專利名稱：工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種對(duì)工業(yè)色譜儀的譜峰信號(hào)的處理方法，具體來說涉及一種對(duì)色譜的譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理及基線自動(dòng)調(diào)零方法，可在量程切換過程中，使譜峰曲線不發(fā)生畸變的數(shù)字信號(hào)處理系統(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)的一種大型過程分析儀器。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)。工業(yè)色譜儀長(zhǎng)期穩(wěn)定的信號(hào)精確處理能力直接關(guān)系到色譜儀的性能，關(guān)系到工業(yè)生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量控制。
因此，色譜信號(hào)的處理部分是色譜儀中的一個(gè)極其重要的環(huán)節(jié)。通常工業(yè)色譜儀的色譜信號(hào)如圖1所示，譜圖的出峰時(shí)間，結(jié)束時(shí)間，以及譜峰的面積對(duì)識(shí)別組分種類及其含量有重要的意義。
由于不同組分物質(zhì)的譜峰信號(hào)高度可能相差很大，同一組分的譜峰在不同時(shí)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(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性方面難以保證。
這就要求在對(duì)色譜信號(hào)進(jìn)行放大處理時(shí)，不能單純的用同一量程采集色譜信號(hào)，而是根據(jù)色譜信號(hào)的大小，針對(duì)不同情況更改程控放大器放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。從而將色譜信號(hào)變換到采樣單元能精確采集數(shù)據(jù)的量程范圍內(nèi)。將采集到的數(shù)字量信號(hào)在譜圖的數(shù)據(jù)處理中，除以程控放大器的放大倍數(shù)就可以得到原始信號(hào)的譜圖，從而實(shí)現(xiàn)譜峰數(shù)據(jù)的歸一化，并計(jì)算分析組分的含量。但是由于生產(chǎn)的器件參數(shù)的分散性，程控放大器的放大倍數(shù)常常并不十分準(zhǔn)確，這樣在程控放大器不同放大倍數(shù)的切換點(diǎn)上，就會(huì)使歸一化后的譜圖產(chǎn)生突變、毛刺等缺陷，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的殘缺譜圖。這種情況下，工業(yè)色譜儀就無法正確識(shí)別組分種類。同時(shí)工業(yè)色譜儀要根據(jù)歸一化后譜圖的峰高和峰面積來進(jìn)行組分含量的計(jì)算。由于程控放大器放大倍數(shù)不準(zhǔn)確，也可能造成歸一化后的譜峰曲線畸變，導(dǎo)致峰面積不準(zhǔn)確，影響色譜儀的分析精度。因此必須要實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的做法是如專利03219245.2那樣在程控放大器后加入低通濾波器，來對(duì)譜信號(hào)進(jìn)行整形，但是這樣會(huì)引入誤差，而且，對(duì)于保留時(shí)間短的信號(hào)，可能會(huì)被低通濾波器濾除，從而造成信號(hào)丟失。
此外，一臺(tái)調(diào)校準(zhǔn)確的色譜儀的譜峰信號(hào)應(yīng)該如圖1所示，其譜的基線應(yīng)該在零點(diǎn)。然而由于儀器使用環(huán)境存在干擾，或者長(zhǎng)時(shí)間使用中儀器性能變化，會(huì)使色譜信號(hào)會(huì)離開零點(diǎn)，向上或向下漂移。圖2中就是基線向上漂移的情況?；€漂移不僅影響譜峰數(shù)據(jù)的計(jì)算而且對(duì)不同量程下譜峰曲線的歸一化整合有影響。
工業(yè)色譜儀由于是長(zhǎng)期在線運(yùn)行，基線漂移不可避免，也無法采用手工調(diào)零。因此必須在分析周期中對(duì)基線漂移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了提高色譜信號(hào)采集的精度，實(shí)現(xiàn)譜圖信號(hào)在自動(dòng)量程下不同放大倍數(shù)譜峰曲線的無畸變轉(zhuǎn)換和切換點(diǎn)的平滑過渡，且利用同一種模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元來采集色譜信號(hào)完成上述任務(wù)，本發(fā)明的目的還于自動(dòng)消除基線偏移的誤差。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是色譜的譜峰曲線在量程切換下信號(hào)無畸變平滑處理及自動(dòng)基線調(diào)零的實(shí)現(xiàn)方法。即為工業(yè)色譜儀采用對(duì)分析檢測(cè)信號(hào)的雙重采樣系統(tǒng)。在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)未經(jīng)過程控放大器放大的一次信號(hào)和經(jīng)過程控放大器放大的二次信號(hào)多次重復(fù)采樣，并求取平均值。以二次信號(hào)平均值除以一次信號(hào)平均值就得到了真實(shí)的程控放大倍數(shù)。而后處理器用此二次信號(hào)除以真實(shí)放大倍數(shù)，從而將不同程控放大器量程下的數(shù)據(jù)歸一整合，實(shí)現(xiàn)將原始信號(hào)較為精確的還原。
本發(fā)明自動(dòng)消除基線偏移的誤差的方法是采樣器在沒有色譜信號(hào)時(shí)采集原始信號(hào)中的基線電平，當(dāng)有基線信號(hào)即基線不為零時(shí)，取該漂移值的負(fù)值經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后反饋到程控放大器的輸入端，使采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
本發(fā)明的機(jī)理是由概率論可以知道，任何采樣系統(tǒng)的多次測(cè)量值總是圍繞真實(shí)值上下波動(dòng)，而且在測(cè)量誤差相對(duì)較小的情況下，測(cè)量值的平均值將隨著采樣次數(shù)的增加而逼近真實(shí)值。
工業(yè)色譜儀的譜峰信號(hào)是一種緩慢變化的信號(hào)。所以可以用上述過采樣的方法采集信號(hào)。
因?yàn)槎涡盘?hào)經(jīng)過放大，采樣系統(tǒng)可以采集到比一次信號(hào)有更多有效數(shù)字的信號(hào)數(shù)據(jù)。因此在此發(fā)明中不是直接采用一次信號(hào)的平均值作為信號(hào)的真實(shí)值，而是采用二次信號(hào)通過除真實(shí)放大倍數(shù)的方法獲得信號(hào)真實(shí)值。用于克服程控放大器電路放大參數(shù)的波動(dòng)。
采樣器在沒有組分信號(hào)時(shí)采集原始信號(hào)中的基線電平，當(dāng)發(fā)現(xiàn)基線不為零時(shí)，處理器就對(duì)采集到的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算，取該漂移值的負(fù)值經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后反饋到程控放大器的輸入端，使采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。由于采用了上述方案，本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)。
1、信號(hào)曲線平滑，基線自動(dòng)調(diào)零，使信號(hào)處理精度高，誤差小。
2、本發(fā)明對(duì)程控放大器和采樣單元的精度要求不高，所以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。
3、由于具有基線自動(dòng)調(diào)零功能，所以取消了手動(dòng)調(diào)零裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，可使整個(gè)色譜儀長(zhǎng)期運(yùn)行更加穩(wěn)定，維護(hù)更加方便。
本發(fā)明雖然是針對(duì)處理工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)處理設(shè)計(jì)的，但是這種信號(hào)處理方法也可以應(yīng)用于其他處理類似信號(hào)的系統(tǒng)中，具有一定的通用性。


圖1是正常的信號(hào)譜2是基線向上漂移，有缺陷的譜3是工業(yè)色譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4是本發(fā)明信號(hào)處理流程5是本發(fā)明基線調(diào)零流程圖在圖3中Kf是反饋通道的比例系數(shù)。
①為原始色譜信號(hào)用X表示。
②為校正信號(hào)，用F表示③為一次信號(hào)，用S1表示。S1為在極短時(shí)間段中多次采樣一次信號(hào)的平均值。
④為經(jīng)過程控放大器放大的“二次信號(hào)”，用S2表示。S2表示在極短時(shí)間段中多次采樣二次信號(hào)的平均值。
⑤為處理器輸出的真實(shí)色譜信號(hào)，用Y表示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可以參照?qǐng)D3，按如下方法實(shí)施。
來自分析檢測(cè)器的原始信號(hào)經(jīng)過基線調(diào)零后，形成一次信號(hào)。一次信號(hào)一路經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換將數(shù)字化的信息送入處理器中。此處的控制器可以根據(jù)對(duì)信號(hào)處理的要求采用單片機(jī)、計(jì)算機(jī)以及具有運(yùn)算和控制功能的其他部件。另一路一次信號(hào)先送入程控放大器中。程控放大器根據(jù)信號(hào)大小，將其按設(shè)定放大倍數(shù)放大為二次信號(hào)。二次信號(hào)經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換也送入處理器中。處理器按圖4所示，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理取得真實(shí)的色譜信號(hào)。
具體而言原始信號(hào)中如果沒有色譜信號(hào)，則此時(shí)圖3中的S2則為被放大的基線信號(hào)電平。正常要求此電平值為0。因此按如圖5所示方法，將采集到的二次信號(hào)在處理器中取反后并除以程控放大器放大倍數(shù)后經(jīng)圖3中的D/A轉(zhuǎn)換為模擬的校正信號(hào)F，經(jīng)過反饋比例系數(shù)Kf的調(diào)整，疊加到原始信號(hào)上，形成新的一次信號(hào)S1。將S2作為檢驗(yàn)基線是否已經(jīng)調(diào)至零點(diǎn)的信號(hào)。如果此信號(hào)為0，則表明，基線已經(jīng)調(diào)到零點(diǎn)了，否則就繼續(xù)調(diào)整校正信號(hào)的大小，直到合成的信號(hào)為0才停止。由于在此環(huán)節(jié)中程控放大器的放大倍數(shù)K還沒有被校準(zhǔn)，因此將程控放大器放在閉環(huán)負(fù)反饋中，通過多次調(diào)整校正信號(hào)F的值，來解決放大倍數(shù)不精確的問題，實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
基線調(diào)零需要在原始信號(hào)中沒有組分峰信息時(shí)進(jìn)行。這可以通過測(cè)量信號(hào)斜率大小來確定原始信號(hào)中是否包含色譜信息。也可以利用每個(gè)色譜分析周期前后無組分峰信息的時(shí)間來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零。
原始信號(hào)經(jīng)過基線調(diào)零就可以按圖4所示方法進(jìn)行量程切換點(diǎn)信號(hào)的平滑處理當(dāng)經(jīng)過基線調(diào)零的信號(hào)中出現(xiàn)了色譜信息后，在一個(gè)很短的時(shí)間段中對(duì)一次，二次信號(hào)連續(xù)大量采樣，并求取平均值S1，S2。用二次信號(hào)平均值S2除一次信號(hào)平均值S1，得到程控放大器的真實(shí)放大倍數(shù)K。二次信號(hào)S2除這個(gè)放大倍數(shù)k就得到了色譜信號(hào)的真實(shí)值Y。
以上實(shí)施方法的一個(gè)實(shí)例可以如下程控放大器采用PGA204型，處理器采用PC104結(jié)構(gòu)的SUM/Super DX。數(shù)據(jù)采集用的A/D采用DMM-16-AT型。它的參考電壓為+5V。D/A采用RUBY-MM。亦參考圖3的硬件，具體如下16位A/D轉(zhuǎn)換器DMM-16-AT采集的到一次信號(hào)如果低于0.005V則程控放大器PGA204采用×1000放大倍數(shù)，一次信號(hào)在0.005～0.05V范圍內(nèi)的程控放大器采用×100放大倍數(shù)，一次信號(hào)在0.05～0.5V的程控放大器采用×10放大倍數(shù)。一次信號(hào)在0.5～5V的程控放大器采用×1放大倍數(shù)。同時(shí)，A/D模塊DMM-16-AT在40ms時(shí)間內(nèi)對(duì)一，二次信號(hào)均勻采樣80次，并作移動(dòng)平均。亦可以在10～20ms時(shí)間內(nèi)對(duì)一，二次信號(hào)均勻采樣20～40次，與運(yùn)算器的運(yùn)算速度和處理能力有關(guān)。根據(jù)一，二次信號(hào)的平均值，求取實(shí)際程控放大器放大倍數(shù)，如圖4所示對(duì)色譜信號(hào)進(jìn)行處理。
其中基線調(diào)零采用每個(gè)分析周期開始前的沒有組分信號(hào)的時(shí)段內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，按圖5所示進(jìn)行基線調(diào)零。其中的模擬量經(jīng)過模擬量輸出模塊(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換)RUBY-MM與1次信號(hào)進(jìn)行疊加。按2～30分鐘為一個(gè)工業(yè)色譜分析周期，基線調(diào)零在每個(gè)分析周期的前10ms進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零。如果本次基線調(diào)零在此次分析周期內(nèi)沒有調(diào)到零點(diǎn)，則在下一個(gè)周期內(nèi)繼續(xù)調(diào)零。如果連續(xù)4個(gè)分析周期中都沒有實(shí)現(xiàn)基線調(diào)零，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，停機(jī)報(bào)警。
權(quán)利要求
1.工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是由色譜儀運(yùn)算器執(zhí)行下述處理，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)未經(jīng)過程控放大器放大的一次信號(hào)和經(jīng)過程控放大器放大的二次信號(hào)多次采樣，并求取平均值；二次信號(hào)平均值除以一次信號(hào)平均值就得到了真實(shí)的程控放大倍數(shù)；而后運(yùn)算器用此二次信號(hào)除以真實(shí)放大倍數(shù)，還原原始信號(hào)。
2.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是采樣器在沒有色譜信號(hào)時(shí)采集原始信號(hào)中的基線電平，當(dāng)有基線信號(hào)即基線不為零時(shí)，取該漂移值的負(fù)值經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后反饋到程控放大器的輸入端，使采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
3.由權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是基線調(diào)零后原始信號(hào)變成一次信號(hào)；一路一次信號(hào)經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換將數(shù)字化的信號(hào)送入處理器中；另一路一次信號(hào)先送入程控放大器中，程控放大器根據(jù)信號(hào)大小，將其按一定放大倍數(shù)放大為二次信號(hào)；二次信號(hào)經(jīng)過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換也送入處理器中。
4.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是原始信號(hào)中如果沒有色譜信號(hào)，將采集到的二次信號(hào)在處理器中取反后并除以程控放大器放大倍數(shù)后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬的校正信號(hào)F，疊加到原始信號(hào)上，形成新的一次信號(hào)S1。
5.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是將被放大的基線信號(hào)電平S2作為檢驗(yàn)基線是否已經(jīng)調(diào)至零點(diǎn)的信號(hào)，如果此信號(hào)為0，則基線已經(jīng)調(diào)到零點(diǎn)，否則就繼續(xù)調(diào)整校正信號(hào)的大小，直到合成的信號(hào)為0才停止。
6.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是此將程控放大器放在閉環(huán)負(fù)反饋中，通過多次調(diào)整校正信號(hào)F的值，來解決放大倍數(shù)不精確的問題，實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
7.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是在10～40ms時(shí)間內(nèi)對(duì)一，二次信號(hào)均勻采樣20～80次，并作移動(dòng)平均。
8.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是按2～30分鐘為一個(gè)工業(yè)色譜分析周期，基線調(diào)零在每個(gè)分析周期的前10ms進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零。
9.由權(quán)利要求1所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是將采集到的二次信號(hào)在處理器中取反后并除以程控放大器放大倍數(shù)后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為模擬的校正信號(hào)F，經(jīng)過反饋比例系數(shù)Kf的調(diào)整，疊加到原始信號(hào)上，形成新的一次信號(hào)S1。
10.由權(quán)利要求5或9所述的工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，其特征是基線不是零點(diǎn)就繼續(xù)調(diào)整校正信號(hào)的大小，直到合成的信號(hào)為0才停止；而且將程控放大器放在閉環(huán)負(fù)反饋中，通過多次調(diào)整校正信號(hào)F的值，來解決放大倍數(shù)不精確的問題，實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
全文摘要
工業(yè)色譜儀譜峰信號(hào)量程切換點(diǎn)信號(hào)平滑處理方法，由色譜儀運(yùn)算器執(zhí)行下述處理，在短時(shí)間內(nèi)對(duì)未經(jīng)過程控放大器放大的一次信號(hào)和經(jīng)過程控放大器放大的二次信號(hào)多次采樣，并求取平均值；二次信號(hào)平均值除以一次信號(hào)平均值就得到了真實(shí)的程控放大倍數(shù)；而后運(yùn)算器用此二次信號(hào)除以真實(shí)放大倍數(shù)，還原原始信號(hào)。本發(fā)明采用二次信號(hào)通過除真實(shí)放大倍數(shù)的方法獲得信號(hào)真實(shí)值。用于克服程控放大器電路放大參數(shù)的波動(dòng)。采樣器在沒有組分信號(hào)時(shí)采集原始信號(hào)中的基線電平，當(dāng)發(fā)現(xiàn)基線不為零時(shí)，處理器就對(duì)采集到的漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行累加計(jì)算，取該漂移值的負(fù)值經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換后反饋到程控放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)基線自動(dòng)調(diào)零。
文檔編號(hào)G06F17/00GK1815220SQ20061003797
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