1虛擬儀器技術

    虛擬儀器就是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。

    美國國家儀器公司推出的軟件包LabVIEW是虛擬儀器系統開發的標準平臺。LabVIEW的編程和其他語言不同，它是基于一種圖形化的語言G語言的編程。創建虛擬儀器的過程共分以下3步：

    1）創建虛擬儀器的交互式用戶接口（稱為前面板），它模仿了實際儀器的面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）。就是一個示波器的前面板部分，它具有真實示波器的所有測量功能。

    2）虛擬儀器從流程圖中接收命令（用G語言創建）。流程圖是一個編程問題的圖形化解決方案，也是虛擬儀器的源代碼。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序。

    虛擬示波器3）創建虛擬儀器的圖標和連接。圖標是子VI在其他程序框圖中被調用的節點表現形式；而連接器則表示節點數據的輸入/輸出口，就像函數的參數。用戶必須連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。這樣，其他的虛擬儀器才能將數據傳輸給一個子儀器。

    2虛擬儀器技術的應用

    2.1實驗設備

    根據水力過渡實驗的需要，本文設計了輸水管線瞬態水力工況的實驗。如所示，實驗裝置由上位水箱、兩條平行的長約20m、內徑40mm有機玻璃管，連通管、穩壓井、下位水箱、水箱、閥門、5個CYB13型壓力傳感器及水表組成。通過改變末端的閥門開度來改變整條管線的運行工況，測量工況變化時壓強與流量的瞬態變化情況。

    2.2壓強數據采集

    實驗的壓強數據采集系統包括NI公司的數據采集卡DAQCard-6024E、CB-68LP接線端子及5個壓力傳感器。利用CB-68LP接線端子可同時采集16路模擬輸入數據，在計算機中可以設置采集信號的采樣方式、采樣頻率、信號輸入范圍、單通道采樣頻率等。采集的信號可直接顯示在1中，并且用不同顏色的曲線標出。

    編程時把數據采集助手放入程序流程圖中，它會自動的彈出面板。在面板中可以對數據采集卡進行設置，先選擇模擬輸入電壓信號，然后就會彈出數據采集的物理通道選擇面板，選擇所需的通道，以后就可以對每個通道進行單獨設置。

    數據采集助手可以設置n個通道進行連續采樣，采集到的數據是n維的動態波形數據，在進行數據分析的時候很不方便，需要把它轉換成便于操作、分析的數據集合。即將DAQAssistant與IndexArray函數相連，IndexArray就會含n個索引端子，通過設置索引端子的數值可以將n維波形數據中的一維單獨提取出來。提取出每個通道的數據，加上采樣的時間，與一個簇函數（cluster）相連，就能夠將某一個工況一定時間段內的所有數據集合起來，LabVIEW程序框圖見3.本實驗采用了6個通道，其中4個壓強數據采集通道，2個流量數據采集通道，采集到的數據以日期時間為文件名存入Excel表格中。

 2.3流量數據采集

    本文利用水表的電磁感應特性采集流量數據。

    水表內部指針帶動有磁鐵的圓盤（zui小刻度盤），當磁鐵經過彈簧片時，彈簧片吸合，成為回路；磁鐵轉過彈簧片后，彈簧片松開，形成開路。當下一次彈簧片吸合時，*一個周期，記錄一個周期時間，即水表zui小刻度盤指針轉動一圈的時間dt（轉一圈流過V=0.01m3水量）。此時間dt內，管道內流量為Q=V/dt.

    為了獲得時間dt，在數據采集卡上設置一個虛擬的電壓輸出通道，輸出電壓定為5V與水表串聯，同時串聯一個10k電阻。當電磁感應開關閉合時，電路連通，10k電阻兩端的電壓約為5V；當電磁感應開關斷開時，電路斷開，10k電阻兩端的電壓為0V，電路圖。將10k電阻兩端的電壓輸入計算機中分析，發現它的電壓變化如圖5所示是一系列的柱狀波。柱波的周期與水表zui小刻度盤指針轉動一圈的時間dt相同，分析采集到的柱波數據得出它的周期，根據Q=V/dt計算獲得流量數據。

    2.4數據分析

    如所示，關閉1號輸水管末端閥門，關閉2號輸水管末端電磁閥，排氣閥打開。當管道內水流狀態穩定后，打開2號輸水管末端電磁閥（極限工況），14號測壓點瞬態壓強變化。

    電磁閥的打開速度非常快，從圖中可以看出4號測壓點壓強瞬間減小的幅度zui大。此時的流量是0.

    0011m/s，4號測壓點穩態時壓強約為1.89m（米水柱），[注：1m水注壓強為98kPa]工況變化時壓強減小到1.01m（米水柱）。這是因為4號測壓點離電磁閥zui近，3號測壓點由于連接管的原因，離電磁閥的距離也較近，所以壓強瞬間減小的幅度比2、3號測壓點大，這個實驗結果符合水錘波傳遞的規律。

    實驗時可以不斷改變工況，實時采集實驗數據，通過虛擬儀器可以大大增加數據采集的速度與準確度，為理論分析（采用特征線法）提供了良好的數據基礎。

    3結語

    虛擬儀器實現了傳統測量技術和計算機技術的融合，具有顯著的優點。本文介紹的基于虛擬儀器的測量分析系統支持多種傳感器，可以在水力實驗中進行多通道的快速瞬態采集。其軟件系統用LabVIEW編程實現，界面友好，具有較全面的圖形顯示、數據分析處理能力。利用這項新的技術設計的測量儀器，還可以應用于其他的水力學實驗中，改變管段的數量及連接方式，改變傳感器的類型就可以獲得不同的實驗數據，從而進行實驗與理論的相關分析。不久的將來可以將這項新技術引入供水管網工程中，組成強大的測量網絡，并與GIS進行系統集成，實現數據融合，適應管網工程數字化發展的趨勢。