虚拟仪器技术及其在电厂化学仪表实验中的应用

张卫红，刘玉秋，陈建华

(1.东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012，2.东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012;3.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012)

随着计算机和互联网的迅速发展，20世纪末虚拟仪器技术受到广泛重视并快速进入实用阶段。计算机作为最富有现代科技特色的教学工具，越来越多地应用到了教育领域的各个方面。高校化学学科的人才培养在很大程度上依赖于实验教学，通过实验教学环节的培养才会使学生具有更好的创新能力与良好的专业素质。

虚拟仪器技术为化学实验教学提供了一种崭新的教学模式。电厂化学仪表实验是我院专业实验课之一，课程内容抽象、涉及面广、信息量大。在传统的实验教学中，由于教学资金投入有限，实验教学仪器相对落后等问题，导致了实验教学内容陈旧，无法适应现场相关技术的发展，学生的知识体系在深度和广度上的构建受到影响。将虚拟仪器技术应用于电厂化学仪表实验教学后，使现场的最先进的仪器仪表技术通过虚拟仪器构建出来应用到实验教学中，从而使学生能够直接掌握现场的先进技术，同时使实验内容更生动直观，有效提高实验教学效果。

1 虚拟仪器技术概述

虚拟仪器是通用计算机硬件资源、标准数字电路与通用计算机软件资源的有机结合。虚拟仪器既具有传统仪器的基本功能，又能由用户根据自己的需要，定义和设计仪器的测试功能，并且测试系统功能可根据软件模块的功能及不同组合而灵活配置。虚拟仪器具有良好的功能扩展和灵活的界面个性化设计等优点。其主要有以下特点:

(1)性价比高，使用方便，易于维护;

(2)强大的信号处理能力。可以同时对多个参数进行定时高效的测量，最大限度地减少误差，大大提高检测精度，实现最优化的测量控制;

3)具有灵活的人机界面设计功能。

2 传统教学改革措施的尝试

传统的实验教学“附属”于理论教学，多半是在理论教学的基础上进行的验证性实验，同时由于教学资金投入有限，实验教学仪器相对落后等问题的存在，导致实验教学内容滞后于现场化学测试技术的发展。使学生的知识体系在深度和广度上的构建受到影响。针对实验教学环节这一突显矛盾，在实验教学中进行了“因地制宜改革实验教学”的尝试，即在验证性实验的基础上，增添了有误实验和综合研究实验，利用到现场实习、调研机会，将现场淘汰的仪器仪表作为实验教学的补充，由于淘汰仪器会在结构和原理部分存在一些缺陷，找到其原因，对学生动手能力的提高和加深理论认识具有十分重要意义。基于以上思想，利用淘汰仪器与实验室陈旧实验仪器，我们开设了有误实验和综合研究实验，即学生要找到仪器在结构和原理设计不合理的地方或损坏的零部件，在此基础上提出学生自己的分析见解和改进方案，并对仪器加以改进，引导学生在理论的基础上在实践中摸索研究。但这种改革尝试仍存在一定问题，例如:学生仍然接触不到先进高档仪器，并解决不了每年递增学生做实验紧张问题等。

3 虚拟电厂化学仪表实验室的构建

随着虚拟实验技术的逐步发展，虚拟实验在教学上的应用也越来越深入和广泛，许多高校及科研院所都积极地投入虚拟实验系统构建，开展虚拟实验教学研究。根据传统的实验教学方案，充分利用LabVIEW的强大功能和计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件(处理器、存储器、显示器)和测量仪器(传感器、数据采集卡)等硬件资源与LabVIEW软件功能(包括图形用户界面、数据的分析处理、通讯等)有机地结合起来，构建了电厂化学仪表虚拟实验室平台［2］。

与传统仪器相同之处，虚拟仪器也是由信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这三大功能构成。其中，由测试硬件完成信号的采集与控制，而信号分析与处理、结果表达与输出则由计算机来完成。同时应用虚拟仪器的网络功能构建网络教学体系。电厂化学仪表虚拟实验室组成见图1。

上述系统根据实验环节选择检测不同化学参数所需的传感器、信号调理电路、数据采集卡及各种相关实验器材［3］。传感器拾取被测信号，经由信号调理电路对信号进行放大和预滤波，转换为标准信号送入采集卡进行A/D转换，通过RS232总线或PCI总线送入计算机进行数据处理和结果输出。

图1 电厂化学仪表虚拟实验室组成

4 虚拟仪器技术在电厂化学仪表实验中的应用

实验教学环节在理工科学生培养中占有重要地位，对于深化学生对知识的理解和掌握、培养学生分析及解决问题的能力具有重要作用。克服传统实验教学弊端，弥补教学条件的不足，虚拟现实技术拓展实验空间，有效提高学生学习质量及效率。随着虚拟现实硬件系统及虚拟现实构造程序和有关数据库等软件系统的完善，虚拟仪器技术在实验教学中得以广泛应用。

化学实验室仪器种类繁多，许多仪器价格昂贵，易损坏。电厂化学仪表虚拟实验系统的构建既能降低仪器成本，又能使学生对理论知识有深入直观的认识，有效提高授课效果。磷酸根分析仪是化学监督中重要监测仪表之一，在线磷酸根快速分析仪是一套集成电子实验虚拟仪器系统，实验平台采取模块化方式编程，各种测量参数作为子程序，方便系统功能的更新与扩展。程序主界面通过按钮的方式调用各个测量参数界面，实现相应测量功能。本文以磷酸根分析仪为例建立虚拟仪器模式。该虚拟仪器主要分为硬件部分和软件部分。

4.1 硬件部分

根据测控对象选取相应的传感器，磷酸根分析仪我们选用光电传感器，根据传感器的类型选取相应的信号调理电路，进行信号调理、放大，调理后的信号流程如下:

信号源—→调理电路—→A/D转换器—→单片机89C51—→串口RS232—→上位机Lab —→VIEW 程序［4］。

4.2 软件部分

系统采用美国NI公司Lab VIEW 8.0软件平台，编程实现了磷酸根浓度、温度的自动测量，界面如图2所示。

系统采用计算机的屏幕代替传统仪表的操作面板，包括显示器、指示灯、旋钮、开关、按键等，学生可以通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的各种控件。传统仪器电路部分的功能则是通过编制相应的虚拟仪器程序替代。通过事件结构或分支结构实现虚拟面板相应的功能的选择、各种工作参数的设置等。与传统仪器相比，虚拟磷酸根分析仪界面更加美观，功能更加丰富［5］。用户可以通过点击“DY9010介绍”按钮浏览磷酸根实验原理、仪器功能特点等，通过点击“操作步骤简介”按钮浏览仪器操作步骤。

图2 虚拟磷酸根分析仪

虚拟磷酸根分析仪操作步骤:

4.2.1 开机

点击开机按钮，仪器的所以指示等将同时亮2秒中，然后熄灭。这表明仪器初始状态正常。将虚拟磷表的流路系统连接完毕后，仪器进入测量状态。

4.2.2 标定

仪器测量前，单击标定按钮，可进行标定。标定后仪器会自动存储标定曲线的斜率、偏移量。若测量前不进行标定，仪器会自动读取上次标定曲线的斜率、偏移量。

4.2.3 测量

测量对应功能键位复位/测量复用按钮。该按键有两个功能:首次点击，实现仪器恢复初始化状态，仪器各种显示均恢复为默认值;再次点击，仪器将进行测量，程序将与串口进行通信，实时采集传感器信号，同时进行信号的处理，最后通过表盘和显示框进行显示，测量结果的正确与否通过测量指示灯指示。

数据采集通过单片机实现，利用RS-232串口传送至上位机。点击“进行串口实验”按钮，虚拟仪器将会显示从串口同步读入虚拟仪器的数据，用户可以通过选择采集次数来决定采集数据的多少，数据间采集间隔是默认的。采集的数据将被存储用于离线分析虚拟磷表的工作情况［6］。

5 结束语

虚拟仪器能够实现和扩展传统仪器的功能，其成本低，开发快，人机界面友好，应用方便，可有效减少传统仪器组合测试中的误差问题。虚拟化学仪器实验室的构建使学生能够通过网络对所学实验进行预习和演练，加强学生对实验的认知深度，增强学生实验动手能力与创新意识。同时也改善了设备不足带来的实验教学不完善等问题。通过教学实践证明，化学虚拟实验室的构建切实可行，并取得了预期效果。

［1］王舞礼，杨华.基于虚拟仪器技术的计算机测控实验平台［J］.实验技术与管理，2010，27(1):80-82.

［2］张跃勤，王新辉，李云龙.基于数据采集的虚拟仪器实验教学系统的开发与应用［J］.实验技术与管理，2007，24(11):82-85.

［3］蔡共宣.虚拟仪器在测试技术教学实验中的应用［J］.实验科学与技术，2007，5(1):56-58.

［4］刘刚，嵇英华，蔡十华.虚拟仪器技术及其在电工电子实验中的应用［J］.江西教育学院学报，2007，28(3):15-17.

［5］张小牛，侯国屏，赵伟.虚拟仪器技术回顾与展望［J］.测控技术2000，19(9):22-24.

［6］张跃勤，雷敏.基于虚拟仪器技术的实验教学平台及其应用［J］.仪表技术，2006，15(3):2-4.