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
現代儀器儀表技術是計算機技術和多種基礎學科技術緊密結合的產物。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的飛速發展，新的測試理論、測試方法、測試領域以及新的儀器結構不斷出現，在許多方面突破了傳統儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發生了質的變化。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，即以標準的PC軟、硬件資源作為軟、硬件平臺，以軟件開發為核心，配備少量的硬件構建成的、功能完善的自動測試系統。虛擬儀器概念的出現，打破了傳統儀器功能由廠家設定、用戶無法改變的模式，用戶可以根據自己的需求設計儀器系統，在測試系統和儀器的設計中可以盡量用軟件代替硬件，從而充分利用計算機技術實現和擴展傳統測試系統與儀器的功能。
虛擬儀器系統結構框圖如1所示。在該系統中，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的廠家提供標準產品，用戶主要做后續工作；軟件是這個虛擬儀器的核心，主要完成數據采集及控制，數據存儲及分析，數據顯示及輸出等工作。基于虛擬儀器技術構建的測試系統可實現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，系統功能易于更改，具有很強的適應性。
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
2. 1系統總體設計
天津某散熱器性能測試試驗臺完全參照國際標準和國家標準建造，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系統、冷卻系統、控制系統、檢測系統等子系統，如2所示。
熱水循環系統主要由高位水箱、低位水箱、散熱器、再冷卻器、浮子流量計、電子秤等組成。小室冷卻系統由冷水機組、冷水泵、冷水箱、系統循環水泵、補償加熱器等組成。
散熱器熱工性能試驗臺CAT系統包括控制和檢測兩個部分。控制部分主要對水溫和室內空氣溫度進行控制。整個系統的穩定是一個動態平衡過程，當室內散熱器散熱量與冷卻系統提供的冷量保持平衡時，就可以保持室內溫度穩定。由于溫度控制的精度要求很高，所以采用微機進行控制。
在整個試驗系統穩定后，散熱器進、出口水溫的穩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，其中低位水箱中設一級加熱器對供水溫度進行粗調（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定。
測試小室內空氣溫度的控制是通過控制壁面冷卻系統的水溫來實現的。根據室內溫度采樣點的溫度與設定溫度（ 18 20）的偏差，手動控制冷水系統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中補償加熱器的加熱量來調節壁面冷卻系統的供水溫度，從而使測試小室內空氣溫度的波動在要求的誤差范圍內，保持室內溫度穩定。
散熱器熱工性能試驗臺CAT系統的參數檢測分為溫度和流量檢測兩部分，參數測量的準確性對試驗結果有極其重要的影響。國家標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，它具有溫度自動巡回檢測、流量采樣、穩態判斷等功能。
2. 2系統硬件組成
檢測控制系統硬件結構圖見3.該系統以PC計算機為儀器統一硬件平臺，測試儀器的功能、面板及控件均用相應的軟件實現，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配以對應的、可實現數據交換的模塊化硬件接口卡。因此，庫內儀器測試功能軟件、控件軟件、輸出軟件等與從接口卡輸入計算機內的數據，可在計算機系統的統一指揮和協調下運行。
硬件設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，且性能穩定、可靠性好。PC6313是基于工業標準結構總線的隔離型智能數據采集板，可以直接插在計算機主板上的ISA槽中，其功能是實現測溫電路與計算機的通訊。在這個接口卡上，有模數轉換電路、數模轉換電路、數字量輸入輸出電路等。接口卡上的A/ D，D/ A轉換均為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數字量通道分為PA口、PB口和PC口。
2. 2. 1溫度檢測系統
測試中首先需要測量與計算和控制有關的溫度，即散熱器供水、回水溫度和小室內空氣溫度，另外按照國際標準和國家標準，為了準確反映小室內的溫度場，在室內還設了19個參考溫度測點，總共有22個測溫點。
該系統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的標準。整個測溫系統由計算機、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放大器放大后，通過PC6313接口板輸入計算機。在溫度檢測系統中，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。
測溫電路中設置上限和下限兩個標準電阻，均采用高精度低溫度系數的繞線精密電阻，因此可認為在測量環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
熱水循環系統中的流量檢測采用稱重法，就是在一段時間內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，計算出這段時間內的平均質量流量。
該流量檢測系統主要由電磁閥、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量數據通過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口獲得的數據，即可獲得質量數據。
2. 3系統軟件設計
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，本系統軟件設計包括兩部分：1）采集卡驅動程序； 2） CAT主程序。
采集卡驅動程序直接采用中泰公司提供的動態鏈接庫（ DLL）形式的PC6313驅動程序。在Windows操作系統中，采用任何計算機語言編制的程序都能控制該硬件卡，獲得測量結果。采集卡驅動程序的編制，使用戶無須了解硬件卡的電路細節和工作原理，便能對它進行操作，大大方便了用戶的二次開發。
散熱器熱工性能試驗是一個很復雜的過程，包括22個溫度點的測量、穩態的判斷、流量的采集、數據的處理。為了準確和高效地完成上述所有功能，采用Visual Basic 6. 0編程語言開發了CAT軟件的主程序，它可以很容易地實現數據庫操作和通訊操作，結合模入模出卡使用可以實現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軟件的主程序由數據采集、穩態判斷、測試、顯示及打印、歷史數據查詢、數據庫管理及系統幫助等模塊組成，如4所示，各部分功能分述如下。
2. 3. 1數據采集模塊
數據采集模塊負責各種模擬信號和開關信號的收集；設定各路數據采集的間隔時間；巡回采集22個溫度測點的即時溫度，并且保存到數據庫中。
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據的查詢顯示，圖形顯示模塊主要完成實時溫度或歷史溫度數據圖形顯示功能。顯示采用標準的Windows選單界面風格，操作方便。
2. 3. 3穩態判斷
根據ISO標準規定，散熱器性能測試必須在穩態條件下進行，穩態條件主要包括溫度穩態和流量穩態， ISO標準規定的穩態條件為：至少連續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。
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%.
根據上述要求，將相鄰兩次測試時間間隔（用于判穩而不是用于自動巡回檢測的相鄰時間間隔）設定為變數，再根據具體要求確定，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組相鄰數據進行計算比較，不滿足穩態條件則剔除最先測得的那組數據，并補充另一組數據，再比較、剔除，如此反復直至滿足初步穩態條件。
2. 3. 4測試模塊
測試人員設定流量采集時間，程序自動實現電磁閥的切換，自動采集電子秤的質量數據，并將測試工況的時間、溫度、流量、散熱量等數據寫入數據庫。測試時，由程序隨時監測電子秤的質量，當質量超過一定值時自動切換回路，以避免出現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據回歸處理，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果的可靠性作出分析，最后給出測試報告。
2. 3. 5數據庫管理
該系統采用A ccess數據庫，主要完成數據庫的建立，數據保存、整理、刷新、查詢等工作。考慮到試驗數據的獨立性和完整性，在該模塊中采用了動態建表的方式，即每個測試過程擁有一個獨立、惟一的數據表。此外，為了確保各種系統不因意外故障引起測試數據丟失，數據庫采用了即時存盤的方式。
2. 3. 6歷史數據查詢
從數據庫中讀取試驗開始以來存儲的所有測點的數據，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系統幫助
系統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，功能設置、故障排除方法等幫助信息。
3系統測試精度的驗證
散熱器性能測試試驗臺CAT系統必須滿足ISO標準規定的穩態條件下的測試精度。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溫度場保持穩定，某一個點的溫度在測試期間不會發生變化。在水循環系統處于停止狀態的情況下，測試小室經過72 h的密閉后，由于沒有外界的熱量擾動，整個小室內部也沒有熱源，只有通過圍護結構和水冷壁面與外界的傳熱，可以認為在0. 5 h的試驗時間內小室內部溫度場保持穩定，小室內基準溫度點的溫度保持穩定。試驗方法是每隔1 min采集小室內基準點的溫度值一次，得到的結果如5所示。
由于小室內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。因此必須用一個數值作為其不可靠性評定的標準，以便分析各測量值，其標準差為= n i = 1（X i - X ）2 n - 1（1）式中為標準差； X i為第i次的測量值； X為測量平均值； n為測量次數。
將中的數據代入式（ 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準規定。
3. 2流量測試精度
系統選用的31002型電子秤的最大稱質量為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使時間內的采樣質量為1 000 2 500 g）。在此范圍內，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的流量測量精度達到并超過ISO標準規定的精度要求。
4結論
4 1運行結果表明，該散熱器性能測試系統的溫度和流量檢測精度完全符合國家標準，系統性能穩定、可靠。
4 2信號調理模塊和數據采集卡的分開設計以及軟件的模塊化設計使系統具有了高度的靈活性和易擴展性。
4. 3基于虛擬儀器技術構建的散熱器性能測試CAT系統，測試過程可實現自動控制，測量精度高，且測試分析功能可任意定制，系統柔性大，具有極高的性價比，充分體現了虛擬儀器技術的優勢，有較大的推廣價值。http://www.pc256.com
