淺談幾種輔助教學的自動化儀表儀器

摘要：隨著現代化信息技術發展，自動化儀器的普及，在理工類院校中，輔助教學的自動化儀表儀器顯得越來越重要。本文通過對智能儀表輔助教學設備以及氣液兩相流持液率測量輔助教學設備進行整體設計思想、性能特點進行論述，望能對高校輔助教學建設提供參考意見。

關鍵詞：輔助教學；儀表儀器；智能儀表；測量設備

現代信息技術的發展為高校教學設備的改善提供了良好的條件，由于實驗存在著較強的實踐性、而且直觀，帶有科技創新，綜合特性強。因此，各個高校都把實驗教學設備看作是檢驗教學質量的重要標準。各個高校都在調動積極因素，積極改善教學條件，開發實驗的新項目，通過增加實驗教學儀器，完善實驗室設備，推動實驗教學改革，提高實驗室的現代化技術水平，達到培養符合21世紀要求創新精神的人才需要，為學校的科研順利開展提高了必備的條件。

一 智能儀表輔助教學設備

（一）設備基本設計思路介紹

智能儀表輔助教學設備硬件電路的設計主要由模擬電路模塊以及數字電路模塊兩個部分組成，模擬電路是溫度等模擬信號可以通過轉換，變成電壓模擬信號。而儀表中的數字電路主要由幾種單片機、A\\D轉換器、儀表通信電路以及對外輸出電路等內容組成。MCU主要完成數據采集、顯示控制、標度變換、數字濾波等功能，與調整管一起組成電源模塊為系統提供電源，HART信號疊加到4～20mA的環路上，實現MCU與上位機之間的串行通信。該儀器在設計上，首先是根據原理圖設計該教學設備的硬件，組裝成品后再進行安裝調試，調試不存在問題時再進行下一步的驗證和修改，修改完畢后進行儀表的面板設計。版面設計大致的原則有：美觀、簡潔明了。面板設計完成后，進入到儀表系統神經中樞的部位，對系統進行軟件設計。在軟件設計過程中，通過是采用模塊化程序設計，接著將硬件與軟件連接起來進行總調，確保硬件和軟件能正常運行；最后是對再對儀表進行組裝。按智能儀表輔助教學設備的原理圖要求，每個模擬轉換電路模塊上有信號的測量接口，可以通過示波器、萬用表進行讀取數據。儀器的溫度模塊，其最基本的原理就是在RTD阻值隨溫度變化的情況下，再通過對恒流源進行加載，從而使得兩端電壓的變化而生產模擬信號。而差壓模塊即是根據差動電容的相對變化量轉換為差動電流，用3個測量接口來檢測。另外，使用高頻振蕩器、解調器等將差動電容的相對變化值轉化為差動電流，確保產生差動電流和共模電流的解調器的信號。

（二）主要器件性能介紹

智能儀表輔助教學設備系統為了能兩線制儀表對實驗精度的要求，在性能上，要求設計電路功耗空載的回路電流一般要在4mA以內。在選用電路元件的問題上，要把握好原則，選用一些高集成度、低功耗的器件，各器件性能如下：

1、微處理器，采用了PIC系列單片機中的PIC16F877作為系統的微處理器，這種器件的最大特點是具有周期短、易開發、開發方便、功耗低、功能模塊豐富、代碼壓縮率高等等特點，不僅可以實現模擬仿真和在線調試等功能，還可以通過該軟件實現程序編寫，這吏得一些用戶在開發過程中享受極大的方便。

2、存儲器，對工作電壓范圍作出了寬度的要求，如24LC65供電時，要求的供電電壓為2.5～5.5V；存儲器還具有功耗低的特點，如在5V電壓供電的情況下，寫電流為150μA，這個數量通常出現的時間極短，而且是在數據完成通信之后的，在設計時，把通信時的4~20mA電流信號看作非有效數據，那么就可以解決儀器對功耗要求的問題。設備是采用標準工業兩線制串行接口，在正常通訊的情況下，支持I2C通信協議。

3、數模轉換器，具有數模轉換器的方式分別有3.5～24mA報警輸出方式以及4～20mA輸出方式，這兩種方式能與HART兼容，可以在可調電壓的范圍內輸出高精度的數據，提高精度范圍到0.01mv，對于儀器自身的系統和其他器件而言，這種通信精度，可以保證實驗數據的精確性。

4、液晶顯示器，可顯示四行，每行8個漢字，具有并行8位/4位，串行3線/2線三種模式，功耗低，可實現多種形式的顯示，如漢字、圖形、曲線、ASCII碼、在內部還設置有LCD背光源。另外，還可以任意調整LCD的亮度，使得儀器設備可以適應各種環境顯示，提高教學的質量，體現了儀器模塊的靈活性。

二 氣液兩相流持液率測量輔助教學設備

（一）設備整體情況

該設備根據測量氣液兩相流持液率方法，采用電導法來測量氣液兩相流的持液率，先分析信號提取的原理，設計了信號轉換所需的硬件實現電路，利用仿真軟件對電路進行仿真調試，從而進一步優化電路，最后通過實驗進行論證。最能體現氣液兩相流持液率測量輔助教學設備的設計思想是在設計時采用模塊化的設計思想，模塊化設計的主要設計思想是通過對電導探針測量的信號逐步分解、轉化成電壓信號，這種電壓信號還帶有持液率的特點，讓學生通過對儀器設計的了解，從而掌握好信號轉化的具有過程，最終達到輔助教學的目的。

（二）儀器性能介紹

流持液率測量輔助教學的電導探針帶有一種激勵信息，這種激勵信號主要由外部的信號發生器傳輸進來的，目前在學校辦比較認可的信號名稱為載波信號。載波信號要轉變成直流電壓信號，可以反映液膜高度，就必須經過I/V 轉換、有源全波整流、量程調整、二階低通有源濾波四個過程。而I/V 轉換在傳感器測的信號微弱的情況下，僅用電阻來構成電壓-電流轉換是不可能實現的。因此，需要一塊運放和一個高阻值反饋電阻構成，這樣可以實現經過電流到電壓，對信號進行這么大。二極管一般都作為整流元件，由于其具有小信號、非線性的特點，可以擴大線性范圍，克服非線性。為了得到對稱的整流輸出波形。為了減小放大器偏置電流的影響，二極管的失配僅影響電路的平衡，在整個電路中，可能造成既有較高的輸入阻抗，又具有較高的抗干擾能力的情況出現。選擇二極管進行整流時，需要對正向壓降大的問題進行補償，硅管的溫度穩定性比濾波器的截止頻率不宜選擇太高，因截止頻率愈低，愈能有效地抑制噪聲干擾。

三 結語

教學設備作為體現高校教學質量的一項重要指標，引起了許多高校足夠的重視。應用這兩套輔助教學設備已初步實現了輔助教學的功能，基本達到了預期的目的和助教學的目的。但在實際工作中，將整個系統按功的內部結構和工作過程直觀的呈現出來，需要在以后的工作中，特別是針對差壓變送器和渦街流量變功能，通過研究，可能嘗試設計實現。

參考文獻：

[1] 第15屆多國儀器儀表展在北京勝利召開[J].傳感器世界，2004，(10)

[2] 鄭國偉.儀器儀表行業如何面對匯率改革[J].中國儀器儀表，2005，(09)

[3] 中國儀器儀表學會2005年學術年會會議紀要[J].儀器儀表學報，2005，(10)