虛擬儀器技術在石化科研裝備開發中的應用
關鍵詞：虛擬儀器 科研裝備 孔隙度儀
一、概述
虛擬儀器（Virtual Instruments）可理解為利用現有的計算機、配以特殊設計的儀器硬件和專用軟件，由用戶根據自己的需求設計的既有普通儀器的基本功能，又與傳統儀器有著本質區別的新型儀器系統。傳統儀器一般由儀器生產廠家將信號的采集與控制、信號的分析處理、結果的輸出這三大功能模塊全部以硬件（或固化的軟件）加以固定，用戶只能獨立操作，使用儀器單一的功能。而對于測試參數多，測試參數不斷變化的面向應用的系統，則虛擬儀器系統可滿足其多種多樣的應用需求。虛擬儀器的核心技術是計算機技術，它把儀器的各個功能模塊全部放在計算機中實現，在計算機中插上數據采集與控制接口卡，用軟件在計算機屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號的分析和處理，用計算機屏幕顯示輸出結果?？傊?，虛擬儀器打破了傳統儀器由廠家定義，用戶無法改變的模式，它利用計算機豐富的軟硬件資源大大突破了傳統儀器在數據處理、表達、傳送、操作、顯示和儲存等方面的限制，有著其獨到的特點，主要表現在：
（1）虛擬儀器克服了傳統儀器只能完成對某個量的獨立測量，它可以使各個測量值互相通信，實現信息共享，從而對被測各系統的綜合分析、評估，得出準確判斷。
（2）虛擬儀器系統可以面對復雜的被測系統而不必購買各種測試儀器，解決了傳統儀器的硬件冗余、使用頻率和效率低的狀況。
（3）節省了系統開發和組建時間，虛擬儀器的硬件采用的是通用的硬件平臺，對于新的系統及新的測試需求時，只需增加軟件或增加一個通用模塊即可實現。
?。?）由于采用了通用模塊和計算機軟件來實現測量、處理，虛擬儀器系統具有更好的測量精度和抗干擾能力。
二、石化科研裝備開發的特點
1、石化科研裝備的應用領域
隨著我國加入WTO，石油工業也步入了知識經濟的新時代，我國也正積極地采用高新技術，合理地開發油氣資源。石化科研裝備的開發正是為了科學地認識油藏、了解油藏特性、進行定量化描述，并通過油藏的評價和油藏開發的可行性研究優化油藏開發方案的一種有效手段，它包含了對油層物理的基本物理性質測試，專項分析測試以及地層流體高壓物性分析測試。
2、石化科研裝備開發的特點
早期，石化科研裝備都是手工操作，人工計量，指針讀數，只能進行單項測試，隨著六、七十年代電子工業的迅速發展，各種電子器件、傳感器相繼問世，促進了石化科研裝備的自動化、計算機化、測試精度不斷提高、模擬條件進一步深化，整個裝備向高溫、高壓、模塊化、多功能化發展。但是，由于石化科研裝備的生產批量小，又經常要根據用戶及特殊區域的具體要求進行設計，因此造成我國在石化科研裝備的開發上仍與國外有較大的差距。
3、目前石化科研裝備開發的模式及弊端
目前，我國石化科研裝備的開發雖然擺脫了六、七十年代完全依賴進口的局面，正在積極進向國產化推進，隨著國內科技人員對傳感器技術、電子技術、計算機技術的逐步深入和研究，特別是進口儀器成本高、維修及配件困難，而且在操作方法和技術方面也不完全適合于我國的具體情況，因此廣大的石化開發人員和石化工程技術人員正在積極并已經開發出了大量的石化科研裝備來指導科研和生產，一般遵循如下模式：
首先由現場及試驗人員提出試驗需求，根據生產和科研的需要提出待測參數。
其次由產品開發人員與試驗人員共同商討試驗項目的可行性，根據國內相關技術拿出開發方案。
最后產品開發人員設計整個裝置的試驗流程、數據采集與控制系統、數據分析與處理系統以及試驗結果的表達。
鑒于以上模式，產品開發中不可避免存在以下弊端：（1）每一個產品的開發都必須遵循以上模式，哪怕不同區域不同用戶的需求只有微小的差別;（2）每種產品具有大量的相同（相似）之處，導致了大量的重復性勞動;（3）用戶完成某種測試后，需進行一些新的項目試驗，用戶無法更改，只能重新訂制儀器和裝備，造成大量的資金浪費，投入的大量的人力、物力、財力無法充分利用。
三、虛擬儀器技術在石化科研裝備中的應用
1、可行性及可發展性
近年來虛擬儀器技術在石化行業，特別是在石化科研裝備開發上的應用發展非?？?，自1995年以來我國引進的石化科研裝備基本上都采用了虛擬儀器技術，但由于我國對該技術還不太了解，因而只感覺到國外的儀器軟件美觀，使用變得更加方便，而沒有覺察到它在測控技術上的變化。特別是目前我國正處于競爭激烈的市場經濟潮流中，作為科研部門，需要利用最新的技術，最好的手段，最低的成本多出成果，出好成果;作為生產、制造部門，需要盡快開發出新產品，利用最低的成本，最高的效率，盡快把新產品推向市場。同時，一個好的開發工具，一種高效的開發手段是必不可少的。無論是科研開發，還是產品檢測，產品質量控制都離不開有效的檢測手段。虛擬儀器技術可以有效的達到以上要求，具有可行性和可發展性。
2、如何在石化科研裝備中應用虛擬儀器技術
根據我們多年從事石化科研裝備開發的經驗和對虛擬儀器技術在產品開發中的應用，我們認為，要想科學、有效地利用好虛擬儀器這門技術，必須解決好以下三個方面的問題：
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目前，我國石化科研裝備絕大部分屬于非標產品，產品的通用性和互換性較差，產品的標準化為時尚早，要想充分利用虛擬儀器技術，解決傳統模式中存在的問題，因此首先要模塊化，就是將各個不同的單元盡量獨立，使之能夠應用于不同的場合，例如石化科研裝備中的動力驅動模塊、模擬油藏環境模塊、參數測量與控制模塊、數據采集與控制模塊、數據處理模塊等。因此，采用模塊化獨立設計，模塊耦合設計是虛擬儀器應用的基礎。
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前面提到，任何儀器都是由三大功能模塊構成的，作為數據采集與控制部分，按目前石化科研裝備開發的應用形式，可以總結為數據采集與控制系統的基本構成如圖1：
圖1 數據采集與控制系統構成
對于一般的數據采集與控制系統，一般按如下框圖實現，如圖2
圖2 數據采集控制系統框圖
目前，由于集成電路技術、計算機技術的迅速發展，使得不斷更新的數據采集板卡能夠有效保證石化科研裝備的性能、精度及可靠性，并為廣大科研和工程技術人員建立功能靈活，性能價格比高的數據采集與控制系統提供了良好的解決方案。
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可以設想，如果把計算機技術和儀器技術結合起來，將儀器三大功能塊的后面兩塊，即信號的分析處理、結果的表達與輸出放到計算機上實現。用計算機屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器的面板，以各種形式（屏幕、打印機、繪圖儀等）輸出試驗結果;用計算機軟件可以實現各種各樣的信號分析、處理，完成多種多樣的測試功能，如巡檢、存儲、變換，誤差校正、狀態選擇、數碼顯示，以及PID調節功能，所以虛擬儀器有自己的口號“The Software is the Instrument（軟件就是儀器）。
通常在編制虛擬儀器的應用軟件時可以采用兩種編程方法，一種是傳統的編程方法，采用高級語言，如VC++，VB，Delph等編程;另一種是采用現在流行的圖形化編程方法，如用NI公司的Lab View或HP公司的VEE等編程。采用圖形化編程的優勢是軟件開發周期短、編程容易，特別適合不具有專業編程水平的工程技術人員使用，在石化科研裝備軟件開發中具備較好的前景。
3、一個具體的實例
孔隙度測量是巖心常規分析的一項重要任務，以往的孔隙度測量儀（氣體法）是在正壓下通過玻意耳-馬略特定律的應用來進行測量的，存在著對巖樣形狀要求嚴格、誤差大等諸多缺點。我們利用虛擬儀器技術研制的NAP-I型孔隙度測量儀是在負壓下對規則及不規則巖樣自動進行孔隙度測量。圖3是該儀器的工作流程示意圖。
圖3 NAP—I型自動孔隙度儀流程
測孔隙體積時，開1，2，5，6電磁閥，然后抽空至一定壓力關閥6，由于大氣壓力的作用，乳膠套將緊緊地包在巖心外表面上，待壓力平衡后，測出并記錄下此時的壓力P1，然后打開閥4，等壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力P2，由P1和P2值以及其它已知參數便可計算出巖樣的孔隙體積來。
測顆粒體積時，開3，5，6電磁閥，然后開真空泵抽真空至一定壓力，關閉閥6，此時乳膠套處在自由狀態，待壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力為P3，再打開閥2，4，壓力平衡后，測出并記錄下此時壓力P4，由P3，P4值及其它已知參數便可計算出顆粒體積，由顆粒體積、孔隙體積便可計算出巖樣的孔隙度。
該儀器由主體流程模塊、動力源模塊、數據采集與控制模塊、數據處理四大模塊組成，各模塊相互獨立，軟件采用VB6.0 開發，所有操作均通過計算機屏幕指示，通過鼠標或鍵盤操作，系統操作界面如圖4所示：
圖4 NAP-I型自動孔隙度儀測試界面
通過采用虛擬儀器技術，明顯地可以看出該儀器的優點：
1、由于系統采用了模塊化設計，通用性強，穩定性高，開發周期大大地縮短。
2、所有測量均自動完成，無需人工操作，減少了測試過程中的人為誤差，測試精度高。
3、軟件界面形象豐富，操作方便，編程周期短，給人的感覺就象在操作儀器一樣。
四、結束語
虛擬儀器技術作為一門新興的技術必然會隨著科學技術的發展而不斷地被人們所重視，同時越來越多的廠商也會看中虛擬儀器技術領域這一巨大的潛在市場，加入到虛擬儀器技術軟硬件產品的開發行列，可以預見，虛擬儀器技術也必將在石化科研裝備的開發和應用上得到更為廣泛的普及和應用。
參考文獻：
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