1虛擬儀器

現代儀器儀表技術是計算機技術和多種基礎學科技術緊密結合的產物。隨著微電子技術
、計算機技術、軟件技術
、網絡技術的飛速發展，新的測試理論
、測試方法、測試領域以及新的儀器結構不斷出現，在許多方麵突破了傳統儀器的概念
，電子測量儀器的功能和作用發生了質的變化。在此背景下
， 1986年美國國家儀器公司（ National Instruments
， N I）提出了軟件就是儀器的口號，即虛擬儀器的概念。

所謂虛擬儀器，就是基於PC的測試係統，即以標準的PC軟
、硬件資源作為軟、硬件平台，以軟件開發為核心，配備少量的硬件構建成的、功能完善的自動測試係統。虛擬儀器概念的出現，打破了傳統儀器功能由廠家設定、用yong戶hu無wu法fa改gai變bian的de模mo式shi
，用yong戶hu可ke以yi根gen據ju自zi己ji的de需xu求qiu設she計ji儀yi器qi係xi統tong
，在zai測ce試shi係xi統tong和he儀yi器qi的de設she計ji中zhong可ke以yi盡jin量liang用yong軟ruan件jian代dai替ti硬ying件jian，從cong而er充chong分fen利li用yong計ji算suan機ji技ji術shu實shi現xian和he擴kuo展zhan傳chuan統tong測ce試shi係xi統tong與yu儀yi器qi的de功gong能neng。

虛擬儀器係統結構框圖如1所suo示shi。在zai該gai係xi統tong中zhong，由you硬ying件jian解jie決jue信xin號hao的de輸shu入ru和he輸shu出chu問wen題ti
，對dui於yu一yi般ban的de測ce試shi要yao求qiu
，基ji本ben的de功gong能neng模mo塊kuai都dou可ke由you相xiang應ying的de廠chang家jia提ti供gong標biao準zhun產chan品pin，用yong戶hu主zhu要yao做zuo後hou續xu工gong作zuo；ruanjianshizhegexuniyiqidehexin，zhuyaowanchengshujucaijijikongzhi，shujucunchujifenxi，shujuxianshijishuchudenggongzuo。jiyuxuniyiqijishugoujiandeceshixitongkeshixianceshiguochengdezidongkongzhi，ceshijingdugao；主要的儀器功能都由軟件完成，係統功能易於更改
，具有很強的適應性。

2基於虛擬儀器的散熱器(森德散熱器推出防腐新品)性能測試係統

2. 1係統總體設計

天津某散熱器性能測試試驗台完全參照國際標準和國家標準建造
，采用水冷方式，密閉小室淨尺寸為3. 98 m 4. 00 m 2. 81 m.試驗台主要包括熱水循環係統、冷卻係統、控製係統、檢測係統等子係統，如2所示。

熱水循環係統主要由高位水箱、低位水箱、散熱器、再冷卻器、浮子流量計、電子秤等組成。小室冷卻係統由冷水機組、冷水泵、冷水箱、係統循環水泵、補償加熱器等組成。

散熱器熱工性能試驗台CATxitongbaokuokongzhihejiancelianggebufen。kongzhibufenzhuyaoduishuiwenheshineikongqiwendujinxingkongzhi。zhenggexitongdewendingshiyigedongtaipinghengguocheng
，dangshineisanreqisanreliangyulengquexitongtigongdelengliangbaochipinghengshi
，jiukeyibaochishineiwenduwending。youyuwendukongzhidejingduyaoqiuhengao，suoyicaiyongweijijinxingkongzhi。

在整個試驗係統穩定後
，散熱器進、出口水溫的穩定主要由電加熱器控製。電加熱器置於低位水箱和高位水箱中

，其中低位水箱中設一級加熱器對供水溫度進行粗調（四級手動控製） ，最大負荷時能將水加熱到75左右，以保證泵入口處不氣蝕
；高位水箱中設二級加熱器對供水溫度進行精確控製（自動控製） ，以保證散熱器供水溫度穩定。

測試小室內空氣溫度的控製是通過控製壁麵冷卻係統的水溫來實現的。根據室內溫度采樣點的溫度與設定溫度（ 18 20）的(de)偏(pian)差(cha)，手(shou)動(dong)控(kong)製(zhi)冷(leng)水(shui)係(xi)統(tong)中(zhong)製(zhi)冷(leng)機(ji)組(zu)的(de)運(yun)行(xing)以(yi)控(kong)製(zhi)製(zhi)冷(leng)量(liang)
，並(bing)采(cai)用(yong)與(yu)水(shui)溫(wen)控(kong)製(zhi)相(xiang)同(tong)的(de)原(yuan)理(li)控(kong)製(zhi)冷(leng)水(shui)係(xi)統(tong)中(zhong)補(bu)償(chang)加(jia)熱(re)器(qi)的(de)加(jia)熱(re)量(liang)來(lai)調(tiao)節(jie)壁(bi)麵(mian)冷(leng)卻(que)係(xi)統(tong)的(de)供(gong)水(shui)溫(wen)度(du)，從(cong)而(er)使(shi)測(ce)試(shi)小(xiao)室(shi)內(nei)空(kong)氣(qi)溫(wen)度(du)的(de)波(bo)動(dong)在(zai)要(yao)求(qiu)的(de)誤(wu)差(cha)範(fan)圍(wei)內(nei)，保(bao)持(chi)室(shi)內(nei)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)。

散熱器熱工性能試驗台CATxitongdecanshujiancefenweiwenduheliuliangjianceliangbufen，canshuceliangdezhunquexingduishiyanjieguoyoujiqizhongyaodeyingxiang。guojiabiaozhunzhongduiyujizhundiankongqiwenduhesanreqijinchukouwenduceliangdezhunqueduyaoqiushi0. 1，散熱器中流過的流體（主流體）流量測量的準確度要求是0. 5% ，其餘各點溫度（除壁麵及基準點外各點的空氣溫度）測量的準確度要求是0. 2.針對上述要求
，筆者研製了以計算機為核心的自動檢測係統，它具有溫度自動巡回檢測、流量采樣
、穩態判斷等功能。

2. 2係統硬件組成

檢測控製係統硬件結構圖見3.該係統以PC計算機為儀器統一硬件平台
，測試儀器的功能、麵板及控件均用相應的軟件實現，並以文字形式存儲於PC機的軟件庫中，同時在計算機的總線槽內配以對應的、可實現數據交換的模塊化硬件接口卡。因此

，庫內儀器測試功能軟件
、控件軟件、輸出軟件等與從接口卡輸入計算機內的數據，可在計算機係統的統一指揮和協調下運行。

硬件設計由於采用了由中泰公司集成的多功能模入模出卡PC6313而變得非常簡單，且性能穩定、可靠性好。PC6313是基於工業標準結構總線的隔離型智能數據采集板，可以直接插在計算機主板上的ISA槽中，其功能是實現測溫電路與計算機的通訊。在這個接口卡上，有模數轉換電路
、數模轉換電路
、數字量輸入輸出電路等。接口卡上的A/ D，D/ A轉換均為12位字長，電壓輸入範圍為5
，10， 0 10 V，同時還備有24路晶體管晶體管邏輯（ transistor transistor logic， T TL）電路。電平的可編程DI/ DO數字量通道分為PA口、PB口和PC口。

2. 2. 1溫度檢測係統

測試中首先需要測量與計算和控製有關的溫度，即散熱器供水、回水溫度和小室內空氣溫度
，另外按照國際標準和國家標準
，為了準確反映小室內的溫度場，在室內還設了19個參考溫度測點
，總共有22個測溫點。

該係統中測溫元件全部采用Pt1000分fen度du的de鉑bo電dian阻zu，采cai用yong四si線xian製zhi連lian接jie方fang法fa
，大da大da降jiang低di了le對dui電dian路lu元yuan器qi件jian的de要yao求qiu，減jian少shao了le係xi統tong的de費fei用yong，且qie具ju有you較jiao高gao的de準zhun確que度du，完wan全quan達da到dao了le溫wen度du測ce量liang誤wu差cha不bu大da於yu0. 1的標準。整個測溫係統由計算機、信號采集板、控製箱、測溫鉑電阻等組成。

鉑電阻輸出的電壓信號經放大器放大後，通過PC6313接口板輸入計算機。在溫度檢測係統中
，利用PA口作為測溫通道選擇信號輸出口，利用CH1， CH2口作為高低溫兩路模擬信號的輸入口，通過編程實現通道的巡回選通和鉑電阻輸出電壓信號的巡回采集。

測ce溫wen電dian路lu中zhong設she置zhi上shang限xian和he下xia限xian兩liang個ge標biao準zhun電dian阻zu，均jun采cai用yong高gao精jing度du低di溫wen度du係xi數shu的de繞rao線xian精jing密mi電dian阻zu
，因yin此ci可ke認ren為wei在zai測ce量liang環huan境jing下xia上shang下xia限xian電dian阻zu的de阻zu值zhi保bao持chi不bu變bian，用yong比bi較jiao的de方fang法fa求qiu得de鉑bo電dian阻zu的de阻zu值zhi後hou求qiu得de溫wen度du。

2. 2. 2流量檢測係統

熱re水shui循xun環huan係xi統tong中zhong的de流liu量liang檢jian測ce采cai用yong稱cheng重zhong法fa，就jiu是shi在zai一yi段duan時shi間jian內nei對dui流liu過guo散san熱re器qi的de流liu體ti進jin行xing取qu樣yang，然ran後hou對dui取qu出chu的de水shui樣yang進jin行xing稱cheng重zhong，計ji算suan出chu這zhe段duan時shi間jian內nei的de平ping均jun質zhi量liang流liu量liang。

該流量檢測係統主要由電磁閥

、稱重儀器、電磁閥切換電路、PC6313接口板、中央計算機等組成。稱重儀器選用的是帶串行通信功能的31002型電子秤，它最大的特點是能即時將質量數據通過RS 232串行通訊直接傳到計算機的COM口，由計算機程序處理從COM口獲得的數據
，即可獲得質量數據。

2. 3係統軟件設計

軟件是虛擬儀器的核心，虛擬儀器的一切功能都通過軟件來實現，本係統軟件設計包括兩部分：1）采集卡驅動程序
； 2） CAT主程序。

采集卡驅動程序直接采用中泰公司提供的動態鏈接庫（ DLL）形式的PC6313驅動程序。在Windowscaozuoxitongzhong
，caiyongrenhejisuanjiyuyanbianzhidechengxudounengkongzhigaiyingjianka，huodeceliangjieguo。caijikaqudongchengxudebianzhi，shiyonghuwuxulejieyingjiankadedianluxijiehegongzuoyuanli，biannengduitajinxingcaozuo，dadafangbianleyonghudeercikaifa。

散熱器熱工性能試驗是一個很複雜的過程
，包括22個溫度點的測量、穩態的判斷
、流量的采集

、數據的處理。為了準確和高效地完成上述所有功能
，采用Visual Basic 6. 0編程語言開發了CATruanjiandezhuchengxu
，takeyihenrongyidishixianshujukucaozuohetongxuncaozuo
，jiehemorumochukashiyongkeyishixianzidongceshidesuoyougongneng，bingqieyongyoukeshihuadejiemian，bianyurenjijiaoliu。

CAT軟件的主程序由數據采集、穩態判斷
、測試、顯示及打印、曆史數據查詢、數據庫管理及係統幫助等模塊組成，如4所示
，各部分功能分述如下。

2. 3. 1數據采集模塊

數據采集模塊負責各種模擬信號和開關信號的收集；設定各路數據采集的間隔時間
；巡回采集22個溫度測點的即時溫度，並且保存到數據庫中。

2. 3. 2顯示及打印模塊

顯(xian)示(shi)模(mo)塊(kuai)通(tong)過(guo)文(wen)本(ben)格(ge)式(shi)在(zai)界(jie)麵(mian)上(shang)直(zhi)觀(guan)地(di)顯(xian)示(shi)出(chu)當(dang)前(qian)的(de)溫(wen)度(du)值(zhi)
，包(bao)括(kuo)報(bao)表(biao)顯(xian)示(shi)和(he)圖(tu)形(xing)顯(xian)示(shi)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)。報(bao)表(biao)顯(xian)示(shi)模(mo)塊(kuai)主(zhu)要(yao)完(wan)成(cheng)曆(li)史(shi)溫(wen)度(du)數(shu)據(ju)的(de)查(zha)詢(xun)顯(xian)示(shi)，圖(tu)形(xing)顯(xian)示(shi)模(mo)塊(kuai)主(zhu)要(yao)完(wan)成(cheng)實(shi)時(shi)溫(wen)度(du)或(huo)曆(li)史(shi)溫(wen)度(du)數(shu)據(ju)圖(tu)形(xing)顯(xian)示(shi)功(gong)能(neng)。顯(xian)示(shi)采(cai)用(yong)標(biao)準(zhun)的(de)Windows選單界麵風格，操作方便。

2. 3. 3穩態判斷

根據ISO標準規定，散熱器性能測試必須在穩態條件下進行，穩態條件主要包括溫度穩態和流量穩態， ISO標準規定的穩態條件為：至少連續6次等時間間隔的測量值與它們的均值的最大偏差不超過下述指標。

基準點溫度：0. 1；進出口水溫：0. 2；其他點溫度：0. 3；散熱器後測點溫度：0. 5
；熱媒流量：2%.

根據上述要求，將相鄰兩次測試時間間隔（用於判穩而不是用於自動巡回檢測的相鄰時間間隔）設定為變數，再根據具體要求確定，一般情況下取判斷時間間隔為溫度巡回檢測的時間周期，即大約2 min.基於上述分析，讀取最新的7組相鄰數據進行計算比較
，不滿足穩態條件則剔除最先測得的那組數據，並補充另一組數據，再比較、剔除，如此反複直至滿足初步穩態條件。

2. 3. 4測試模塊

測試人員設定流量采集時間，程序自動實現電磁閥的切換，自動采集電子秤的質量數據
，並將測試工況的時間
、溫度、流量
、散san熱re量liang等deng數shu據ju寫xie入ru數shu據ju庫ku。測ce試shi時shi，由you程cheng序xu隨sui時shi監jian測ce電dian子zi秤cheng的de質zhi量liang，當dang質zhi量liang超chao過guo一yi定ding值zhi時shi自zi動dong切qie換huan回hui路lu，以yi避bi免mian出chu現xian采cai集ji容rong器qi流liu體ti溢yi出chu從cong而er造zao成cheng儀yi器qi損sun壞huai的de問wen題ti。

對(dui)三(san)個(ge)不(bu)同(tong)測(ce)試(shi)工(gong)況(kuang)的(de)溫(wen)度(du)和(he)流(liu)量(liang)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)後(hou)
，程(cheng)序(xu)按(an)最(zui)小(xiao)二(er)乘(cheng)法(fa)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)回(hui)歸(gui)處(chu)理(li)
，得(de)到(dao)散(san)熱(re)量(liang)和(he)散(san)熱(re)溫(wen)差(cha)的(de)擬(ni)合(he)曲(qu)線(xian)，並(bing)且(qie)按(an)照(zhao)回(hui)歸(gui)方(fang)程(cheng)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)對(dui)回(hui)歸(gui)結(jie)果(guo)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)作(zuo)出(chu)分(fen)析(xi)，最(zui)後(hou)給(gei)出(chu)測(ce)試(shi)報(bao)告(gao)。

2. 3. 5數據庫管理

該係統采用A ccess數據庫

，主要完成數據庫的建立，數據保存、整理
、刷新、查詢等工作。考慮到試驗數據的獨立性和完整性，在該模塊中采用了動態建表的方式
，即每個測試過程擁有一個獨立
、惟一的數據表。此外，為了確保各種係統不因意外故障引起測試數據丟失
，數據庫采用了即時存盤的方式。

2. 3. 6曆史數據查詢

從數據庫中讀取試驗開始以來存儲的所有測點的數據，包括采集時間、測點號、溫度值，並以報表的形式顯示出來。

2. 3. 7係統幫助

係統幫助模塊為用戶提供各種幫助說明，為測試人員提供本軟件的界麵說明

，操作說明
，功能設置
、故障排除方法等幫助信息。

3係統測試精度的驗證

散熱器性能測試試驗台CAT係統必須滿足ISO標準規定的穩態條件下的測試精度。為了確保散熱器熱工性能測試的準確性，對該CAT係統的測試精度進行了試驗驗證。

3. 1溫度測試精度

測ce試shi條tiao件jian是shi密mi閉bi小xiao室shi內nei溫wen度du場chang保bao持chi穩wen定ding
，某mou一yi個ge點dian的de溫wen度du在zai測ce試shi期qi間jian不bu會hui發fa生sheng變bian化hua。在zai水shui循xun環huan係xi統tong處chu於yu停ting止zhi狀zhuang態tai的de情qing況kuang下xia
，測ce試shi小xiao室shi經jing過guo72 h的密閉後，由於沒有外界的熱量擾動，整個小室內部也沒有熱源
，隻有通過圍護結構和水冷壁麵與外界的傳熱，可以認為在0. 5 h的試驗時間內小室內部溫度場保持穩定，小室內基準溫度點的溫度保持穩定。試驗方法是每隔1 min采集小室內基準點的溫度值一次，得到的結果如5所示。

由you於yu小xiao室shi內nei基ji準zhun點dian的de溫wen度du基ji本ben保bao持chi不bu變bian，可ke以yi認ren為wei對dui該gai點dian的de測ce量liang是shi在zai相xiang同tong的de測ce量liang精jing度du條tiao件jian下xia得de到dao的de，即ji可ke以yi看kan作zuo是shi等deng精jing度du測ce量liang。由you於yu隨sui機ji誤wu差cha的de存cun在zai，等deng精jing度du測ce量liang列lie中zhong各ge個ge測ce量liang值zhi一yi般ban不bu會hui相xiang同tong，它ta們men圍wei繞rao著zhe該gai測ce量liang列lie的de算suan術shu平ping均jun值zhi有you一yi定ding的de分fen散san，說shuo明ming了le測ce量liang列lie中zhong單dan次ci測ce得de的de值zhi的de不bu可ke靠kao性xing。因yin此ci必bi須xu用yong一yi個ge數shu值zhi作zuo為wei其qi不bu可ke靠kao性xing評ping定ding的de標biao準zhun
，以yi便bian分fen析xi各ge測ce量liang值zhi
，其qi標biao準zhun差cha為wei= n i = 1（X i - X ）2 n - 1（1）式中為標準差； X i為第i次的測量值
； X為測量平均值； n為測量次數。

將中的數據代入式（ 1）計算可得= 0. 056 < 0. 1，證明溫度測量的精度是可靠的。另外
，同時采用最小刻度為0. 05的一等標準溫度表實測了該點的溫度
，得到的值為15. 71 15. 73，與平均測量值的偏差隻有0. 01，與單次測量值的偏差最大為0. 09，由此可見，溫度測量的準確度沒有超出標準規定。

3. 2流量測試精度

係統選用的31002型電子秤的最大稱質量為3 000 g，其分辨率為10 mg

，故最大絕對誤差為10 mg.該電子秤最大相對誤差可表示如下：= M max M（2）式中為最大相對誤差
； M max為最大絕對誤差
，M max = 0. 01 g； M為秤的示值， g.

由式（ 2）可以看出與M之間為雙曲線關係，因此為確保電子秤的實際測量精度，又兼顧能正常使用
，規定在測量中使用量程為1 000 2 500 g（對電子秤使用量程作限定實際上在一定程度上對采樣時間作了限定
，即不論在何流量下都應使時間內的采樣質量為1 000 2 500 g）。在此範圍內
，最大相對誤差max= （ 0. 01 g/ 1 500 g）100% =0. 000 7% ，此值即為流量測量精度。由此可見本測量係統的流量測量精度達到並超過ISO標準規定的精度要求。

4結論

4 1運行結果表明，該散熱器性能測試係統的溫度和流量檢測精度完全符合國家標準
，係統性能穩定、可靠。

4 2信號調理模塊和數據采集卡的分開設計以及軟件的模塊化設計使係統具有了高度的靈活性和易擴展性。

4. 3基於虛擬儀器技術構建的散熱器性能測試CAT係xi統tong
，測ce試shi過guo程cheng可ke實shi現xian自zi動dong控kong製zhi
，測ce量liang精jing度du高gao，且qie測ce試shi分fen析xi功gong能neng可ke任ren意yi定ding製zhi，係xi統tong柔rou性xing大da
，具ju有you極ji高gao的de性xing價jia比bi，充chong分fen體ti現xian了le虛xu擬ni儀yi器qi技ji術shu的de優you勢shi，有you較jiao大da的de推tui廣guang價jia值zhi。http://98fo.cn