基于虚拟仪器技术的温差测定仪及其应用

　　0　引言

　　虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户自己定义,具有虚拟面板,测试功能主要由软件来实现的一种自动化测试仪器系统,它集中体现了“软件就是仪器”的思想,有人将21世纪称为虚拟仪器时代[1]。化学作为一门以实验为基础的学科,实验仪器设备成本投入相当高。仔细分析许多不同类别的化学实验,就会发现其共性均是通过传感器或专用仪器将非电信号转变为电信号[2]。若采用虚拟仪器技术,将这一电信号进行诸如放大、电阻—电压变换、阻抗变换等调理,再经过A/D变换和数据采集进入计算机后,充分发挥软件作用,将复杂的信号处理和数据运算融于软件中,由软件来实现,将大大节约仪器设备成本投入,提高实验室自动化程度和测量精度,缩短实验时间。学校在教学实践中开设燃烧热实验,若采用传统仪器开设5组实验,除了氧弹式量热计等必须装置,将购买5套温差测定仪,成本较高,还存在速度慢、效率低、主观误差大、不易动态跟踪温度变化等问题。现采用虚拟仪器技术,研制虚拟温差测定仪,成功开设了该实验,与传统方式相比,成本降低了70%,不仅如此,还能用于饱和蒸汽压、冰点下降法测分子量等与温度和温差测量有关的实验。

　　1　系统构成

　　虚拟仪器系统组建有多种方案,采用目前应用最多、成本最低的基于数据采集系统的组建方案,图1为虚拟温差仪构成框图1。

　　燃烧热测定的关键是温差,综合考虑了该物理化学实验测量的精度要求、调理电路的设计和各种温度传感器的性能价格比,文中选用了Pt100热电阻温度传感器。Pt100将温度变化ΔT转变为电阻变化ΔR,采用高灵敏的电桥将ΔR转变为电压变化ΔU。但是,温度每变化1℃,电阻变化还不到0·4Ω,然而设计目标是温度测量精度要达到0002℃,数据采集系统的典型精度值为1 mV,所以要将0·4Ω的电阻变化转变为500 mV的电压变化,这由图2所示的调理电路来实现。

　　在图2中,VCC为电桥供电电压(设E=VCC),R1、R2、R3及R4为桥臂电阻(其中R1为铂电阻Pt100),R2/R1=R4/R3(=n),A1,A2,A3及电阻R5,R6,R7,Rf构成仪器放大器。整个调理电路输出电压为[3]:

　　通过Pt100温度传感器和调理电路,被测物理量(温度)就被转变为适合A/D变换的电压信号,而且二者之间有准确的对应关系。

　　数据采集卡采用16位基于ISA总线的PS2104,量程为0~+10 V(-5~5 V)、单端32/差动16通道、程序查询工作方式、系统误差0·1%、A/D转换时间小于25μm、两个模拟输出通道,是通过在VC++中编制动态链接库(DLL),将直接读写端口寄存器的复杂操作封装起来,再在开发界面的VB中声明调用来实现端口访问[4]。软件是虚拟仪器的重要组成部分,其中的软面板也是人们对虚拟仪器最直观的感觉。VB是微软公司推出的开发Windows应用程序的主力平台之一,以其开发的用户界面易学、高效、快速,同时其强大的设计能力也倍受程序员的青睐。所以对软面板设计及复杂数据分析处理编程均采用VB语言。