虛擬儀器技術在環境監測設備中的應用

趙 萍

（廣州市環境監測中心站廣東廣州510030）

虛擬儀器技術在環境監測設備中的應用

趙 萍

（廣州市環境監測中心站廣東廣州510030）

環境監測指利用物理、化學和生物手段，通過對影響環境質量因素的代表值的測定，確定環境質量及其變化趨勢。它是如實把握環境質量現狀、分析環境質量變化趨勢、探查污染物排放情況、預測污染變化趨勢的主要手段。

虛擬儀器；環境監測；污染物

虛擬儀器是以計算機為載體，利用計算機的硬件資源和用于數字分析處理、過程通訊以及圖形界面的軟件，組成的測控系統。它是計算機技術與測試技術、通訊技術相結合的產物。

1 虛擬儀器的特點

傳統測試中，儀器的功能由廠家設計和固定，用戶只能根據自己的需求選擇和使用（圖1）；而虛擬儀器是在一定的硬件基礎上，根據用戶的需求，通過編寫軟件來拓展儀器功能（圖2）。也就是說，傳統儀器完全由廠家定義儀器功能，而虛擬儀器可以根據實際需要，改變出廠時廠家既定的功能模式，由用戶定義儀器功能。

虛擬儀器將計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力融為一體，通過模塊化硬件實現系統的集成，通過軟件創建自定義的用戶界面、實現數據的顯示、計算、分析和處理。也就是說，它改變了傳統儀器儀表的設計、生產與應用模式，突破了傳統儀器在數據處理、傳遞、存儲等方面的限制，利用現有的計算機，加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。

隨著計算機技術的不斷進步，虛擬儀器因功能強大、易擴展、無污染等優點，成為儀器儀表的發展方向。

2 虛擬儀器技術的發展

圖1 傳統測試儀器構成框圖

圖2 虛擬儀器系統構成框圖

虛擬儀器技術誕生于20世紀80年代末的美國。從誕生之日起，虛擬儀器技術就以其強大的用戶自定義功能和實用范圍廣、維護升級方便等眾多優點成為發達國家研究開發的熱點技術之一。目前，國際上大約有60%的儀器儀表生產廠家都采用虛擬儀器技術作為產品開發的重要手段。

在我國，虛擬儀器的開發從20世紀90年代初開始興起，現已廣泛應用于國防、航空、航天、通信、醫療、計量、電力、石油勘探、鐵路等諸多行業。

3 虛擬儀器技術在環境監測設備里的應用

近年來，隨著全社會對環境保護的重視和對環境監測工作要求的不斷提高，環境監測儀器也在不斷引進吸收新的技術，向更智能、更系統、更準確、更可靠的方向發展。下面結合主要的環境監測設備，討論虛擬儀器技術在幾種典型環境監測設備上的應用。

3.1 原子吸收分光光度計

又稱原子吸收光譜儀。它主要利用待測元素的共振輻射，根據物質基態原子蒸汽對特征波長光吸收的作用來進行金屬元素分析。被測元素在原子化器中被原子化，成為基態原子蒸汽。當空心陰極燈發出的與被測元素吸收波長相同的特性譜線通過火焰中基態原子蒸氣時，光能因被基態原子吸收而減弱。原子吸收分光光度計就是通過由輻射特征譜線光被減弱的程度來測定試樣中待測元素的含量。

原子吸收分光光度計能夠靈敏可靠的測定微量或痕量元素，廣泛應用于各種氣體，金屬有機化合物，金屬醇鹽中微量元素的分析。進入90年代以，各項新技術都應用到原子吸收分光光度計上來，尤其是虛擬儀器技術在原子吸收分光光度計的應用，使得設備的自動化程度和智能化程度不斷提高，儀器的應用功能也陸續得到豐富和充實。現在的原子吸收分光光度計，自動控制測定條件，燈源的空心陰極燈燈電流、燈位置、波長、狹峰調整等均可由計算機控制；同時，被基態原子吸收后的譜線，經分光系統分光后，由檢測器接收，轉換為電信號，放大器放大后，也由計算機通過工作軟件進行數據處理，分析測試得到的大量數據、實驗報告、工作曲線、分析結果。

3.2 氣相色譜儀

氣相色譜儀是利用待分離的各種物質在在色譜柱中的氣相和固定液液相間分配系數、吸附能力等的不同，來進行多組份混合物的分離、分析的儀器。當多組份的分析物質被帶入色譜柱中運行時，組份在色譜柱中的氣相和固定液液相間進行反復多次的分配，經過一定的柱長后，彼此分離，順序離開色譜柱進入檢測器。產生的離子流信號經放大后，通過記錄儀得到一個個色譜峰。色譜法就是通過計對色譜峰的計算來實現對混合物的分析和檢測。

早期的氣相色譜儀，色譜峰峰面積和峰高均用手工測量計算，然后再進行定性和定量分析處理。現代的色譜儀，與虛擬儀器技術結合，發展成為色譜工作站。色譜工作站由微型計算機、色譜數據采集卡和色譜儀控制卡等硬件和實時控制程序、峰識別和峰面積積分程序、定量計算程序、報告打印程序等軟件組成，其中，色譜數據采集卡和色譜儀器控制卡與微型計算機連接，對色譜檢測器輸出的色譜峰的模擬信號(電壓信號)借助色譜工作站的各種軟件進行轉換、采集、存儲和處理，并對采集和存貯的色譜圖進行分析校正和定量計算，最后打印出色譜圖和分析報告。

3.3 自動環境監測系統

3.3.1 環境空氣質量自動監測系統

環境空氣自動監測系統是由若干個空氣質量自動監測子站、中心站和信息傳輸系統組成。在系統中，每個空氣質量自動監測子站在一定空間范圍內對環境空氣監測項目進行采樣和分析，并將分析結果存儲在子站計算機中，供中心站調用；中心站則通過有線或無線通訊設備對各子站監測結果進行收集，運用相關專用分析軟件進行統計和處理，按要求形成各種報告、報表及圖形，從而對統計分析結果傳送到有關部門。

3.3.2 水質自動監測系統

環境空氣自動監測系統是由若干個水質自動監測子站、中心站和信息傳輸系統組成。它是以在線自動水質分析儀器為核心，借助虛擬儀器技術，運用相關專用分析軟件和通訊網絡組成的綜合性水質在線自動監測體系。每個子站是一個獨立完整的水質自動監測系統，它包括：采樣系統、預處理系統、監測儀器系統、控制系統、數據采集、處理與傳輸子系統及遠程數據管理中心、監測站房。子站根據指令將監測到的各類數據向中心站傳送，中心站取得各子站實時監測數據并進行統計處理、打印和輸出，形成各種監測統計報告及圖表。

4 虛擬儀器技術在環境監測領域的發展前景

4.1 虛擬儀器技術的發展方向

（1）運行速度更快。虛擬儀器的主控器不斷更新換代，使得儀器設備的運行速度也在不斷加快。（2）性價比更高。由VXlpc一740組建的虛擬儀器系統與由VXlpe一850組建的虛擬儀器系統相比，其功能相當，而前者的價格只有后者的1/3。（3）接口功能越發成熟完善。虛擬儀器系統目前已能夠提供完備的網絡接口功能，這將在未來的虛擬儀器系統網絡建設中發揮重要的作用。（4）系統的配置方案更加經濟、實用。虛擬儀器系統可以從儀器情況、運用的具體場合、價格等諸多方面考慮選擇合適的配置方案。

4.2 虛擬儀器將成為未來環境監測設備重要的發展趨勢

隨著虛擬儀器技術的不斷進步，環境監測設備會更方便地實現多時相、多數據源的信息處理和綜合分析。這為環境監測從靜態測量向動態測量過渡、從實時監測向預測預報過渡、從定性調查向計算機數字處理和定量自動制圖過渡、從對事物的表面性的描述向內在規律分析過渡創造了條件。

同時，未來的環境監測儀器將綜合利用物理、化學、光學等高新技術，配以相應的軟件、硬件，在一臺測量儀器構建多臺虛擬儀器，同時實現多項測量和分析功能，形成強大的多功能監測儀器。

5 結語

總之，隨著計算機技術的發展，各類軟件不斷誕生，虛擬儀器將功能更強大，使用更靈活，并逐步取代傳統儀器，成為環境監測設備的主流。

[1]李翠薇.環境監測儀器的發展現狀及其虛擬化對策.

[2]邢麗娟,楊世忠.虛擬儀器的原理和發展.

[3]王小印.淺談我國環境監測儀器的發展現狀.

[4]張國鋒,朱紅江.自動環境監測系統在環境監測中的應用.

[5]羅霄華.虛擬儀器技術的應用和發展.