工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法
2023-05-22 14:15:26
專利名稱：工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法
技術領域：
本發明屬於一種對工業色譜儀的譜峰信號的處理方法，具體來說涉及一種對色譜的譜峰信號量程切換點信號平滑處理及基線自動調零方法，可在量程切換過程中，使譜峰曲線不發生畸變的數位訊號處理系統。
背景技術：
石油、化工、鋼鐵等工業是一個國家的命脈。它不僅對整個國民經濟起著支撐作用，而且對一個國家的國防實力的提升都有著重要意義。而工業色譜儀就是廣泛應用於這些行業的一種大型過程分析儀器。用於在線分析工業生產過程中氣、液態流程樣品的組成成份及其含量。其分析結果用於過程計算機控制系統的直接質量檢測。工業色譜儀長期穩定的信號精確處理能力直接關係到色譜儀的性能，關係到工業生產過程的產品質量控制。
因此，色譜信號的處理部分是色譜儀中的一個極其重要的環節。通常工業色譜儀的色譜信號如圖1所示，譜圖的出峰時間，結束時間，以及譜峰的面積對識別組分種類及其含量有重要的意義。
由於不同組分物質的譜峰信號高度可能相差很大，同一組分的譜峰在不同時刻的高度也相差很多。使用固定量程放大器在分析精度和分析結果的準確性和重複性方面難以保證。
這就要求在對色譜信號進行放大處理時，不能單純的用同一量程採集色譜信號，而是根據色譜信號的大小，針對不同情況更改程控放大器放大倍數，實現量程的自動切換。從而將色譜信號變換到採樣單元能精確採集數據的量程範圍內。將採集到的數字量信號在譜圖的數據處理中，除以程控放大器的放大倍數就可以得到原始信號的譜圖，從而實現譜峰數據的歸一化，並計算分析組分的含量。但是由於生產的器件參數的分散性，程控放大器的放大倍數常常並不十分準確，這樣在程控放大器不同放大倍數的切換點上，就會使歸一化後的譜圖產生突變、毛刺等缺陷，情況嚴重時會出現如圖2所示的殘缺譜圖。這種情況下，工業色譜儀就無法正確識別組分種類。同時工業色譜儀要根據歸一化後譜圖的峰高和峰面積來進行組分含量的計算。由於程控放大器放大倍數不準確，也可能造成歸一化後的譜峰曲線畸變，導致峰面積不準確，影響色譜儀的分析精度。因此必須要實現在程控放大器不同放大量程下譜圖的平滑過渡與非畸變切換。
為此，傳統的做法是如專利03219245.2那樣在程控放大器後加入低通濾波器，來對譜信號進行整形，但是這樣會引入誤差，而且，對於保留時間短的信號，可能會被低通濾波器濾除，從而造成信號丟失。
此外，一臺調校準確的色譜儀的譜峰信號應該如圖1所示，其譜的基線應該在零點。然而由於儀器使用環境存在幹擾，或者長時間使用中儀器性能變化，會使色譜信號會離開零點，向上或向下漂移。圖2中就是基線向上漂移的情況。基線漂移不僅影響譜峰數據的計算而且對不同量程下譜峰曲線的歸一化整合有影響。
工業色譜儀由於是長期在線運行，基線漂移不可避免，也無法採用手工調零。因此必須在分析周期中對基線漂移進行自動調零。
發明內容
本發明目的是為了提高色譜信號採集的精度，實現譜圖信號在自動量程下不同放大倍數譜峰曲線的無畸變轉換和切換點的平滑過渡，且利用同一種模擬/數字轉換單元來採集色譜信號完成上述任務，本發明的目的還於自動消除基線偏移的誤差。
本發明的技術解決方案是色譜的譜峰曲線在量程切換下信號無畸變平滑處理及自動基線調零的實現方法。即為工業色譜儀採用對分析檢測信號的雙重採樣系統。在很短的時間內對未經過程控放大器放大的一次信號和經過程控放大器放大的二次信號多次重複採樣，並求取平均值。以二次信號平均值除以一次信號平均值就得到了真實的程控放大倍數。而後處理器用此二次信號除以真實放大倍數，從而將不同程控放大器量程下的數據歸一整合，實現將原始信號較為精確的還原。
本發明自動消除基線偏移的誤差的方法是採樣器在沒有色譜信號時採集原始信號中的基線電平，當有基線信號即基線不為零時，取該漂移值的負值經數字/模擬轉換後反饋到程控放大器的輸入端，使採集到的數據實現基線自動調零。
本發明的機理是由概率論可以知道，任何採樣系統的多次測量值總是圍繞真實值上下波動，而且在測量誤差相對較小的情況下，測量值的平均值將隨著採樣次數的增加而逼近真實值。
工業色譜儀的譜峰信號是一種緩慢變化的信號。所以可以用上述過採樣的方法採集信號。
因為二次信號經過放大，採樣系統可以採集到比一次信號有更多有效數字的信號數據。因此在此發明中不是直接採用一次信號的平均值作為信號的真實值，而是採用二次信號通過除真實放大倍數的方法獲得信號真實值。用於克服程控放大器電路放大參數的波動。
採樣器在沒有組分信號時採集原始信號中的基線電平，當發現基線不為零時，處理器就對採集到的漂移數據進行累加計算，取該漂移值的負值經數字/模擬轉換後反饋到程控放大器的輸入端，使採集到的數據實現基線自動調零。由於採用了上述方案，本發明有以下優點。
1、信號曲線平滑，基線自動調零，使信號處理精度高，誤差小。
2、本發明對程控放大器和採樣單元的精度要求不高，所以使系統結構簡單，價格低廉。
3、由於具有基線自動調零功能，所以取消了手動調零裝置，簡化了系統，可使整個色譜儀長期運行更加穩定，維護更加方便。
本發明雖然是針對處理工業色譜儀譜峰信號處理設計的，但是這種信號處理方法也可以應用於其他處理類似信號的系統中，具有一定的通用性。
圖1是正常的信號譜2是基線向上漂移，有缺陷的譜3是工業色譜儀系統結構4是本發明信號處理流程5是本發明基線調零流程圖在圖3中Kf是反饋通道的比例係數。
①為原始色譜信號用X表示。
②為校正信號，用F表示③為一次信號，用S1表示。S1為在極短時間段中多次採樣一次信號的平均值。
④為經過程控放大器放大的「二次信號」，用S2表示。S2表示在極短時間段中多次採樣二次信號的平均值。
⑤為處理器輸出的真實色譜信號，用Y表示。
具體實施例方式
本發明可以參照圖3，按如下方法實施。
來自分析檢測器的原始信號經過基線調零後，形成一次信號。一次信號一路經過模擬/數字轉換將數位化的信息送入處理器中。此處的控制器可以根據對信號處理的要求採用單片機、計算機以及具有運算和控制功能的其他部件。另一路一次信號先送入程控放大器中。程控放大器根據信號大小，將其按設定放大倍數放大為二次信號。二次信號經過模擬/數字轉換也送入處理器中。處理器按圖4所示，對信號進行處理取得真實的色譜信號。
具體而言原始信號中如果沒有色譜信號，則此時圖3中的S2則為被放大的基線信號電平。正常要求此電平值為0。因此按如圖5所示方法，將採集到的二次信號在處理器中取反後並除以程控放大器放大倍數後經圖3中的D/A轉換為模擬的校正信號F，經過反饋比例係數Kf的調整，疊加到原始信號上，形成新的一次信號S1。將S2作為檢驗基線是否已經調至零點的信號。如果此信號為0，則表明，基線已經調到零點了，否則就繼續調整校正信號的大小，直到合成的信號為0才停止。由於在此環節中程控放大器的放大倍數K還沒有被校準，因此將程控放大器放在閉環負反饋中，通過多次調整校正信號F的值，來解決放大倍數不精確的問題，實現基線自動調零。
基線調零需要在原始信號中沒有組分峰信息時進行。這可以通過測量信號斜率大小來確定原始信號中是否包含色譜信息。也可以利用每個色譜分析周期前後無組分峰信息的時間來進行自動調零。
原始信號經過基線調零就可以按圖4所示方法進行量程切換點信號的平滑處理當經過基線調零的信號中出現了色譜信息後，在一個很短的時間段中對一次，二次信號連續大量採樣，並求取平均值S1，S2。用二次信號平均值S2除一次信號平均值S1，得到程控放大器的真實放大倍數K。二次信號S2除這個放大倍數k就得到了色譜信號的真實值Y。
以上實施方法的一個實例可以如下程控放大器採用PGA204型，處理器採用PC104結構的SUM/Super DX。數據採集用的A/D採用DMM-16-AT型。它的參考電壓為+5V。D/A採用RUBY-MM。亦參考圖3的硬體，具體如下16位A/D轉換器DMM-16-AT採集的到一次信號如果低於0.005V則程控放大器PGA204採用×1000放大倍數，一次信號在0.005～0.05V範圍內的程控放大器採用×100放大倍數，一次信號在0.05～0.5V的程控放大器採用×10放大倍數。一次信號在0.5～5V的程控放大器採用×1放大倍數。同時，A/D模塊DMM-16-AT在40ms時間內對一，二次信號均勻採樣80次，並作移動平均。亦可以在10～20ms時間內對一，二次信號均勻採樣20～40次，與運算器的運算速度和處理能力有關。根據一，二次信號的平均值，求取實際程控放大器放大倍數，如圖4所示對色譜信號進行處理。
其中基線調零採用每個分析周期開始前的沒有組分信號的時段內對信號進行採樣，按圖5所示進行基線調零。其中的模擬量經過模擬量輸出模塊(數字/模擬轉換)RUBY-MM與1次信號進行疊加。按2～30分鐘為一個工業色譜分析周期，基線調零在每個分析周期的前10ms進行自動調零。如果本次基線調零在此次分析周期內沒有調到零點，則在下一個周期內繼續調零。如果連續4個分析周期中都沒有實現基線調零，則表示系統出現故障，停機報警。
權利要求
1.工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是由色譜儀運算器執行下述處理，在短時間內對未經過程控放大器放大的一次信號和經過程控放大器放大的二次信號多次採樣，並求取平均值；二次信號平均值除以一次信號平均值就得到了真實的程控放大倍數；而後運算器用此二次信號除以真實放大倍數，還原原始信號。
2.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是採樣器在沒有色譜信號時採集原始信號中的基線電平，當有基線信號即基線不為零時，取該漂移值的負值經數字/模擬轉換後反饋到程控放大器的輸入端，使採集到的數據實現基線自動調零。
3.由權利要求1或2所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是基線調零後原始信號變成一次信號；一路一次信號經過數字/模擬轉換將數位化的信號送入處理器中；另一路一次信號先送入程控放大器中，程控放大器根據信號大小，將其按一定放大倍數放大為二次信號；二次信號經過數字/模擬轉換也送入處理器中。
4.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是原始信號中如果沒有色譜信號，將採集到的二次信號在處理器中取反後並除以程控放大器放大倍數後經D/A轉換為模擬的校正信號F，疊加到原始信號上，形成新的一次信號S1。
5.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是將被放大的基線信號電平S2作為檢驗基線是否已經調至零點的信號，如果此信號為0，則基線已經調到零點，否則就繼續調整校正信號的大小，直到合成的信號為0才停止。
6.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是此將程控放大器放在閉環負反饋中，通過多次調整校正信號F的值，來解決放大倍數不精確的問題，實現基線自動調零。
7.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是在10～40ms時間內對一，二次信號均勻採樣20～80次，並作移動平均。
8.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是按2～30分鐘為一個工業色譜分析周期，基線調零在每個分析周期的前10ms進行自動調零。
9.由權利要求1所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是將採集到的二次信號在處理器中取反後並除以程控放大器放大倍數後經D/A轉換為模擬的校正信號F，經過反饋比例係數Kf的調整，疊加到原始信號上，形成新的一次信號S1。
10.由權利要求5或9所述的工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，其特徵是基線不是零點就繼續調整校正信號的大小，直到合成的信號為0才停止；而且將程控放大器放在閉環負反饋中，通過多次調整校正信號F的值，來解決放大倍數不精確的問題，實現基線自動調零。
全文摘要
工業色譜儀譜峰信號量程切換點信號平滑處理方法，由色譜儀運算器執行下述處理，在短時間內對未經過程控放大器放大的一次信號和經過程控放大器放大的二次信號多次採樣，並求取平均值；二次信號平均值除以一次信號平均值就得到了真實的程控放大倍數；而後運算器用此二次信號除以真實放大倍數，還原原始信號。本發明採用二次信號通過除真實放大倍數的方法獲得信號真實值。用於克服程控放大器電路放大參數的波動。採樣器在沒有組分信號時採集原始信號中的基線電平，當發現基線不為零時，處理器就對採集到的漂移數據進行累加計算，取該漂移值的負值經數字/模擬轉換後反饋到程控放大器的輸入端，實現基線自動調零。
文檔編號G06F17/00GK1815220SQ20061003797
公開日2006年8月9日 申請日期2006年1月24日 優先權日2006年1月24日
發明者程明霄, 高喜奎 申請人:南京工業大學, 南京分析儀器廠有限公司