攝譜分析儀器在散熱裝置功能微機幫輔勘驗中運用
1虛擬儀器
現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計算機技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測試理論、測試方法、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下， 1986年美國國家儀器公司（ National Instruments， N I）提出了軟件就是儀器的口號，即虛擬儀器的概念。
所謂虛擬儀器，就是基于PC的測試系統(tǒng)，即以標(biāo)準的PC軟、硬件資源作為軟、硬件平臺，以軟件開發(fā)為核心，配備少量的硬件構(gòu)建成的、功能完善的自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器概念的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)儀器功能由廠家設(shè)定、用戶無法改變的模式，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計儀器系統(tǒng)，在測試系統(tǒng)和儀器的設(shè)計中可以盡量用軟件代替硬件，從而充分利用計算機技術(shù)實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與儀器的功能。
虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1所示。在該系統(tǒng)中，由硬件解決信號的輸入和輸出問題，對于一般的測試要求，基本的功能模塊都可由相應(yīng)的廠家提供標(biāo)準產(chǎn)品，用戶主要做后續(xù)工作；軟件是這個虛擬儀器的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集及控制，數(shù)據(jù)存儲及分析，數(shù)據(jù)顯示及輸出等工作。基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的測試系統(tǒng)可實現(xiàn)測試過程的自動控制，測試精度高；主要的儀器功能都由軟件完成，系統(tǒng)功能易于更改，具有很強的適應(yīng)性。
2基于虛擬儀器的散熱器(森德散熱器推出防腐新品)性能測試系統(tǒng)
2. 1系統(tǒng)總體設(shè)計
天津某散熱器性能測試試驗臺完全參照國際標(biāo)準和國家標(biāo)準建造，采用水冷方式，密閉小室凈尺寸為3. 98 m 4. 00 m 2. 81 m.試驗臺主要包括熱水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等子系統(tǒng)，如2所示。
熱水循環(huán)系統(tǒng)主要由高位水箱、低位水箱、散熱器、再冷卻器、浮子流量計、電子秤等組成。小室冷卻系統(tǒng)由冷水機組、冷水泵、冷水箱、系統(tǒng)循環(huán)水泵、補償加熱器等組成。
散熱器熱工性能試驗臺CAT系統(tǒng)包括控制和檢測兩個部分�？刂撇糠种饕獙λ疁睾褪覂�(nèi)空氣溫度進行控制。整個系統(tǒng)的穩(wěn)定是一個動態(tài)平衡過程，當(dāng)室內(nèi)散熱器散熱量與冷卻系統(tǒng)提供的冷量保持平衡時，就可以保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。由于溫度控制的精度要求很高，所以采用微機進行控制。
在整個試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后，散熱器進、出口水溫的穩(wěn)定主要由電加熱器控制。電加熱器置于低位水箱和高位水箱中，其中低位水箱中設(shè)一級加熱器對供水溫度進行粗調(diào)（四級手動控制） ，最大負荷時能將水加熱到75左右，以保證泵入口處不氣蝕；高位水箱中設(shè)二級加熱器對供水溫度進行精確控制（自動控制） ，以保證散熱器供水溫度穩(wěn)定。
測試小室內(nèi)空氣溫度的控制是通過控制壁面冷卻系統(tǒng)的水溫來實現(xiàn)的。根據(jù)室內(nèi)溫度采樣點的溫度與設(shè)定溫度（ 18 20）的偏差，手動控制冷水系統(tǒng)中制冷機組的運行以控制制冷量，并采用與水溫控制相同的原理控制冷水系統(tǒng)中補償加熱器的加熱量來調(diào)節(jié)壁面冷卻系統(tǒng)的供水溫度，從而使測試小室內(nèi)空氣溫度的波動在要求的誤差范圍內(nèi)，保持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。
散熱器熱工性能試驗臺CAT系統(tǒng)的參數(shù)檢測分為溫度和流量檢測兩部分，參數(shù)測量的準確性對試驗結(jié)果有極其重要的影響。國家標(biāo)準中對于基準點空氣溫度和散熱器進出口溫度測量的準確度要求是0. 1，散熱器中流過的流體（主流體）流量測量的準確度要求是0. 5% ，其余各點溫度（除壁面及基準點外各點的空氣溫度）測量的準確度要求是0. 2.針對上述要求，筆者研制了以計算機為核心的自動檢測系統(tǒng)，它具有溫度自動巡回檢測、流量采樣、穩(wěn)態(tài)判斷等功能。
2. 2系統(tǒng)硬件組成
檢測控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見3.該系統(tǒng)以PC計算機為儀器統(tǒng)一硬件平臺，測試儀器的功能、面板及控件均用相應(yīng)的軟件實現(xiàn)，并以文字形式存儲于PC機的軟件庫中，同時在計算機的總線槽內(nèi)配以對應(yīng)的、可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口卡。因此，庫內(nèi)儀器測試功能軟件、控件軟件、輸出軟件等與從接口卡輸入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)，可在計算機系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下運行。
硬件設(shè)計由于采用了由中泰公司集成的多功能模入模出卡PC6313而變得非常簡單，且性能穩(wěn)定、可靠性好。PC6313是基于工業(yè)標(biāo)準結(jié)構(gòu)總線的隔離型智能數(shù)據(jù)采集板，可以直接插在計算機主板上的ISA槽中，其功能是實現(xiàn)測溫電路與計算機的通訊。在這個接口卡上，有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字量輸入輸出電路等。接口卡上的A/ D，D/ A轉(zhuǎn)換均為12位字長，電壓輸入范圍為5，10， 0 10 V，同時還備有24路晶體管晶體管邏輯（ transistor transistor logic， T TL）電路。電平的可編程DI/ DO數(shù)字量通道分為PA口、PB口和PC口。
2. 2. 1溫度檢測系統(tǒng)
測試中首先需要測量與計算和控制有關(guān)的溫度，即散熱器供水、回水溫度和小室內(nèi)空氣溫度，另外按照國際標(biāo)準和國家標(biāo)準，為了準確反映小室內(nèi)的溫度場，在室內(nèi)還設(shè)了19個參考溫度測點，總共有22個測溫點。
該系統(tǒng)中測溫元件全部采用Pt1000分度的鉑電阻，采用四線制連接方法，大大降低了對電路元器件的要求，減少了系統(tǒng)的費用，且具有較高的準確度，完全達到了溫度測量誤差不大于0. 1的標(biāo)準。整個測溫系統(tǒng)由計算機、信號采集板、控制箱、測溫鉑電阻等組成。
鉑電阻輸出的電壓信號經(jīng)放大器放大后，通過PC6313接口板輸入計算機。在溫度檢測系統(tǒng)中，利用PA口作為測溫通道選擇信號輸出口，利用CH1， CH2口作為高低溫兩路模擬信號的輸入口，通過編程實現(xiàn)通道的巡回選通和鉑電阻輸出電壓信號的巡回采集。
測溫電路中設(shè)置上限和下限兩個標(biāo)準電阻，均采用高精度低溫度系數(shù)的繞線精密電阻，因此可認為在測量環(huán)境下上下限電阻的阻值保持不變，用比較的方法求得鉑電阻的阻值后求得溫度。
2. 2. 2流量檢測系統(tǒng)
熱水循環(huán)系統(tǒng)中的流量檢測采用稱重法，就是在一段時間內(nèi)對流過散熱器的流體進行取樣，然后對取出的水樣進行稱重，計算出這段時間內(nèi)的平均質(zhì)量流量。
該流量檢測系統(tǒng)主要由電磁閥、稱重儀器、電磁閥切換電路、PC6313接口板、中央計算機等組成。稱重儀器選用的是帶串行通信功能的31002型電子秤，它最大的特點是能即時將質(zhì)量數(shù)據(jù)通過RS 232串行通訊直接傳到計算機的COM口，由計算機程序處理從COM口獲得的數(shù)據(jù)，即可獲得質(zhì)量數(shù)據(jù)。
2. 3系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件是虛擬儀器的核心，虛擬儀器的一切功能都通過軟件來實現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩部分：1）采集卡驅(qū)動程序； 2） CAT主程序。
采集卡驅(qū)動程序直接采用中泰公司提供的動態(tài)鏈接庫（ DLL）形式的PC6313驅(qū)動程序。在Windows操作系統(tǒng)中，采用任何計算機語言編制的程序都能控制該硬件卡，獲得測量結(jié)果。采集卡驅(qū)動程序的編制，使用戶無須了解硬件卡的電路細節(jié)和工作原理，便能對它進行操作，大大方便了用戶的二次開發(fā)。
散熱器熱工性能試驗是一個很復(fù)雜的過程，包括22個溫度點的測量、穩(wěn)態(tài)的判斷、流量的采集、數(shù)據(jù)的處理。為了準確和高效地完成上述所有功能，采用Visual Basic 6. 0編程語言開發(fā)了CAT軟件的主程序，它可以很容易地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作和通訊操作，結(jié)合模入模出卡使用可以實現(xiàn)自動測試的所有功能，并且擁有可視化的界面，便于人機交流。
CAT軟件的主程序由數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)態(tài)判斷、測試、顯示及打印、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫管理及系統(tǒng)幫助等模塊組成，如4所示，各部分功能分述如下。
2. 3. 1數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)各種模擬信號和開關(guān)信號的收集；設(shè)定各路數(shù)據(jù)采集的間隔時間；巡回采集22個溫度測點的即時溫度，并且保存到數(shù)據(jù)庫中。
2. 3. 2顯示及打印模塊
顯示模塊通過文本格式在界面上直觀地顯示出當(dāng)前的溫度值，包括報表顯示和圖形顯示兩種方式。報表顯示模塊主要完成歷史溫度數(shù)據(jù)的查詢顯示，圖形顯示模塊主要完成實時溫度或歷史溫度數(shù)據(jù)圖形顯示功能。顯示采用標(biāo)準的Windows選單界面風(fēng)格，操作方便。
2. 3. 3穩(wěn)態(tài)判斷
根據(jù)ISO標(biāo)準規(guī)定，散熱器性能測試必須在穩(wěn)態(tài)條件下進行，穩(wěn)態(tài)條件主要包括溫度穩(wěn)態(tài)和流量穩(wěn)態(tài)， ISO標(biāo)準規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件為：至少連續(xù)6次等時間間隔的測量值與它們的均值的最大偏差不超過下述指標(biāo)。
基準點溫度：0. 1；進出口水溫：0. 2；其他點溫度：0. 3；散熱器后測點溫度：0. 5；熱媒流量：2%.
根據(jù)上述要求，將相鄰兩次測試時間間隔（用于判穩(wěn)而不是用于自動巡回檢測的相鄰時間間隔）設(shè)定為變數(shù)，再根據(jù)具體要求確定，一般情況下取判斷時間間隔為溫度巡回檢測的時間周期，即大約2 min.基于上述分析，讀取最新的7組相鄰數(shù)據(jù)進行計算比較，不滿足穩(wěn)態(tài)條件則剔除最先測得的那組數(shù)據(jù)，并補充另一組數(shù)據(jù)，再比較、剔除，如此反復(fù)直至滿足初步穩(wěn)態(tài)條件。
2. 3. 4測試模塊
測試人員設(shè)定流量采集時間，程序自動實現(xiàn)電磁閥的切換，自動采集電子秤的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并將測試工況的時間、溫度、流量、散熱量等數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。測試時，由程序隨時監(jiān)測電子秤的質(zhì)量，當(dāng)質(zhì)量超過一定值時自動切換回路，以避免出現(xiàn)采集容器流體溢出從而造成儀器損壞的問題。
對三個不同測試工況的溫度和流量進行測試后，程序按最小二乘法進行數(shù)據(jù)回歸處理，得到散熱量和散熱溫差的擬合曲線，并且按照回歸方程分析方法對回歸結(jié)果的可靠性作出分析，最后給出測試報告。
2. 3. 5數(shù)據(jù)庫管理
該系統(tǒng)采用A ccess數(shù)據(jù)庫，主要完成數(shù)據(jù)庫的建立，數(shù)據(jù)保存、整理、刷新、查詢等工作�？紤]到試驗數(shù)據(jù)的獨立性和完整性，在該模塊中采用了動態(tài)建表的方式，即每個測試過程擁有一個獨立、惟一的數(shù)據(jù)表。此外，為了確保各種系統(tǒng)不因意外故障引起測試數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)庫采用了即時存盤的方式。
2. 3. 6歷史數(shù)據(jù)查詢
從數(shù)據(jù)庫中讀取試驗開始以來存儲的所有測點的數(shù)據(jù)，包括采集時間、測點號、溫度值，并以報表的形式顯示出來。
2. 3. 7系統(tǒng)幫助
系統(tǒng)幫助模塊為用戶提供各種幫助說明，為測試人員提供本軟件的界面說明，操作說明，功能設(shè)置、故障排除方法等幫助信息。
3系統(tǒng)測試精度的驗證
散熱器性能測試試驗臺CAT系統(tǒng)必須滿足ISO標(biāo)準規(guī)定的穩(wěn)態(tài)條件下的測試精度。為了確保散熱器熱工性能測試的準確性，對該CAT系統(tǒng)的測試精度進行了試驗驗證。
3. 1溫度測試精度
測試條件是密閉小室內(nèi)溫度場保持穩(wěn)定，某一個點的溫度在測試期間不會發(fā)生變化。在水循環(huán)系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)的情況下，測試小室經(jīng)過72 h的密閉后，由于沒有外界的熱量擾動，整個小室內(nèi)部也沒有熱源，只有通過圍護結(jié)構(gòu)和水冷壁面與外界的傳熱，可以認為在0. 5 h的試驗時間內(nèi)小室內(nèi)部溫度場保持穩(wěn)定，小室內(nèi)基準溫度點的溫度保持穩(wěn)定。試驗方法是每隔1 min采集小室內(nèi)基準點的溫度值一次，得到的結(jié)果如5所示。
由于小室內(nèi)基準點的溫度基本保持不變，可以認為對該點的測量是在相同的測量精度條件下得到的，即可以看作是等精度測量。由于隨機誤差的存在，等精度測量列中各個測量值一般不會相同，它們圍繞著該測量列的算術(shù)平均值有一定的分散，說明了測量列中單次測得的值的不可靠性。因此必須用一個數(shù)值作為其不可靠性評定的標(biāo)準，以便分析各測量值，其標(biāo)準差為= n i = 1（X i - X ）2 n - 1（1）式中為標(biāo)準差； X i為第i次的測量值； X為測量平均值； n為測量次數(shù)。
將中的數(shù)據(jù)代入式（ 1）計算可得= 0. 056 < 0. 1，證明溫度測量的精度是可靠的。另外，同時采用最小刻度為0. 05的一等標(biāo)準溫度表實測了該點的溫度，得到的值為15. 71 15. 73，與平均測量值的偏差只有0. 01，與單次測量值的偏差最大為0. 09，由此可見，溫度測量的準確度沒有超出標(biāo)準規(guī)定。
3. 2流量測試精度
系統(tǒng)選用的31002型電子秤的最大稱質(zhì)量為3 000 g，其分辨率為10 mg，故最大絕對誤差為10 mg.該電子秤最大相對誤差可表示如下：= M max M（2）式中為最大相對誤差； M max為最大絕對誤差，M max = 0. 01 g； M為秤的示值， g.
由式（ 2）可以看出與M之間為雙曲線關(guān)系，因此為確保電子秤的實際測量精度，又兼顧能正常使用，規(guī)定在測量中使用量程為1 000 2 500 g（對電子秤使用量程作限定實際上在一定程度上對采樣時間作了限定，即不論在何流量下都應(yīng)使時間內(nèi)的采樣質(zhì)量為1 000 2 500 g）。在此范圍內(nèi)，最大相對誤差max= （ 0. 01 g/ 1 500 g）100% =0. 000 7% ，此值即為流量測量精度。由此可見本測量系統(tǒng)的流量測量精度達到并超過ISO標(biāo)準規(guī)定的精度要求。
4結(jié)論
4 1運行結(jié)果表明，該散熱器性能測試系統(tǒng)的溫度和流量檢測精度完全符合國家標(biāo)準，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。
4 2信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡的分開設(shè)計以及軟件的模塊化設(shè)計使系統(tǒng)具有了高度的靈活性和易擴展性。
4. 3基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的散熱器性能測試CAT系統(tǒng)，測試過程可實現(xiàn)自動控制，測量精度高，且測試分析功能可任意定制，系統(tǒng)柔性大，具有極高的性價比，充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，有較大的推廣價值。http://m.18192.cn
