專利名稱：紅外碳硫元素分析的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于紅外碳硫元素分析的方法與軟硬件系統(tǒng)，用于與紅外線CO2和SO2氣體傳感器及燃燒爐配合完成材料中碳硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。
背景技術(shù)：
紅外碳硫元素分析方法是將被測樣品在高純氧氣環(huán)境中充分燃燒，樣品中的碳和硫元素以CO2和SO2氣體的形式釋放出來，燃燒形成的爐氣經(jīng)除塵、去濕后經(jīng)過一定的氣路流入紅外傳感器氣室中。由于CO2、SO2等氣體分子在紅外光波段具有選擇性吸收譜圖，當(dāng)某此特定波長的紅外光通過CO2或SO2氣體后，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的光吸收，此吸收符合朗伯-比耳定律。紅外傳感器能實時檢測特定波長的紅外光吸收情況，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)信號調(diào)理和放大后實時輸出紅外吸收電壓。將該信號進(jìn)行實時采樣并將紅外吸收電壓值轉(zhuǎn)換為紅外吸收值數(shù)據(jù)，再通過時間積分得到紅外吸收值累加，并與標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)可得到該樣品的總碳量和總硫量，除以樣品重量后即相應(yīng)得到碳含量和硫含量。
目前，在紅外碳硫分析儀中多采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過串行通訊與PC微機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，同時通過串行通訊傳遞的還有電子天平的重量數(shù)據(jù)。
為了獲得更高的數(shù)據(jù)采集精度和時間積分精度，需要提高對紅外傳感器信號的采樣頻率。在高的采集速率的要求下，如硬件采集速率達(dá)到400次/秒/通道，共設(shè)兩個通道，則要求處理器在約1毫秒時間內(nèi)處理一次采樣數(shù)據(jù)。此外，為了提高采樣數(shù)據(jù)的可靠性，必須采用軟件抗干擾的措施，這對處理器的數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。通常的單片機(jī)數(shù)據(jù)處理能力達(dá)不到所需的要求，另外依靠串口通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞也無法勝任大數(shù)據(jù)量通訊的要求。采集頻率低、數(shù)據(jù)精度差是目前紅外碳硫分析儀精度無法提高的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對現(xiàn)有紅外碳硫分析儀紅外吸收值數(shù)據(jù)量少、數(shù)值精度差的問題，而發(fā)展的紅外碳硫分析的方法和軟硬件系統(tǒng)。
本發(fā)明技術(shù)解決方案是采用多線程方式實現(xiàn)紅外碳硫分析，設(shè)有三個工作線程分別用于監(jiān)視和處理串行口電子天平重量數(shù)據(jù)，用于接收并處理紅外吸收值的采集數(shù)據(jù)，用于定時顯示紅外吸收值數(shù)據(jù)并監(jiān)測和控制分析過程及狀態(tài)；主線程負(fù)責(zé)用戶交互及階段數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示；在數(shù)據(jù)采集算法中采用了超采樣、數(shù)值排序和中間值求平均的軟件抗干擾措施。則要求處理器在約1毫秒時間內(nèi)處理一次采樣數(shù)據(jù)。硬件采集速率達(dá)到400次或更高/秒/通道，共設(shè)兩個通道，則要求處理器在約1毫秒時間內(nèi)處理一次采樣數(shù)據(jù)。
用于接收并處理紅外吸收值的采集數(shù)據(jù)仍是由紅外傳感器實時檢測特定波長的紅外光吸收情況，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)信號調(diào)理和放大后實時輸出紅外吸收電壓。將該信號進(jìn)行實時采樣并將紅外吸收電壓值轉(zhuǎn)換為紅外吸收值數(shù)據(jù)，再通過時間積分得到紅外吸收值累加，并與標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)可得到該樣品的總碳量和總硫量，除以樣品重量后即相應(yīng)得到碳含量和硫含量。利用分析數(shù)據(jù)庫完成上述工作。
該系統(tǒng)包含基于PC微機(jī)的PCI總線的高精度數(shù)據(jù)采集、燃燒爐控制及分析過程監(jiān)測模塊，以及與上述模塊配合使用的具有基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理算法的分析軟件，二者共同完成紅外碳硫元素分析所要求的功能。
該模塊由基于PC微機(jī)PCI總線的A/D數(shù)據(jù)采集硬件為核心構(gòu)成，采集頻率由硬件板載時鐘控制，采集參數(shù)可由軟件調(diào)整。
與之匹配的是基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理算法及基于硬件時鐘的數(shù)據(jù)采集策略。
紅外線吸收值現(xiàn)場采集的硬件模塊與PCI總線模塊集成，由16路IO輸出和16路IO輸入組成，IO輸出可分別控制燃燒爐的最多16個可執(zhí)行部件，IO輸入用于監(jiān)測分析狀態(tài)。
本發(fā)明特點是包括紅外線吸收法測定材料中碳硫元素含量的分析軟硬件。軟件包含了集成PC微機(jī)的高精度數(shù)據(jù)采集與燃燒爐控制模塊，保證了對燃燒爐控制的穩(wěn)定性與及時性；與之匹配的是基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理算法及基于硬件時鐘的數(shù)據(jù)采集策略，從而保證了對紅外線吸收值數(shù)據(jù)的精確、等時、高速的數(shù)據(jù)獲取與處理。與現(xiàn)有類似分析軟硬件相比，本發(fā)明分析過程完全受PC微機(jī)集成化控制，紅外吸收值數(shù)據(jù)獲取量大、數(shù)據(jù)精度高，因而使分析精確度和準(zhǔn)確度提高。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明軟件流程框圖具體實施方式
1、硬件部分如圖1所示，硬件部分由基于PC微機(jī)PCI總線的數(shù)據(jù)采集及IO控制組成。其中數(shù)據(jù)采集部分采用14位A/D芯片，設(shè)定量程為0~2.5V，本發(fā)明中采用碳、硫兩個通道、連續(xù)A/D采樣模式，速率為400次/秒/通道。IO控制部分使用了16個IO輸出端口和16個IO輸入端口組成，IO輸出可分別控制燃燒爐中最多16個執(zhí)行部件的操作，IO輸入用于監(jiān)測燃燒爐狀態(tài)和分析狀態(tài)。圖1中傳感器包括紅外吸收的轉(zhuǎn)換出相應(yīng)電信號。圖中點劃線虛框內(nèi)為本發(fā)明包含的范圍、實線箭頭表示數(shù)據(jù)關(guān)系及其方向；虛線箭頭表示控制關(guān)系及其方向硬件的構(gòu)成基于現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明中軟硬件及其相互關(guān)系。本發(fā)明時鐘采用QL5030 PCI接口芯片實現(xiàn)，A/D采用14、400KHz芯片AD7899實現(xiàn)。
2、軟件部分軟件部分包含主線程和三個工作線程，其中主線程用于接收用戶輸入并負(fù)責(zé)更新分析過程中的數(shù)值顯示信息；工作線程一負(fù)責(zé)監(jiān)視與電子天平相連的串行端口，并對電子天平輸入的重量信息進(jìn)行處理和顯示；工作線程二負(fù)責(zé)接收采集結(jié)果，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的紅外吸收值數(shù)據(jù)(其中采用的軟件抗干擾措施，詳見后述)，同時喚醒工作線程三進(jìn)行相應(yīng)的計算和處理；工作線程三負(fù)責(zé)IO輸入/輸出控制硬件的操作，監(jiān)視燃燒爐和分析過程狀態(tài)參數(shù)、對紅外吸收值數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理并提交屏幕顯示實時碳硫釋放曲線。各線程與共享的分析數(shù)據(jù)庫間具有雙向的數(shù)據(jù)交互，即將計算結(jié)果存入分析數(shù)據(jù)庫及從分析數(shù)據(jù)庫中獲取所需要的分析參數(shù)等數(shù)據(jù)。
3、軟硬件各部分之間的關(guān)系(亦見圖1)軟硬件各部分之間的關(guān)系見圖1。數(shù)據(jù)采集和IO輸入/輸出硬件均受軟件控制。下面以一次分析過程為例詳細(xì)解釋軟硬件各部分的協(xié)同關(guān)系及進(jìn)行碳硫分析時的執(zhí)行邏輯圖2是本發(fā)明軟件流程框圖；1)軟件啟動后各線程自動進(jìn)入工作狀態(tài)主線程等待用戶輸入并定時從分析數(shù)據(jù)庫中讀取最新采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示；工作線程一監(jiān)視串行口；工作線程二開啟A/D采樣、將采樣電壓數(shù)據(jù)放入分析數(shù)據(jù)庫中；工作線程三監(jiān)視燃燒爐和分析過程的狀態(tài)參數(shù)；2)樣品稱重后用戶可通過軟件界面進(jìn)行手動輸入重量值，也可利用電子天平PRINT功能通過串口發(fā)送重量數(shù)據(jù)。此時，工作線程一被串口數(shù)據(jù)的到來喚醒并進(jìn)行重量數(shù)據(jù)的接收和處理，然后將結(jié)果存入分析數(shù)據(jù)庫。
3)用戶點擊“開始分析”功能或者使用相應(yīng)的熱鍵后主線程喚醒工作線程三進(jìn)行分析判據(jù)，分析判據(jù)是指線程三所監(jiān)視的燃燒爐和分析過程的狀態(tài)參數(shù)的滿足條件，如是否正在一次分析過程、重量庫是否有重量數(shù)據(jù)、燃燒室是否閉合狀態(tài)、燃燒室閉前敞開時間是否超過指定時間(如2秒)。各判定條件之間為“與”的關(guān)系。如果可以進(jìn)行分析，則禁用界面中相應(yīng)的功能；工作線程一監(jiān)視串行口，處理重量數(shù)據(jù)。由于本發(fā)明采用了軟件上的多線程處理，使碳硫分析過程中仍可進(jìn)行樣品稱量和樣品庫的操作，這項功能對于批量分析提高工作效率特別有益。
工作線程二讀入分析配置數(shù)據(jù)，等待工作線程三完成開始分析的工作后進(jìn)行吸收值數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)換。
工作線程三執(zhí)行IO輸出操作，控制燃燒爐各執(zhí)行部件開始進(jìn)行一次碳硫分析過程。
4)分析過程中主線程從分析數(shù)據(jù)庫中讀取最新的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值顯示，讀取分析狀態(tài)信息，待一次分析結(jié)束時進(jìn)行碳硫含量的計算；
工作線程一監(jiān)視串行口，處理重量數(shù)據(jù)。
工作線程二進(jìn)行吸收值數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)抗干擾處理。
工作線程三根據(jù)分析配置執(zhí)行IO輸出操作，在分析過程中控制燃燒爐各部件執(zhí)行各階段的動作。
5)分析結(jié)束主線程進(jìn)行紅外吸收值的積分計算，將分析數(shù)據(jù)庫中分析狀態(tài)信息重置為初始狀態(tài)。其余各線程恢復(fù)為初始狀態(tài)。
4.上述的軟件抗干擾處理方法為將400次/秒/通道的采集速率作為超采樣速率，將其按時間等分為40份，對每份中10個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去除最大和最小的各3個數(shù)據(jù)，最后將剩余4個數(shù)據(jù)的均值作為1/40秒內(nèi)的紅外吸收值均值。
本發(fā)明可配接各種形式的燃燒爐形成不同的紅外碳硫分析儀器，如配接高頻感應(yīng)爐、電弧燃燒爐、電阻爐等。
實施例1對本發(fā)明所涉及的軟硬件部分進(jìn)行配置，可實現(xiàn)通過8路TTL電平控制信號輸出用于控制高頻感應(yīng)爐的總氣閥、吹氧閥、截氧閥、清洗閥、氣室入口、氣室出口、排灰閥、高頻爐等執(zhí)行部件及1路輸入用于監(jiān)測高頻感應(yīng)的燃燒室閉合狀態(tài)。
實施例2對本發(fā)明所涉及的軟硬件部分進(jìn)行配置，可將16路輸入中多路合并為數(shù)據(jù)輸入端口，其余作為開關(guān)量輸入端口，數(shù)據(jù)輸入端口用于監(jiān)測諸如爐氣流量、燃燒溫度等數(shù)值型分析參數(shù)，開關(guān)量輸入端口用于監(jiān)測諸如燃燒室閉合等開關(guān)型分析參數(shù)；16路輸出中多路合并為數(shù)據(jù)輸出端口，其余作為開關(guān)量輸出端口，數(shù)據(jù)輸出用于調(diào)整諸如數(shù)字變阻器等器件繼而實現(xiàn)燃燒爐功率調(diào)整等功能；開關(guān)量用于控制諸如閥等開關(guān)型器件。
權(quán)利要求
1.一種紅外碳硫元素分析的方法，其特征是采用多線程方式實現(xiàn)紅外碳硫分析，設(shè)有三個工作線程分別用于監(jiān)視和處理串行口電子天平重量數(shù)據(jù)，用于接收并處理紅外吸收值的采集數(shù)據(jù)，用于定時顯示紅外吸收值數(shù)據(jù)并監(jiān)測和控制分析過程及狀態(tài)；主線程用于用戶交互及階段數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外碳硫元素分析的方法，其特征是在數(shù)據(jù)采集算法中采用超采樣、數(shù)值排序和中間值求平均的軟件抗干擾方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外碳硫元素分析的方法，其特征是硬件采集速率為400次/秒/通道，共設(shè)兩個通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的紅外碳硫元素分析的方法，其特征是抗干擾處理方法為即將采集速率作為超采樣速率，將其按時間等分為40份，對每份中10個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去除最大和最小的各3個數(shù)據(jù)，最后將剩余4個數(shù)據(jù)的均值作為1/40秒內(nèi)的紅外吸收值均值。
5.紅外碳硫元素分析的系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)包含基于PC微機(jī)的PCI總線的A/D數(shù)據(jù)采集硬件為核心構(gòu)成的高精度數(shù)據(jù)采集、燃燒爐控制及分析過程監(jiān)測模塊，以及與上述模塊配合使用的具有基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理算法的分析軟件，二者共同完成紅外碳硫元素分析所要求的功能；采集頻率由硬件板載時鐘控制，采集參數(shù)由軟件調(diào)整；分析軟件包括與之匹配的是基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理方法及基于硬件時鐘的數(shù)據(jù)采集策略；紅外線吸收值現(xiàn)場采集的硬件模塊與PCI總線模塊集成，由16路IO輸出和16路IO輸入組成，IO輸出可分別控制燃燒爐的最多16個可執(zhí)行部件，IO輸入用于監(jiān)測分析狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的紅外碳硫元素分析的系統(tǒng)，其特征是用于紅外線吸收值現(xiàn)場采集的硬件模塊由基于PC微機(jī)PCI總線的A/D數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)有0～2.5V量程范圍、14位采集精度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于紅外碳硫元素分析系統(tǒng)，其特征在于控制燃燒爐的硬件模塊與PCI總線模塊集成，主線程負(fù)責(zé)用戶交互及階段數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示；工作線程有三個分別用于監(jiān)視和處理串行口電子天平重量數(shù)據(jù)，用于接收并處理紅外吸收值的采集數(shù)據(jù)，用于定時顯示紅外吸收值數(shù)據(jù)并監(jiān)測和控制分析過程及狀態(tài)；在數(shù)據(jù)采集算法中采用了超采樣、數(shù)值排序和中間值求平均的軟件抗干擾措施。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外碳硫元素分析的方法和系統(tǒng)，采用多線程方式實現(xiàn)紅外碳硫分析，設(shè)有三個工作線程分別用于監(jiān)視和處理串行口電子天平重量數(shù)據(jù)，用于接收并處理紅外吸收值的采集數(shù)據(jù)，用于定時顯示紅外吸收值數(shù)據(jù)并監(jiān)測和控制分析過程及狀態(tài)；主線程負(fù)責(zé)用戶交互及階段數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示。軟件包含了集成PC微機(jī)的高精度數(shù)據(jù)采集與燃燒爐控制模塊，保證了對燃燒爐控制的穩(wěn)定性與及時性；與之匹配的是基于多線程的數(shù)據(jù)采集和處理算法及基于硬件時鐘的數(shù)據(jù)采集策略，從而保證了對紅外線吸收值數(shù)據(jù)的精確、等時、高速的數(shù)據(jù)獲取與處理。本發(fā)明分析過程完全受PC微機(jī)集成化控制、紅外吸收值數(shù)據(jù)獲取量大、數(shù)據(jù)精度高。
文檔編號G01N21/31GK1945285SQ20061009678
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者戴挺, 周怡君, 徐隨山, 楊立新 申請人:南京華欣分析儀器制造有限公司