1虚拟仪器

现代仪器仪表技术是计算机技术和多种基础学科技术紧密结合的产物。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的飞速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面突破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。在此背景下， 1986年美国国家仪器公司（ National Instruments， N I）提出了软件就是仪器的口号，即虚拟仪器的概念。

所谓虚拟仪器，就是基于PC的测试系统，即以标准的PC软、硬件资源作为软、硬件平台，以软件开发为核心，配备少量的硬件构建成的、功能完善的自动测试系统。虚拟仪器概念的出现，打破了传统仪器功能由厂家设定、用户无法改变的模式，用户可以根据自己的需求设计仪器系统，在测试系统和仪器的设计中可以尽量用软件代替硬件，从而充分利用计算机技术实现和扩展传统测试系统与仪器的功能。

虚拟仪器系统结构框图如1所示。在该系统中，由硬件解决信号的输入和输出问题，对于一般的测试要求，基本的功能模块都可由相应的厂家提供标准产品，用户主要做后续工作；软件是这个虚拟仪器的核心，主要完成数据采集及控制，数据存储及分析，数据显示及输出等工作。基于虚拟仪器技术构建的测试系统可实现测试过程的自动控制，测试精度高；主要的仪器功能都由软件完成，系统功能易于更改，具有很强的适应性。

2基于虚拟仪器的散热器(森德散热器推出防腐新品)性能测试系统

2. 1系统总体设计

天津某散热器性能测试试验台完全参照国际标准和国家标准建造，采用水冷方式，密闭小室净尺寸为3. 98 m 4. 00 m 2. 81 m.试验台主要包括热水循环系统、冷却系统、控制系统、检测系统等子系统，如2所示。

热水循环系统主要由高位水箱、低位水箱、散热器、再冷却器、浮子流量计、电子秤等组成。小室冷却系统由冷水机组、冷水泵、冷水箱、系统循环水泵、补偿加热器等组成。

散热器热工性能试验台CAT系统包括控制和检测两个部分。控制部分主要对水温和室内空气温度进行控制。整个系统的稳定是一个动态平衡过程，当室内散热器散热量与冷却系统提供的冷量保持平衡时，就可以保持室内温度稳定。由于温度控制的精度要求很高，所以采用微机进行控制。

在整个试验系统稳定后，散热器进、出口水温的稳定主要由电加热器控制。电加热器置于低位水箱和高位水箱中，其中低位水箱中设一级加热器对供水温度进行粗调（四级手动控制） ，最大负荷时能将水加热到75左右，以保证泵入口处不气蚀；高位水箱中设二级加热器对供水温度进行精确控制（自动控制） ，以保证散热器供水温度稳定。

测试小室内空气温度的控制是通过控制壁面冷却系统的水温来实现的。根据室内温度采样点的温度与设定温度（ 18 20）的偏差，手动控制冷水系统中制冷机组的运行以控制制冷量，并采用与水温控制相同的原理控制冷水系统中补偿加热器的加热量来调节壁面冷却系统的供水温度，从而使测试小室内空气温度的波动在要求的误差范围内，保持室内温度稳定。

散热器热工性能试验台CAT系统的参数检测分为温度和流量检测两部分，参数测量的准确性对试验结果有极其重要的影响。国家标准中对于基准点空气温度和散热器进出口温度测量的准确度要求是0. 1，散热器中流过的流体（主流体）流量测量的准确度要求是0. 5% ，其余各点温度（除壁面及基准点外各点的空气温度）测量的准确度要求是0. 2.针对上述要求，笔者研制了以计算机为核心的自动检测系统，它具有温度自动巡回检测、流量采样、稳态判断等功能。

2. 2系统硬件组成

检测控制系统硬件结构图见3.该系统以PC计算机为仪器统一硬件平台，测试仪器的功能、面板及控件均用相应的软件实现，并以文字形式存储于PC机的软件库中，同时在计算机的总线槽内配以对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡。因此，库内仪器测试功能软件、控件软件、输出软件等与从接口卡输入计算机内的数据，可在计算机系统的统一指挥和协调下运行。

硬件设计由于采用了由中泰公司集成的多功能模入模出卡PC6313而变得非常简单，且性能稳定、可靠性好。PC6313是基于工业标准结构总线的隔离型智能数据采集板，可以直接插在计算机主板上的ISA槽中，其功能是实现测温电路与计算机的通讯。在这个接口卡上，有模数转换电路、数模转换电路、数字量输入输出电路等。接口卡上的A/ D，D/ A转换均为12位字长，电压输入范围为5，10， 0 10 V，同时还备有24路晶体管晶体管逻辑（ transistor transistor logic， T TL）电路。电平的可编程DI/ DO数字量通道分为PA口、PB口和PC口。

2. 2. 1温度检测系统

测试中首先需要测量与计算和控制有关的温度，即散热器供水、回水温度和小室内空气温度，另外按照国际标准和国家标准，为了准确反映小室内的温度场，在室内还设了19个参考温度测点，总共有22个测温点。

该系统中测温元件全部采用Pt1000分度的铂电阻，采用四线制连接方法，大大降低了对电路元器件的要求，减少了系统的费用，且具有较高的准确度，完全达到了温度测量误差不大于0. 1的标准。整个测温系统由计算机、信号采集板、控制箱、测温铂电阻等组成。

铂电阻输出的电压信号经放大器放大后，通过PC6313接口板输入计算机。在温度检测系统中，利用PA口作为测温通道选择信号输出口，利用CH1， CH2口作为高低温两路模拟信号的输入口，通过编程实现通道的巡回选通和铂电阻输出电压信号的巡回采集。

测温电路中设置上限和下限两个标准电阻，均采用高精度低温度系数的绕线精密电阻，因此可认为在测量环境下上下限电阻的阻值保持不变，用比较的方法求得铂电阻的阻值后求得温度。

2. 2. 2流量检测系统

热水循环系统中的流量检测采用称重法，就是在一段时间内对流过散热器的流体进行取样，然后对取出的水样进行称重，计算出这段时间内的平均质量流量。

该流量检测系统主要由电磁阀、称重仪器、电磁阀切换电路、PC6313接口板、中央计算机等组成。称重仪器选用的是带串行通信功能的31002型电子秤，它最大的特点是能即时将质量数据通过RS 232串行通讯直接传到计算机的COM口，由计算机程序处理从COM口获得的数据，即可获得质量数据。

2. 3系统软件设计

软件是虚拟仪器的核心，虚拟仪器的一切功能都通过软件来实现，本系统软件设计包括两部分：1）采集卡驱动程序； 2） CAT主程序。

采集卡驱动程序直接采用中泰公司提供的动态链接库（ DLL）形式的PC6313驱动程序。在Windows操作系统中，采用任何计算机语言编制的程序都能控制该硬件卡，获得测量结果。采集卡驱动程序的编制，使用户无须了解硬件卡的电路细节和工作原理，便能对它进行操作，大大方便了用户的二次开发。

散热器热工性能试验是一个很复杂的过程，包括22个温度点的测量、稳态的判断、流量的采集、数据的处理。为了准确和高效地完成上述所有功能，采用Visual Basic 6. 0编程语言开发了CAT软件的主程序，它可以很容易地实现数据库操作和通讯操作，结合模入模出卡使用可以实现自动测试的所有功能，并且拥有可视化的界面，便于人机交流。

CAT软件的主程序由数据采集、稳态判断、测试、显示及打印、历史数据查询、数据库管理及系统帮助等模块组成，如4所示，各部分功能分述如下。

2. 3. 1数据采集模块

数据采集模块负责各种模拟信号和开关信号的收集；设定各路数据采集的间隔时间；巡回采集22个温度测点的即时温度，并且保存到数据库中。

2. 3. 2显示及打印模块

显示模块通过文本格式在界面上直观地显示出当前的温度值，包括报表显示和图形显示两种方式。报表显示模块主要完成历史温度数据的查询显示，图形显示模块主要完成实时温度或历史温度数据图形显示功能。显示采用标准的Windows选单界面风格，操作方便。

2. 3. 3稳态判断

根据ISO标准规定，散热器性能测试必须在稳态条件下进行，稳态条件主要包括温度稳态和流量稳态， ISO标准规定的稳态条件为：至少连续6次等时间间隔的测量值与它们的均值的最大偏差不超过下述指标。

基准点温度：0. 1；进出口水温：0. 2；其他点温度：0. 3；散热器后测点温度：0. 5；热媒流量：2%.

根据上述要求，将相邻两次测试时间间隔（用于判稳而不是用于自动巡回检测的相邻时间间隔）设定为变数，再根据具体要求确定，一般情况下取判断时间间隔为温度巡回检测的时间周期，即大约2 min.基于上述分析，读取最新的7组相邻数据进行计算比较，不满足稳态条件则剔除最先测得的那组数据，并补充另一组数据，再比较、剔除，如此反复直至满足初步稳态条件。

2. 3. 4测试模块

测试人员设定流量采集时间，程序自动实现电磁阀的切换，自动采集电子秤的质量数据，并将测试工况的时间、温度、流量、散热量等数据写入数据库。测试时，由程序随时监测电子秤的质量，当质量超过一定值时自动切换回路，以避免出现采集容器流体溢出从而造成仪器损坏的问题。

对三个不同测试工况的温度和流量进行测试后，程序按最小二乘法进行数据回归处理，得到散热量和散热温差的拟合曲线，并且按照回归方程分析方法对回归结果的可靠性作出分析，最后给出测试报告。

2. 3. 5数据库管理

该系统采用A ccess数据库，主要完成数据库的建立，数据保存、整理、刷新、查询等工作。考虑到试验数据的独立性和完整性，在该模块中采用了动态建表的方式，即每个测试过程拥有一个独立、惟一的数据表。此外，为了确保各种系统不因意外故障引起测试数据丢失，数据库采用了即时存盘的方式。

2. 3. 6历史数据查询

从数据库中读取试验开始以来存储的所有测点的数据，包括采集时间、测点号、温度值，并以报表的形式显示出来。

2. 3. 7系统帮助

系统帮助模块为用户提供各种帮助说明，为测试人员提供本软件的界面说明，操作说明，功能设置、故障排除方法等帮助信息。

3系统测试精度的验证

散热器性能测试试验台CAT系统必须满足ISO标准规定的稳态条件下的测试精度。为了确保散热器热工性能测试的准确性，对该CAT系统的测试精度进行了试验验证。

3. 1温度测试精度

测试条件是密闭小室内温度场保持稳定，某一个点的温度在测试期间不会发生变化。在水循环系统处于停止状态的情况下，测试小室经过72 h的密闭后，由于没有外界的热量扰动，整个小室内部也没有热源，只有通过围护结构和水冷壁面与外界的传热，可以认为在0. 5 h的试验时间内小室内部温度场保持稳定，小室内基准温度点的温度保持稳定。试验方法是每隔1 min采集小室内基准点的温度值一次，得到的结果如5所示。

由于小室内基准点的温度基本保持不变，可以认为对该点的测量是在相同的测量精度条件下得到的，即可以看作是等精度测量。由于随机误差的存在，等精度测量列中各个测量值一般不会相同，它们围绕着该测量列的算术平均值有一定的分散，说明了测量列中单次测得的值的不可靠性。因此必须用一个数值作为其不可靠性评定的标准，以便分析各测量值，其标准差为= n i = 1（X i - X ）2 n - 1（1）式中为标准差； X i为第i次的测量值； X为测量平均值； n为测量次数。

将中的数据代入式（ 1）计算可得= 0. 056 < 0. 1，证明温度测量的精度是可靠的。另外，同时采用最小刻度为0. 05的一等标准温度表实测了该点的温度，得到的值为15. 71 15. 73，与平均测量值的偏差只有0. 01，与单次测量值的偏差最大为0. 09，由此可见，温度测量的准确度没有超出标准规定。

3. 2流量测试精度

系统选用的31002型电子秤的最大称质量为3 000 g，其分辨率为10 mg，故最大绝对误差为10 mg.该电子秤最大相对误差可表示如下：= M max M（2）式中为最大相对误差； M max为最大绝对误差，M max = 0. 01 g； M为秤的示值， g.

由式（ 2）可以看出与M之间为双曲线关系，因此为确保电子秤的实际测量精度，又兼顾能正常使用，规定在测量中使用量程为1 000 2 500 g（对电子秤使用量程作限定实际上在一定程度上对采样时间作了限定，即不论在何流量下都应使时间内的采样质量为1 000 2 500 g）。在此范围内，最大相对误差max= （ 0. 01 g/ 1 500 g）100% =0. 000 7% ，此值即为流量测量精度。由此可见本测量系统的流量测量精度达到并超过ISO标准规定的精度要求。

4结论

4 1运行结果表明，该散热器性能测试系统的温度和流量检测精度完全符合国家标准，系统性能稳定、可靠。

4 2信号调理模块和数据采集卡的分开设计以及软件的模块化设计使系统具有了高度的灵活性和易扩展性。

4. 3基于虚拟仪器技术构建的散热器性能测试CAT系统，测试过程可实现自动控制，测量精度高，且测试分析功能可任意定制，系统柔性大，具有极高的性价比，充分体现了虚拟仪器技术的优势，有较大的推广价值。http://www.grainyq.com