組合式多組分智能分析儀的製作方法
2023-11-12 03:45:02
專利名稱：組合式多組分智能分析儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種測量氣體組分含量的在線式智能分析儀器。
背景技術：
在線分析儀器用於化工、石油、煤炭、鋼鐵等行業生產過程和環境保護中，對生產過程中的最終產品和過程樣品的組分含量進行分析，其測量結果可作為過程控制的重要參數。由於控制目標要求的組分可能為多個，需要能夠同時分析出不同的物質含量。
但是不同物質的化學物理性質不同，要想檢測同一樣品的不同物質的含量十分困難。目前，常用的手段是使用工業色譜儀，它是根據色譜分離原理，實現在線的多組分分析，但是工業色譜儀分析周期較長，這種滯後特性使其檢測結果難以直接進入閉環控制。
其他分析儀器也基本上採用電化學方法、磁方法、熱學方法、電子學的方法分別對混合物中某一成分進行測量。但是目前只有分別採用其幾種方法，針對特殊物質的測量分析儀器。因而測試組分少，還沒有通過綜合使用上述各種方法，靈活組合來測試不同物質成分的分析儀器。對組合樣品的結構和成分進行測量分析的方法及裝置。CN02148439.2是一種對組合樣品的結構和成分進行測量分析的方法及裝置，它涉及利用X射線衍射、X射線螢光技術對結構和成分進行測量分析的方法及裝置。通過平移樣品臺使被測樣品6位於該焦點，然後用能量探測器接收從被測樣品上衍射的X射線和發射的螢光X射線，再傳輸到計算機12中進行數據處理，得到衍射譜和螢光光譜，從而分析出結構和成分。本發明操作簡單，測量速度較快，能夠適用於各種組合樣品。專利(申請)號99239334.599116801.1氣液兩相流量與組分的測量，也叫氣液兩相流的雙參數測量，是氣液兩相流測試領域內的關鍵技術之一。本裝置結構簡單，外形與目前使用的單相流體積流量計相同，無任何附帶裝置，微形傳感器安置在渦街發生體內，僅用一個測量元件，就可實現氣(汽)液兩相流流量與組分的雙參數測量，可將兩相含量同時顯示。此外，該裝置還可進行單相流質量流量的測量。這是一種獨創的新型儀表。該裝置具有許多單相流渦街流量計的優點，如，壽命長、無可動部件、節能、不易堵塞、結構緊湊、精度高、直接輸出電信號、信號易於處理並可遠距離。CN98233637.3全自動多參數臨床檢驗分析儀能同時測量血液中鉀、鈉、氯、鈣、碳酸氫鹽、pH六種參數全自動臨床檢驗分析儀包括液體分配組件(3、4、5)、分別與液流分配組件(3、4、5)的一個埠連接的離子選擇電極組合組件(6)及反應池(11)，所述反應池(11)還接有反應液。加入裝置的流量，溫度控制則往往因為工作和要求的不同而有不同的設計。分析儀器則不附加該項功能。給現場使用與配合帶來不便。上述儀器無法用於在線的控制。CN03147979.0一種多柱並行氣相色譜分析煉廠氣組成的方法，包括如下將樣品氣通入具有四個並行色譜柱A～D、且各色譜柱均有獨立的進樣口和檢測器的氣相色譜中進行檢測，色譜柱A檢測樣品氣中的氧氣、氮氣、甲烷和/或一氧化碳，色譜柱B檢測二氧化碳、乙烯、乙烷和/或硫化氫，色譜柱C檢測C#-[3]～C#-[4]的烴類和C#-[5]烷烴，色譜柱D檢測樣品氣中所有組分，通過各色譜柱組分的響應值計算得到其在關聯色譜柱D中的響應值，歸一計算得到各組分含量。
在線分析儀器的工作條件要求對過程樣品必須進行預處理。而預處理裝置的流量，溫度控制則往往因為工作和要求的不同而有不同的設計。分析儀器則不附加該項功能。給現場使用與配合帶來不便。在線分析儀器的工作條件要求對過程樣品必須進行預處理。而預處理裝置的流量，溫度控制則往往因為工作和要求的不同而有不同的設計。分析儀器則不附加該項功能。給現場使用與配合帶來不便。
發明內容
本發明的目的是為從根本上解決上述問題，為廣大成分分析用戶提供一種多組分、可靈活組合的在線分析儀器，改變目前國內一種分析儀器只能分析一種或少數幾種物質的現狀，使用戶可以通過自由組合相應檢測器來實現在同一臺分析儀上靈活分析多組不同的物質成分。同時將樣氣預處理和分析儀器整合為一體，方便了用戶使用。並為用戶提供中英文界面。本發明的目的還在於可以將實時的組分分析結果直接用於過程計算機控制系統。
本發明的上述目的是這樣實現的組合式多組分分析儀由單片機系統、分析樣品流路與樣品檢測系統兩部分組成。分析樣品流路與樣品檢測系統中，前後排列的每個檢測器均設有管路與閥門，並與樣品送樣流路相連接，前後檢測器管路構成串聯或並聯連接。
並聯連接時，此流路檢測完畢，則排空這條流路的樣品，關閉此流路。串聯方式在前的每個檢測器之後設有管路和閥門連接至在後的檢測器的輸入管路；各個檢測器向單片機輸入埠輸出統一標準的電信號，供單片機系統進行處理；單片機系統的輸出接口連接管路上閥門的控制端，控制閥門的開或斷；單片機或微處理器由提供信號轉換、分析流路切換、數據存儲與傳輸，分析結果顯示、樣氣預處理控制信號等功能。
各個檢測器向單片機輸入埠輸出統一標準的電信號，供單片機系統進行處理。單片機系統通過分時開啟相應流路的閥門來檢驗特定的物質成分。當檢測器為並聯時，此流路檢測完畢，則排空這條流路的樣品，關閉此流路。同時開啟下一條流路，使用其他種類的檢測器來檢測樣品。當檢測器為串連時，檢測樣氣依次流過各個檢測器。由於各個檢測器是相互獨立的，各檢測器輸出的是標準的電信號，所以可以在同一臺分析儀器種根據需要選擇不同的檢測器，對多流路的樣品進行分析。
單片機系統的輸出接口連接管路上閥門的控制端，控制閥門的開或斷，對單片機系統的控制方法為由計算機通過「RS232(RS485)」通訊接口進行控制。單片機或微處理器由提供信號轉換、分析流路切換、數據存儲與傳輸功能，分析結果顯示、樣氣預處理控制等功能。本發明提供的檢測器對紅外、電化學、熱導、差熱、順磁等等多種系列分析檢測器的組合。可用於氣體分析，亦可以用於液體的電化學分析，尤其是自動在線的氣體組合參數分析，如在線多參數分析。
管路上可設有流量調節裝置採用電動調節閥或質量流量控制器。管路上設有過濾和乾燥處理器對樣氣進行處理，以消除粉塵和水分。向檢測流路提供一定溫度，流量的樣氣。
流量的控制是基於流量傳感器信號(如採用超聲流量計或電子表式流量計)，經過A/D轉換後，送入單片機。單片機根據實際流量的大小來控制電動調節器或質量流量控制器控制流量。本發明提供對紅外、電化學、熱導、差熱、順磁等等多種系列分析檢測器的組合。
組合式多組分分析儀由單片機系統、分析樣品流路與樣品檢測系統兩部分組成。單片機系統由提供信號轉換、分析流路切換、數據存儲與傳輸功能，分析結果顯示、樣氣預處理控制等功能。分析樣品流路與樣品檢測系統，將分析樣品根據用戶配置要求組合成或並行或串行的檢測器組合。各個檢測器向單片機輸出統一標準的電信號，供單片機系統進行處理。單片機系統通過分時開啟相應流路的閥門來檢驗特定的物質成分。當檢測器為並聯時，此流路檢測完畢，則排空這條流路的樣品，關閉此流路。同時開啟下一條流路，使用其他種類的檢測器來檢測樣品。當檢測器為串連時，檢測樣氣依次流過各個檢測器。由於各個檢測器是相互獨立的，各檢測器輸出的是標準的電信號，所以可以在同一臺分析儀器種根據需要選擇不同的檢測器，對多流路的樣品進行分析。
本發明的特點是給廣大成分分析用戶提供一種多組分、可靈活組合的分析儀器，改變目前國內一種分析儀器只能分析一種或少數幾種物質的現狀，使用戶可以通過自由組合相應檢測器來實現在同一臺分析儀上靈活分析多組不同的物質成分。將樣氣預處理和分析儀器整合為一體，方便了用戶使用。並為用戶提供中英文界面。本發明可以將儀器用於在線控制。主要應用醫藥、工業、過程控制、實驗室、OEM、洩漏測試。
四
圖1本發明組合式多組分分析儀結構原理2本發明儀器信號流程圖3本發明閥門控制電路圖4本發明預處理部分原理5本發明主程序流程6本發明第N個檢測器的檢測程序流程圖五具體實施方式
(一)、基本結構參照圖1，圖2。待分析的樣氣先經過預處理裝置，提供符合檢測器要求的樣氣。樣氣經過由各個閥門控制的流路控制系統進入各個檢測器中。檢測器的信號先經過A/D轉換為數位訊號。數位訊號進入單片機後，軟體根據信號來源的通道和檢測器類型，調用相應的函數，計算輸出對應物質成分的含量。
(二)、預處理部分該部分如圖4所示。預處理裝置的目的在於向檢測器提供乾淨的具有一定流量和溫度的樣氣。樣氣進入系統後，採用過濾和乾燥的方法對樣氣進行處理，以消除粉塵和水分。向檢測流路提供一定溫度，流量的樣氣。為此採用可控矽整流橋供電的加熱其和熱電偶測溫的結構實現對溫度的控制。熱電偶經溫度補償後，輸入A/D轉換器，把模擬信號轉變為數位訊號，送入單片機，與設定溫度比較，由單片機根據溫度偏差的高低產生不同脈衝寬度的PWM信號。此信號接到整流橋的觸發端上，從而控制整流橋對加熱器的供電電壓，以達到控制樣氣溫度的目的。
流量的控制是基於流量傳感器信號經過A/D轉換後，送入單片機。單片機根據實際流量的大小來控制電動調節器的開度，控制流量的大小。
(三)、檢測器系統組合圖1中「閥門n_0」(n＝1，2，3…)表示用於並聯各個檢測器的閥門。「閥門n_1」(n＝1，2，3…)表示第n個檢測器檢測後的排空閥門。「閥門n-1_n」(n＝2，3，4…)表示連接第n-1個檢測器流路和第n個檢測器的閥門。
本發明不但可以實現在同一臺分析儀器上自由組合各種類型的檢測器，而且各個檢測器之間還可以隨意組合為或並聯或串聯的形式。當圖1中各檢測器採用並聯方式時。通過單片機控制來關閉「閥門n-1_n」。當採用串聯方式分析時，打開第一個要分析的檢測器前的閥門n，關閉其他檢測器前的閥門n，打開各個要串聯的分析檢測器間的「閥門n-1_n」，關閉各檢測器的排空閥門「閥門n_1」。例如。要組成檢測器1與檢測器2以串聯方式連接，這兩個檢測器串聯後與檢測器成並聯關係。則各閥門的在檢測開始後為閥門1_0，閥門3_0，f閥門1_2開啟，閥門2_3關閉，分析開始時各排空法關閉，分析結束後，各排空閥門打開，排空餘氣。
由於各個閥門是由單片機控制的，所以整個分析儀的檢測器連接方式可以動態的由單片機來改變，從而由極大的靈活的性。主要應用醫藥、工業、過程控制、實驗室、環境保護、洩漏測試。由於各個檢測器向單片機提供的信號是統一的標準電信號。所以不論是何種類型的檢測器，只要其輸出的電信號符合要求，就可以接入本系統中，從而實現了檢測器類型的靈活組合。
(四)、閥門或質量流量控制器的控制流路閥門的控制如圖3所示。單片機按程序指令發出控制信號，經過解碼電路解碼，向特定的光電耦合器置高電平，光電耦合器導通打開指定流路的閥門。若光電耦合器沒有得到相應信號，則對應閥門為關。圖1、3為閥門控制電路。
又如採用Alicat質量流量計/控制器，其中內置16位模/數轉換器和8位微控制器，流量計響應時間可達10ms，控制器響應時間為100ms，能夠用於更加精確的計量和控制可同時提供質量流量、溫度和壓力數據輸出，便於綜合的計量和控制可選擇計量和控制13種氣體介質設備內置了13種氣體的校驗數據，常用的13種氣體為Air(空氣)、Argon(氬)、Methane(甲烷)、CO(一氧化碳)、CO(二氧化碳)、Ethane、H2(氫)、Helium(氦)、N2(氮)、N2O(一氧化氮)、Neon(氖)、Oxygen(氧)、Propane(丙烷)，多種輸入/輸出方式RS-232、0-5V、0-10V、4-20mA可選，接口靈活，其中RS-232為標準配置輸出；可選兩路模擬輸出。比如RS-232輸出為質量流量，第一路模擬輸出0-5V為壓力，二路模擬輸出4-20mA為溫度。
可以用RS-232(485)數據接口，便於和計算機及PLC相連，一臺PLC或計算機可同時顯示或控制26臺質量流量控制器(流量計)動態數字顯示，大屏幕LCD可顯示質量流量、體積、溫度、壓力參數設備設置和操作簡單。
液體樣品用Alicat液體流量計和控制器L/LC系列L和LC系列流量計和控制器利用兩個已研究透徹的氣體物理屬性壓力和粘性來測量流量。通過層狀流量單元的差壓測量來計算流量，這種測量方式具有固有的線性。從而得到比典型100∶1更好的量程比。
Alicat氣體質量流量計和體積流量計MV系列M系列「非熱式」質量流量計M系列「非熱式」質量流量計在層狀流量區域採用離散的差壓、絕壓和溫度傳感器測量來計算質量流量，計算結果是標準狀態(1個大氣壓25℃)下的結果。由於不存在「熱線圈」漂移，M系列突破了熱式質量流量技術的限制，它的響應時間可以從10ms起調整。動態顯示屏同時顯示質量流量、體積流量、溫度和絕壓，通過按鍵，用戶可以選擇主顯示方式和所測的氣體(13種氣體可選)，調節流量計響應時間、流量計流量清零等。
Alicat氣體質量流量和體積流量控制器MC/VC Alicat層狀流量控制器採用了一個比例閥與流量計部分相連。測量是在流量計的層狀區域進行的，一體化的PID控制器按照用戶的可編程設定點定位閥門。可以接收0-5V的控制設定點信號，還能接受RS-232、0-10VDC或4-20mA控制輸入信號。控制器能配置為單路或雙路信號輸出(與設定點點壓無關)，氣體量程從0.5CCM滿量程到1000LPM+滿量程，相應時間100ms。有了RS-232數字連接，不僅所有的過程參數可同時獲得，還具有遠程設置點能力。在並行連接中，最多26臺設備能被單獨尋址和控制。
(五)、軟體系統軟體上，採用如圖4所示的分時掃描各個流路的方法。對於單個流路來說，在分析前，需按圖5所示，先關閉其他流路的閥門，以確保各個流路間不會相互幹擾。然後開啟本流路的閥門，進行分析檢驗。檢測器分析樣品後，向單片機輸出標準的電信號，經過AD轉換數字濾波，根據該流路所使用檢測器的類型來確定計算方法，求出相應的成分含量。
權利要求
1.組合式多組分分析儀，其特徵是由單片機系統、分析樣品流路與樣品檢測系統兩部分組成；分析樣品流路與樣品檢測系統中，前後排列的每個檢測器均設有管路與閥門，並與樣品送樣流路相連接，前後檢測器管路構成串聯或並聯連接；各個檢測器向單片機輸入埠輸出統一標準的電信號，供單片機系統進行處理；單片機系統的輸出接口連接管路上閥門的控制端，控制閥門的開或斷；單片機或微處理器提供信號轉換、分析流路切換、數據存儲與傳輸，分析結果顯示、樣氣預處理控制信號。
2.由權利要求1所述的組合式多組分分析儀，其特徵是前後檢測器管路構成串聯方式的結構如下在前的每個檢測器之後設有管路和閥門連接至在後的檢測器的輸入管路；管路上設有過濾和乾燥處理器。
3.由權利要求1所述的組合式多組分分析儀，其特徵是管路上設有流量調節裝置採用電動調節閥或質量流量控制器。
4.由權利要求1所述的組合式多組分分析儀，其特徵是單片機系統的控制方法為由計算機通過RS232或RS485通訊接口進行控制。
全文摘要
組合式多組分分析儀，由單片機系統、分析樣品流路與樣品檢測系統兩部分組成；分析樣品流路與樣品檢測系統中，前後排列的每個檢測器均設有管路與閥門，並與樣品送樣流路相連接，前後檢測器管路構成串聯或並聯連接，各個檢測器向單片機輸入埠輸出統一標準的電信號，供單片機系統進行處理；單片機系統的輸出接口連接管路上閥門的控制端，控制閥門的開或斷；單片機或微處理器由提供信號轉換、分析流路切換、數據存儲與傳輸功能，分析結果顯示、樣氣預處理控制等功能。本發明提供一種多組分、可靈活組合的分析儀器，改變目前國內一種分析儀器只能分析一種或少數幾種物質的現狀。
文檔編號G05B19/00GK1715927SQ20051004034
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月1日 優先權日2005年6月1日
發明者程明霄, 高喜奎, 李明, 徐淮明 申請人:南京工業大學, 南京南分分析儀器有限責任公司