第３Ｏ卷第８期 核电子学与探测技术 Ｖ０１．３０ Ｎｏ．８ ２０１０年８月 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｕｇ． ２０１０ 基于虚拟仪器下的温度测量 于玲，胡纯栋，刘 胜 （中科院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３ １） 摘要：在中性束注入装置中，基于ＬａｂＶＩＥＷ和ＰＸＩ搭建了水流热量计系统。该系统实现串口通信 与网络接口的转化，有限点多通道并行采集，实时显示及数据保存功能。经测试，系统工作稳定，采集准 确，使用灵活，充分满足实验的需要。 关键词：中性束注入；虚拟仪器；ＰＸＩ；数据采集 中图分类号：ＴＰ ２７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８－０９３４（２０１０）０８—１０５０－０５ 中性束注入器（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，简称 ＮＢＩ）是能产生高能带电离子束并对其进行中 １ 系统的结构与组成 性化形成高能中性粒子束用以加热托卡马克等 １．１虚拟仪器简介… 离子体的装置。束流注入传输过程中会给装置 ＰＸＩ是以ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒｌａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒ－ 各部件带来不同程度的热负荷，通过各部件上 ｃｏｎｎｅｃｔ）及ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ为基础再加上一些ＰＸＩ 布置冷却水管道，及时有效地把热量带走，一方 特有的信号组合而成的一个架构。ＰＸＩ继承了 面为计算热沉分布提供科学依据，另一方面避 ＰＣＩ的电气信号，使得ＰＸＩ拥有如ＰＣＩ ｂｕｓ的极 免各部件因温差过高而造成损坏。在实验期间 高传输数据的能力，因此能够有高达１３２—５２８ 需要对各冷却水管道的流量、温差进行数据采 ＭＢｙｔｅ／ｓ的传输性能，在软件上是完全兼容的。 集，并存档。利用ＰＸＩ总线技术实现测控系统 另一方面，ＰＸＩ采用和ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ一样的机械 是在仪器平台上实现精确的仪器仪表功能，完 外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳 成常规仪表系统（如ＤＣＳ、ＰＬＣ等）不易达到的 及高性能连接器的特性。 功能。基于ＰＸＩ总线系统和利用虚拟仪器开发 ＬａｂＶＩＥＷ是一种程序开发环境，由美国国 平台软件ＬａｂＶｌＥＷ编写水流热量计系统界面， 家仪器（ＮＩ）公司研制开发的，类似于Ｃ和 该软件结合了图形化编程方式的高性能与灵活 ＢＡＳＩＣ开发环境，但是ＬａｂＶＩＥＷ与其他计算机 性，以及专为测试测量与自动化控制应用设计 语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用 的高端性能与配置功能，在本系统应用中实现 基于文本的语言产生代码，而ＬａｂＶＩＥＷ使用的 了数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等 是图形化编辑语言Ｇ编写程序，产生的程序是 各种功能。 框图的形式。 １．２系统组成 收稿日期：２０１０－０３－０２ 由于束流自离子源引出时存在一定的发散 基金项目：国家自然科学基金项目（１０８７５１４６）。 角，同时束流传输中存在空间电荷效应，这两个 作者简介：于玲（１９８１．），女，河南南阳人，硕士学 作用使得束流在传输过程中不断发散，发散的 位，主要从事大功率中性束注入器温度测量系统及 束流打到装置上，给装置部分部件带来不同程 其控制方面的研究。 度的热负荷。热负荷的测量可以估算出束流在 １０５０ 传输过程中在装置各部分的功率沉积情况 。 热负荷通常利用水流热量计测量（Ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）。 极、梯度电极、抑制电极、地电极等冷却水路进 行温差采集、流量采集、实时显示、数据保存、计 算分析，为中性束注入系统的热沉分析提供可 靠依据。 水流热量计系统对物理实验信号的数据采 集监视系统采用ａｄｌｉｎｋ的ＰＸＩ系统设备，包括 ＰＸＩＳ一２６３０机箱、ＰＸＩ一３９５０、ＤＡＱ一２２０６数据 采集卡、网络转换器ＮＤ一８５１１（Ｄ）、数据采集 模块ＮＤ一６０１８、ＤＥＬＴＡ公司的温差传感器 ＡＴ、涡轮流量计构建系统硬件结构。水流热量 水流热量计测量的原理是通过测量并计算 出中性束注入的冷却系统在每次放电引出束后 所带出的热量来计算系统的热负荷，进而计算 出功率的大小，即： Ｐ ＝ Ｊ。Ａｔｄ 水温差，△Ｔ为束线脉宽。 （１） Ｐ，吣 为水路法计算得出的束线总功率，Ｃ 为水的比热，ｍ为冷却水质量流量， 为进出 计系统硬件架构如图ｌ所示。 水流热量计系统对离子源弧室、等离子电 图１ 水流热量计系统硬件架构图 水流热量计系统待测温差部件其中离子源 部分为９路，束线部分为１１路，共２Ｏ路。温差 ２测控技术 Ｊ 基于ＰＸＩ总线利用虚拟仪器开发平台软件 ＬａｂＶＩＥＷ编写水流热量计系统界面，该软件结 传感器△Ｔ安置在待测温差部件的冷却水进出 口，束流注入时，８路模拟量输入输出模块ＮＤ 一６０１８通过温差传感器迅速采集流经各部件 冷却水的温差值，并将该值通过４８５总线传送 给网络转换器ＮＤ一８５１１（Ｄ），ＮＤ一８５１１（Ｄ）经 过内部处理，把该数据以ＲＪ４５口接人网络中， 合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及 专为测试测量与自动化控制应用设计的高端性 能与配置功能，在本系统应用中实现了数据采 集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种功 能［引。 然后经光纤收发器进行隔离，再经网线传人控 制区计算机，为实验数据远距离无干扰传输提 供了保障。 涡轮流量计安装在各冷却水的进口，３２路 差分模拟输人模块ＤＡＱ一２２０６实时采集管道 内的流量，利用ＮＩ软件ＬａｂＶＩＥＷ显示并保存 各冷却水路的流量值。 ２．１ 串口通信与网络接口转化 水流热量计系统中采用的温差传感器灵敏 度为０．０５９ ｍＶ／ｑＣ，精确度为－ｔ－０．１８５／℃， 管径尺寸≥３／４”时响应时间为≤０．０５ ｓ，管径 尺寸￣＜３／４”时响应时间为≤Ｏ．２５ ｓ，考虑以上 因素，故选用ａｄｌｉｎｋ公司的８通道ＮＤ一６０１８ 模拟量采集模块。ＮＤ一６０１８模块采样率为 １０Ｈｚ／通道，６路差分，２路单端，为了提高实验 ｌＯ５１ 数据的准确性及抗干扰能力，故只选用ＮＤ一 步的，一个接一个的，ＮＤ一８５ｌ１（Ｄ）支持异步 ６０１８模块的前６路差分模拟输人通道。由于 通信协议，它的优点在于可利用ＴＣＰ／ＩＰ协议， ＮＤ一６０１８模块的数据传输为串口４８５通信，随 通过ＮＤ一８５１１（Ｄ），用户可以控制现实中任何 着系统的扩建，对ＮＤ一６０１８模块需求量会越 场所的异步串行设备。 来越多，大容量高速数据传输与串口通信之间 实验中，采集模块ＮＤ一６０１８通过插接件 不可避免将有尖锐冲突，因此引用ａｄｌｉｎｋ公司 （串口线）与８５ｌ１相连，网络转换器ＮＤ一８５１１ 的网络转换器ＮＤ一８５１１（Ｄ）。 （Ｄ）经过路由器与ＰＸＩ及总控服务器相连。图 ａｄｌｉｎｋ ＮＤ一８５１１（Ｄ）为将ＲＳ一２３２／４２２／ ２为ＮＤ一８５１１（Ｄ）与ＰＸＩ通讯状态界面，可确 ４８５端口转换为网络端口的转换器，它是一个 定网络转换器ＮＤ一８５１１（Ｄ）是否与ＰＸＩ相连， 紧凑的通讯模块，允许用户在网络ＴＣＰ／ＩＰ协 确定ＮＤ一８５１ｌ（Ｄ）是否与采集模块ＮＤ一６０１８ 议上控制串行设备。用户可以通过ＴＣＰ／ＩＰ协 相连，确定ＮＤ一８５１１（Ｄ）和ＮＤ一６０１８的连接 议利用以太网将本地的串行端口连接到主机。 数目及ＮＤ一６０１８工作通道。 在１０／１００ Ｍｂｐｓ的网络上，串行设备连接是异 图２ ＮＤ一８５１１（Ｄ）与ＰＸＩ通讯状态界面 ２．２多方软硬件兼容 ａｄｌｉｎｋ各模块进行编程控制。 水流热量计系统是采用ａｄｌｉｎｋ公司不同采 集模块，在ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ软件开发平台 上搭建完成的。因此需借助第三方软件确保不 同厂家的软硬件稳定兼容。 利用ａｄｌｉｎｋ公司的Ｌａｎｔｒｏｎｉｘ Ｄｅｖｉｃｅ Ｉｎｓｔａｌｌ— ｅｒ软件查找ＮＤ一８５１１（Ｄ）的连接状态，利用 Ｒｅｄｉｒｅｃｔｏｒ、ＯＰＣ Ｓｅｒｖｅｒ及ＮＤＳ—ＯＣＸ、软件对不 同端口和ＩＰ下的ＮＤ一８５１１（Ｄ）所配带的输人 模块ＮＤ一６０１８进行采集信号类型、采用通道 等配置。将所有配置文件保存，并以ＡｃｔｉｖｅＸ 形式导人ＬａｂＶＩＥＷ工具控制选项板中，即可在 图３硬件管理软件ＤＡＱＭａｓｔｅｒ界面 ＬａｂＶＩＥＷ内操纵ａｄｌｉｎｋ模块ＮＤ一６０１８采集模 拟信号。 ２．３采集模式 对于ａｄｌｉｎｋ公司的ＰＸＩ系列模块，引入软 水流热量计系统可选用的采集方式共有三 件ＤＡＱＭａｓｔｅｒ对所有ａｄｌｉｎｋ模块进行管理、命 种：单点采集、有限点采集和连续采集。连续采 名、分配相应设备号。图３为硬件管理软件 集模式，控制采集时间较为灵活，但对于ａｄｌｉｎｋ ＤＡＱＭａｓｔｅｒ界面。利用ＤＡＱＰｉｌｏｔ及ＤＡＱ— 的ＤＡＱ一２２０６模块，在连续采集方式下，每通 ＬＶＩＥＷ ＰｎＰ内部函数在ＬａｂＶＩＥＷ软件内对 道的采样率仅为原采样率的１／１０，无法满足实 １０５２ 验要求，故在本系统中采用有限点多通道采集 模式。图４为ＤＡＱ一２２０６有限点多通道采集 程序图。在有限点采集模式下．通过设置每通 道的采样点数和采样率，来控制采集时间。 图４ ＤＡＱ一２２０６有限点多通道采集程序图 ２．４触发方式 ａｄｌｉｎｋ的ＤＡＱ一２２０６模块提供了外部触 发和内部触发两种方式，外部触发又分为外部 模拟触发和外部数字触发。因为总控制系统以 脉冲启动放电，可采用外部数字脉冲触发，但采 用外部数字触发，如果有干扰信号，容易造成假 触发。因此采用外部模拟触发，可设置电平的 上下限。外部模拟触发设置利用软件ＤＡＱ－ Ｍａｓｔｅｒ中的Ｔａｓｋ Ｍａｎａｇｅｒ来完成。图５为ＤＡＱ 一２２０６外部模拟触发设置程序。 图６水流热量计系统程序流程图 测量范围大，但灵敏度低，直接用来测量温差， 方面受灵敏度限制，要求测量的温差≥ ０．１℃，另一方面受温度补偿线以及连接头的影 响，两路信号的本底差异大，很难精确测量小量 一图５ ＤＡＱ一２２０６外部模拟触发设置程序 的温差。热敏电阻非线性的限制，利用热敏电 阻测量范围小，在测量路数很少的情况下，是一 ２．５采集程序 】 水流热量计系统程序在可视化软件ｌａｂ— 种可行的测量方案。但对于ＮＢＩ束线，需要测 量冷却水温差的水路较多，测量电路的标定比 较麻烦。 ＶＩＥｗ的基础上，借助ａｄｌｉｎｋ公司的数据采集 软件ＤＡＱＰｉｌｏｔ、ＤＡＱＢｅｎｃｈ及ＤＡＱ—ＬＶＩＥＷ ＰｎＰ等编写完成，具体程序流程如图６所示。 ２．６实验 本系统采用ＤＥＬＴＡ公司的温差传感器，该 温差传感器可以在强磁场环境下测量流体的温 差，该传感器基于２０个结点Ｔ型温差电堆 冷却水温差的测量主要是测量被冷却部件 的出水和进水的温度差，具体可以在水路的进 水和出水端口安置热偶或热敏电阻，然后测量 （ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅ），每一个结点都被封闭在各自的热 电偶管套中，每个结点是电隔离屏蔽的，因此都 有很好的抗电磁干扰能力。 将温差传感器的一个管道内连续接人 １０５３ 进出口的热电偶或热敏电阻的信号差值，就得 到冷却水的温差。与热敏电阻相比，热电偶的 ５６℃的热水，另一个管道内持续注人５ａ【＝的冷 的流量，根据流量计算出冷却水的质量，从而得 水，得到电压随时间变化曲线图，如图７所示。 到束线总功率。 点＞ 基于ＰＸＩ总线和虚拟仪器ＩａｈＶＩＥＷ搭建 堪 Ｈ ６ 的水流热量计系统，解决了第三方硬件与ＮＩ公 司ＬａｂＶＩＥＷ软件的兼容问题，实现了多通道， 大容量数据实时采集，串口数据到网络接口的 转化等必须面临的技术问题，具有很强的实用 性。软件采用Ｉ＿ａｂＶｌＥＷ图形化编程语言使程 序具有高性能与灵活性，为以后软硬件的升级、 优化、更新提供了极大的方便。 ０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００ Ｔｉｍｅ／ｓ 参考文献： 图７温差传感器电压随时间变化曲线图 ［１］张毅，周绍磊．虚拟仪器技术分析与应用［Ｍ］．北 利用ＤＡＱ一２２０６采集到的冷却水流量ｑ 京：机械工业出版社，２００４． 和采集时间ｔ，结合公式ｍ＝Ｐ・ｔ・ｑ（ｍ为质 ［２］刘胜，胡纯栋，陈开云，等．基于静电探针诊断下离 量，Ｐ为水的比热，ｔ为时间，ｑ为流量）可得到 子源调制放电［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００６，２６ 冷却水的质量ｍ。已知质量ｍ和温差△￡，代人 （４）：４７８－４８０． 公式（１），可得到束线总功率Ｐ～ 。 ［３］赵丽，陈燎原，罗萃文，等．ＨＩ Ａ装置中基于 ＰＸＩ的高速并行数据采集系统［Ｊ］．计算机测量与 ３结束语 控制，２００５，１３（１０）：１１４６－１１４８． 该系统为通过冷却水温升、流量计算束线 ［４］宋士花，刘智民，刘胜，等．大功率ＮＢＩ系统的ＰＩＥ 时序控制应用［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００６，２６ 总功率提供了有效解决办法。利用ＮＤ一６０１８ （１）：１２２－１２５． 模块配合温差传感器测得冷却水温升值，利用 ［５］陈锡辉，张银鸿．ＬａｂＶＩＥＷ８．２０程序设计［Ｍ］．北 ＤＡＱ一２２０６板卡配合涡轮流量计测得冷却水 京：清华大学出版社，２００８． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ＹＵ Ｌｉｎｇ，ＨＵ Ｃｈｕｎ・ｄｏｎｇ，ＬＩＵ Ｓｈｅｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｐｌａｓｍａ ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ ＷａＳ ｆｏｕｎｄｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬａｂＶＩＥＷ ａｎｄ ＰＸＩ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｅｕｔｒａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｌｌ ｉｎｓ￣ｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ Ｓｅｒｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｆｉ— ｎｉｔｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ．ａｎｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄｉｓｐｌａｙ ａｎｄ ｄａｔａ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｉｔ ｗａｓ ｔｅｓｔｉｉｆｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｉ１ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｗｏｒｋｓ ｓｔａｂｌｅ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｕｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎｅｕｔｒａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ｖｉｒｔｕａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＰＸＩ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ １０５４
