微處理器在色譜分析中的應用 一些基于微處理器應用中
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 感恩親情 點擊:
摘要:本文介紹了微處理器在色譜儀上應用的類型、特點、結構以及信息處理的方法,并對成分分析儀器的發(fā)展趨勢進行了歸納。 關鍵詞:微處理器;色譜儀系統(tǒng);信息處理
中圖分類號:TP332 文獻標識碼:A
1 前言
在許多工業(yè)生產(chǎn)部門,特別是在石油、化工、采礦等企業(yè),往往會碰到有毒、有害、易燃、易爆等氣體,例如,合成氨生產(chǎn)中的水煤氣,石油生產(chǎn)過程中的石油蒸氣,有機化學工業(yè)中用到的氫化氰(HCN),煤井坑道中的“瓦斯”等。生產(chǎn)過程中這些氣體的監(jiān)測離不開成分分析儀器。成分分析儀器的基本組成框圖如圖1所示。
色譜法是一種物理分離方法,其原理是:不同物質(zhì)在兩相――固定相和流動相之間具有不同的分配系數(shù),這些物質(zhì)同流動相一起運動時,在兩相間進行反復多次的分配,使分配系數(shù)不同的物質(zhì)在移動速度上產(chǎn)生顯著差別,從而使各組分達到完全的分離。如果再配上適當?shù)臋z測器對分離物進行定性定量鑒定,就成為色譜分析法。在成分分析技術領域,也常簡稱為色譜法。
2 定性分析方法和定量計算方法
2.1 定性分析方法
色譜法的定性分析就是如何確定每個色譜峰代表何種組分。主要分析方法是:
2.1.1 保留值法
理論分析和實驗結果表明,當固定相和操作條件嚴格不變時,各種物質(zhì)都有一定的保留值(tr,Vr或t r,V r),而且一般不受其他組分存在的影響。因此,比較已知物和未知物的保留值就能確定未知組分。
2.1.2 相對保留值法
2.2.3 外標法
外標法亦稱定量樣品校正法,是工廠控制分析中常用的絕對定量方法。
首先,用已知組分的純樣品加稀釋劑,配成一系列不同質(zhì)量濃度的標準樣,在一定操作條件下進行色譜分析,作出峰面積(或峰高)對質(zhì)量濃度的關系曲線,叫工作曲線,如圖2所示。然后在同樣操作條件下,取同量被分析試樣注入色譜儀,測得待分析組分的峰面積(或峰高),由工作曲線查出被測組分含量。
3 微處理器在色譜儀上的應用
3.1 微處理器在色譜儀上應用的方式
微處理器在色譜儀上的應用大體有三類:
(1)基本上是一個數(shù)據(jù)采集和處理裝置,稱為計算積分儀。它的主要功能是轉換模擬信號、校正基線、分割重疊峰、進行濾波、求積等數(shù)據(jù)處理,并按照使用者要求打印出分析報告。
。2)除去數(shù)據(jù)采集和處理外,還可自動控制整個操作過程,自動調(diào)整各項工作參數(shù),包括流速、溫度、壓力、時間等。
(3)更具通用性,相當于增加了一臺微型計算機,它除具有上述兩種功能外,還可以用通用的高級語言單獨編程。帶有微處理器的色譜儀大多數(shù)采用鍵盤輸入和屏幕顯示。
3.2 微處理器在色譜儀上應用的特點
。1)采用全鍵盤操作,CRT或液晶顯示。通過鍵盤可以打入全部色譜分析參數(shù),CRT或液晶顯示能夠幫助操作者決定參數(shù)值,建立分析方法程序。在分析過程中,CRT或液晶能顯示各項實時操作條件,如各通道的溫度、流量、檢測器狀況及外部事件等,同時還可以顯示給定值并給出超限的參數(shù)。
。2)在微計算機內(nèi)存儲多種分析方法供選用。一旦選用可以加上保護,就不會被誤操作所更改。所有方法可以隨時調(diào)用,大大節(jié)省了時間,方便了用戶。
(3)具有自診斷功能。開機后就能連續(xù)進行自檢。如果系統(tǒng)中有故障,指示器將顯示故障部位,發(fā)出閃光報警信號。特別是當電源發(fā)生故障時,能夠及時接入內(nèi)裝電源以保存所有分析條件及進程等參數(shù)。當電源恢復正常后,還能自動啟動,按故障前的狀態(tài)運行。
(4)具有較強的接口功能。可以通過接口同時控制另一臺輔助色譜儀,也可以同外部計算機通訊,從而進一步提高分析儀的自動化水平和數(shù)據(jù)處理能力。
工業(yè)氣相色譜儀與實驗室用色譜儀有所不同,它更為注重分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,對分析過程中程序控制的要求也更為復雜多樣。而且,工業(yè)色譜儀往往作為整個過程控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié),所以要有足夠的模擬和數(shù)字輸入/輸出接口,以方便與模擬調(diào)節(jié)器或上位計算機聯(lián)接。
4 微處理機工業(yè)色譜儀
4.1 微處理機工業(yè)色譜儀的結構
配有微處理機的工業(yè)色譜儀是一種新型的智能儀器。微處理機作為工業(yè)色譜儀的一個環(huán)節(jié),它代替了程序控制器和信息處理器,并增加了數(shù)據(jù)處理以及統(tǒng)計制表等功能。
4.1.1 微型計算機
色譜儀中的微型計算機由CPU、FlashROM、RAM以及各種接口電路組成。其中,F(xiàn)lashROM作為程序存儲器用來存儲工業(yè)色譜儀的控制、運算及系統(tǒng)管理程序。各種算術邏輯運算,數(shù)據(jù)傳送及中斷處理等操作由CPU完成。RAM作為數(shù)據(jù)存儲器用來寫入或讀出各類數(shù)據(jù)。RAM在斷電后會失去所存儲的信息,因此機內(nèi)應備有應急電源及電源切換裝置。一旦電網(wǎng)掉電,可馬上接入應急電源以保存信息,并及時轉存到硬盤上。
4.1.2 分析器接口
它具有兩種功能組件,其一是模擬接口組件,即A/D轉換接口;另一個是數(shù)字接口組件,它把CPU發(fā)出的各種時序命令信息輸出到分析器,控制各種閥門和開關。
4.1.3 鍵盤和CRT(或液晶)接口
它是操作員和微機工業(yè)色譜儀進行人機對話的通道。操作員通過鍵盤輸入原始數(shù)據(jù),設定各種參數(shù),指定分析器的動作程序以及下達機器動作命令等。CRT(或液晶)顯示器能顯示各種有關數(shù)據(jù)和代碼。
4.1.4 記錄儀接口
它實際上是一個數(shù)/模(D/A)轉換接口,它把二進制數(shù)碼轉換為電壓信號送往記錄儀表。
4.1.5 模擬輸出接口
它和記錄儀接口類似,可以將微處理機送來的瞬間輸出保持下來,供模擬儀表和調(diào)節(jié)器使用,每個分析周期更換一次輸出數(shù)據(jù),并能多點輸出。
4.1.6 硬盤和光盤存儲器接口
它是和微機的聯(lián)系通道。通常,與運算和控制有關的各種數(shù)據(jù)都要事先存儲到硬盤或光盤存儲器中。
4.1.7 計算機接口
它主要是為了同上位計算機通訊而設置的,能夠?qū)⑸V分析的組分、流路、時序等信息向上位計算機發(fā)送,并接收來自上位計算機的各種命令。
4.1.8 數(shù)字輸入/輸出接口
它是一組并行I/O接口,這部分功能要依實際需要來配置。
4.1.9 打印機接口
它是主機與打印機間的數(shù)據(jù)通道。接口類型依打印機不同有串行和并行之分。
4.2 信息處理方法
在工業(yè)色譜儀中,微處理機的功能在很大程度上取決于應用軟件的設計。在通用型的微機工業(yè)色譜儀中還要配置較強的人機對話軟件。在各種應用軟件模塊中,信息處理軟件是最基本、最有特色的模塊。它主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)濾波、峰的檢測、各種峰形的判斷處理、計算峰面積和百分比含量等功能。
4.2.1 定時采樣和數(shù)字濾波
實時數(shù)據(jù)處理有兩種方式,一是先采集到全部信息,存儲在RAM中,最后再作處理;另一種是邊采集邊進行處理。
為了定時準確,一般用定時器按時發(fā)出中斷請求信號,CPU響應中斷,在中斷服務子程序中完成計時,采集及完成其他處理任務。采樣周期取決于色譜峰信號的頻譜特性,一般取0.1s。
在色譜峰信號中,不可避免地包含高頻以及工頻干擾成分。通常要采取某些簡便的數(shù)字濾波方法來濾出干擾,這些方法包括:中位值濾波、平均值濾波以及移動平均值濾波等。
4.2.2 色譜峰的檢測
利用色譜峰面積定量的關鍵在于準確地確定峰的起點、頂點和終點。所以峰形檢測是數(shù)據(jù)處理軟件的核心部分。
峰形檢測有斜率檢測和電平檢測等不同方法,其基本思想都是設定一個閥值作為判別門限,當采樣值的幅度或斜率超過閥值時則判定為起峰;起峰后,斜率的正、負交變處即為峰頂;當信號的幅度或斜率小于閥值時就認為峰終結。閥值的設定要依具體的測量環(huán)境來決定。一般都是通過測試進樣后色譜基線及其噪聲而自動設置的,也可以由操作員根據(jù)不同情況通過鍵盤進行校正。
4.2.3 峰面積計算和基線漂移處理
峰面積計算可采用簡單的矩形求積法。
4.2.4 特殊峰形處理
含有多種組分的試樣有時不能完全分離,形成所謂搭肩峰和拖尾上的峰等,這些峰的共同特點是在其交疊處形成“峰谷”。對它們的處理首先是準確判斷出峰谷的位置,然后再按不同峰形確定面積分割方法。
4.2.5 定量分析方法
定量分析可以采用歸一化法、內(nèi)標法或外標法等。一般來說,定量分析方法的選擇以及有關參數(shù)的確定都可以通過鍵盤來預置。
5 成分分析儀器的發(fā)展趨勢
成分分析儀器由于在科學技術和國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的重要作用,正受到世界各國的普遍重視。其發(fā)展趨勢可以歸納為:
5.1 普及計算機應用
目前計算機已經(jīng)廣泛用于多種近代成分分析儀器的數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督成分分析儀器的功能、控制它們的工作和各項操作參數(shù)。計算機(或單片機)和成分分析儀器相結合已經(jīng)成為生產(chǎn)過程自動控制的有效工具。
5.2 廣泛采用新技術
激光技術、固體氣敏元件、大規(guī)模集成電路、超導、光導等新技術的出現(xiàn),大大擴展了成分分析儀器的品種和使用范圍,提高了儀器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性和自動化程度。當前科學技術的發(fā)展已經(jīng)進入了一個嶄新的階段,新學科、新技術、新工藝層出不窮。
5.3 不斷提高自動化程度
隨著我國自動化生產(chǎn)水平的提高,迫切要求把實驗室中已經(jīng)成熟的各種成分分析儀器和分析方法逐步應用到生產(chǎn)實踐中,成為能連續(xù)自動地完成生產(chǎn)過程中所必需的測量、監(jiān)督和調(diào)節(jié)任務的手段。
5.4 盡量標準化
采用“積木式”結構,將儀器分解成若干個標準部件,根據(jù)用途不同進行適當組合,以滿足不同使用功能的要求。此外在電子部件方面盡量采用標準化插件,實現(xiàn)成分分析儀器的標準化、系列化和單元組合化,這不僅有利于降低儀器的生產(chǎn)成本,縮短制造周期,而且可以簡化操作技術,提高使用靈活性,減少維護工作量,有利于推廣成分分析儀器的應用。
參考文獻
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