1虛擬儀器技術(shù)

    虛擬儀器就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。

    美國國家儀器公司推出的軟件包LabVIEW是虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。LabVIEW的編程和其他語言不同，它是基于一種圖形化的語言G語言的編程。創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分以下3步：

    1）創(chuàng)建虛擬儀器的交互式用戶接口（稱為前面板），它模仿了實(shí)際儀器的面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）。就是一個(gè)示波器的前面板部分，它具有真實(shí)示波器的所有測量功能。

    2）虛擬儀器從流程圖中接收命令（用G語言創(chuàng)建）。流程圖是一個(gè)編程問題的圖形化解決方案，也是虛擬儀器的源代碼。每一個(gè)程序前面板都對應(yīng)著一段框圖程序。

    虛擬示波器3）創(chuàng)建虛擬儀器的圖標(biāo)和連接。圖標(biāo)是子VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應(yīng)。這樣，其他的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給一個(gè)子儀器。

    2虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用

    2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    根據(jù)水力過渡實(shí)驗(yàn)的需要，本文設(shè)計(jì)了輸水管線瞬態(tài)水力工況的實(shí)驗(yàn)。如所示，實(shí)驗(yàn)裝置由上位水箱、兩條平行的長約20m、內(nèi)徑40mm有機(jī)玻璃管，連通管、穩(wěn)壓井、下位水箱、水箱、閥門、5個(gè)CYB13型壓力傳感器及水表組成。通過改變末端的閥門開度來改變整條管線的運(yùn)行工況，測量工況變化時(shí)壓強(qiáng)與流量的瞬態(tài)變化情況。

    2.2壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集

    實(shí)驗(yàn)的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括NI公司的數(shù)據(jù)采集卡DAQCard-6024E、CB-68LP接線端子及5個(gè)壓力傳感器。利用CB-68LP接線端子可同時(shí)采集16路模擬輸入數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中可以設(shè)置采集信號(hào)的采樣方式、采樣頻率、信號(hào)輸入范圍、單通道采樣頻率等。采集的信號(hào)可直接顯示在1中，并且用不同顏色的曲線標(biāo)出。

    編程時(shí)把數(shù)據(jù)采集助手放入程序流程圖中，它會(huì)自動(dòng)的彈出面板。在面板中可以對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行設(shè)置，先選擇模擬輸入電壓信號(hào)，然后就會(huì)彈出數(shù)據(jù)采集的物理通道選擇面板，選擇所需的通道，以后就可以對每個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

    數(shù)據(jù)采集助手可以設(shè)置n個(gè)通道進(jìn)行連續(xù)采樣，采集到的數(shù)據(jù)是n維的動(dòng)態(tài)波形數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)候很不方便，需要把它轉(zhuǎn)換成便于操作、分析的數(shù)據(jù)集合。即將DAQAssistant與IndexArray函數(shù)相連，IndexArray就會(huì)含n個(gè)索引端子，通過設(shè)置索引端子的數(shù)值可以將n維波形數(shù)據(jù)中的一維單獨(dú)提取出來。提取出每個(gè)通道的數(shù)據(jù)，加上采樣的時(shí)間，與一個(gè)簇函數(shù)（cluster）相連，就能夠?qū)⒛骋粋€(gè)工況一定時(shí)間段內(nèi)的所有數(shù)據(jù)集合起來，LabVIEW程序框圖見3.本實(shí)驗(yàn)采用了6個(gè)通道，其中4個(gè)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)采集通道，2個(gè)流量數(shù)據(jù)采集通道，采集到的數(shù)據(jù)以日期時(shí)間為文件名存入Excel表格中。

 2.3流量數(shù)據(jù)采集

    本文利用水表的電磁感應(yīng)特性采集流量數(shù)據(jù)。

    水表內(nèi)部指針帶動(dòng)有磁鐵的圓盤（zui小刻度盤），當(dāng)磁鐵經(jīng)過彈簧片時(shí)，彈簧片吸合，成為回路；磁鐵轉(zhuǎn)過彈簧片后，彈簧片松開，形成開路。當(dāng)下一次彈簧片吸合時(shí)，*一個(gè)周期，記錄一個(gè)周期時(shí)間，即水表zui小刻度盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間dt（轉(zhuǎn)一圈流過V=0.01m3水量）。此時(shí)間dt內(nèi)，管道內(nèi)流量為Q=V/dt.

    為了獲得時(shí)間dt，在數(shù)據(jù)采集卡上設(shè)置一個(gè)虛擬的電壓輸出通道，輸出電壓定為5V與水表串聯(lián)，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)10k電阻。當(dāng)電磁感應(yīng)開關(guān)閉合時(shí)，電路連通，10k電阻兩端的電壓約為5V；當(dāng)電磁感應(yīng)開關(guān)斷開時(shí)，電路斷開，10k電阻兩端的電壓為0V，電路圖。將10k電阻兩端的電壓輸入計(jì)算機(jī)中分析，發(fā)現(xiàn)它的電壓變化如圖5所示是一系列的柱狀波。柱波的周期與水表zui小刻度盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間dt相同，分析采集到的柱波數(shù)據(jù)得出它的周期，根據(jù)Q=V/dt計(jì)算獲得流量數(shù)據(jù)。

    2.4數(shù)據(jù)分析

    如所示，關(guān)閉1號(hào)輸水管末端閥門，關(guān)閉2號(hào)輸水管末端電磁閥，排氣閥打開。當(dāng)管道內(nèi)水流狀態(tài)穩(wěn)定后，打開2號(hào)輸水管末端電磁閥（極限工況），14號(hào)測壓點(diǎn)瞬態(tài)壓強(qiáng)變化。

    電磁閥的打開速度非?？?，從圖中可以看出4號(hào)測壓點(diǎn)壓強(qiáng)瞬間減小的幅度zui大。此時(shí)的流量是0.

    0011m/s，4號(hào)測壓點(diǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)壓強(qiáng)約為1.89m（米水柱），[注：1m水注壓強(qiáng)為98kPa]工況變化時(shí)壓強(qiáng)減小到1.01m（米水柱）。這是因?yàn)?號(hào)測壓點(diǎn)離電磁閥zui近，3號(hào)測壓點(diǎn)由于連接管的原因，離電磁閥的距離也較近，所以壓強(qiáng)瞬間減小的幅度比2、3號(hào)測壓點(diǎn)大，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合水錘波傳遞的規(guī)律。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)可以不斷改變工況，實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過虛擬儀器可以大大增加數(shù)據(jù)采集的速度與準(zhǔn)確度，為理論分析（采用特征線法）提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

    3結(jié)語

    虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹的基于虛擬儀器的測量分析系統(tǒng)支持多種傳感器，可以在水力實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行多通道的快速瞬態(tài)采集。其軟件系統(tǒng)用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，界面友好，具有較全面的圖形顯示、數(shù)據(jù)分析處理能力。利用這項(xiàng)新的技術(shù)設(shè)計(jì)的測量儀器，還可以應(yīng)用于其他的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，改變管段的數(shù)量及連接方式，改變傳感器的類型就可以獲得不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與理論的相關(guān)分析。不久的將來可以將這項(xiàng)新技術(shù)引入供水管網(wǎng)工程中，組成強(qiáng)大的測量網(wǎng)絡(luò)，并與GIS進(jìn)行系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，適應(yīng)管網(wǎng)工程數(shù)字化發(fā)展的趨勢。