虛擬儀器的發展及在化學工程領域中的應用
一、虛擬儀器的發展和結構組成
電子儀器的發展，一共經歷了四個重要階段http://wwW.LWlm.cOM：模擬儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。前三個階段的發展實際上是為第四階段的發展奠定堅實的基礎。第四代虛擬儀器，是通信技術、測試技術和計算機技術相結合的產物，三門學科最新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟體編程技術於一體。虛擬儀器的產生是儀器發展史上一次大的革新。虛擬儀器是指將一些比較靈活高效的軟體和一些性能較高的硬體結合起來，將其應用在各個領域中對各項參數進行測試和調節、控制等的一個應用性很強的平台。一般來說，完整的虛擬儀器系統中有三部分的組成結構，一部分是電子計算機，一部分是儀器軟體，最後一部分是儀器硬體。在電子計算機和大型集成電路高速發展的今天，相比較傳統儀器，虛擬儀器得到了飛躍發展。在基本硬體的支持下，虛擬儀器可以利用電子計算機合理的調用相應的高級軟體模塊來完成數據的採集、控制、分析、處理以及結果的存儲和顯示。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有成本低、性能高、擴展性強、開發時間短以及出色的集成這五大優勢。基於此，本文對虛擬儀器的發展及在化學工程領域中的應用進行了探究，為其未來的發展提供參考依據。
二、虛擬儀器的技術支撐和特點
硬體是虛擬儀器的基礎，軟體是虛擬儀器的核心。計算機主要完成數據處理和結果顯示。硬體接口電路主要完成被測輸入信號的採集、放大、模/ 數轉換。根據構成虛擬儀器的接口總線不同,主要分為基於通用接口總線GPIB 的儀器系統、基於數據採集卡的虛擬儀器系統、基於VXI 總線儀器實現虛擬儀器系統、基於PXI 總線儀器實現虛擬儀器系統、基於串行口儀器的虛擬儀器系統和基於現場總線設備的虛擬儀器系統等類型。軟體可定義儀器的功能圖。虛擬儀器系統的軟體結構從底到頂層分為儀器I/O 接口軟體、驅動程序和應用軟體3 個層次。
虛擬儀器作為新型的儀器種類,主要具有以下幾個特點:首先，技術和接口技術,具有方便、靈活的互聯性,可方便地同外設、網絡及其它應用連接。其次，開放式體系結構,縮短系統開發周期。虛擬儀器開放性構成方式,使其具有靈活性和功能的可重構性,可使用戶提高重複利用率,縮短系統組建時間,降低開發費用。最後，軟體就是儀器,儀器功能由用戶定義。虛擬儀器系統中,軟體是整個儀器的關鍵,用戶可以根據自己需要定義儀器的功能,通過修改軟體,很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模,打破了傳統儀器有廠家定義、用戶無法改變的模式。
三、虛擬儀器在化學工程領域中的應用
虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬體，結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟體能幫助客戶創建完全自定義的用戶介面，模塊化的硬體能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬體平台能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。它在化學工程領域的應用有以下幾方面：
虛擬儀器可以應用在化工過程控制領域中、是由化工領域中以及化學工程模擬領域中。虛擬儀器可以對化學反映系統中的各個參數進行實時的檢測，還能通過參數的檢測來調整和控制各項參數，以更好地確保化學反應的正常進行。在化工過程控制領域中的應用有很多，例如，東南大學的王曉等人通過基於labview開發平台的虛擬儀器開發了換熱器試驗裝置測控系統，這個系統有很多功能，包括對各項參數的檢測、記錄，同時還能對這些參數進行分析和調節，基於此，應該加強對該系統的研究和推廣，使其在更多的領域得到應用。石油化工領域中也經常需要運用到虛擬儀器，通常是將計算機技術和虛擬儀器結合在一起進行應用。在這方面的應用實例有：通過虛擬儀器，對石油管道的壓力進行監測，來判斷石油管道在運行過程中會否出現泄漏現象。化學工程模擬，實際上是通過建立化工過程的一系列數學模型，然後根據標準的條件要求以及各項參數，利用計算機，對這些模型進行計算，並根據計算的結構模擬出整個化工過程中所發生的行為。在化工領域中，如果要使用一種新的儀器或者是使用一項新的工藝，需要先依靠計算機對這些儀器或者工藝進行模擬，得到一系列數據，並鑑定其可靠性。虛擬儀器在化學工程領域中的應用，使得整個過程的各項參數判斷更加具體和直觀，有利於判斷其對於工程的影響。這方面的應用實例也有很多，例如，新疆大學的付志新等人開發出了一套基於全混流反應器的模擬系統，並且模擬計算了其中的不可逆的放熱反應。
五、虛擬儀器的發展趨勢和光明前景
虛擬儀器還可廣泛應用於航天航空、軍事工程、汽車、電力工程、機械工程、建築工程、鐵路交通、地質勘探、生物醫療等很多需要高性能測控設備進行科學分析的場合。例如,利用虛擬儀器系統可以開發複雜的汽車駕駛室模擬仿真系統,汽車ABS 傳感器功能測試系統;可以測試飛機飛行過程中的噪音,進行飛機發動機測試,飛行控制系統測試;可以用於電力參數的測試,構建電力測量控制系統;可以用於開發內燃機測試系統,等等。
自從虛擬儀器出現以來，其技術也不斷發展和成熟，逐漸向著圖形化這一開發平台中的更強適應性、更高級別的硬體模塊以及更符合標準的驅動程序等方向發展，而該平台自身的不斷完善和發展也是促進虛擬儀器技術不斷發展和提高的重要保證。同時，怎樣縮短用戶的學習時間和學習量，就能確保其進行具有強大功能虛擬儀器的使用，怎樣讓用戶輕易地對該模擬系統中得到的結果進行判斷，或者如何確保用戶採用一些系統構成比較簡潔的虛擬儀器來對複雜的內容進行測試，都是虛擬儀器在未來的發展中需要解決的問題。
結束語：
虛擬儀器的結構具有很強的優越性，發展經歷了四個階段，目前，其相關技術的發展已經越來越成熟，被廣泛應用於各個領域中。隨著科學技術的不斷發展，虛擬儀器的應用將不斷擴大。除了上述提到的在化學工程領域中的各種應用，它應用的範圍將不斷擴展到其他相關領域中。因此，虛擬儀器的市場前景是廣闊的。
一、虛擬儀器的發展和結構組成
電子儀器的發展，一共經歷了四個重要階段http://wwW.LWlm.cOM：模擬儀器、數字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。前三個階段的發展實際上是為第四階段的發展奠定堅實的基礎。第四代虛擬儀器，是通信技術、測試技術和計算機技術相結合的產物，三門學科最新技術的結晶，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟體編程技術於一體。虛擬儀器的產生是儀器發展史上一次大的革新。虛擬儀器是指將一些比較靈活高效的軟體和一些性能較高的硬體結合起來，將其應用在各個領域中對各項參數進行測試和調節、控制等的一個應用性很強的平台。一般來說，完整的虛擬儀器系統中有三部分的組成結構，一部分是電子計算機，一部分是儀器軟體，最後一部分是儀器硬體。在電子計算機和大型集成電路高速發展的今天，相比較傳統儀器，虛擬儀器得到了飛躍發展。在基本硬體的支持下，虛擬儀器可以利用電子計算機合理的調用相應的高級軟體模塊來完成數據的採集、控制、分析、處理以及結果的存儲和顯示。與傳統儀器相比，虛擬儀器具有成本低、性能高、擴展性強、開發時間短以及出色的集成這五大優勢。基於此，本文對虛擬儀器的發展及在化學工程領域中的應用進行了探究，為其未來的發展提供參考依據。
二、虛擬儀器的技術支撐和特點
硬體是虛擬儀器的基礎，軟體是虛擬儀器的核心。計算機主要完成數據處理和結果顯示。硬體接口電路主要完成被測輸入信號的採集、放大、模/ 數轉換。根據構成虛擬儀器的接口總線不同,主要分為基於通用接口總線GPIB 的儀器系統、基於數據採集卡的虛擬儀器系統、基於VXI 總線儀器實現虛擬儀器系統、基於PXI 總線儀器實現虛擬儀器系統、基於串行口儀器的虛擬儀器系統和基於現場總線設備的虛擬儀器系統等類型。軟體可定義儀器的功能圖。虛擬儀器系統的軟體結構從底到頂層分為儀器I/O 接口軟體、驅動程序和應用軟體3 個層次。
虛擬儀器作為新型的儀器種類,主要具有以下幾個特點:首先，技術和接口技術,具有方便、靈活的互聯性,可方便地同外設、網絡及其它應用連接。其次，開放式體系結構,縮短系統開發周期。虛擬儀器開放性構成方式,使其具有靈活性和功能的可重構性,可使用戶提高重複利用率,縮短系統組建時間,降低開發費用。最後，軟體就是儀器,儀器功能由用戶定義。虛擬儀器系統中,軟體是整個儀器的關鍵,用戶可以根據自己需要定義儀器的功能,通過修改軟體,很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模,打破了傳統儀器有廠家定義、用戶無法改變的模式。
三、虛擬儀器在化學工程領域中的應用
虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬體，結合高效靈活的軟體來完成各種測試、測量和自動化的應用。靈活高效的軟體能幫助客戶創建完全自定義的用戶介面，模塊化的硬體能方便地提供全方位的系統集成，標準的軟硬體平台能滿足對同步和定時應用的需求。這也正是NI近30年來始終引領測試測量行業發展趨勢的原因所在。它在化學工程領域的應用有以下幾方面：
虛擬儀器可以應用在化工過程控制領域中、是由化工領域中以及化學工程模擬領域中。虛擬儀器可以對化學反映系統中的各個參數進行實時的檢測，還能通過參數的檢測來調整和控制各項參數，以更好地確保化學反應的正常進行。在化工過程控制領域中的應用有很多，例如，東南大學的王曉等人通過基於labview開發平台的虛擬儀器開發了換熱器試驗裝置測控系統，這個系統有很多功能，包括對各項參數的檢測、記錄，同時還能對這些參數進行分析和調節，基於此，應該加強對該系統的研究和推廣，使其在更多的領域得到應用。石油化工領域中也經常需要運用到虛擬儀器，通常是將計算機技術和虛擬儀器結合在一起進行應用。在這方面的應用實例有：通過虛擬儀器，對石油管道的壓力進行監測，來判斷石油管道在運行過程中會否出現泄漏現象。化學工程模擬，實際上是通過建立化工過程的一系列數學模型，然後根據標準的條件要求以及各項參數，利用計算機，對這些模型進行計算，並根據計算的結構模擬出整個化工過程中所發生的行為。在化工領域中，如果要使用一種新的儀器或者是使用一項新的工藝，需要先依靠計算機對這些儀器或者工藝進行模擬，得到一系列數據，並鑑定其可靠性。虛擬儀器在化學工程領域中的應用，使得整個過程的各項參數判斷更加具體和直觀，有利於判斷其對於工程的影響。這方面的應用實例也有很多，例如，新疆大學的付志新等人開發出了一套基於全混流反應器的模擬系統，並且模擬計算了其中的不可逆的放熱反應。
五、虛擬儀器的發展趨勢和光明前景
虛擬儀器還可廣泛應用於航天航空、軍事工程、汽車、電力工程、機械工程、建築工程、鐵路交通、地質勘探、生物醫療等很多需要高性能測控設備進行科學分析的場合。例如,利用虛擬儀器系統可以開發複雜的汽車駕駛室模擬仿真系統,汽車ABS 傳感器功能測試系統;可以測試飛機飛行過程中的噪音,進行飛機發動機測試,飛行控制系統測試;可以用於電力參數的測試,構建電力測量控制系統;可以用於開發內燃機測試系統,等等。
自從虛擬儀器出現以來，其技術也不斷發展和成熟，逐漸向著圖形化這一開發平台中的更強適應性、更高級別的硬體模塊以及更符合標準的驅動程序等方向發展，而該平台自身的不斷完善和發展也是促進虛擬儀器技術不斷發展和提高的重要保證。同時，怎樣縮短用戶的學習時間和學習量，就能確保其進行具有強大功能虛擬儀器的使用，怎樣讓用戶輕易地對該模擬系統中得到的結果進行判斷，或者如何確保用戶採用一些系統構成比較簡潔的虛擬儀器來對複雜的內容進行測試，都是虛擬儀器在未來的發展中需要解決的問題。
結束語：
虛擬儀器的結構具有很強的優越性，發展經歷了四個階段，目前，其相關技術的發展已經越來越成熟，被廣泛應用於各個領域中。隨著科學技術的不斷發展，虛擬儀器的應用將不斷擴大。除了上述提到的在化學工程領域中的各種應用，它應用的範圍將不斷擴展到其他相關領域中。因此，虛擬儀器的市場前景是廣闊的。
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