專利名稱：紅外碳硫元素分析的方法與系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于紅外碳硫元素分析的方法與軟硬件系統，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量分數的測定。
背景技術：
紅外碳硫元素分析方法是將被測樣品在高純氧氣環境中充分燃燒，樣品中的碳和硫元素以CO2和SO2氣體的形式釋放出來，燃燒形成的爐氣經除塵、去濕后經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，當某此特定波長的紅外光通過CO2或SO2氣體后，能產生強烈的光吸收，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，并將光信號轉換為電信號，再經信號調理和放大后實時輸出紅外吸收電壓。將該信號進行實時采樣并將紅外吸收電壓值轉換為紅外吸收值數據，再通過時間積分得到紅外吸收值累加，并與標準值對應可得到該樣品的總碳量和總硫量，除以樣品重量后即相應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進行數據采集，通過串行通訊與PC微機傳遞數據，同時通過串行通訊傳遞的還有電子天平的重量數據。
為了獲得更高的數據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，如硬件采集速率達到400次/秒/通道，共設兩個通道，則要求處理器在約1毫秒時間內處理一次采樣數據。此外，為了提高采樣數據的可靠性，必須采用軟件抗干擾的措施，這對處理器的數據處理能力提出了更高的要求。通常的單片機數據處理能力達不到所需的要求，另外依靠串口通訊進行數據傳遞也無法勝任大數據量通訊的要求。采集頻率低、數據精度差是目前紅外碳硫分析儀精度無法提高的原因。
發明內容
本發明就是針對現有紅外碳硫分析儀紅外吸收值數據量少、數值精度差的問題，而發展的紅外碳硫分析的方法和軟硬件系統。
本發明技術解決方案是采用多線程方式實現紅外碳硫分析，設有三個工作線程分別用于監視和處理串行口電子天平重量數據，用于接收并處理紅外吸收值的采集數據，用于定時顯示紅外吸收值數據并監測和控制分析過程及狀態；主線程負責用戶交互及階段數據的數值顯示；在數據采集算法中采用了超采樣、數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毫秒時間內處理一次采樣數據。硬件采集速率達到400次或更高/秒/通道，共設兩個通道，則要求處理器在約1毫秒時間內處理一次采樣數據。
用于接收并處理紅外吸收值的采集數據仍是由紅外傳感器實時檢測特定波長的紅外光吸收情況，并將光信號轉換為電信號，再經信號調理和放大后實時輸出紅外吸收電壓。將該信號進行實時采樣并將紅外吸收電壓值轉換為紅外吸收值數據，再通過時間積分得到紅外吸收值累加，并與標準值對應可得到該樣品的總碳量和總硫量，除以樣品重量后即相應得到碳含量和硫含量。利用分析數據庫完成上述工作。
該系統包含基于PC微機的PCI總線的高精度數據采集、燃燒爐控制及分析過程監測模塊，以及與上述模塊配合使用的具有基于多線程的數據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PCI總線的A/D數據采集硬件為核心構成，采集頻率由硬件板載時鐘控制，采集參數可由軟件調整。
與之匹配的是基于多線程的數據采集和處理算法及基于硬件時鐘的數據采集策略。
紅外線吸收值現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個可執行部件，IO輸入用于監測分析狀態。
本發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微機的高精度數據采集與燃燒爐控制模塊，保證了對燃燒爐控制的穩定性與及時性；與之匹配的是基于多線程的數據采集和處理算法及基于硬件時鐘的數據采集策略，從而保證了對紅外線吸收值數據的精確、等時、高速的數據獲取與處理。與現有類似分析軟硬件相比，本發明分析過程完全受PC微機集成化控制，紅外吸收值數據獲取量大、數據精度高，因而使分析精確度和準確度提高。
圖1是本發明結構示意2是本發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PCI總線的數據采集及IO控制組成。其中數據采集部分采用14位A/D芯片，設定量程為0~2.5V，本發明中采用碳、硫兩個通道、連續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個執行部件的操作，IO輸入用于監測燃燒爐狀態和分析狀態。圖1中傳感器包括紅外吸收的轉換出相應電信號。圖中點劃線虛框內為本發明包含的范圍、實線箭頭表示數據關系及其方向；虛線箭頭表示控制關系及其方向硬件的構成基于現有技術。本發明中軟硬件及其相互關系。本發明時鐘采用QL5030 PCI接口芯片實現，A/D采用14、400KHz芯片AD7899實現。
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責更新分析過程中的數值顯示信息；工作線程一負責監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行處理和顯示；工作線程二負責接收采集結果，將結果轉換為相應的紅外吸收值數據(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行相應的計算和處理；工作線程三負責IO輸入/輸出控制硬件的操作，監視燃燒爐和分析過程狀態參數、對紅外吸收值數據進行進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據庫間具有雙向的數據交互，即將計算結果存入分析數據庫及從分析數據庫中獲取所需要的分析參數等數據。
3、軟硬件各部分之間的關系(亦見圖1)軟硬件各部分之間的關系見圖1。數據采集和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解釋軟硬件各部分的協同關系及進行碳硫分析時的執行邏輯圖2是本發明軟件流程框圖；1)軟件啟動后各線程自動進入工作狀態主線程等待用戶輸入并定時從分析數據庫中讀取最新采樣數據進行數值顯示；工作線程一監視串行口；工作線程二開啟A/D采樣、將采樣電壓數據放入分析數據庫中；工作線程三監視燃燒爐和分析過程的狀態參數；2)樣品稱重后用戶可通過軟件界面進行手動輸入重量值，也可利用電子天平PRINT功能通過串口發送重量數據。此時，工作線程一被串口數據的到來喚醒并進行重量數據的接收和處理，然后將結果存入分析數據庫。
3)用戶點擊“開始分析”功能或者使用相應的熱鍵后主線程喚醒工作線程三進行分析判據，分析判據是指線程三所監視的燃燒爐和分析過程的狀態參數的滿足條件，如是否正在一次分析過程、重量庫是否有重量數據、燃燒室是否閉合狀態、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”的關系。如果可以進行分析，則禁用界面中相應的功能；工作線程一監視串行口，處理重量數據。由于本發明采用了軟件上的多線程處理，使碳硫分析過程中仍可進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據，等待工作線程三完成開始分析的工作后進行吸收值數據的接收和轉換。
工作線程三執行IO輸出操作，控制燃燒爐各執行部件開始進行一次碳硫分析過程。
4)分析過程中主線程從分析數據庫中讀取最新的采樣數據進行數值顯示，讀取分析狀態信息，待一次分析結束時進行碳硫含量的計算；
工作線程一監視串行口，處理重量數據。
工作線程二進行吸收值數據的接收、轉換和數據抗干擾處理。
工作線程三根據分析配置執行IO輸出操作，在分析過程中控制燃燒爐各部件執行各階段的動作。
5)分析結束主線程進行紅外吸收值的積分計算，將分析數據庫中分析狀態信息重置為初始狀態。其余各線程恢復為初始狀態。
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個數據進行排序，去除最大和最小的各3個數據，最后將剩余4個數據的均值作為1/40秒內的紅外吸收值均值。
本發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，如配接高頻感應爐、電弧燃燒爐、電阻爐等。
實施例1對本發明所涉及的軟硬件部分進行配置，可實現通過8路TTL電平控制信號輸出用于控制高頻感應爐的總氣閥、吹氧閥、截氧閥、清洗閥、氣室入口、氣室出口、排灰閥、高頻爐等執行部件及1路輸入用于監測高頻感應的燃燒室閉合狀態。
實施例2對本發明所涉及的軟硬件部分進行配置，可將16路輸入中多路合并為數據輸入端口，其余作為開關量輸入端口，數據輸入端口用于監測諸如爐氣流量、燃燒溫度等數值型分析參數，開關量輸入端口用于監測諸如燃燒室閉合等開關型分析參數；16路輸出中多路合并為數據輸出端口，其余作為開關量輸出端口，數據輸出用于調整諸如數字變阻器等器件繼而實現燃燒爐功率調整等功能；開關量用于控制諸如閥等開關型器件。
權利要求
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紅外碳硫分析，設有三個工作線程分別用于監視和處理串行口電子天平重量數據，用于接收并處理紅外吸收值的采集數據，用于定時顯示紅外吸收值數據并監測和控制分析過程及狀態；主線程用于用戶交互及階段數據的數值顯示。
2.根據權利要求1所述的紅外碳硫元素分析的方法，其特征是在數據采集算法中采用超采樣、數值排序和中間值求平均的軟件抗干擾方法。
3.根據權利要求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，共設兩個通道。
4.根據權利要求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個數據進行排序，去除最大和最小的各3個數據，最后將剩余4個數據的均值作為1/40秒內的紅外吸收值均值。
5.紅外碳硫元素分析的系統，其特征是系統包含基于PC微機的PCI總線的A/D數據采集硬件為核心構成的高精度數據采集、燃燒爐控制及分析過程監測模塊，以及與上述模塊配合使用的具有基于多線程的數據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，采集參數由軟件調整；分析軟件包括與之匹配的是基于多線程的數據采集和處理方法及基于硬件時鐘的數據采集策略；紅外線吸收值現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個可執行部件，IO輸入用于監測分析狀態。
6.根據權利要求5所述的紅外碳硫元素分析的系統，其特征是用于紅外線吸收值現場采集的硬件模塊由基于PC微機PCI總線的A/D數據采集硬件設有0～2.5V量程范圍、14位采集精度。
7.根據權利要求5所述的用于紅外碳硫元素分析系統，其特征在于控制燃燒爐的硬件模塊與PCI總線模塊集成，主線程負責用戶交互及階段數據的數值顯示；工作線程有三個分別用于監視和處理串行口電子天平重量數據，用于接收并處理紅外吸收值的采集數據，用于定時顯示紅外吸收值數據并監測和控制分析過程及狀態；在數據采集算法中采用了超采樣、數值排序和中間值求平均的軟件抗干擾措施。
全文摘要
本發明涉及一種紅外碳硫元素分析的方法和系統，采用多線程方式實現紅外碳硫分析，設有三個工作線程分別用于監視和處理串行口電子天平重量數據，用于接收并處理紅外吸收值的采集數據，用于定時顯示紅外吸收值數據并監測和控制分析過程及狀態；主線程負責用戶交互及階段數據的數值顯示。軟件包含了集成PC微機的高精度數據采集與燃燒爐控制模塊，保證了對燃燒爐控制的穩定性與及時性；與之匹配的是基于多線程的數據采集和處理算法及基于硬件時鐘的數據采集策略，從而保證了對紅外線吸收值數據的精確、等時、高速的數據獲取與處理。本發明分析過程完全受PC微機集成化控制、紅外吸收值數據獲取量大、數據精度高。
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 優先權日2006年10月16日
發明者戴挺, 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