專利名稱：嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種測(cè)量混合物組分含量的智能在線分析儀器的測(cè)量分析控制系統(tǒng)，尤其涉及一種工業(yè)氣相色譜儀的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油、化工、鋼鐵等工業(yè)是一個(gè)國(guó)家的命脈。它不僅對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)起著支撐作用，而且對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)防實(shí)力的提升都有著重要意義。而工業(yè)色譜儀就是廣泛應(yīng)用于這些行業(yè)的一種大型流程分析儀器。工業(yè)色譜儀用于在線分析工業(yè)生產(chǎn)過程中氣、液態(tài)流程樣品的組成成份及其含量。其分析結(jié)果用于過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的直接質(zhì)量檢測(cè)。由于工業(yè)色譜儀所應(yīng)用的場(chǎng)所多為高溫、高壓、劇毒的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。因此工業(yè)色譜儀不僅僅關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量控制，也關(guān)系到人身、設(shè)備的安全。
工業(yè)色譜儀作為大型精密分析儀器，反映了一個(gè)國(guó)家在過程檢測(cè)儀器領(lǐng)域的性能和水平。目前，美國(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均有自己的系列產(chǎn)品，如美國(guó)的ABB，AA公司，德國(guó)的西門子公司、日本橫河公司等。
我國(guó)在工業(yè)色譜儀的研制和生產(chǎn)方面起步并不晚，1964年開始生產(chǎn)。80年代初，南京分析儀器廠即生產(chǎn)了CX-2B工業(yè)色譜儀，化工部蘭州自動(dòng)化所也生產(chǎn)了HZ31系列工業(yè)色譜儀。改革開放以來，通過技術(shù)引進(jìn)，南京分析儀器廠采用了貝克曼公司技術(shù)，生產(chǎn)了CX-6710和具有微處理機(jī)的CX6800工業(yè)色譜儀，并在國(guó)內(nèi)占有一定市場(chǎng)。但90年代以來，國(guó)外在計(jì)算機(jī)浪潮的推動(dòng)下工業(yè)色譜儀智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為趨勢(shì)時(shí)，國(guó)內(nèi)工業(yè)色譜儀的研究和生產(chǎn)卻步入低潮。國(guó)外高性能儀器的涌入，使國(guó)產(chǎn)工業(yè)色譜儀幾乎失去了全部的市場(chǎng)。除了政策因素等大環(huán)境影響，沒有實(shí)現(xiàn)儀器的計(jì)算機(jī)化使重要原因。因?yàn)檫^程控制中DCS及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)工業(yè)在線分析提出了網(wǎng)絡(luò)通信和智能化、數(shù)字化的要求。而國(guó)產(chǎn)分析儀器在這方面明顯落后。目前，國(guó)內(nèi)有20余家工業(yè)色譜儀生產(chǎn)廠家，但大部分為低端產(chǎn)品。高性能分析儀器特別是工業(yè)色譜儀這樣的大型儀器基本上是國(guó)外一統(tǒng)天下。
目前我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域均使用數(shù)量眾多的工業(yè)色譜儀。在石油，化工等企業(yè)中，特別是在成套進(jìn)口的大型過程設(shè)備中，購進(jìn)了較大數(shù)量的國(guó)外工業(yè)色譜儀，如西門子的PGC，橫河的GC等，其智能化、網(wǎng)絡(luò)化的高性能分析檢測(cè)為過程控制的DCS系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)在線的可靠質(zhì)量目標(biāo)參數(shù)，促進(jìn)了控制性能的提高。但多年的使用，也顯現(xiàn)出其許多不足。其一是儀器的維護(hù)和維修不便。由于儀器生產(chǎn)均在國(guó)外，使用中零部件的損壞及更換依賴國(guó)外生產(chǎn)商。超過一年保修期的維修及上門服務(wù)的費(fèi)用支出巨大，造成進(jìn)口工業(yè)色譜儀的開工率不高。其二，工業(yè)色譜儀是高價(jià)格科學(xué)儀器，功能相對(duì)復(fù)雜，其操作和維護(hù)保養(yǎng)要求較高。而國(guó)外此類儀器均采用英文等外文界面，操作和使用均適用于國(guó)外用戶的使用習(xí)慣，這給國(guó)內(nèi)用戶帶來不便。且工業(yè)色譜儀是在線長(zhǎng)期運(yùn)行使用，而在運(yùn)行期間很難對(duì)儀器進(jìn)行較全面的操作練習(xí)和了解，全面掌握和技術(shù)培訓(xùn)由于文化差異等眾多因素很難做到。這就造成儀器不能充分發(fā)揮其性能等所謂“水土不服”的問題。其三，國(guó)外儀器的高價(jià)位。其中檔工業(yè)色譜儀，我國(guó)的購進(jìn)價(jià)基本在40萬人民幣左右。高性能工業(yè)色譜儀單價(jià)在80萬左右，甚至更高。這其中確實(shí)有大型精密儀器的價(jià)值因素，但也不可否認(rèn)有某些“價(jià)格歧視”的成份。而其上門服務(wù)費(fèi)用和零部件價(jià)格高也與此有關(guān)。關(guān)鍵在于國(guó)內(nèi)沒有同類型高性能產(chǎn)品可以替代或與之競(jìng)爭(zhēng)。如CN03130858離子色譜儀信號(hào)采集與處理裝置所述。
在測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品目前基本上均采用了雙機(jī)結(jié)構(gòu)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由與儀器一體化的嵌入式系統(tǒng)，擔(dān)當(dāng)儀器在線運(yùn)行操作控制和檢測(cè)器信號(hào)處理、數(shù)字化處理，當(dāng)前譜峰識(shí)別和組分峰結(jié)果計(jì)算、故障檢測(cè)、樣品自動(dòng)標(biāo)定等功能；而組分參數(shù)、譜峰識(shí)別參數(shù)及智能化的自整定、時(shí)間事件設(shè)置、BASIC程序編輯、歷史譜圖顯示和重識(shí)別處理均由外接個(gè)人計(jì)算機(jī)(即色譜工作站)完成。其工作流程基本上為在外接個(gè)人計(jì)算機(jī)上完成對(duì)工業(yè)色譜儀在線下各種參數(shù)操作過程，譜峰識(shí)別參數(shù)及分析處理方法設(shè)計(jì)等工作，然而下載到工業(yè)色譜儀的嵌入式系統(tǒng)中，由嵌入式系統(tǒng)按設(shè)定參數(shù)和操作過程執(zhí)行在線下的各項(xiàng)工作。即通常稱的“雙機(jī)方式”。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)在于可借助PC機(jī)上的色譜工作站軟件系統(tǒng)對(duì)在線下的現(xiàn)場(chǎng)譜圖進(jìn)行較為全面的譜峰識(shí)別和譜圖數(shù)據(jù)處理，為在運(yùn)行下確定最后參數(shù)。西門子2002年推出MAXUM系列，AA公司推出的新產(chǎn)品均采用上述結(jié)構(gòu)，嵌入儀器的測(cè)控系統(tǒng)均采用32位功能芯片，與外接PC通過RS232或RS485串口信息傳輸、完全一體化的工業(yè)色譜儀，其技術(shù)難點(diǎn)在于將色譜工作站技術(shù)直接用于嵌入式系統(tǒng)，將極大增加系統(tǒng)的難度。
目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)色譜儀生產(chǎn)廠家有4、5家。在測(cè)控系統(tǒng)方面一種是采用了雙機(jī)模式。另一種外接PC機(jī)，通過擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和譜圖處理。由于考慮到防爆的要求，工業(yè)色譜儀通常使用在可能有危險(xiǎn)氣體的環(huán)境，雙機(jī)結(jié)構(gòu)通過長(zhǎng)線連接色譜儀和色譜工作站，這在易燃易爆工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用顯然不安全，也不利于抗干擾。同時(shí)，由于色譜工作站往往不防爆，需要遠(yuǎn)離處于可能有危險(xiǎn)氣體環(huán)境中的色譜儀。所以雙機(jī)結(jié)構(gòu)，即不利于設(shè)備的調(diào)試，也不利于操作。
從測(cè)控系統(tǒng)核心處理器上看，目前廣泛采用功能芯片作為工業(yè)色譜儀的操作控制、分析及信號(hào)處理核心器件。該系列具有良好的嵌入特性，抗震、抗干擾、散熱等性能較好，且硬件成本較低，在單通道單檢測(cè)器工業(yè)色譜儀的測(cè)控系統(tǒng)中有著較多的應(yīng)用。但隨著工業(yè)色譜儀性能的提高，適用領(lǐng)域的擴(kuò)展，特別是對(duì)于高性能的雙爐多檢測(cè)器工業(yè)色譜儀，在分析方法、數(shù)據(jù)處理上大量采用色譜工作站技術(shù)，使得軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算的算法復(fù)雜，運(yùn)算占用大量機(jī)時(shí)，同時(shí)信息存儲(chǔ)量的要求也越來越大，這對(duì)于此類嵌入式系統(tǒng)則顯得力不從心。且硬件升級(jí)困難，不利于產(chǎn)品的系列化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，解決現(xiàn)有雙機(jī)結(jié)構(gòu)在防爆安全性，抗干擾性，操作性等方面的問題，克服采用單片機(jī)作為測(cè)控核心部件所帶來的在產(chǎn)品升級(jí)，設(shè)計(jì)上的困難。采用嵌入式PC104總線模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)色譜儀的控制、分析一體化，使所有對(duì)色譜儀的操作和參數(shù)設(shè)定，都能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，避免由于長(zhǎng)線傳輸所可能引入的干擾；同時(shí)，因?yàn)楸景l(fā)明設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸出通道，在需要的情況下，仍可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)工作形式，向外接PC傳送譜峰數(shù)字信號(hào)。改變我國(guó)高性能工業(yè)色譜儀長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀、使本發(fā)明的高性能的雙爐多檢測(cè)器工業(yè)色譜儀在分析方法、數(shù)據(jù)處理上滿足國(guó)內(nèi)工業(yè)過程和環(huán)境保護(hù)的需求，容易進(jìn)行硬件升級(jí)和產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)。
本發(fā)明目的還在于通過對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的改進(jìn)在不增加硬件資源的條件下，方便地實(shí)現(xiàn)多種分析需求下的系統(tǒng)重組和分析系統(tǒng)流路重構(gòu)，提高儀器的性能和使用范圍。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是包括溫度檢測(cè)與放大電路、采用ISA總線兼容的PC104模塊，PC104模塊由CPU、存儲(chǔ)器、總線電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)卡、顯卡、鍵盤接口、時(shí)鐘、I/O接口電路和高速通用異步收發(fā)器(URAT)接口電路、模擬輸入輸出口構(gòu)成，通過高速通用異步收發(fā)器(URAT)連接上位計(jì)算機(jī)、溫度檢測(cè)與放大電路連接A/D電路后并連接PC104上的模擬輸入口，PC104上的模擬輸出口通過D/A轉(zhuǎn)換電路輸出連接器，根據(jù)PC104計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)溫度控制和譜峰識(shí)別，并將分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模擬信號(hào)，PC104上集成的網(wǎng)卡也可實(shí)現(xiàn)儀器間及儀器與DCS系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。I/O接口電路是數(shù)字量開關(guān)量I/O擴(kuò)展模塊，其輸出對(duì)色譜儀流路進(jìn)行控制。色譜檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路連接到AD轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明的改進(jìn)是系統(tǒng)采用保護(hù)性氣體充填的正壓電氣箱體，采用薄膜儀表鍵盤。由于該系統(tǒng)工作于可能存在易燃易爆氣體的環(huán)境，保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)色譜儀在工作時(shí)，整個(gè)箱體始終處在大于外界大氣壓力的保護(hù)性氣體的環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)防爆要求。因此本PC104是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。PC104嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)是一種結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、可靠性高、且在硬件和軟件上都與標(biāo)準(zhǔn)PC總線計(jì)算機(jī)完全兼容的PC 104總線工業(yè)控制機(jī)。PC 104模塊在形態(tài)上，體積超小(90mm×96mm×15mm)、功耗低(1-2W)、無需散熱、可層疊，完全可作為小型工作單元嵌入到各種設(shè)備中在性能上，采用了工業(yè)級(jí)的芯片和元器件，適合于各種惡劣的工作環(huán)境。
嵌入式一體化色譜儀測(cè)控系統(tǒng)的PC 104是嵌入式PC的機(jī)械電氣標(biāo)準(zhǔn)，秉承了PC機(jī)的開放式總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、高度緊湊、自棧式模塊化、具有良好的抗干擾和散熱性能，系統(tǒng)升級(jí)方便，特別是軟件資源豐富，具有較強(qiáng)的通信組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)DCS和現(xiàn)場(chǎng)總線控制要求容易。由主控制電路傳來的電信號(hào)被PC104上的模擬/數(shù)字量轉(zhuǎn)換后，由CPU計(jì)算組分含量，并將結(jié)果通過PC104板卡上集成的顯卡向大屏幕液晶顯示處理結(jié)果。PC104還接受由薄膜鍵盤傳入的控制指令和參數(shù)設(shè)定。再通過PC104上的數(shù)字量(開關(guān)量)輸出口來控制色譜儀上閥門的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)流路的控制及結(jié)構(gòu)重構(gòu)。PC104上的模擬輸出口用來根據(jù)PC104計(jì)算輸出譜圖，將識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)趨勢(shì)信號(hào)。此外PC104還通過UART接口輸出RS485通訊的信號(hào)。PC104上集成的網(wǎng)卡也可實(shí)現(xiàn)儀器間的聯(lián)網(wǎng)。
由于采取了上述方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是1、由于PC104工業(yè)控制機(jī)采用了與個(gè)人電腦一樣的PC/AT結(jié)構(gòu)，所以軟件移植方便，減少了對(duì)硬件的依賴性?？墒褂脗€(gè)人電腦的豐富軟件資源，為色譜儀功能的提高提供了條件。此外PC104模塊間通過PC104總線連接?？梢詫盈B插入PC104總線插槽中，可以方便的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。例如可以根據(jù)需要將低主頻的CPU模塊升級(jí)為高主頻的CPU模塊而不用改動(dòng)系統(tǒng)的其他電路。
因此提高了系統(tǒng)的軟硬件的可升級(jí)能力，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的生存周期。并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的與時(shí)俱進(jìn)。
2、由于所有對(duì)色譜儀的操作都在一處現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，從而提高了系統(tǒng)的可操作性，可維護(hù)性，調(diào)試方便。減少了由于雙機(jī)模式下由于兩處操作可能引發(fā)的誤操作。
3、采用了抗干擾能力強(qiáng)的PC104工業(yè)控制機(jī)，并取消了長(zhǎng)線傳輸色譜信號(hào)，提高了系統(tǒng)的整體抗干擾性能。
4、PC104模塊上有大量數(shù)字輸出口，可以方便的實(shí)現(xiàn)流路控制和結(jié)構(gòu)重構(gòu)。
5、實(shí)現(xiàn)了對(duì)色譜儀的控制、分析、操作的一站化?？s小了整個(gè)系統(tǒng)的體積，方便系統(tǒng)的安裝。
6、具有RS485，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)MODBUS信號(hào)輸出，以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功能，能方便的與其他儀器設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
7、設(shè)計(jì)了正壓防爆保護(hù)電路，能保證系統(tǒng)的防爆要求。
8、由于采用了一體化的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)的成本得到了降低。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成的框2是本發(fā)明信號(hào)調(diào)理電路圖3是本發(fā)明溫度檢測(cè)與放大電路圖4是本發(fā)明電源延時(shí)電路5是本發(fā)明加熱源電源延時(shí)電路6是本發(fā)明標(biāo)準(zhǔn)樣品自動(dòng)標(biāo)定方式重構(gòu)7是本發(fā)明色譜柱分析回路由多柱向多柱分析的重構(gòu)圖
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
可以這樣實(shí)現(xiàn)。
一、PC104系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)圖1中的PC104模塊，可采用如下盛博公司生產(chǎn)的公知的PC104板卡。
1、CPU模塊使用型號(hào)為SysCentreModule/SuperDX CPU模塊(CPU為486或PII)CPU模塊包含了所有的PC/AT兼容的DMA控制器、中斷控制器及定時(shí)器。帶擴(kuò)展的工業(yè)ROM-BIOS，16M字節(jié)的DROM及鍵盤、喇叭接口；本系統(tǒng)中，沒有采用常用的PC外接鍵盤。因?yàn)橥饨覲C鍵盤容易在插接接口處，鍵盤按鍵處產(chǎn)生微弱火花，不利于防爆。而是采用貼覆在充滿正壓保護(hù)性氣體的電氣箱上的薄膜鍵盤，從而提高防爆性能。該鍵盤就是接在CPU模塊鍵盤接口上的。從而使PC104能接受操作指令和參數(shù)設(shè)置。板的外部接口包括一個(gè)PC/AT兼容的雙向并行口，兩個(gè)16550兼容的RS-232串行口。CPU模塊還提供了一個(gè)用外接后備電池支持的實(shí)時(shí)鐘。一個(gè)基于實(shí)時(shí)鐘的看門狗，通過改變跳線可以產(chǎn)生一個(gè)非屏蔽中斷，或在系統(tǒng)發(fā)生某些故障時(shí)產(chǎn)生一個(gè)硬件復(fù)位。該CPU模塊具有獨(dú)特的EEPROM配置存儲(chǔ)器，用它來保存系統(tǒng)的參數(shù)，代替了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中的開關(guān)，它比一般系統(tǒng)中的CMOS RAM更大，能保存更豐富多樣的設(shè)置參數(shù)。
2、數(shù)據(jù)采集模塊型號(hào)為DMM-16-AT此板的主要完成數(shù)據(jù)采集，信號(hào)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)及模擬信號(hào)的輸出。此板提供了16路單向/8路差動(dòng)的模擬量輸入，16位分辨率，最大采樣頻率為100KHz，采用FIFO(先進(jìn)先出方式)高速采樣。對(duì)A/D信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。4路標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸出，12位的分辨率。8路TTL兼容的數(shù)字量輸入，8路TTL兼容的數(shù)字量輸出。1個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器用于計(jì)數(shù)和定時(shí)，1個(gè)32位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器作為A/D定時(shí)時(shí)鐘。
在本發(fā)明中，來自色譜檢測(cè)器的電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后接入此板的模擬量輸入口，實(shí)現(xiàn)色譜信號(hào)采集和A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的信號(hào)經(jīng)過板卡內(nèi)的數(shù)據(jù)總線提供給CPU模塊進(jìn)行譜峰識(shí)別，并將結(jié)果通過系統(tǒng)擴(kuò)展模塊向液晶顯示器輸出。或者在本板卡上實(shí)現(xiàn)模擬趨勢(shì)輸出，以變換為標(biāo)準(zhǔn)4～20mA工業(yè)DCS信號(hào)。
此外本卡還負(fù)責(zé)采集色譜儀機(jī)內(nèi)的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析箱、色譜爐溫度的采集。這些溫度信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后經(jīng)本卡的A/D轉(zhuǎn)換，由CPU模塊根據(jù)控制算法，經(jīng)定時(shí)器模塊，形成PMW，改變固態(tài)繼電器的工作周期，控制加熱元件。從而對(duì)工業(yè)色譜儀實(shí)現(xiàn)溫度控制。
3、數(shù)據(jù)輸出模塊型號(hào)為RUBY-MM此板的功能主要是進(jìn)行模擬信號(hào)輸出，此板提供了8路12位分辨率的模擬輸出，以實(shí)現(xiàn)溫度的控制功能。
16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器與數(shù)字量輸入/輸出模塊型號(hào)為CDT2000，這是48通道數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊3～12個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器(8MHz OSC)，基于TTL/CMOS 71055的可編程數(shù)字量I/O四個(gè)中斷源經(jīng)組合，可產(chǎn)生一至四個(gè)PC總線中斷，此板提供RS-422與RS-232CC串行通訊接口的UART轉(zhuǎn)換電路；此板功能主要是提供總線中斷，數(shù)字量輸入/輸出。該板提供了3或6或9或12個(gè)獨(dú)立的16位、8MHz的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。
在本發(fā)明中該板主要用于控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)流路的控制。此外提供RS-485DCS信號(hào)轉(zhuǎn)換，中斷控制的功能。
4、系統(tǒng)擴(kuò)展模塊型號(hào)為SEM/VPFIE它為PC104系統(tǒng)提供了4個(gè)接口高分辨率顯示器接口、軟盤驅(qū)動(dòng)器、IDE硬盤驅(qū)動(dòng)器、網(wǎng)絡(luò)接口。電源管理，有一個(gè)SNOOZE實(shí)用軟件，如果在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)沒有操作，這個(gè)具有休眠功能的軟件就會(huì)關(guān)閉顯示器，以降低電源功耗。
在本發(fā)明中，液晶顯示器就接入該板卡的顯示器接口，從而和薄膜鍵盤一起實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面。系統(tǒng)采用在IDE硬盤驅(qū)動(dòng)接口上直插388MB的電子固態(tài)盤的方式為系統(tǒng)提供操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間和系統(tǒng)日志及歷史譜峰識(shí)別數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。網(wǎng)卡則為機(jī)器設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程控制，診斷提供了條件。
二、信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路可以如圖2電路實(shí)現(xiàn)。
由于從色譜檢測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)常常很微弱，所以需要將此信號(hào)放大到可以為PC104D/A所接受的信號(hào)。該部分電路原理參照?qǐng)D2，原理如下色譜檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)A，B兩點(diǎn)接入信號(hào)調(diào)理電路。圖2中R4，C401，C402構(gòu)成了π低通濾波器，以濾除噪聲干擾。此處對(duì)于運(yùn)算放大器是信號(hào)的初級(jí)放大，為了減少對(duì)信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電流的影響使用了LF444(國(guó)產(chǎn)型號(hào)為CF444)，LF444是高輸入阻抗，低噪聲，輸入電流小的運(yùn)算放大器。也就是說初級(jí)放大電路放大了由于電橋不平衡所造成的電壓差。次級(jí)電路進(jìn)一步通過一個(gè)π低通濾波器濾除6倍工頻頻率的高頻干擾(3000Hz)，同時(shí)采用電壓跟隨器來提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。后面的兩個(gè)二極管是用來限幅的，防止過大的輸出信號(hào)損壞后面的AD轉(zhuǎn)換器件。RP402用于調(diào)整2級(jí)放大電路的電壓，以便進(jìn)一步調(diào)整輸出的電壓幅度。
放大電路放大了由于電橋不平衡所造成的電壓差。次級(jí)電路進(jìn)一步通過一個(gè)π低通濾波器濾除6倍工頻頻率的高頻干擾(3000Hz)，同時(shí)采用電壓跟隨器來提高驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。后面的兩個(gè)二極管是用來限幅的，防止過大的輸出信號(hào)損壞后面的AD轉(zhuǎn)換器件。RP402用于調(diào)整2級(jí)放大電路的電壓，以便進(jìn)一步調(diào)整輸出的電壓幅度。
二、溫度檢測(cè)與放大電路溫度檢測(cè)與放大電路對(duì)分析柱箱和檢測(cè)器工作環(huán)境的寬范圍，高穩(wěn)定，高精度的溫度控制量是保證工業(yè)色譜儀可靠準(zhǔn)確分析的重要條件。為此本發(fā)明對(duì)溫度檢測(cè)與放大電路作了特殊設(shè)計(jì)。
溫度檢測(cè)及放大電路如圖3所示，測(cè)溫元件采用Pt1000鉑電阻。其測(cè)量部分為一不平穩(wěn)電橋，鉑電阻Rt與固態(tài)定電阻R1、R2、R3組成不平穩(wěn)的四個(gè)橋臂。U為它的供電電源。為了保證測(cè)量的精度，采用兩次穩(wěn)壓。在溫度為0℃時(shí)，鉑電阻的阻值Rt＝R0＝R1＝1000Ω，電橋平穩(wěn)，對(duì)角線A、B兩點(diǎn)沒有電壓差；當(dāng)溫度變化時(shí)，鉑電阻的阻值變?yōu)镽t，每增加1℃，鉑電阻的變化為0.385Ω，其變化值與溫度成正比。此時(shí)電橋不平穩(wěn)，對(duì)角線A、B兩點(diǎn)有電壓差，此電壓差送到運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)放大后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片。
改變W1、W2的數(shù)值，可得到不同的放大系數(shù)。其中，運(yùn)放采用LM741CN，LM741CN是單片高性能內(nèi)補(bǔ)償運(yùn)算放大器，8引腳雙列直插式封閉。具有較寬的共模電壓范圍，在使用中不會(huì)出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象，可用作積分器，求和放大器及普通反饋放大器。其特點(diǎn)是不需要外部頻率補(bǔ)償；具有短路保護(hù)；失調(diào)電壓調(diào)到零的能力；較寬的共模和差模電壓范圍；功耗低；無阻塞現(xiàn)象。放大器輸出與實(shí)測(cè)溫度間為非線性關(guān)系，其非線性校正由PC104系統(tǒng)完成。
由于色譜儀的不同部件的正常工作對(duì)溫度有特殊要求，所以為了有效的控制溫度，此處設(shè)計(jì)了溫度檢測(cè)與放大電路。溫度的加熱是通過電熱絲實(shí)現(xiàn)的。
三、保護(hù)電路部分由于整個(gè)系統(tǒng)安裝在充滿正壓的電氣箱內(nèi)，從而防止危險(xiǎn)氣體進(jìn)入電氣箱。為了防止由于各種原因造成的電氣箱內(nèi)保護(hù)氣體壓力過低而引發(fā)危險(xiǎn)，根據(jù)防爆要求，電氣涉筆通電啟動(dòng)必須經(jīng)過不少于保護(hù)氣體最小換氣量換氣吹掃之后，方可啟動(dòng)。當(dāng)色譜儀工作時(shí)如果電氣箱內(nèi)保護(hù)氣體壓力突然降低于要求時(shí)，也會(huì)切斷系統(tǒng)的總供電電壓。故設(shè)計(jì)了電源延時(shí)電路和加熱源電源延時(shí)電路。
1、電源延時(shí)電路(如圖4所示方式實(shí)現(xiàn))該電路實(shí)現(xiàn)電氣箱總供電電源只有在當(dāng)電器箱內(nèi)保護(hù)氣體壓力高于外界壓力50Pa時(shí)才能接通。該電路原理如下由JP，E(電池)、R1，R2，U1，D1，D2，D3組成充電電路，由N1、R1、C1、C2組成延時(shí)電路，超低壓力開關(guān)S1，作為電氣箱內(nèi)壓力傳感器的測(cè)量元件。外加電源接通后，當(dāng)電氣箱內(nèi)正壓值大于50Pa時(shí)，S1處于導(dǎo)通狀態(tài)，該電路中E上，已經(jīng)充滿電荷。而VCC未加電，而沒有電壓。此時(shí)U1b為低電壓，U1ce處于導(dǎo)通狀態(tài)。電池通過JP、U1、S1向由C1、R1、N1組成的延時(shí)電路加電，延時(shí)電路延時(shí)至規(guī)定時(shí)間后，N1輸出端呈現(xiàn)高電平送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成供電電源的延時(shí)加電。此時(shí)，VCC得電，分別經(jīng)過D1、D2、R1、JP對(duì)E充電，經(jīng)過D1、D2、R2使U1b呈現(xiàn)高電平，讓U1ec截止。每當(dāng)，外加電源斷電或電氣箱內(nèi)正壓低于大氣壓加50Pa時(shí)，該電路將重新執(zhí)行一次。
2、分析箱加熱源供電電源延時(shí)電路(如圖5方式實(shí)現(xiàn))圖5中，R1、R2、R3、N1、超低壓力開關(guān)S1組成比較電路；R4，U1組成電子開關(guān)；C1、R5、C2、N2組成延時(shí)電路。
當(dāng)分析箱內(nèi)得正壓值低于50Pa時(shí)，S1斷開，N1輸出呈高電位，驅(qū)動(dòng)光電耦合器，使N2輸出端處在低電位，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使加熱源停止加熱。當(dāng)箱內(nèi)正壓大于外界氣壓50Pa時(shí)，S1接通，N1呈低電位，由C1，R5，C2，N2組成得延時(shí)電路開始延時(shí)至規(guī)定時(shí)間后，N2輸出呈高電位，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使加熱源開始加熱。
四、結(jié)構(gòu)重構(gòu)由于PC104上有豐富的開關(guān)出端口可以使用，所以，本發(fā)明可以方便的實(shí)現(xiàn)分析流路結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。其控制由PC104系統(tǒng)的開關(guān)量輸出經(jīng)光耦隔離、驅(qū)動(dòng)完成。用戶可以通過人機(jī)界面，自行設(shè)置符合其要求的結(jié)構(gòu)形式。
1、標(biāo)準(zhǔn)樣品自動(dòng)標(biāo)定方式重構(gòu)對(duì)于過程分析儀器而言，必須定期對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證精度。其方法一般為向系統(tǒng)通入一定成份的標(biāo)準(zhǔn)樣氣，用它來標(biāo)定儀器。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如果每次標(biāo)定都需手工改變流路，必然影響儀器使用效率，并可能造成不必要的損耗。同時(shí)為了使一臺(tái)色譜儀可以檢測(cè)幾條不同流路上的樣氣成份，可以按圖6方式實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)樣品自動(dòng)標(biāo)定方式重構(gòu)。
設(shè)有1-3路標(biāo)準(zhǔn)樣氣標(biāo)定系統(tǒng)及自動(dòng)切換閥門、1-5路過程樣氣自動(dòng)切換閥門。對(duì)過程樣氣1進(jìn)行分析時(shí)，開啟閥門1，關(guān)閉其他閥門。如果需要分析過程樣氣2，則開啟閥門2，關(guān)閉其他閥門。從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)色譜儀分析多條流路。由于色譜儀的標(biāo)定，常常需要不同成份的標(biāo)準(zhǔn)樣氣。所以在圖6中，如果需要使用標(biāo)準(zhǔn)樣氣1來標(biāo)定系統(tǒng)，就打開閥門3，關(guān)閉其他閥門。如果需要使用標(biāo)準(zhǔn)樣氣2來標(biāo)定系統(tǒng)，就打開閥門4，關(guān)閉其他閥門。從而在不用手動(dòng)更改流路的情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣氣的選擇和依次標(biāo)定。
2、色譜柱分析回路由單柱向多柱分析的重構(gòu)一般而言，一種色譜柱只對(duì)一定成份的樣品具有良好的色譜分離效果。而實(shí)際上的樣品成份可能很復(fù)雜，這就需要把不同種類的色譜柱組合起來，如串聯(lián)組合，實(shí)現(xiàn)單色譜柱向多色譜柱分析的重構(gòu)。其可按圖7所示實(shí)現(xiàn)。
一定量的樣品如果僅僅通過色譜柱1就可以有效的實(shí)現(xiàn)色譜分離。則可以只開啟閥門1，而關(guān)閉其他閥門。如果樣品成份復(fù)雜，僅僅使用色譜柱1不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。則可以關(guān)閉閥門1，開啟閥門2，3從而使樣品在經(jīng)過色譜柱1分離后再經(jīng)色譜柱2分離。從而實(shí)現(xiàn)多柱分離色譜。
保護(hù)性氣體充填的正壓的電氣箱體，保護(hù)性氣體可以采用氬、氮、二氧化碳等氣體。薄膜儀表鍵盤密封設(shè)置在箱體上。
權(quán)利要求
1.嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是包括溫度檢測(cè)與放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、采用ISA總線兼容的PC104模塊，PC104模塊由CPU、存儲(chǔ)器、總線電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)卡、顯卡、鍵盤接口、時(shí)鐘、I/O接口電路和高速通用異步收發(fā)器URAT接口電路、模擬輸入輸出口構(gòu)成，通過高速通用異步收發(fā)器連接上位計(jì)算機(jī)、溫度檢測(cè)與放大電路連接A/D電路后并連接PC104上的模擬輸入口，PC104上的模擬輸出口通過D/A轉(zhuǎn)換電路輸出連接器，根據(jù)PC104計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)溫度控制和譜峰識(shí)別，并將分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模擬信號(hào)，PC104上集成的網(wǎng)卡也可實(shí)現(xiàn)儀器間及儀器與DCS系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)；I/O接口電路是數(shù)字量開關(guān)量I/O擴(kuò)展模塊，其輸出對(duì)色譜儀流路進(jìn)行控制，色譜檢測(cè)器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路連接到AD轉(zhuǎn)換電路。
2.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)采用保護(hù)性氣體充填的正壓電氣箱體，并設(shè)有薄膜儀表鍵盤。
3.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是溫度檢測(cè)與放大電路測(cè)量電路為一不平穩(wěn)電橋，由溫敏鉑電阻Rf與固態(tài)定電阻R1、R2、R3組成不平穩(wěn)的四個(gè)橋臂；電橋?qū)蔷€點(diǎn)有電壓差，連接運(yùn)算放大器的輸入端，經(jīng)放大后送到A/D轉(zhuǎn)換芯片。
4.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是充滿正壓的電氣箱內(nèi)設(shè)有超低壓力開關(guān)(S1)作為電氣箱內(nèi)壓力傳感器的測(cè)量元件。
5.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是采用標(biāo)準(zhǔn)樣品自動(dòng)標(biāo)定方式并可采用重構(gòu)方法對(duì)儀器進(jìn)行定時(shí)校準(zhǔn)，以保證精度。
6.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是設(shè)有1-3標(biāo)準(zhǔn)樣氣標(biāo)定系統(tǒng)及切換閥門、1-5路過程樣氣切換閥門。
7.由權(quán)利要求1所述的嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，其特征是設(shè)有色譜柱串聯(lián)組合閥門。
全文摘要
嵌入式一體化工業(yè)色譜儀測(cè)控系統(tǒng)，溫度檢測(cè)與放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、采用ISA總線兼容的PC104模塊，PC104模塊由CPU、存儲(chǔ)器、總線電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路、網(wǎng)卡、顯卡、鍵盤接口、時(shí)鐘、I/O接口電路和高速通用異步收發(fā)器URAT接口電路、模擬輸入輸出口構(gòu)成，通過高速通用異步收發(fā)器連接上位計(jì)算機(jī)、溫度檢測(cè)與放大電路連接A/D電路后并連接PC104上的模擬輸入口，PC104上的模擬輸出口通過D/A轉(zhuǎn)換電路輸出連接器，根據(jù)PC104計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)溫度控制和譜峰識(shí)別，并將分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模擬信號(hào)。本發(fā)明提高了系統(tǒng)的可操作性，可維護(hù)性，調(diào)試方便。減少了由于雙機(jī)模式下由于兩處操作可能引發(fā)的誤操作。
文檔編號(hào)G01N30/00GK1815219SQ20061003797
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月24日
發(fā)明者程明霄, 高喜奎 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué), 南京分析儀器廠有限公司