（环境工程专业优秀论文）环境监测仪器的发展现状及其虚拟化对策.pdf

中文摘要 摘要 环境监测是环境管理的重要手段，监测的核心设备一环境监测分析仪器在整 个监测结果中有着举足轻重的作用。 虚拟仪器是2 0 世纪8 0 年代，在微电子技术、计算机技术、软件技术和电子 测量技术的基础上发展起来的种新型的测试仪器，因功能强大、易扩展、经济 美观、操作简单等优点，迅速成为测试仪器的发展方向。本文研究的具有虚拟仪 器技术的环境监测分析仪器代表着整个环境监测分析仪器的发展趋势。 本文从环境、环境污染、环境监测技术的基本概念和发展现状着手，引出了环 境监测仪器的虚拟化发展的必然趋势。介绍了虚拟仪器技术的概念、特点、产生 和现状、构成以及开发过程等。在对各类环境监测仪器的原理与结构进行分析后， 对其发展现状作了详细的描述，并针对我国环境监测仪器的发展现状提出虚拟化 对策。即；开发具有自主知识产权的国内分析软件：开发虚拟化的物理监钡4 仪器， 主要从振动、噪声、电磁辐射三方面入手，研究了虚拟化的仪器。以噪声分析的 虚拟化为例，重点提出了一种虚拟式声强分析仪的设想，并给出了设计面板：建 议在自动环境监测系统中开发国内的、符和国情的网络化虚拟仪器。同时，对虚 拟化了的环境监测分析仪器的优点也做了阐述，指出虚拟化了的环境监测分析仪 器代表了环境监测仪器领域的发展方向，满足了未来环境监测仪器高质量、多功 能、集成化、自动化、系统化和智能化的要求。 文章最后，对我国环境监测仪器的发展提出了其他几点对策，帮助环境监测 仪器发展提高效率，少走弯路。 关键词：环境监测仪器，虚拟仪器，虚拟式环境监测仪器，虚拟化，对策 英文摘要 a b s 仃a c t e n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni sa l li m p o r t a n tm e 踟r eo nm a n a g e m e n to f e n v i r o n m e n t t h ec o r ei n s t r u m e n t ，v i z e n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t r u m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n t h ew h o l e p r o c e s s t h ev i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) i san e wt y p eo ft e s t i n gi n s t r u m e n td e v e l o p e di nt h e t w e n t ye i g h t y s ，w h i c h i sb a s e do nt h em i c r o e l e c _ t r o n i c s t e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y , s o r w a r et e c h n o l o g ya n de l e c t r o nm e a s u r et e c h n o l o g y i th a sp o w e r f u l f u n c t i o na n di sa l s oe a s yt oo p e r a t ea n de x p a n d v is o o nb e c o m e st h et r e n do f t e s t i n g i n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , a ne n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t n m a e n tc o m b i n i n gw i t hv i t e c h n o l o g yr e s e a r c h e d t h i sk i n do f e n v i r o n m e n ti n s t r u m e n tr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t t r e n do f t h ee n v i r o n m e n ti n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , t h eb a s i cc o n c e p t i o na n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o na l ei n t r o d u c e df i r s t l y , w h i c hl e a d st ot h e n e c e s s i t yt r e n do fv i r t u a l i z a t i o no fe n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o n i n s t r u m e n t s e c o n d l y , t h ec o n c e p t i o n ，t h ef e a t u r e s ，t h ep r o d u c ea n ds i t u a t i o n , t h e c o n s t i t u t i o na n dt h eb u i l d i n gp r o c e s so fav i r t u a li n s t r u m e n ta 糟i n t r o d u c e d a f t e r a n a l y z i n gt h ep r i n c i p a la n dt h es t r u c t u r eo fa l lk i n d so fe n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o n i n s t r u m e n t ，t h i sp a p e rg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no nt h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o n ，a n d a l s og i v e sl h ev i r t u a l i z a t i o n c o u n t e r m e a s u r e n a m e l y , d e v e l o pd o m e s t i ca n a l y s i s s o f t w a r et h a th a so u ro w nk n o w l e d g ep r o p e r t y ；d e v e l o pv i r t u a lp h y s i c ss u p e r v i s i o n i n s t r u m e n t ，t h i ss e c t i o nb e g u nf r o mv i b r a t i o n ，n o i s e ，e l e c t r o m a g n e t i s mr a d i a t i o n ，t h e n i n v e s t i g a t et h ev i r t u a li n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h es o u n da n a l y s i s ，a na s s u m p t i o no fa v i r t u a ls o u n di n t e n s i t ya n a l y z e ri sp u tf o r w a r da n di t sc o n t r o lp a n e li sa l s og i v e n ； d e v e l o pd o m e s t i cn e t w o r kv i r t u a li n s t r u m e n ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i ce n v i r o n m e n t s u p e r v i s i o n i nt h es a m et i m e ，t h ep a p e re x p o u n d st h ev i r t u eo fv i _ r t l l a le n v i r o n m e n t s u p e r v i s i o ni n s t r u m e n t ，i n d i c a t i n gt h a tt h ev i r t u a le n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t r u m e n t r e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ee n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o nf i e l d i th a s e x c e l l e n t q u a l i t y , m u l t i - f u n c t i o n ，a n di n t e g r a t i o n , a u t o m a t i o n , s y s t e r n a t i s m ， i n t e l l i g e n t i z e i ts a t i s f i e dt h ed e m a n do f f u t u r ee n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t r u m e n t k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t r u m e n t , v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ， v i r t u a le n v i r o n m e n ts u p e r v i s i o ni n s t r u m e n t ，v i r t u a l i z a t i o n ，c o u n t e r m e a s u r e i i i 知识水坝pologoogle为您整理 i 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源及研究意义 本论文是重庆市软科学研究项目“典型行业测试、测量仪器群实现虚拟化的 对策研究( 项目编号：8 1 9 7 ) ”的子项目。 虚拟仪器技术是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他领域渗透 的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育的一项新成果。它的出现 改变了传统仪器仪表的生产与应用模式，是仪器仪表领域的重大突破。因其功能 强大、易扩展、经济美观、无污染等优点成为仪器仪表的发展方向。 环境监测仪器作为仪器仪表领域的一个重要组成部分，它的未来发展趋势必 然走向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化。将环境监测技术与 虚拟技术相结合将会很好地满足这个发展要求。虚拟化了的环境监测仪器能够方 便的对监测数据进行存储、回放、打印，利于这些数据的管理，不仅大大提高工 作效率，而且在进行后期科研时，极为方便。网络化的虚拟环境监测仪器不仅可 以实现常年无人值守自动连续监测，而且便于检索，实现资源共享。同时，对我 国环境监测仪器的虚拟化对策的研究，能够很好的为后期虚拟式环境监测仪器的 开发提供帮助，打下坚实基础。 1 2 环境、环境污染与环境监测技术 环境是指围绕人类所构成的空间中可以影响人类生存与发展的各种自然因素 与社会因素的整体，包括自然环境和社会环境。环境监测的对象主要是针对自然 环境而言。中华人民共和国环境保护法明确指出：“本法所称环境是指：大气、 水、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、野生植物、水生生物、名胜古迹、风 景游览区、温泉、疗养区、自然保护区、生活保护区等。”【l 】这些自然环境是与人 类密切相关的，必须加以保护。 人类的活动或多或少的都要与其生存的环境发生着联系，与自然界进行着物 质和能量的交换。人类在改造自然界的过程中，由于认识能力和技术水平的限制， 往往会产生意想不到的后果。人类一方面从环境中获取物质和能量，一方面又不 断地向环境排放废弃物质和能量，其中包含着大量污染物。当污染物及其它废弃 物质和能量超过环境容量时，就会造成环境污染【2 】【3 】。环境污染的直接后果就是环 境质量下降，直接或间接危害任何人和其他生物的正常生存和发展。 环境污染按环境要素可分为大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染等： 接污染物的性质分化学污染、物理污染、生物污染等；按污染产生的原因分工业 知识水坝pologoogle为您整理 重庆大学硕士学位论文 污染、农业污染、交通污染、生活污染等；按污染物的分布范围又可分为全球污 染、区域污染、局部性污染等。 日趋严重的环境污染成为科学家们所面临的难题。它不仅关系到人类健康问 题，而且关系到维护人类繁衍发展的资源问题。为了寻求环境质量变化的原因， 人们开始对排放于环境中，包括大气、水体、土壤和生物中的各种污染物质进行 分析，着手调查污染物的性质、来源、含量及其分布状态，并以基本化学物质为 单位进行定性、定量的分析。但评价环境质量的好坏，仅凭单个污染物短时间的 样品分析是不够的，还需要各种代表环境质量标志的数据。从2 0 世纪7 0 年代开 始，人们认识到环境问题不仅仅是控制排放污染物，而且包括自然环境的保护和 生态平衡。不仅要掌握化学物质的污染，还要掌握各种物理因素的污染和生物污 染，不仅要求自然环境质量，还要求社会环境质量。在控制污染方面，由末端治 理向全过程控制的清洁生产，由主要搞单项污染治理进化到综合整治，资源综合 利用。环境监畏8 技术就是在这种背景下产生并发展起来的。 环境监测技术是运用现代科学技术方法测取、运用环境质量数据资料的科学 活动，是用科学的方法监视和检测反映环境质量及其变化趋势的各种数据的过程。 用监测数据表征环境质量变化趋势及污染的来龙去脉为目的，它是环境保护的基 础f 4 】。环境监测技术所涉及的技术体系非常的广泛。它不仅包括测试技术、还包括 了布点技术、采样技术、数理技术和综合评价技术。 随着环境保护科学的发展，对环境监测提出的要求越来越高。环境监测一方 面向深度发展，通过采用更加先进的检测技术获得历史的、准确的、有代表性的、 可比的、整体性的数据，另一方面向广度发展，涉及的范围日益扩大，采用的检 测手段越来越多。早期的环境监测以对测定对象间断地、定时、定点化学分析为 主。到了7 0 年代后期，环境监测范围可以从一个点发展到一个城市或一个地区， 以至扩大到全国乃至全球；从单一的环境分析发展到物理监测、生物监测、生态 监测、遥感、卫星监测，从闻断性监测逐步过渡到自动连续监测。仪器分析，计 算机控制等现代化手段得到了广泛应用，形成了一个以环境分析为基础，以物理 测定为主导，以生物监测为补充的环境监测技术体系【5 】。 为了保证环境监测的数据具有准确性、代表性、可比性，需要建立以布点、 采样、样品运输和贮存、测定分析、数据处理及报表等全过程的质量保证体系。 使环境监测真正作为环境管理的基础工作，为有效的实施环境管理提供技术支持 和信息保证。 2 1 绪论 1 3 环境监测技术【6 】川 1 3 1 环境监测的目的和任务 环境监测的目的是及时、准确、全面地反映环境质量和污染源现状及发展趋 势，为环境管理、环境规划和污染防治提供依据。 1 为各项环境管理活动提供科学依据 1 1 通过积累大量环境监测数据，积累大量的不同地区的污染数据，并结合 当前和今后一段时间我国科学技术和经济发展水平，制定切实可行的环境保护法 规和环境质量标准。 ( 2 ) 通过环境监测来验证和建立环境污染模式，科学地预报污染发展趋势，为 进行有效的环境管理，做出正确的环境决策以及制定科学的环境规划提供基本依 据。 ( 3 ) 通过监测评价环保设旌性能和环境质量变化，为不断地修正完善环境法规、 标准、规划、综合防治对策提供基础数据。 2 掌握环境质量现状及其变化趋势 ( 1 ) 通过环境监测来提供代表环境质量现状的数据，判断环境质量是否符合国 家制定的环境质量标准，评价当前主要环境问题的发展趋势，为不断完善全面的 环境管理提供科学依据。 ( 2 ) 通过环境监测搞清污染物种类和分布现状，明确污染物的污染途径、预测 污染的发展趋势、提出可能出现的环境问题。 ( 3 ) 通过环境监测判断各类污染源所造成的环境影响，根据污染物浓度的分布， 追踪污染物质的污染路线和污染源：找出污染物浓度最高和环境问题最严重的区 域，作为主要的管理对象，评价该区域环境污染防治对策和措施的实际效果。 3 积累环境背景值资料 为保护人类健康和合理使用自然资源，为确切掌握环境容量进而为污染物总 量控制提供依据，收集环境本底值及其变化趋势数据，积累长期监测资料。 4 开展环境科学研究 不断揭示新的环境污染问题，控制污染途径，确定新的污染因素，指明污染 原因，污染物迁移、转化规律，为环境保护科学研究提供可靠的数据。 在监测的基础上，研究污染扩散模式，为新污染源对环境的影响进行预先评 价而提供基础资料。 环境监测的任务 ( 1 ) 对大气、水体、土壤、生物的环境要素进行监测，当发现环境污染情况 时，迅速查找原因并及时提出防治措施。 ( 2 ) 对污染源进行定期监测，检查各排污单位对国家规定的污染物排放标准的 3 重庆大学硕士学位论文 执行情况。 ( 3 ) 经过长期连续监测资料的综合分析， 污染源及城市建设规划提供科学依据。 ( 4 ) 积累各种环境数据，掌握环境容量， 标管理提供依据。 摸清污染途径和规律，为合理布局 为实现环境污染总量控制及实施目 ( 5 ) 加强污染源监测，揭示污染危害，探明污染程度和趋势，进行环境监控 管理。 ( 6 ) 及时分析处理监测数据和资料，建立监测数据及污染源分类技术档案， 为制定及执行环境保护法规、标准及环境污染物防治对策提供科学依据。 1 3 2 环境监测的内容与类型 环境监测的对象是各种影响环境的有害物质和因素。常见的污染物质组成与 分类如下图： 如嘲 金属非金属酸碱盐墓 茬嚣嚣 图1 1 污染物质的分类 f i g1 1 c l a s s i f i c a t i o no f c o n t a m i n a t i o n 按照环境监测的介质不同分为以下几种：空气污染监测、水质污染监测、土 壤、固弃物监测、生物监测、生态监测、噪声振动污染监测、放射性污染监测、 电磁辐射监测等【8 1 。 按监测性质分类： ( 1 ) 研究监测： 它的任务是研究污染物从污染源出来后的迁移交化趋势和规律，以及污染物 任何生物的危害性和影响程度； ( 2 ) 监视监测： 建立各种监测网收集环境质量数据，评价环境质量，监视污染源确定监视范 围内污染趋势； 4 苫代烃 一硝基化合物一胺、酰胺类 k 酯类一酮类一醛类百类 1 绪论 ( 3 ) 特定目的监测： 通过流动监测( 监测车、监测船等) 确定污染物危及的范围与扩散趋势，发 出警报等。 按监测对象分类： ( 1 ) 环境要素的监测： 对大气、水体、土壤等环境要素的污染现状进行定时、定点监测以了解和掌 握环境质量状况及变化趋势： ( 2 ) 污染源监测： 对各类污染源的排污情况进行常规监测，了解污染物排放是否符合国家标准， 掌握由于污染物排放对环境所造成的影响。 ( 3 ) 不同污染性质的监测： 对化学污染、物理污染、生物污染进行分别的监测以掌握各类环境污染在性 质上的差别，并针对不同性质的环境污染采取不同的对策措施。 ( 4 ) 特殊目的监测； 为了某一目的进行特定指标的监测。包括研究型监测、污染事放监测、仲裁 监测等。 1 4 环境监测仪器的发展历史及国内外现状 环境监测需要环境监测仪器才能实现，环境监测仪器在环境监测中的作用举 足轻重，对它的研究是环境监测本篇论文的重点，也是环境监测领域的最重要的 一方面。 光学类仪器中所采用的原子吸收分光光度法创始于1 9 5 5 年，早在1 8 世纪初， 人们就对原子吸收光谱现象进行了观察和研究1 9 1 。1 8 0 2 年伍朗斯顿w o l l a s t o n 在研 究太阳光谱时，发现了太阳光谱中存在的暗线；1 8 1 7 年，弗兰霍夫f a r a u n h o f e r 在 研究太阳连续光谱时，再次发现这些暗线。1 8 5 9 年，克希霍夫k i r c h o h o f f 与本生 b u n s e n 在对碱金属和碱土金属的火焰光谱进行研究时，正式发现原子吸收现象。 但是，原子吸收分光光度法作为一种分析方法是从1 9 5 5 年开始的。澳大利亚物理 学家沃尔什w a l s h 发表了原子吸收光谱在化学分析中的应用奠定了原子吸收 光谱法的理论基础，第一台的原子吸收分光光度计也出自他手。1 9 5 9 年，苏联李 沃夫发表了电热原子化技术的论文，开辟了新的领域一电热原子吸收光谱法。1 9 6 5 年威尼斯将氧化氩氮一乙炔高温火焰成功应用于火焰原子化法，大大扩大了火焰 原子吸收光谱法的应用范围。塞曼效应、空心阴极灯自吸效应、基体改进技术、 平台和探针技术、稳定温度平台石墨炉技术都推动了原子吸收仪器的不断更新和 5 重庆大学硕士学位论文 发展，也设计出了微机控制的原子吸收分光光度计，联用技术的引进，也为原子 吸收光谱分析提供了更广泛的前途。 1 9 7 0 年国外开始多道原子荧光火焰分光计的研制工作。1 9 8 1 年将空心阴极灯 作为原子荧光激发光源与i c p 原子化系统相结合，研制出了世界上第一台 h l c - i c p - a f s 商品仪器。具有多元素同时分析的能力，且谱线简单，线性范围宽。 原子发射光谱法( a e s ) 从产生和应用至今已有1 6 0 余年的历史，但等离子体 光源则是2 0 世纪6 0 年代发展起来的一类新型发射光谱分析光源。其中尤以电感 耦合等离子体( i c p ) 为光源的原子发射光谱法得到广泛的应用。1 9 6 1 年r e e d 设 计了一种从石英管的切向通入冷却气高频放电装置，称之为电感耦合等离子体炬， 随后又设计出了一种三层同心石英管结构炬管装置，r e e d 的工作引起了英国 a l b r i g h t 和w i l s o n 公司的g r e e n f i e l d 及同事和美国l o w a 州立大学的f a s s e l 及同事 的极大兴趣。他们首先把r e e d 的i c p 装置用于a e s 分析，从此开创了i c p 在原 子光谱分析中应用的历史。2 0 世纪7 0 年代i c p - a e s 进入实际应用阶段，各种类 型的i c p ：a e s 分析技术已成为现代测试技术的一个重要组成部分。 1 9 0 3 年植物学家茨维特在一根填充碳酸钙的玻璃管中，首次使用了色谱法。 后来，蒂西里斯在吸附色谱、电咏等方面做出了重要贡献，马丁等提出了板塔理 论，发展了液液色谱，开创了分配色谱新阶段，他们分别获得了1 9 4 8 和1 9 5 2 年 的诺贝尔化学奖。1 9 5 7 年，戈雷发明了毛细血管气相色谱。6 0 7 0 年代，气相色 谱质谱( g c ，m s ) 、气相色谱傅里叶变换红外光谱( g c ，f r r ) 等连用技术成功， 7 0 年代计算机技术的应用，使色谱法成为分离、鉴定、剖析复杂混合物的最有效 工具。 在声强的发展历史上，大体经历了以下几个阶段【l o 】： 直接测量法：美国的h a r r yo l s o n 于1 9 3 2 年提出了直接测量法，用一个声 压传感器和速度传感器分别测量声压和质点的速度，然后把它们相乘并积分得到 声强度。1 9 4 0 年，c l a p p 和f i r e s o n e 用一个铝箔式速度传感器和二个晶体式传声器 组合成一个声功率计的探头 研究了驻波管及混响室的声强场。1 9 5 5 年b a k e r 用一 个风速计和一个传声器组合测量声场。这种方法由于直接测量质点的速度有很大 的难度，所以出现了后来的间接测量法即双传声器法。 双传声器法：1 9 5 6 年s c h u l t z 应用双传声器原理处理两个传声器的声压信号， 而得到质点速度，开创了质点速度的间接测量法，为声强测量的发展做出了很大的 贡献。1 9 7 7 年瑞士的l a m b r i c h 和s t a h e l 开发了一套低频的模拟声强计，用以研究 汽车内部噪声。同年南斯拉夫的p a v i e 也开发了一种用两个电容式传声器及一个声 级计的声强测量仪。 声强频域分析法：随着数字信号处理技术的发展，f f t 分析已经得到广泛应用。 6 1 绪论 人们发现只要把双传声器测到的信号由时域转换到频域，以其互谱的虚部就可得到 声强。这意味着只要两个高质量的传声器和一个f f t 分析仪就可以组成一套声强 测量系统。双传声器法的代表人物有美国通用的j y c h u n g 和英国南安普敦大学的 e j f a h y , 同时还有澳大利亚的r j a l f r e d s o n 和法国的j m l a m b e r t 等人。 在此基础上，不少商品化的声强测量系统出现在市场上，丹麦的b r u e l & k j 8 1 公 司陆续推出了各种型号的声强测量仪。如3 3 6 0 型声强测量仪，由声强分析仪2 1 3 4 ， 显示单元4 7 1 5 和双传声器探头3 5 1 9 组成，该系统用数字滤波计算声强，可以显示倍 频程和1 3 倍频程谱。 随着环境监测技术的进步，我国的环境监铡仪器的生产形成了一定的规模。 目前，我国环境监测仪器的生产企业有1 4 0 余家，年产值4 8 亿元，约占全国环保 产品产值的2 3 。环境监测仪器的主要产品是各种水污染和大气污染监测、噪声 与振动监测、放射性和电磁波监测仪器i n | 。我国生产的烟尘采样器、烟气采样器、 总悬浮微粒采样器、油份测定仪、污水流量计等环境监测仪器已接近或达到国际 先进水平，在国内市场上占有很大比例。国产大型实验室用原子吸收、紫外可见 分光光度仪、气相色谱仪等监测仪器自动控制技术采用程度较低，关键零部件尚 依赖进口。而高档次的仪器，性能好、自动化程度高的如液相色谱仪、气相色谱 质谱联机、等离子体发射光谱仪基本上被国外仪器厂商所垄断。引进美国技术的 空气自动监测系统，有一定的市场份额，但不是很多。从监测仪器的总台数看国 产占多数，但从总金额看，国外厂商占有压倒的优势。 下表给出了我国各级环境监测站环境监测仪器配置要求。 7 重庆大学硕士学位论文 表1 _ 1 环境监测站仪器配置情况一览表 序号 设备名称数量( 台) 一级监 二级监三级监四级监 测站测站测站测站 l色质联用仪 l1 自定 2 等离子发射光谱仪 11 自定 3原予荧光分光光度计 1 自定 4 红外分光光度计 11 自定 5 高压液相色谱仪 1ll 6 气象色谱仪 221 自定 7 离子色谱仪 2l 2 自定 8 原子吸收分光光度计2 ( 一台不配 2 ( 一台 2 ( 一台 1 石墨炉)不配石墨炉) 不配石墨炉) 9万分之一分析天平343l 1 0 1 1 0 万分析天平 1ll 1 1 可见分光光度计 344 2 1 2 紫外分光光度计 2 221 1 3 生物发光光度计 2 l 自定 1 4 非分散红外油分析仪 2 ll 自定 1 5 测汞仪211 1 1 6 溶解氧测定仪 223 l 1 7c o d 测定仪22 3l 1 8 声级计 2 242 1 9 振动测定仪223 自定 2 0场强仪2l1 自定 2 1 电导仪 23 31 2 2 浊度仪 2 221 2 3 生物显微镜322 自定 2 4 恒温室l1 1 自定 2 5 b o d 培养箱 22 31 2 6 大气采样器681 0 6 2 7 t s p 采样器 68 1 06 2 8 p m l 0 采样器 6 81 0 自定 2 9 烟尘采样器334 2 3 0 烟尘测试仪 2 221 3 l 烟气采样器22 2】 3 2 烟气测试仪 2 221 3 3 极谱仪 3 4 煤含硫量分析仪ll l 3 5 林格曼黑度仪 2 24 2 1 绪论 续上表： 3 6 水质采样器 4 44 2 3 7 流速仪 2442 3 8降水采样器 2362 3 9 电冰箱或冰柜 l o1 05 1 02 4 - 0复印机 2 21自定 4 l 电脑打字机 2l1 自定 4 2 微型计算机 2 01 082 4 3 环境监测车 332 3 l 4 4 紫油机排烟黑度监测仪 l l1自定 4 5大气自动监测系统( 套)自定自定自定 4 6水质自动监测系统自定自定自定 4 7应急监测装各lll1 4 8 汽车尾气监测仪 1121 4 9 传真机 ll1 自定 5 0远程通讯设备 lll l 5 l 摄像机 ll 自定 5 2 t o c 测定仪 1l 1 5 3 多功能水质测定仪 223l 5 4 元素分析仪 1l 自定 5 5 采样船( 或艇)自定自定 我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低档的环境监测 仪器，远不能适应我国环境监测工作发展的需要。主要表现为： i 技术档次低，低水平和重复生产严重，规模效益差。 2 产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高。 3 研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场 的需要。 未来，我国环境监测及其监测仪器发展的新趋势l j 2 】： 1 以目前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的监 测方向发展。 2 由劳动密集型向技术密集型方向发展。 3 由较窄领域监测向全方位领域监测的方向发展。 4 由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展。 5 环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的 方向发展。 6 环境监测仪器将向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技 9 重庆大学硕士学位论文 术领域发展。 1 5 本文研究的内容 将虚拟仪器技术与环境监测仪器相结合已不可避免的成为环境监测仪器领域 的发展方向。本文对大量环境监测仪器的原理与结构进行了分析，通过多种形式 的调研，对环境监测仪器的现状做了详细综合、描述，最后，结合两方面的内容， 提出了发展环境监测仪器的虚拟化对策。 1 0 重庆大学硕士学位论文 术领域发展。 1 5 本文研究的内容 将虚拟仪器技术与环境监测仪器相结合已不可避免的成为环境监测仪器领域 的发展方向。本文对大量环境监测仪器的原理与结构进行了分析。通过多种形式 的调研，对环境监测仪器的现状做了详细综合、描述，最后，结合两方面的内容。 提出了发展环境监测仪器的虚拟化对策。 提出了发展环境监测仪器的虚拟化对策。 1 0 2 虚拟仪器技术 2 虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器的概念【1 3 1 虚拟仪器( v m u a l i n s t r u m e n t - v i ) 是虚拟技术在仪器仪表领域的一个熏要应用， 它是曰益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他领域渗透的过程中，与测 试技术、仪器技术密切结合，共同孕育的一项新成果。在这一领域较为突出的如 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t 简称n i ) 。它在1 9 8 6 年首先提出了虚 拟仪器的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据 分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是由计算机操纵的模块 化仪器系统。这一概念的核心是以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机 独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能，把传统仅 器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来融为一体，这样便构成了一台从 外观到功能都完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机智能资源的全 新的仪器系统。由于仪器的专业化功能和面板、空间都是由软件形成，因此国际 上把这类新型的仪器称为虚拟式仪器( v l r m l a li n s t r u m e n t ) 。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪 器系统的关键。任何一个使用者可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减 仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。 各种功能强大、越来越复杂的虚拟仪器不断涌现，促使虚拟仪器得到了高速 发展。作为共性，虚拟仪器的特点主要表现在： 1 ) 硬件接口标准化： 2 ) 硬件软件化； 3 ) 软件模块化： 4 ) 模块控件化； 5 ) 系统集成化 6 ) 程序设计图形化； 7 ) 计算可视化； 8 ) 硬件接口软件驱动化。 以p c 机为仪器统一的硬件平台，将测试仪器的功能和形象逼真的仪器面板控 件均形成相应的软件存放于软件库中，同时在计算机的总线槽内插入对应的、可 实现数据交换的模块化硬件接口卡，若使库内仪器测试功能、仪器控件的软件和 由接口卡输入至机内的数据，在计算机系统管理器的统一指挥和协调下运行，便 构成了一类全新概念的仪器一虚拟式仪器。 重庆大学硕士学位论文 2 2 虚拟仪器的产生和现状 测量仪器发展到今天，大致经历了四个阶段l l ”。 第一阶段：模拟式仪器仪表，如伏特表、安培表、万用表等。它们是从十七 世纪工业革命到本世纪初这个阶段产生并发展的，对测量结果进行指示的基本结 构是电磁机械式结构，一般借助指针来指示最终结果。 第二阶段：数字化仪器，主要代表有数字电压仪、数字频率计、数显表、记 忆示波器等。这个时代大约从本世纪初到5 0 年代。这类仪器特点是将模拟信号的 测量转化为数字信号的测量，并将最终结果以数字方式输出和显示。这类仪器适 应于快速响应和准确度要求较高的测量领域，这个时期的仪器仪表材料性能得到 了全新的改善，又有新型电子元器件问世，是现代意义的电子仪器仪表。 第三阶段：智能仪器，它是将电子技术、控制技术、集成电路技术和计算机 技术融为一体开发出的仪器。其主要特点是仪器内置有微处理器，能进行自动测 试又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动。6 0 年代和7 0 年代为智能仪 器的大发展时期。但它的功能模块主要是硬件或固化的软件，开发和应用缺乏灵 活性。 第四阶段：8 0 年代以来发展起来的虚拟仪器，是现代计算机技术、数据通信 技术和测量技术相结合的产物，它克服了传统硬件化仪器的主要缺点，是对传统 仪器观念的一次巨大变革，成为仪器发展的趋势。 2 0 世纪8 0 年以来，虚拟仪器已成为各个国家研究的热点之一。美国n i 公司 已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，成为这类新型仪器世界第一大户。它 推出的l a b v i e w 图形编程系统已被广泛的应用。在n i 之后，美国惠普( h p ) 公司、 t e k t r o n i x 公司、黜瞄l 公司等也相继推出了多种总线系统的虚拟式仪器，并在短短 的十余年间，便占据了世界市场、仪表市场1 0 的份额。作为仪器领域的新兴技 术，虚拟仪器的研究、开发在国内也已过了起步阶段。2 0 世纪中期以来，国内的 重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、中科泛华电子 科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台 以及引进消化n i 公司产品方面作了一系列有益工作，取得了瞩目的成果。 国际市场上虚拟仪器产品的面市是在1 9 8 8 年，当时只有5 家厂商推出的3 0 种产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达 9 5 家共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品，销售额达2 9 3 亿美元。在国内，虚拟仪器 赖以生存的p c 机发展势头迅猛，为虚拟仪器的发展莫定了基础，虚拟仪器作为传 统仪器的替代品，市场容量将会越来越大。据“国际自动化仪表”杂志1 9 9 9 年的 预测，到2 1 世纪前十年，全世界将有5 0 的仪器仪表为虚拟仪器，虚拟仪器的生 产厂家将超过千家，品种达到数千种，市场占有率将达到电测仪器的5 0 。传统 1 2 2 虚拟仪器技术 仪器市场面临着虚拟仪器的巨大挑战。 2 3 虚拟仪器的特点【1 6 】 与传统仪器相比，虚拟仪器有许多优势，如表2 1 所示 表2 i 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 与其它仪器设备的连接十分有限可方便地与网络外设、应用等连接 功能有仪器厂商定义功能由用户自己定义 图形界面小，人工读数，信息量小图形界面，计算机读数。分析处理 数据无法编辑数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵 价格低廉 系统封闭，功能固定，扩展性低基于计算机技术开放的功能，模块可构成多种仪器 开发和维护费用高 基于软件系统的结构，大大节省开发维护费用 技术更新慢技术更新快 多为实验室所拥有 个人可拥有一个实验室 现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要 求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。虚拟仪器正可以实现这些要求。 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点： 1 ) 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等 方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大 容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 2 ) 利用计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节 省了物质资源，增加了系统的灵活性：一方面，通过软件技术和相应数值算法， 实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；另一方面，通过图形用户界面( g u l l 技术，真正做到界面友好、人机交互。 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，传统仪器硬件实现了模块化、系列化、 大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器。 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术，虚拟仪器系统具有方便、灵活的互联能 力( c o n n e c t i v i t y ) ，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业总线标 准。因此，利用虚拟仪器技术可方便的构建自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i ct e s t 1 3 重庆大学硕士学位论文 s y s t e m ) ，实现测量、控制过程的网络化。 5 ) 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可以根据自己的需要，选用不 同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活，效率更高，缩短了系统组建时间。 2 4 虚拟仪器的硬件系统【1 7 】【1 8 1 9 】 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件 平台可以是各种类型的计算机，如普通台式机算计、便携式计算机、工作站、嵌 入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬件软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。 计算机技术在显示、存储能力、网络、总线标准等方面的发展，促进了虚拟仪器 系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，v i 可以分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准 体系结构。 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器间 的标准通讯协议。典型的g p i b 疆0 试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若 干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪 器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。g p i b 的数据传 输速度较低，一般低于5 0 0 k b s ，不适合对系统速度要求较高的应用，因此在应用 上已经受到了一定程度的限制。 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) v m e 总线在仪器领域的扩展， 是1 9 8 7 年在v m e 总裁、机械结构标准和i e e e 4 8 8 等的基础上，由主要仪器制造 商共同制订的开放性仪器总线标准。v i x 总线具有开放性好、数据传递速度快、 数据吞吐量大、模块化结构、更精确的定时与同步、体积小、质量轻、系统组建 灵活、易与其它总线接口、模块即插即用和易于升级等优点。v i x 总线技术一出 现。就引起研究开发、生产测试仪器厂商和用户的注意，很快在国防、航空航天 及通信等领域受到特别重视。 目前，国际上有两个v i x 总线组织： v x i 联盟，负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、 电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电器特性、机械特性、电磁兼容性 以及系统资源管理和通讯规程等内容： v i x 总线即插即用( v i x p l u g & p l a y , 简称v p p ) 系统联盟，宗旨是通过制 订一系列v i x 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现v x i 总线产品的“即插即用”。 这两套标准组成了v x i 标准体系，实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及 1 4 2 虚拟仪器技术 v x i 仪器的互换性和互操作性。但是，v x i 价格相对过高，适合于尖端的测试领域。 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展。是n i 公司于 1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c tp c i 结 构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。和v x i 总线相比，其主要优点是低成本、具有先进 的数字接口与仪器接口和很好的性能价格比，用于便携式的、规模较小的测试系 统， d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、 p c i 、u s b 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测 试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可以方便快速地组建基于计算机的仪器，实 现“一机多型”和“一机多用”。在p c 机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应的软 件，就可以构成一