采用虛擬儀器技術(shù)的油品含水量檢測系統(tǒng)

1、采用虛擬儀器技術(shù)的油品含水量檢測系統(tǒng)             摘要：在油品含水量智能檢測系統(tǒng)中，基于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的介電常數(shù)，因而兩者所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性不相同的原理，使用了射頻電容傳感器。提出了用技術(shù)實(shí)現(xiàn)油品含水量檢測系統(tǒng)的方案，并從系統(tǒng)的組成、軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面詳細(xì)討論了如何開發(fā)工具LabVIEW構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)這一儀器。 關(guān)鍵詞：水分測量 射頻傳感器 信息融合 技術(shù)技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測試儀器之中，利用良好的軟件平臺(tái)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示功

2、能，在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，用戶通過鍵盤和鼠標(biāo)操縱面板上的虛擬開關(guān)、旋鈕、按鍵等，去控制儀器的運(yùn)行、了解儀器的狀態(tài)、讀取并打印測試結(jié)果等。的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在軟件就是儀器的思想，它以特定的軟件支持取代相應(yīng)的電子線路，充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，用計(jì)算機(jī)完成傳統(tǒng)儀器硬件的部分以至全部功能。它是傳統(tǒng)儀器功能和外形的模塊化和軟件化。系統(tǒng)的概念是測控系統(tǒng)的抽象。不管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的：采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，然后顯示處理的結(jié)果。它們之間的不同主要體現(xiàn)在靈活性方面。由用戶自己定義功能，這意味著您可以自由地組合計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件以及完成應(yīng)用系統(tǒng)所需要的各種功能。另外

3、，開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論和新技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器的換代升級(jí)，而這種靈活性在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。目前普遍采用的油品水分檢測方法有：蒸餾法、氣相色譜法、電容法和微波法等。然而，這些方法有的測定工序復(fù)雜、費(fèi)時(shí)；有的存在不精確、費(fèi)用高和不適用于實(shí)時(shí)測量等眾多缺陷。為了克服這些缺陷，采用射頻電容法測量油品的含水量，獲得了滿意的結(jié)果。1 系統(tǒng)的測量原理在油品含水量檢測系統(tǒng)中，采用射頻電容法測量油品的含水量。其測量原理測量時(shí)，將電容傳感器置于含水油品中。當(dāng)電容傳感器的結(jié)構(gòu)和外形尺寸一定時(shí)，電容傳感器的電容量取決于介質(zhì)的介電常數(shù)。以重油為例，重油的介電常數(shù)約為2.

4、2，而水的介電常數(shù)是80，兩者相差很大，因此所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性不相同，從而可以達(dá)到對(duì)油品含水量檢測的目的。2 系統(tǒng)組成由射頻電容傳感器組成油品含水量檢測系統(tǒng)的框圖如圖1所示。測量時(shí)將傳感器探頭插入樣品油中，同時(shí)檢測水分電壓值Um和溫度電壓值Ut，兩路電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路和高精度儀用放大器AD620放大處理后，送入PCI-6024E數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和打印等。從圖1可以看出，利用反映含水量的測量信號(hào)電壓Um即可推算出油品的含水量M。但是M與Um之間的關(guān)系是非線性的，更重要的是介質(zhì)溫度的變化將影響介質(zhì)的介電常數(shù)的射頻信號(hào)源的頻率、幅值，因此射頻電容傳感器存在對(duì)溫

5、度的交叉靈敏度。為了提高被測目標(biāo)參量的測量精度，減少相互交叉靈敏度，對(duì)水分、溫度兩個(gè)參量同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，然后進(jìn)行信息融合處理。2.1 硬件電路硬件電路包括四個(gè)部分：傳感器探頭、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和PC機(jī)的接口電路。傳感器探頭如圖2所示。探頭終端中間為發(fā)射極，外導(dǎo)體上沿軸向?yàn)?根接收電極，發(fā)射極與接收極構(gòu)成測量電路；射頻電路和轉(zhuǎn)換電路在探頭內(nèi)，加上屏蔽銅套，以減少外界電磁干擾；在探頭內(nèi)還裝有一熱敏電阻，用來測量介質(zhì)溫度，以便對(duì)介質(zhì)的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。溫度對(duì)介質(zhì)的狀態(tài)有明顯的影響，可用查表法和插值運(yùn)算、信息融合等方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。傳感器測量電路的等效原理如圖3所示。圖中，R0為射頻信號(hào)

6、源等效輸出阻抗，Cx為傳感器測量電容器等效電容，Rs為傳感器電容的漏電阻。當(dāng)測量電容器的介質(zhì)不一樣時(shí)，Cs的大小就隨之變化，所呈現(xiàn)的阻抗也就不一樣。為了減少射頻信號(hào)對(duì)其它電路的干擾和信號(hào)傳輸線路分布電容的影響，將射頻信號(hào)源與傳感器做成一體，R0應(yīng)滿足R0CxmT式中，T為射頻信號(hào)源的周期，Cxm為傳感器測量電容器等效電路為量大時(shí)的電容量，R0為R0與Rx從電容器兩端看過去的等效電阻。從傳感器探頭出來的信號(hào)有兩路，即水分電壓和溫度電壓，預(yù)處理電路對(duì)這兩路電壓進(jìn)行處理，使傳感器信號(hào)經(jīng)預(yù)處理成為A/D變換所需要的電壓模擬信號(hào)。測量放大電路由溫度測量放大電路和水分測量放大電路組成。圖4為溫度測量放大電

7、路，圖中IC3為標(biāo)準(zhǔn)電源LM336-2.5V，供給測溫橋路2.5V電源。R2（熱敏電阻）、R3、R4構(gòu)成橋路。橋路的輸出送給AD620放大，W2用來調(diào)整IC4的放大            電路。圖5為水分測量放大電路，圖中W3用來調(diào)整IC5的偏置電壓，W4用來調(diào)整IC5的放大倍數(shù)。IC4、IC5的輸出送A/D采樣卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送計(jì)算機(jī)。信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換與計(jì)算機(jī)的接口兩部分電路使用了National Instrument公司生產(chǎn)的一種E系列插卡式數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E。該卡是一種中

8、檔價(jià)位、完全無開關(guān)式、無跳線式多功能數(shù)據(jù)采集卡，且LabVIEW軟件具有專門的函數(shù)庫可對(duì)該卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其硬件設(shè)置完全由軟件實(shí)現(xiàn)，無需用戶對(duì)硬件連接做任何改動(dòng)。該卡采用PCI總線，有16個(gè)模擬信號(hào)輸入端，可構(gòu)成16個(gè)單通道輸入或8對(duì)差分輸入；采樣精度為12Bit，最大采樣率為200ks/s；輸入電壓范圍為±5V或±10V；輸入增益可為0.5、1、10或100。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)由PCI-6024E卡傳給計(jì)算機(jī)的工作環(huán)境，就可以進(jìn)行下一步的處理的。2.2 軟件設(shè)計(jì)LabVIEW是基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，也是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言。目前，在以PC機(jī)

9、為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C+/C語言。LabVIEW具有以下優(yōu)點(diǎn)：流程圖式的編程、不需預(yù)先編譯就存在語法檢測和調(diào)試過程數(shù)據(jù)探針的使用、豐富的VI庫和儀器面板素材庫、信號(hào)處理分析和近600種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序（可擴(kuò)充）、通用的設(shè)計(jì)解決方案庫等。因此，LabVIEW受到越來越多的工程師和科學(xué)家的青睞。LabVIEW中任何一個(gè)VI都是由三部分組成：一個(gè)可交互的用戶界面，稱為前面板，它相當(dāng)于實(shí)際儀器的操作面板；一個(gè)相當(dāng)于原代碼的流程圖，采用圖形化編程方式；一個(gè)與其它VI連接的圖標(biāo)/連接器，用于在主VI中調(diào)用子VI。一臺(tái)儀器面板的合理設(shè)計(jì)有助于功能的實(shí)現(xiàn)，并方便用戶操作。油

10、品含水量智能檢測儀能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。因此前面板應(yīng)設(shè)置多段開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，而這些數(shù)據(jù)處理結(jié)果并不要求同時(shí)觀測；面板上的主要部分是顯示圖形和數(shù)據(jù)的窗口，可以采用多窗口來實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的同時(shí)輸出；面板上還應(yīng)有必要的控制窗口和開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作控制，如油口號(hào)、設(shè)備號(hào)、采樣通道號(hào)、采樣率、緩沖區(qū)大小、每次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量等操作控制。圖6為數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的前面板，圖7為油品含水量檢測的前面板。數(shù)據(jù)處理功能通過設(shè)計(jì)框圖程序來實(shí)現(xiàn)，它是油品含水量檢測儀的核心，它要實(shí)現(xiàn)的功能包括（1）水分信號(hào)和溫度信號(hào)的采集和預(yù)處理對(duì)水分信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行采集和用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行預(yù)處理后，將不同溫度、不同水分下的溫度電壓和水分電壓以二維數(shù)據(jù)表的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，為信息融合作準(zhǔn)備。（2）對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)進(jìn)行信息融合經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)，根據(jù)前面板發(fā)出的控制信號(hào)，采用不同的信息融合方法以實(shí)現(xiàn)不同的分析。信息融合的目的是消除溫度這一干擾量對(duì)水分的影響。圖8是采用曲面擬合法進(jìn)行信息融合的LabVIEW程序框圖。在軟件的實(shí)現(xiàn)過程充分利用了LabVIEW軟件本身所提供的分析工具，從而避免了大量的底層軟硬件開發(fā)工作。充分利用VI具有層次化、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，使編程盡可能簡單。利用上述方法構(gòu)成的油品含水量檢測儀，在實(shí)際中證明能夠滿足設(shè)計(jì)要求。將多傳感器信