據(jù)，還控制DAQ系統(tǒng)，命令DAQ設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的具體通道和時(shí)間。

2.2通訊程序

通過配置 NI-VISA 來控制 USB 設(shè)備，NI-VISA 與 USB 設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)，USB 設(shè)備的種類應(yīng)選擇為USB 測(cè)試與測(cè)量類（USBTMC）。

在Labview的VI中，使 USB 設(shè)備打開了一個(gè) VISA 對(duì)話框，指令被寫入設(shè)備，所發(fā)送的具體指令是詢問設(shè)備的 ID，詢問設(shè)備的指令集，并讀取回饋信息，所有通訊結(jié)束后，關(guān)閉VISA 對(duì)話框。

2.3數(shù)據(jù)濾波

對(duì)采集到的信號(hào)可能帶有夾雜的干擾信號(hào)，所以設(shè)計(jì)VI對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波部分選用濾波速度快，對(duì)相位沒有要求的遞歸類濾波器（IIR），即3階Butterworth濾波器。為了測(cè)試濾波效果，設(shè)計(jì)一個(gè)帶有噪聲正弦波的仿真信號(hào)，進(jìn)過3階Butterworth濾波器濾波前后的波形對(duì)比。

程序解釋：建立一個(gè)for循環(huán)，選擇一個(gè)仿真信號(hào)發(fā)生器并設(shè)置其的頻率、振幅、噪聲等，該仿真信號(hào)發(fā)生器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)虛擬的波形。設(shè)置濾波器進(jìn)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(duì)比，我們可以看得出濾波可以得到更好更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3數(shù)據(jù)處理

首先我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)前面板具有數(shù)據(jù)輸入，如設(shè)定量程，從標(biāo)準(zhǔn)壓力變送器讀取的標(biāo)定點(diǎn)等。其次VI具有計(jì)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(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)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(yàn)的壓力變送器的量程需要輸入到VI中進(jìn)行計(jì)算，故前面板需要帶輸入功能。數(shù)據(jù)經(jīng)過VI程序處理后要在波形圖中顯示供檢驗(yàn)人員分析。

從前面板中我們可以清楚的看到被校驗(yàn)的變送器的壓力P和電流I的擬合曲線，以及標(biāo)準(zhǔn)表的曲線。從XY趨勢(shì)圖就可以看出被校驗(yàn)壓力變送器的線性。

3.2后面板設(shè)計(jì)

Labview包含大量的函數(shù)和模塊，對(duì)數(shù)據(jù)處理既方便有快捷。由于需要計(jì)算模擬線性函數(shù)的系數(shù)，通過Labview的中函數(shù)和模塊設(shè)計(jì)了下面的子程序VI。

程序說明首先采用While循環(huán)分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性和多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)點(diǎn)是否異常和是否具有置信度是，我們要計(jì)算殘差：實(shí)際觀察值與估計(jì)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(guān)假設(shè)。當(dāng)判明有某種假設(shè)條件欠缺時(shí)，需對(duì)假設(shè)條件加以校正或補(bǔ)救。根據(jù)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(gè)標(biāo)定點(diǎn)時(shí)采集的壓力變量，通過計(jì)算得到均方根差，While循環(huán)結(jié)束條件為循環(huán)次數(shù)大于五次，當(dāng)采集的沒有再次輸入時(shí)，程序暫停等待下次輸入。

4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析

我們?cè)谛ｒ?yàn)變送器需要對(duì)每一臺(tái)變送器進(jìn)行分析，而我們之所以能夠重復(fù)分析它，是因?yàn)槲覀儗?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并能對(duì)數(shù)據(jù)再次調(diào)用和查詢。為此要為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)的分析離不開對(duì)數(shù)據(jù)的操作。

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

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(chǎn)二維數(shù)組數(shù)據(jù)寫入電子表格并讀取電子表格中的數(shù)據(jù)來顯示。

面對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)，如果校驗(yàn)人員直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是很麻煩的。Labview對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波篩除，然后根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。運(yùn)行程序可以得到分析人員想要的數(shù)據(jù)，最終顯示在用戶面前。

5結(jié)語

該系統(tǒng)詳細(xì)的介紹了壓力變送器校驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到數(shù)據(jù)通信，再到數(shù)據(jù)處理，最后到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等一系列子程序設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了Labview在虛擬數(shù)據(jù)采集、處理等方面上的強(qiáng)大功能。特別是后面板的數(shù)據(jù)處理核心程序讓作者第一次了解了Labview強(qiáng)大功能。此次使用LabVIEW 軟件所設(shè)計(jì)的壓力變送器校驗(yàn)系統(tǒng)為今后設(shè)計(jì)其他系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同理我們對(duì)本平臺(tái)可以進(jìn)一步修改可以設(shè)計(jì)出差壓變送器的校驗(yàn)平臺(tái);還可以對(duì)該系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1]校準(zhǔn)——理論與實(shí)踐/美國(guó)Fluke公司著;汪鐵華譯.——北京.中國(guó)計(jì)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(xué)出版社，2002.1