关键词：虚拟仪器;传感器;LabVIEW;温湿度测量
Abstract: In the power system, to study the outer insulative character of high voltage electrical equipment, it is necessary to precise measure the temperature and humidity of the artificial environment room. In this paper, virtual instrument technology be applied to measurement of temperature and humidity, and with LabVIEW as software platform, using sensor, DAQ card and corresponding software to precise measure the temperature and humidity of the artificial environment room on the basis of the computer, and showing the result by two kinds of figure and data, also expanding data saving function, indicating the flexibility and strong function of VI technology be applied to measurement of temperature and humidity.
Keywords: Virtual instrument; sensor; labVIEW; temperature and humidity measurement
0 前言
在电力系统中,电力设备和输电导线经常要通过酸性湿沉降以及覆冰的复杂大气环境地区,复杂大气环境对电力系统的外绝缘选择、防闪络对策研究和保障安全运行带来许多新的技术问题和理论问题。为了对电力设备在复杂大气条件下特性的研究,建立了一个温湿度都能精确测量的人工环境室,以便根据实际的试验需要来调整温度、湿度以满足模拟自然界的复杂大气环境的试验要求。在此人工环境室中温度从-40～80℃精确可调,湿度从0%～100%RH精确可调。人工环境室是一个复杂系统,它的主要参数是温度、湿度,需要对这些参数进行实时测量,并进行量化显示和大量数据的有规律存储。在以往进行温度、湿度测量过程中,通常使用温度计、湿度表等仪表和输出模拟量的电测量仪表来测量数据,是由人工读取和记录模拟仪表上的温湿度值,这种方法测量精度低,往往会加入外界和人为因素的影响,误差大,观测不方便,实时性差,效率低下。而且在电力系统测量中的高电压等级,使得人工难以近距离的直接读数。为有效地解决这些问题,本文将虚拟仪器技术应用于温湿度测量中,以LabVIEW为开发平台,利用虚拟仪器与测试硬件间沟通的灵活性及软件方便简捷的特点,以计算机为核心,配上传感器、数据采集卡和相应软件组成的温湿度测量系统。
1 虚拟测量的硬件组成
基于虚拟仪器的温湿度测量系统就是把温湿度等非电量转换成模拟电量,再转换成数字量,由计算机读取、处理,最后在虚拟面板上显示结果和存储。它由硬件和软件两部分组成,硬件是本测量系统的基础,软件是核心。本测量系统的原理框图如图1所示。
图1 温湿度测量的原理框图
硬件部分提供虚拟式温湿度测量系统软件的运行平台,完成测量平台的构建和测量信息的获取与保存,由传感器探头、电流变送器、数据采集卡、计算机系统组成。
1.1 温湿度传感器
本测量系统的温湿度传感器是温湿度一体的。它的温度测量范围为-40～80℃,精度为0.2℃,湿度测量范围为0%～100%RH,精度为2%RH,供电是24v的直流电源,输出4～20mA直流电流,由测量探头和电流变送器组成。
1.1.1 传感器探头
传感器探头温度部分是由pt1000薄膜铂热电阻作为感温元件的热电阻,湿度部分是由聚酰亚胺作感湿介质的电容型湿度传感器。传感器将温度的变化转化为电阻的变化,将湿度的变化转化为电容的变化,最后分别转化为电流的变化,但电流值很小。而在实验室做电压等级很高的高压实验时,周围环境电磁污染严重,探头测量后得到的小电流很容易受到污染而失真。为此,在探头中加一模数转化器,把所得的小电流直接转换成数字信号,然后用外皮是聚四氟材质的高温导线把这数字信号输送给电流变送器进行处理。这大大提高了信号抗干扰及长距离传送的能力,而测量信号的长距离传送使得测量人员能够远离高电压测量区域。
1.1.2 电流变送器
电流变送器通过它的电路板对信号进行调理,主要作用是使变送器输出信号与数据采集卡相适配。数据采集卡的输入电平是0～5V,而传感器探头的输出信号通常很小,这时必须采取放大措施以减小量化误差,同时对混入信号中的虚假成分进行滤波,以及压缩频带、阻抗变换、屏蔽接地、信号线性化等处理。
探头测量得到的数字信号,传送给电流变送器后,通过变送器中的数模转换器转化为微弱电信号。这微弱电信号通过变送器的信号调理电路进行放大、滤波、补偿及线性化等处理,输出4～20mA电流信号。这种电流输出使得其成为一种电流型传感器,相当于一个恒流源,因此不易受接触电阻、引线电阻和噪声的干扰,提高了信号长距离传送能力及传送过程中抗干扰能力。然后将这电流输出信号通过屏蔽线传送给数据采集卡,并在屏蔽线的未端串联250欧的无感精密电阻作为取样电阻,使输出信号转换成1～5V的电压标准信号,送入数据采集卡进行数字化处理。传感器接入测量电路的示意图如下：
图2 传感器接入测量电路的示意图
1.2 数据采集卡
数据采集卡是虚拟仪器的入口,它将调理后的信号以一定频率进行采集并存储在数据采集卡上,通过总线以查询、中断或DMA方式将数据送入计算机内存进行处理。数据采集卡是虚拟仪器进行测试必不可少的硬件,电流变送器输出1～5V的电压信号由它采集后, 再由内置的模数转换器转换为计算机所能接收的数字信号,最后由所编写的LabVIEW程序进行控制和处理,并在前面板上显示。
本测量系统所采用的数据采集卡是RBH8301国产通用数据采集卡,该数据采集卡具有高性能的数据采集能力,采用高精度、高密度FPGA逻辑芯片,USB2.0总线接口,通过USB总线直接与计算机的USB接口相连,不需要外部供电,直接用USB总线进行供电。
2 虚拟测量的软件设计与程序实现
本测量系统以LabVIEW程序作为控制软件。LabVIEW程序称为虚拟仪器程序,是基于图形化编程语言G的开发环境,是仪器控制与数据采集的编程平台。LabVIEW程序对数据采集卡进行控制而采集数据。电压模拟信号被数据采集卡采集后输入计算机,LabVIEW程序对采集到的数据进行分析处理,把信号还原成相应的温湿度数字信号,并由前面板以多种方式显示出来或者以数据文件形式保存。
2.1 标度变换
数据采集卡采集到的不是测点的温湿度值的直接读数,而只是代表该点温湿度值的电压模拟电信号。实际应用中,被测模拟信号被检测出来并转换成数字量后, 它仅仅对应于参数的大小，常需要转换成操作人员所熟悉的和便于人们观察的带有量纲的工程量后经运算显示才有意义。这就是工程量变换或标度变换。要从采集到的电压模拟信号得出各个测点的温湿度值,需要进行一次标度变换,这个变换由LabVIEW程序来实现。其标度变换公式如下：
2.2 框图程序
LabVIEW程序是采用框图程序进行编程的,框图程序是程序图形化的源代码。通过框图程序编程对信号数据的输入和输出进行指定,以操纵和控制定义在前面板的输入和输出功能,完成对信号采集及分析处理功能的控制。编写程序采用了模块化思想,把整个程序分为数据采集模块、数据换算处理模块、温湿度显示模块,数据存储模块及数据回放调用模块。把每个模块编写成一个子VI,各模块分别完成确定的任务,再通过主程序分别调用每个子VI。
（1） 数据采集模块子VI完成对数据采集卡控制使数据采集卡采集数据。主要包括：初始化数据采集卡、启动数据采集,读取采集结果、停止数据采集等。其中初始化数据采集卡完成对数据采集卡进行参数设置。
（2）数据换算处理模块子VI对采集的结果进行标度变换及数据转换等处理。把电压数据信号还原成相应的温湿度数字信号,把采集到的数组形式的数据转换成字符串形式以便于保存。
（3）温湿度显示模块子VI提供实时显示工作方式,对处理后的数据进行实时显示,显示方式包括直接数值显示和图形显示。
（4）数据存储模块子VI主要对处理后的数据进行保存,供浏览历史数据之用。由于实时显示和处理进行的相当快,当用户需对数据做详细分析时,可选择保存数据按钮把采得的数据保存成字符串形式,并生成以时间为文件名的电子表格文件,以便日后进行数据分析和过程描述。
（5） 数据回放调用模块子VI是对储存的数据进行回放,当用户需对采集的数据进行分析处理时,可在离线状态下重新调出数据来分析。
图3 调用数据采集模块子VI的程序框图
2.3 前面板
前面板由控制（controls）、指示（indicators）和修饰（Decoration）构成,LabVIEW为前面板提供了丰富的图形控件可以模拟传统仪器工作方式,在前面板上放置所需要的控件和指示器,实现仪器控制以及数据输入,结果显示。当运行程序时,只有前面板出现在计算机的屏幕上,作为虚拟测量和用户的接口。只要按照要求在前面板上写入相应的控制参数,完成采样通道的设置,便可以进行温湿度测量。利用本测量系统对某日温湿度测量的前面板如下图所示：
图4 虚拟仪器温湿度测量的前面板
3 结束语
虚拟仪器技术的出现为测试系统的研制开辟了一条新途径。本文设计的基于虚拟仪器的人工环境室的温湿度测量是虚拟仪器在测试与测量方面的应用,充分利用了计算机的软硬件资源,借助于传感器,数据采集卡和LabVIEW语言完成温湿度的数字化测量,具有开发时间短、人机界面好、操作方便、结果显示形象直观等特点,不仅为测量的控制和观测提供了方便,更重要的是提供了数据采集和读数的精确度和实时性,从而增加了高电压实验的准确性。
论文的创新点:本文将虚拟仪器技术应用于高电压实验室中人工环境室的温湿度的数字化测量,为了将测量结果输送到远离高电压实验区和取得良好的抗电磁干扰的能力,传感器采取了数字信号传送和电流输出的方式。在LabVIEW程序的编写中采用了子VI的形式,便于调用和程序的移植。测量结果的输出采用图形和数值化的方式,并且为了以后高电压实验的分析,调用温湿度参数值的需要,扩展了测量结果的存储功能。
参考文献：
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