前言
工程設(shè)計和研究開發(fā)需要大量復(fù)雜的試驗，常常需要把各種設(shè)備組合在一起構(gòu)成統(tǒng)一的測試平臺。在實驗室熱工水力學(xué)測控平臺中不但需要許多設(shè)備，而且需要模擬和仿真許多設(shè)備。這樣做不但可減少投資和運行成本，也為加快試驗進度提供了必要條件，計算機和虛擬儀器技術(shù)在構(gòu)建這種平臺過程中發(fā)揮了巨大作用。
測控平臺的結(jié)構(gòu)
根據(jù)虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò)的思想，采用NI公司的LabVIEW和PXI系列產(chǎn)品組建成了熱工水力學(xué)測控平臺，平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。這是一個由PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCI板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、PCMCIA板卡數(shù)采系統(tǒng)和GPIB儀器系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)可以單獨使用，也可以組合使用，非常適合于各類實驗室。
熱工水力學(xué)實驗大廳內(nèi)有四個大型熱工實驗臺架，每個臺架都有大量的溫度、壓力、流量等熱工參數(shù)，還有輔助的電壓、電流、功率等信號。采用PXI和MXI技術(shù)，形成圖2所示的測量系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)靠近實驗臺架，通過MXI光纜將實驗現(xiàn)場的PXI系統(tǒng)和控制室的PC主控機連接起來，所以大量的信號傳輸線都位于實驗現(xiàn)場，雖然數(shù)量很多，但長度很短，這樣既節(jié)約了大量費用，又有利于抗干擾。四個實驗臺架共用一套便攜式PXI－MXI系統(tǒng)。實際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)配置合理、成本低、利用率高，大大地提高了實驗水平和效率。
先進的熱工測量技術(shù)
依托LabVIEW軟件包強大的信號處理功能，開發(fā)了基于頻率信號流量計的流量測量和仿真分析系統(tǒng)、自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定測量和仿真系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)測量流量和仿真系統(tǒng)，以及基于G Web服務(wù)器的熱電偶校驗監(jiān)控系統(tǒng)。
實驗室中大量使用渦街和渦輪流量計，流量信號是近似正弦波的頻率信號，頻率大小代表了流量的大小。由于實驗室中電場、磁場相互影響和50Hz電網(wǎng)干擾，其測量精度受到很大影響，往往達不到流量傳感器本身的精度。利用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開發(fā)出基于頻率信號的流量計流量測量和仿真分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可作流量測量用，又可作為仿真分析用，達到優(yōu)化測量方法，實現(xiàn)了高精度流量測量，具有所需采樣點數(shù)少、分辨率高和抗噪聲能力強等優(yōu)點。
兩相流特性和兩相流不穩(wěn)定研究是熱工水力學(xué)學(xué)科的研究前沿，采用LabVIEW信號處理包中Super Resolution Spectral Est的PCAR Power Spectrum等模塊，開發(fā)出自然循環(huán)兩相流不穩(wěn)定性測量和仿真分析系統(tǒng)，為深入研究兩相流不穩(wěn)定性問題提供了先進的測量和分析工具。
應(yīng)用相關(guān)技術(shù)測量流量是先進的流量測量技術(shù)，它利用流體攜帶的某種特征信號，對載流管道相距L位置上的檢測信號X(t)和Y(t)作相關(guān)處理來確定流體的運動速度，即流體的流量。
利用LabVIEW軟件庫中Signal Processing的Cross Correlation等模塊，即可容易地開發(fā)出相關(guān)技術(shù)流量測量分析系統(tǒng)。在熱工實驗中，流體的溫度和電導(dǎo)等信號都可作特征信號用，由相關(guān)函數(shù)Rxy最大值可知，信號Y(t)比信號X(t)延遲時間τ，根據(jù)兩個測點之間的距離L,即可得到流體的流速W=L/τ。
用LabVIEW軟件庫中G Web服務(wù)器等模塊，開發(fā)出遠程控制的熱電偶校驗系統(tǒng)，用戶可以通過瀏覽器對現(xiàn)場的校驗監(jiān)控程序進行操作，例如設(shè)定恒溫溫度，采集設(shè)備和通道號等參數(shù)。
基于LabVIEW的熱工仿真技術(shù)
熱工仿真技術(shù)主要是指應(yīng)用計算機技術(shù)、熱工水力學(xué)原理、數(shù)值計算方法和虛擬熱工儀表技術(shù)，進行傳熱學(xué)和流體力學(xué)方面的數(shù)值模擬，即用計算機進行熱工實驗，達到（或基本達到）與熱工水力學(xué)過程一致的結(jié)果和高可視化的數(shù)據(jù)表達，用來進行工程性實驗預(yù)測和估計，達到優(yōu)化實驗，提高水平和效率，提高工程建設(shè)的可行性和經(jīng)濟性的目的。
“模塊化與組合”的方法是用LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序的基本方法之一。所謂“模塊化”就是對基本的熱工對象的特征屬性以及其熱工過程的計算方法進行封裝，形成一個獨立的、可復(fù)用的基本模塊，此模塊既可以獨立運行，也可以通過合理的聯(lián)接與其他基本模塊組合運行；所謂“組合”就是根據(jù)各個基本模塊輸入?yún)?shù)的類型以及相互關(guān)系對其進行聯(lián)接，前一個模塊的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過合理的處理后，作為后一個模塊的輸入?yún)?shù)，通過數(shù)據(jù)流驅(qū)動整個程序的運行，從而完成由簡單的基本模塊組成復(fù)雜仿真系統(tǒng)的過程，如圖3所示。
1．模塊化
熱工對象模塊是LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。要搭建一個具有基礎(chǔ)模塊結(jié)構(gòu)的基本熱工對象模塊，首先需要對一個熱工對象的特征及屬性的進行總結(jié)、提煉，抽取其中的共同屬性作為模塊的輸入?yún)?shù)、中間隱含參數(shù)或是輸出參數(shù)，然后建立這些參數(shù)的物理關(guān)系，并以數(shù)學(xué)模型表達這些關(guān)系；必要的時候再根據(jù)需要輔以適當?shù)妮o助計算模塊和對象的特性參數(shù)，從而形成一個完整且可以復(fù)用的基礎(chǔ)熱工對象模塊。當模塊應(yīng)用于仿真程序時，它就成為程序框圖中的一個“節(jié)點”。
2．組合
LabVIEW的運行是由數(shù)據(jù)流驅(qū)動的。簡單地說，就是只有當所有輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)都已經(jīng)準備好的時候，一個“節(jié)點”才能執(zhí)行其功能，當“節(jié)點”的流程執(zhí)行完后， 其所有的輸出端都會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)值，傳給下一個“節(jié)點”的輸入端。
這種數(shù)據(jù)流驅(qū)動的執(zhí)行方式使用戶“組合”各個基本熱工對象模塊的過程變得更加容易，因為用戶可以將實際的物理過程中的能量、質(zhì)量的流動映射成數(shù)學(xué)模型中相應(yīng)的數(shù)據(jù)流動，所以用戶在編程過程中就可以根據(jù)實際的物理過程中各個熱工對象之間的關(guān)系來聯(lián)接各個基本的熱工對象模塊。
其仿真程序的框圖如圖5所示，為了清晰的顯示上面所述的組合結(jié)構(gòu)，這里隱去了程序框圖中的一些模塊的部分參數(shù)。
3．熱工仿真程序系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
根據(jù)“模塊化與組合”這個基本思想，所設(shè)計的基于LabVIEW開發(fā)熱工仿真程序系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。
結(jié)論
應(yīng)用美國NI公司的LabVIEW和PXI等先進的虛擬儀器技術(shù)，將虛擬儀器和對等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于熱工水力學(xué)實驗熱工參數(shù)的測量和控制，開發(fā)成功了多項先進的熱工測量技術(shù)和熱工仿真技術(shù)，拓寬了熱工測控平臺的功能。
