HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

一、信號(hào)采集單元

科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀在紅外吸收信號(hào)的數(shù)字采樣單元部分，采用了行業(yè)通用的高穩(wěn)定可靠的24bitΔΣ的CS54XX系列芯片作為數(shù)字采樣的核心芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)16K/s的采樣頻率，數(shù)據(jù)采樣快速高效。該芯片內(nèi)部自帶ΔΣ計(jì)算單元，數(shù)字比較濾波器和高通濾波器，可以有效地過濾采樣過程中的雜質(zhì)信號(hào)。

在采樣芯片的外圍電路設(shè)計(jì)上我們{dj2}采用了高精度的電壓基準(zhǔn)芯片提供給采樣用的比較電壓，wq改善了以往設(shè)計(jì)中由于線形電源紋波變化導(dǎo)致的采樣數(shù)據(jù)的個(gè)體漂移。

在對(duì)采樣芯片的控制和數(shù)據(jù)讀取上我們摒棄了以往產(chǎn)品通過普通的8051單片機(jī)軟件程序控制的方式,采用了現(xiàn)在電路設(shè)計(jì){zlx}的大規(guī)模FPGA芯片設(shè)計(jì)技術(shù)和快速光藕隔離技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了對(duì)采樣芯片的硬件處理過程的算法，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣芯片的高速采集和高速控制。并且這種設(shè)計(jì)使得對(duì)采集芯片的控制wq不需要占用CPU的處理時(shí)間，徹底解決了以往設(shè)計(jì)中由于CPU采集數(shù)據(jù)處理不及時(shí)帶來的數(shù)據(jù)缺失和與PC軟件通信過程異常中斷(USB中斷)的相關(guān)問題。

二、中央數(shù)據(jù)處理單元

科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀為了實(shí)現(xiàn)儀器的高性能處理能力，我們不再采用以往設(shè)計(jì)用的簡單價(jià)廉的主頻只有22M的8051單片機(jī)，以上8位的8051單片機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足儀器所需要的實(shí)時(shí)處理速度?？乒鸋CS-500型高頻紅外碳硫分析儀的中央數(shù)據(jù)處理單元{dj2}采用目前處理主頻高達(dá)200Mhz的高性能工業(yè)級(jí)ARM9處理器，內(nèi)存和閃存都采用了32M存儲(chǔ)空間的高速芯片。我們?cè)谔幚砥鬈浖O(shè)計(jì)上采用了開源的Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制軟件設(shè)計(jì)上采用基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，保證了程序的{zy}化和高可靠性。在處理器與采樣芯片接口上使用FPGA作為中間驅(qū)動(dòng)芯片和數(shù)據(jù)緩沖器，對(duì)外部控制閥門采用FPGA實(shí)現(xiàn)了并行處理緩沖器驅(qū)動(dòng)快速隔離光藕控制相應(yīng)的端口。由于我們采用了高速的CPU和采集芯片使用FPGA的硬件處理，所以該儀器將分析采樣次數(shù)提高到每秒10萬次以上，而現(xiàn)有其它儀器使用8位8051系列單片機(jī)的采樣次數(shù)一般為8000/16000次。

高速的CPU將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行逐次逼近和概率統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后把得到的有效數(shù)據(jù)存入32M的大容量SDRAM中。

三、數(shù)據(jù)傳輸單元

科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀在行業(yè)上率先推出了融合高速USB和以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的雙通訊接口。較現(xiàn)有其他基于低速串口和部分廠家的USB單接口的儀器可以更好的提供便利的現(xiàn)場安裝。該儀器在使用高速USB和以太網(wǎng)與PC進(jìn)行通信上由于采用了Linux操作系統(tǒng)經(jīng)過驗(yàn)證的底層驅(qū)動(dòng)，所以儀器分析通信過程中保證了通訊的高穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的可靠性。這和現(xiàn)有一些儀器采用8051單片機(jī)驅(qū)動(dòng)USB芯片的簡易通信方式有技術(shù)上的本質(zhì)區(qū)別，低速的8051單片機(jī)在同時(shí)分析采樣數(shù)據(jù)和處理USB協(xié)議時(shí)會(huì)出現(xiàn)處理中斷的情況，這就是現(xiàn)有一些儀器容易出現(xiàn)的USB通訊中斷的原因。而科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀采用的是具有16級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的ARM9處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)Linux操作系統(tǒng)，保證了通信和數(shù)據(jù)采集過程的并行處理能力，軟件設(shè)計(jì)上采用了多線程多任務(wù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臅r(shí)間誤差在us級(jí)。在采集數(shù)據(jù)傳輸控制中我們依靠底層CPU的高實(shí)時(shí)性進(jìn)行獨(dú)立采樣，對(duì)數(shù)據(jù)處理采用了底層數(shù)據(jù)隊(duì)列緩沖技術(shù)、多數(shù)據(jù)校驗(yàn)冗余技術(shù)。使得數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)的分布和數(shù)量不再受數(shù)據(jù)傳輸而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。儀器如果采用PC機(jī)的連續(xù)定時(shí)采集方法來采集分析數(shù)據(jù)點(diǎn)，而由于現(xiàn)在的PC上的桌面操作系統(tǒng)都是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所以采集數(shù)據(jù)上都會(huì)出現(xiàn)采樣點(diǎn)的間隔時(shí)間的大小偏移，這樣必然導(dǎo)致分析結(jié)果的不確定性。科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀為避免這種弊端提出了全新的設(shè)計(jì)思想，wq實(shí)現(xiàn)了采樣點(diǎn)的高實(shí)時(shí)性和采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔的準(zhǔn)確性。在傳輸協(xié)議上通過PC上位機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用軟件不斷請(qǐng)求數(shù)據(jù)，底層系統(tǒng)將處理好的隊(duì)列緩沖數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)組包發(fā)送。每一組數(shù)據(jù)包采用隊(duì)列鏈表結(jié)構(gòu)，以免數(shù)據(jù)傳輸缺失或錯(cuò)誤。

系統(tǒng)構(gòu)成如圖：

四、應(yīng)用軟件

1、快速輸入、人機(jī)交互更便捷。

對(duì)于需要用戶輸入的數(shù)據(jù)或指令，諸如“分析方法”的選擇、樣品的選擇、樣品重量的鍵入等人機(jī)交互的操作，直接列于主界面，主要用戶可以快速選擇或輸入數(shù)據(jù)。下圖為fxrj的主界面。

2、人性化設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)置靈活方便。

例如在高頻功率曲線的設(shè)置上采用“熱點(diǎn)”拖拽的方法，即用鼠標(biāo)單曲線上的某個(gè)熱點(diǎn)（圖中小紅點(diǎn)），可以進(jìn)行拖拽設(shè)置不同類型的功率曲線。而且還可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行jq修改、增加、插入、刪除等編輯操作。

3、采用“分析方法”概念。

對(duì)分析參數(shù)而言，舍棄傳統(tǒng)的“通道”的概念，采用“分析方法”這個(gè)概念，使用戶更容易理解。而且分析方法的新建、修改、刪除等都非常方便。

4、軟件功能強(qiáng)大。

在數(shù)據(jù)庫的管理上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、擁有功能強(qiáng)大、多重過濾數(shù)據(jù)庫檢索引擎，工作曲線的同步顯示、存儲(chǔ)、放大及多重曲線的多層次比較、分析結(jié)果word報(bào)表輸出等幾十種功能。

五、線性化定標(biāo)新技術(shù)——多元非線性擬合方法

    采用全量程范圍多元非線性擬合方法，以實(shí)現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)非常高的線性度。紅外碳硫分析儀是通過檢測(cè)CO2及SO2氣體對(duì)紅外輻射吸收量來分析物質(zhì)中的碳硫元素含量；線性化定標(biāo)是儀器數(shù)據(jù)中關(guān)鍵技術(shù)，由于朗伯比爾定律是符合指數(shù)規(guī)律，又因紅外濾光片具有一定帶寬，氣體吸收系數(shù)不是常數(shù)，因而要獲得積分面積線性化定標(biāo)是十分困難。我們經(jīng)過多年研究和實(shí)驗(yàn)，終于在線性化定標(biāo)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了重大突破，在全量程范圍內(nèi)獲得非常高的線性度。

六、恒壓穩(wěn)流除塵系統(tǒng)

根據(jù)氣動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了恒壓恒流供氧、自動(dòng)清掃爐頭、自動(dòng)排塵，有效地減少粉塵對(duì)硫元素分析的影響。氣路部件包括電磁閥、氣缸、氣路管、氣路接頭全部采用意大利CAMOZZI氣動(dòng)有限公司進(jìn)口元件，電磁閥壽命達(dá)百萬次以上，氣缸采用無油潤滑技術(shù)，適用于惡劣現(xiàn)場環(huán)境，從根本上解決了國內(nèi)產(chǎn)品常見的氣路系統(tǒng)的可靠性和密封性難題。

七、整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)采用模塊化一體化設(shè)計(jì)，高頻爐部分和紅外檢測(cè)部分實(shí)現(xiàn)隔離，減少高頻爐振蕩產(chǎn)生的電磁波對(duì)紅外信號(hào)的干擾；電源系統(tǒng)采用固態(tài)電源模塊，防塵、簡潔可靠；連線大多采用高頻屏蔽線，避免高頻干擾，提高了整個(gè)儀器電路的可靠性。

八、高頻爐的設(shè)計(jì)

1、高頻爐輸入功率為2.5千瓦，選用3.5KW風(fēng)冷陶瓷功率管并使其工作在丙類工作狀態(tài)，提高了功率輸出的穩(wěn)定性及元件壽命。

2、主振電容采用額定電流達(dá)一百安培的真空陶瓷電容，具有極低的介質(zhì)損耗、優(yōu)良的穩(wěn)定性，有效提高了可靠性及功率輸出的穩(wěn)定性。

3、采用高Q值鐵氧體芯表面具有高抗氧化鍍層的感應(yīng)線圈；設(shè)有冷卻風(fēng)道，加強(qiáng)冷卻風(fēng)扇功率，提高了功率元件的熱穩(wěn)定性。

九、程序升溫功能

1、根據(jù)樣品中碳硫元素釋放要求設(shè)置{zj0}熔樣溫度。

2、在高碳樣品分析時(shí)，可以通過調(diào)整高頻爐功率控制釋放速度提高分析精度。

3、在超低碳分析時(shí)通過程序升溫有效處理樣品表面吸附碳及坩堝中的碳空白的影響，提高低碳分析精度。

十、紅外檢測(cè)系統(tǒng)

核心部件紅外檢測(cè)池選用高效、長壽命的貴金屬微型紅外光源及金屬反射鏡；調(diào)制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制的高精度步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到了調(diào)制頻率的長期穩(wěn)定；采用紅外熱釋電固體光錐型傳感器、窄帶濾光片，使整機(jī)有極高的檢測(cè)靈敏度，可有效檢測(cè)ppm級(jí)的碳硫含量。