1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基 于 虚 拟 仪 器 的 流 量 测 控 系 统 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要流量的测控在工业领域有着重要的地位，它是衡量设备效率的重要指标，是生产操作和控制的重要依据，是生产过程和经济核算必需的参数，所以精确的流量的测量与控制，无论是对工业测量，还是生产优化都有重要意义。虚拟仪器（VI, Virtual Instrument）的问世是测控领域的一次重大变革，它开辟了测控技术的新纪元，也代表着测控技术未来发展的潮流和方向。因此将虚拟仪器技术和流量测控技术相结合就有了基于虚拟仪器的流量测控系
2、统。本文采用 labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）为设计平台，通过流量传感器得到管道中的流量的电压信号，然后传入数据采集卡之中完成数据的初步处理，之后传入计算机中由 labview 软件进行数据的分析处理（数据处理包括数字滤波、标度变换、PID 控制、数据显示、数据保存等） ，生成我们所需要的流量控制信号，最后经由数据采集卡将控制信号发给流量控制阀，从而实现管路的流量测量与控制任务。整个系统操作界面友好，开发维护方便。采用模块化的结构设计，能对软件进行一定的功能扩展，具有较强的通用性和适应性。论文最后进行总结，
3、指出了系统设计的不足和改进思路，为今后课题的进一步深入研究做准备。关键词：虚拟仪器,流量测控,labview,数据处理,数据采集AbstractIIIAbstractFlow monitoring and control plays an important role in the industrial field. It is an important indicator to measure the efficiency of the equipment, an important basis for production operation and control, and a requ
4、ired parameter of the production process and economic accounting, so the precise flow measurement and control is very significance, regardless for industrial measurement or for the optimization of production. The advent of the virtual instrument (VI Virtual Instrument) is a major change in measureme
5、nt and control field. It not only opens up a new era of measurement and control technology, but also represents the future development trends and direction of measurement and control technology. Therefore, combination of the virtual instrumentation and flow measurement and control technology will ha
6、ve a flow measurement and control system based on virtual instrument.In this paper, the platform for the design adopted Labview (Laboratory, the Virtual Instrument Engineering Workbench). First, flow sensor measured the flow in the pipeline, and the incoming data acquisition card completed the prepr
7、ocessing of the data. Second, Labview software achieved data processing including digital filtering, scale conversion, PID control, data display, data storage, etc., by which generate the flow control signal. Finally, through the data acquisition card, the control signal sent to a flow control valve
8、 in order to achieve pipe flow control tasks.The whole system has the property of friendly interface，convenient operation and reasonable configuration. Modularization development has better universality and is easy to expand. The summary of this paper points out the deficiency and the improvement di
9、rection of system development.Keywords: virtual instruments, flow measurement, Labview, data processing, data acquisition 目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT（英文摘要） .II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 引言 .1l.2 虚拟仪器测控技术国内外发展现状 .11.3 本课题的研究内容以及所要做的工作 .21.4 主要设计技术指标和参数 .3第二章 系统总体方案 .42.1 总体方案的设计 .42.2 元器件的选择 .42.2.1 流量传感器的选择 .
10、52.2.2 数据采理论以及数据采集卡的选择 .62.2.3 流量控制阀选择 .9第三章 虚拟仪器及 labview 软件介绍 .113.1 虚拟仪器的概念 .113.2 虚拟仪器的特点 .123.3 虚拟仪器的硬件构成 .133.4 虚拟仪器系统的软件构成 .143.5 虚拟仪器的开发语言 .153.5.1 图形化虚拟仪器软件开发平台 Labview.16目 录V3.5.2 基于 Labview 平台的虚拟仪器程序设计 .16第四章 软件设计 .184.1 Labview 软件编程基本介绍 .184.2 软件的总体设计 .184.3 软件各个功能模块的设计 .204.3.1 基于 Labvi
11、ew 的数据采集 .204.3.2 数字滤波 .214.3.3 数据的处理及控制信号的生成 .224.3.4 数据的保存 .244.3.5 数据回放 .264.3.6 数据通信模块 .274.3.7 数据打印程序 .284.3 流量测控系统的整体展示 .29总 结 .32参考文献 .33致 谢 .34第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 引言现在大多数实验室已有流量测控的实验装置，但这些控制装置都是用传统的模拟仪表进行测量与控制的。为了在这些实验装置上开展先进性的研究实验，必须先将这些实验装置改造为由计算机进行流量的测量和控制的装置。虚拟仪器 VI（ Visual Instrument）已
12、经成为当今世界流行的仪器构成方案，它把计算机平台和具有标准接口的硬件模块以及开发测试软件结合起来构成测控系统。在工业控制中, 常常用到流量的测量控制，流量是其中最重要的参数，因此很有必要对流量进行实时的测控。过去方法是由工作人员分班定时监测流量计的指示值, 将指示值与规定流量的数值进行比较, 并算出两者的差,然后根据流量变化大小作出判断和控制阀门的开度。弊端是定时查看缺乏实时性, 不能对系统中的突发事件进行及时地处理; 不能排除人为因素而发生的错误 , 如记录时的误读和误记等。所以, 本毕业设计要设计的是一套实时的自动的流量测控系统，并充分引入虚拟仪器的概念, 使所设计的测控系统结构清晰、概念
13、简单 1。l.2 虚拟仪器测控技术国内外发展现状测量与控制仪器发展至今，主要经历了四个时代 2:第一代模拟仪器时代、第二代数字化仪器时代、第三代智能化仪器时代和第四代虚拟仪器时代。第一代模拟仪器，是一类指针仪器仪表以电磁感应定律为基础，这类指针式仪器仪表目前仍应用于很多的实验室和工业现场;第二代是数字化仪器，是以一类集成仪器以集成电路的芯片为基础，目前应用还非常普及; 第三代是智能仪器，是一类以微电子技术和微处理器技术的迅速发展为基础的，这使得以微处理器为核心的智能仪器仪表迅速发展;第四代是虚拟仪器，这一类仪器是随着测控技术和计算机技术的发展为基础的，自此以后出现了一种全新的仪器概念一虚拟仪器
14、。虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术结合的创新技术，它是以硬件为基础、软件为核心的，通过仪器的“软件化”来取代传统设备，这种概念颠覆了传统仪器的概念，标志着测控仪器设计进入了一个新的时代。第一章 绪论- 2 -虚拟仪器技术是把目前已广泛应用的商业技术与新型的软硬件平台相结合的产美国航空航天局(NASA)在探索宇宙的过程中，虚拟仪器技术也被广泛的应用。他们采用 NI 公司提供的基于 FPGA 和 labview 软件的解决方案，以labview 软件为开发平台，再利用虚拟仪器技术开发了一种可以控制上万个微米级的开关部件灵活活动的测试系统。该系统可以实现上千百万次的循环数据记录，采集极高分辨率图像
15、。在进入 21 世纪的十年来，我国的科学技术蓬勃发展，工农商业的生产和发展对新型仪器设备的需求将十分紧迫。同时，计算机在近几年已经在全国范围内普及和应用，这都为虚拟仪器在国内的生存和发展奠定了坚实的基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场的需求量也在逐年的增大。在国内，虚拟仪器技术已经在高等院校的教学和工业控制现场的测控中得到了大范围的应用，首先在教学方面，很多高等院校的实验室已经引入了虚拟仪器系统，包括清华大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等。在近几年随着虚拟仪器软件的升级和发展，很多学校也在原有系统的基础上， 研制开发了一系列新的虚拟仪器系统 3。在工业领域的应用方面，我国国内己有很多家企业在
16、开发虚拟仪器类产品。中科泛华测控技术有限公司是 NI 公司在中国大的指定的代理和联盟商，推动并且见证了虚拟仪器技术在我国的发展。近期由中科泛华推出，基于虚拟仪器技术的新系统集成方案有机载装备静动态测试分析系统，包含雷达以及航空发动机的测试;汽车 ECU 运行环境仿真测试; 超声速风洞测量系统等等。国内专家有预测在未来的几年里，我国将有半数以上的测控仪器将成为虚拟仪器，国内将会有大批企业使用虚拟仪器对生产装置的运行状态进行实时监测和控制。1.3 本课题的研究内容以及所要做的工作本设的计测控过程是，从流量传感器测量的模拟输入信号，经过硬件信号调理后，输入到 NI 公司的 USB-6009 数据采集
17、卡中，然后信号再经过 USB 总线送入计算机中，由软件进行数据分析和处理，包括数据的线性化、查找、排序、系统误差和随机误差的处理、滤波，采样波形的实时显示、保存和回放，数据的存储、显示、打印以及设置功能，还有对测量数据的模拟输出以及通信第一章 绪论- 3 -功能的实现。1.4 主要设计技术指标和参数一路流量为：清洁液体、无腐蚀、流量为 1 吨/小时采集卡要求：输入分辨率： 12 位采样速率： 10KS/s输出分辨率： 12 位第二章 系统总体方案的设计- 4 -第二章 系统总体方案2.1 总体方案的设计基于虚拟仪器的流量测控系统需要用到流量传感器、数据采集卡、流量控制阀等传感器和执行器的配合组
18、成一个完整的流量测控系统总体方案如图 2-1。图 2-1 系统总体方案图这是一个闭环的控制系统，具体实施方案是：首先是流量传感器采集到的是 4-20mA 电流，而数据采集卡采集的是电压信号，所以需要加入一个 250的电阻，将电流转换为 15V 的电压输出到数据采集卡，模拟电压信号由数据采集卡转换为数字电压信号，进入计算机，在计算机中并与给定的值进行比较，产生的偏差将作为 PID 控制器的输出量 4，再经由采集卡输出到 V/I 转换电路将电压信号量转化为 4-20mA 的电流量输出，来控制执行器的开关度，即可实现流量系统的流量控制。其中，整个系统由数据采集卡实现数据采集转换和脉冲信号的输入输出，
19、而中间环节的对采集数据分析、显示、储存、打印，以及对系统误差和随即误差的处理等全部由 Labview 软件来实现。该方案可以达到流量测控目的。2.2 元器件的选择由总方案设计可知系统需要流量计、数据采集卡、V/I 转换电路、流量控制阀这些元器件，下面及这些器件做出本系统的选择：计 算 机 labview数据采集卡流量传感器执行器测控对象打印机V/I转换第二章 系统总体方案的设计- 5 -2.2.1 流量传感器的选择流量传感器是流量测控中的最开始最重要的环节，此环节准确与否会影响总体的精确度及经济性，所以流量传感器的选择既符合系统设计对精确度的要求又要考虑系统的经济预算，还有一点就是在系统的检修
20、方面更加方便、更换容易、仪器使用周期确定，综合上述所有条件有如下可选择的流量传感器 5;在目前的流量测控系统中，主要应用的测量方法有：差压式流量计（节流式、浮子式） 、容积式流量计、速度式流量计（涡轮式、涡街式） 、电磁式流量计（利用法拉第电磁感应原理） 、超声波式流量计（根据声波在静止流体和流动流体传播速度的不同）等结合系统流量采集要求最后定于流量传感器使用差压式流量量传感器其优点在于：（1）它是世界上应用最广泛的孔板式流量传感器、结构牢固、性能稳定、使用时间长； （2）节流式应用范围极为广泛，全部单相流体，包括液、气、蒸汽皆可测量，部分混相流，如气固、气液、液固等亦可应用;（3）安装维修方便，不象普通差压式流量计那样，较长的引压管线，易漏、易堵、易冻结；（4）不存在零点漂移问题；当然器也优缺点： (1)测量精确程度普遍较低； (2)测量范围度窄，一般仅 3:14:1； (4)压损较大(指孔板、文丘里管、喷嘴等)综合考虑各种因素差压标准孔板流量计符合系统设计要求:经济性好,不需要大的测量范围、性能稳定、寿命长、不存在零点漂移等。本设计采用北京必达拓普公生司生产的 TOP-LGB 型号流量传感器参数如下：
