0401基于虚拟仪器技术的物理化学实验系统的研究.doc

基于虚拟仪器技术 作者：张嘉琪(ZHANG Jia-Qi) 黄积涛 (HUANG Ji-Tao) 董迎 (DONG Ying) 谢秀荣 (XIE Xiu-Rong) 职务：高级实验师 公司：天津理工大学生物与化学工程学院，天津300191 应用领域：研发使用的产品：LabVIEW7.0 图形化程序开发环境 PCI-6036多功能数据采集卡 挑战现有的物理化学实验，往往使用分立实验装置，每个实验都需要专用的实验设备，不能在一个平台上完成所有实验，且很难进行精确的控制，也不能实时记录实验数据（结果）。因此需要进行教学实验改革，构建一整套物理化学实验系统。应用方案使用National Instruments公司的PCI-6036LabVIEW7.0开发平台编写物理化学实验系统软件，用自制的信号调理器带有半导体制冷的温度控制器数种具体实验装置，建立了一整套物理化学实验系统。该系统可BZ振荡测试实验、溶解热测定实验、pH-电动势关系测定实验、恒温槽特性实验、燃烧热测定实验、凝固点降低测定物质分子量、电动势测定实验、最大气泡法测定液体表面张力等。 虚拟仪器 (irtual instruments，VI) 技术是未来仪器的发展方向随着计算机技术的不断，“软件即仪器” 这样的观念已经构想变为现实，它彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面。由于虚拟仪器的发展完全计算机的发展同步，VI日益显示出灵活性和生命力本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的新型物理化学实验系统，包括利用智能PID控制方法对实验体系温度的控制。该系统可以完成多项大学物理化学实验。结果表明，基于虚拟仪器技术的各种先进控制方法具有控制精度高、系统温度特性稳定等特点，可广泛应用于各种化学反应过程的控制。 物理化学实验系统主要两大部分组成。 硬件包括计算机硬件、半导体制电加热恒温控制器、信号调理器、数据采集卡-6036)、物料滴加系统、称重系统、搅拌装置以及相应的物理化学实验用玻璃仪器物理化学实验系统如图1和所示 图1. 物理化学实验系统 图2. 控制装置示意图 恒温控制器完成物理化学实验对温度的要求，控温范围可以达到(25℃至80℃。信号调理器将来自各传感器的微弱信号进行放大及波形调理，实现对化学反应过程温度信号的转换数据采集卡采用美国国家仪器公司的PCI-603，16路A/D输入通道2路D/A输出通道8路数字IO2路24位计数器A/D采集速率250 K/s，D/A输出速率为10 K/s。 软件部分采用美国国家仪器公司 (National Instruments) 的图形化开发环境LabVIEW 7.0作为开发平台。之所以选择该开发环境主要是因为NI公司的硬件环境和软件环境操作简便，图形化的编程界面及其优异的图形控件使得测试平台的编程过程变得简单提高了编程效率；LabVIEW功能强大,配置齐全，使得开发中的控制算法的实现、图形显示、数据采集、数据处理、测试报告的生成。 套完整的物理化学虚拟仪器实验平台可以完成8个物理化学实验：BZ振荡测试实验、溶解热测定实验、pH-电动势关系测定实验、恒温槽特性实验、燃烧热测定实验、凝固点降低测定物质分子量、电动势测定实验最大气泡法测定液体表面张力。部分物理化学实验以及实验测试仪器的前面板如图3~6所示 图 物理化学实验系统主界面 图 BZ振荡实验 图电动势实验图 化学实验系统主控界面图 由于LabVIEW是基于Windows环境的编程语言，所设计出的虚拟仪器可以是仪器面板和Windows控件的组合。图中的示波器、转速表、温度计和开关等与传统仪器面板是一致的，而图中的表格和按钮等却是Windows风格的控件这些控件是普通计算机用户习惯计算机交互方式，因而便于操作人员学习和操作。例如：“预设控制曲线” 是用户设定升温或恒温曲线的面板，在这里设定的温度时间曲线将是反应系统温度控制的目标函数。在这个面板中，用户有种方式输入温度曲线：画图式输入、文件输入和分时段输入。画图式输入曲线在示波器中完成，由用户拖动图中的光标即可画出曲线；文件输入可以按用户选择已经存在的波形文件；分时段输入可以在表中按时间顺序依次输入温度。温度设定功能可方便地使用户制定实验过程温度进程。 2基于虚拟仪器的智能PID算法对化学反应过程温度的控制 PID基本算法为：控制器的输出是与控制器的输入 (误差) 成正比，与积分导数成正比且为这个分量之和。 (1) 式中——测量值与给定值之问的偏差；((积分时间；——微分时间；——控制器的放大系数。 LabVIEW中内置了PID等控制算法的VI,以此为基础可以快速高效得开发智能PID的控制，实际