红外碳硫元素分析的方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及一种红外碳硫元素分析的方法和系统，采用多线程方式实现红外碳硫分析，设有三个工作线程分别用于监视和处理串行口电子天平重量数据，用于接收并处理红外吸收值的采集数据，用于定时显示红外吸收值数据并监测和控制分析过程及状态；主线程负责用户交互及阶段数据的数值显示。软件包含了集成ＰＣ微机的高精度数据采集与燃烧炉控制模块，保证了对燃烧炉控制的稳定性与及时性；与之匹配的是基于多线程的数据采集和处理算法及基于硬件时钟的数据采集策略，从而保证了对红外线吸收值数据的精确、等时、高速的数据获取与处理。本发明专利技术分析过程完全受ＰＣ微机集成化控制、红外吸收值数据获取量大、数据精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于红外碳硫元素分析的方法与软硬件系统，用于与红外线CO2和SO2气体传感器及燃烧炉配合完成材料中碳硫元素的质量分数的测定。
技术介绍
红外碳硫元素分析方法是将被测样品在高纯氧气环境中充分燃烧，样品中的碳和硫元素以CO2和SO2气体的形式释放出来，燃烧形成的炉气经除尘、去湿后经过一定的气路流入红外传感器气室中。由于CO2、SO2等气体分子在红外光波段具有选择性吸收谱图，当某此特定波长的红外光通过CO2或SO2气体后，能产生强烈的光吸收，此吸收符合朗伯-比耳定律。红外传感器能实时检测特定波长的红外光吸收情况，并将光信号转换为电信号，再经信号调理和放大后实时输出红外吸收电压。将该信号进行实时采样并将红外吸收电压值转换为红外吸收值数据，再通过时间积分得到红外吸收值累加，并与标准值对应可得到该样品的总碳量和总硫量，除以样品重量后即相应得到碳含量和硫含量。目前，在红外碳硫分析仪中多采用单片机进行数据采集，通过串行通讯与PC微机传递数据，同时通过串行通讯传递的还有电子天平的重量数据。为了获得更高的数据采集精度和时间积分精度，需要提高对红外传感器信号的采样频率。在高的采集速率的要求下，如硬件采集速率达到400次/秒/通道，共设两个通道，则要求处理器在约1毫秒时间内处理一次采样数据。此外，为了提高采样数据的可靠性，必须采用软件抗干扰的措施，这对处理器的数据处理能力提出了更高的要求。通常的单片机数据处理能力达不到所需的要求，另外依靠串口通讯进行数据传递也无法胜任大数据量通讯的要求。采集频率低、数据精度差是目前红外碳硫分析仪精度无法提高的原因。
技术实现思路
本专利技术就是针对现有红外碳硫分析仪红外吸收值数据量少、数值精度差的问题，而发展的红外碳硫分析的方法和软硬件系统。本专利技术技术解决方案是采用多线程方式实现红外碳硫分析，设有三个工作线程分别用于监视和处理串行口电子天平重量数据，用于接收并处理红外吸收值的采集数据，用于定时显示红外吸收值数据并监测和控制分析过程及状态；主线程负责用户交互及阶段数据的数值显示；在数据采集算法中采用了超采样、数值排序和中间值求平均的软件抗干扰措施。则要求处理器在约1毫秒时间内处理一次采样数据。硬件采集速率达到400次或更高/秒/通道，共设两个通道，则要求处理器在约1毫秒时间内处理一次采样数据。用于接收并处理红外吸收值的采集数据仍是由红外传感器实时检测特定波长的红外光吸收情况，并将光信号转换为电信号，再经信号调理和放大后实时输出红外吸收电压。将该信号进行实时采样并将红外吸收电压值转换为红外吸收值数据，再通过时间积分得到红外吸收值累加，并与标准值对应可得到该样品的总碳量和总硫量，除以样品重量后即相应得到碳含量和硫含量。利用分析数据库完成上述工作。该系统包含基于PC微机的PCI总线的高精度数据采集、燃烧炉控制及分析过程监测模块，以及与上述模块配合使用的具有基于多线程的数据采集和处理算法的分析软件，二者共同完成红外碳硫元素分析所要求的功能。该模块由基于PC微机PCI总线的A/D数据采集硬件为核心构成，采集频率由硬件板载时钟控制，采集参数可由软件调整。与之匹配的是基于多线程的数据采集和处理算法及基于硬件时钟的数据采集策略。红外线吸收值现场采集的硬件模块与PCI总线模块集成，由16路IO输出和16路IO输入组成，IO输出可分别控制燃烧炉的最多16个可执行部件，IO输入用于监测分析状态。本专利技术特点是包括红外线吸收法测定材料中碳硫元素含量的分析软硬件。软件包含了集成PC微机的高精度数据采集与燃烧炉控制模块，保证了对燃烧炉控制的稳定性与及时性；与之匹配的是基于多线程的数据采集和处理算法及基于硬件时钟的数据采集策略，从而保证了对红外线吸收值数据的精确、等时、高速的数据获取与处理。与现有类似分析软硬件相比，本专利技术分析过程完全受PC微机集成化控制，红外吸收值数据获取量大、数据精度高，因而使分析精确度和准确度提高。附图说明图1是本专利技术结构示意2是本专利技术软件流程框图具体实施方式1、硬件部分如图1所示，硬件部分由基于PC微机PCI总线的数据采集及IO控制组成。其中数据采集部分采用14位A/D芯片，设定量程为0~2.5V，本专利技术中采用碳、硫两个通道、连续A/D采样模式，速率为400次/秒/通道。IO控制部分使用了16个IO输出端口和16个IO输入端口组成，IO输出可分别控制燃烧炉中最多16个执行部件的操作，IO输入用于监测燃烧炉状态和分析状态。图1中传感器包括红外吸收的转换出相应电信号。图中点划线虚框内为本专利技术包含的范围、实线箭头表示数据关系及其方向；虚线箭头表示控制关系及其方向硬件的构成基于现有技术。本专利技术中软硬件及其相互关系。本专利技术时钟采用QL5030 PCI接口芯片实现，A/D采用14、400KHz芯片AD7899实现。2、软件部分软件部分包含主线程和三个工作线程，其中主线程用于接收用户输入并负责更新分析过程中的数值显示信息；工作线程一负责监视与电子天平相连的串行端口，并对电子天平输入的重量信息进行处理和显示；工作线程二负责接收采集结果，将结果转换为相应的红外吸收值数据(其中采用的软件抗干扰措施，详见后述)，同时唤醒工作线程三进行相应的计算和处理；工作线程三负责IO输入/输出控制硬件的操作，监视燃烧炉和分析过程状态参数、对红外吸收值数据进行进一步处理并提交屏幕显示实时碳硫释放曲线。各线程与共享的分析数据库间具有双向的数据交互，即将计算结果存入分析数据库及从分析数据库中获取所需要的分析参数等数据。3、软硬件各部分之间的关系(亦见图1)软硬件各部分之间的关系见图1。数据采集和IO输入/输出硬件均受软件控制。下面以一次分析过程为例详细解释软硬件各部分的协同关系及进行碳硫分析时的执行逻辑图2是本专利技术软件流程框图；1)软件启动后各线程自动进入工作状态主线程等待用户输入并定时从分析数据库中读取最新采样数据进行数值显示；工作线程一监视串行口；工作线程二开启A/D采样、将采样电压数据放入分析数据库中；工作线程三监视燃烧炉和分析过程的状态参数；2)样品称重后用户可通过软件界面进行手动输入重量值，也可利用电子天平PRINT功能通过串口发送重量数据。此时，工作线程一被串口数据的到来唤醒并进行重量数据的接收和处理，然后将结果存入分析数据库。3)用户点击“开始分析”功能或者使用相应的热键后主线程唤醒工作线程三进行分析判据，分析判据是指线程三所监视的燃烧炉和分析过程的状态参数的满足条件，如是否正在一次分析过程、重量库是否有重量数据、燃烧室是否闭合状态、燃烧室闭前敞开时间是否超过指定时间(如2秒)。各判定条件之间为“与”的关系。如果可以进行分析，则禁用界面中相应的功能；工作线程一监视串行口，处理重量数据。由于本专利技术采用了软件上的多线程处理，使碳硫分析过程中仍可进行样品称量和样品库的操作，这项功能对于批量分析提高工作效率特别有益。工作线程二读入分析配置数据，等待工作线程三完成开始分析的工作后进行吸收值数据的接收和转换。工作线程三执行IO输出操作，控制燃烧炉各执行部件开始进行一次碳硫分析过程。4)分析过程中主线程从分析数据库中读取最新的采样数据进行数值显示，读取分析状态信息，待一次分析结束时进行碳硫含量的计算； 工作线程一监视串行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外碳硫元素分析的方法，其特征是采用多线程方式实现红外碳硫分析，设有三个工作线程分别用于监视和处理串行口电子天平重量数据，用于接收并处理红外吸收值的采集数据，用于定时显示红外吸收值数据并监测和控制分析过程及状态；主线程用于用户交互及阶段数据的数值显示。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴挺，周怡君，徐随山，杨立新，
申请(专利权)人：南京华欣分析仪器制造有限公司，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]