摘要：本文介紹了微處理器在色譜儀上應用的類型、特點、結構以及信息處理的方法，并對成分分析儀器的發(fā)展趨勢進行了歸納。 　　關鍵詞：微處理器；色譜儀系統(tǒng)；信息處理
　　中圖分類號：TP332 文獻標識碼：A
　　
　　1 前言
　　
　　在許多工業(yè)生產部門，特別是在石油、化工、采礦等企業(yè)，往往會碰到有毒、有害、易燃、易爆等氣體，例如，合成氨生產中的水煤氣，石油生產過程中的石油蒸氣，有機化學工業(yè)中用到的氫化氰（HCN），煤井坑道中的“瓦斯”等。生產過程中這些氣體的監(jiān)測離不開成分分析儀器。成分分析儀器的基本組成框圖如圖1所示。
　　
　　色譜法是一種物理分離方法，其原理是：不同物質在兩相――固定相和流動相之間具有不同的分配系數(shù)，這些物質同流動相一起運動時，在兩相間進行反復多次的分配，使分配系數(shù)不同的物質在移動速度上產生顯著差別，從而使各組分達到完全的分離。如果再配上適當?shù)臋z測器對分離物進行定性定量鑒定，就成為色譜分析法。在成分分析技術領域，也常簡稱為色譜法。
　　
　　2 定性分析方法和定量計算方法
　　
　　2.1 定性分析方法
　　色譜法的定性分析就是如何確定每個色譜峰代表何種組分。主要分析方法是：
　　2.1.1 保留值法
　　理論分析和實驗結果表明，當固定相和操作條件嚴格不變時，各種物質都有一定的保留值（tr，Vr或t r，V r），而且一般不受其他組分存在的影響。因此，比較已知物和未知物的保留值就能確定未知組分。
　　2.1.2 相對保留值法
　　
　　2.2.3 外標法
　　外標法亦稱定量樣品校正法，是工廠控制分析中常用的絕對定量方法。
　　
　　首先，用已知組分的純樣品加稀釋劑，配成一系列不同質量濃度的標準樣，在一定操作條件下進行色譜分析，作出峰面積（或峰高）對質量濃度的關系曲線，叫工作曲線，如圖2所示。然后在同樣操作條件下，取同量被分析試樣注入色譜儀，測得待分析組分的峰面積（或峰高），由工作曲線查出被測組分含量。
　　
　　3 微處理器在色譜儀上的應用
　　
　　3.1 微處理器在色譜儀上應用的方式
　　微處理器在色譜儀上的應用大體有三類：
　　（1）基本上是一個數(shù)據采集和處理裝置，稱為計算積分儀。它的主要功能是轉換模擬信號、校正基線、分割重疊峰、進行濾波、求積等數(shù)據處理，并按照使用者要求打印出分析報告。
　　（2）除去數(shù)據采集和處理外，還可自動控制整個操作過程，自動調整各項工作參數(shù)，包括流速、溫度、壓力、時間等。
　�。�3）更具通用性，相當于增加了一臺微型計算機，它除具有上述兩種功能外，還可以用通用的高級語言單獨編程。帶有微處理器的色譜儀大多數(shù)采用鍵盤輸入和屏幕顯示。
　　
　　3.2 微處理器在色譜儀上應用的特點
　�。�1）采用全鍵盤操作，CRT或液晶顯示。通過鍵盤可以打入全部色譜分析參數(shù)，CRT或液晶顯示能夠幫助操作者決定參數(shù)值，建立分析方法程序。在分析過程中，CRT或液晶能顯示各項實時操作條件，如各通道的溫度、流量、檢測器狀況及外部事件等，同時還可以顯示給定值并給出超限的參數(shù)。
　�。�2）在微計算機內存儲多種分析方法供選用。一旦選用可以加上保護，就不會被誤操作所更改。所有方法可以隨時調用，大大節(jié)省了時間，方便了用戶。
　�。�3）具有自診斷功能。開機后就能連續(xù)進行自檢。如果系統(tǒng)中有故障，指示器將顯示故障部位，發(fā)出閃光報警信號。特別是當電源發(fā)生故障時，能夠及時接入內裝電源以保存所有分析條件及進程等參數(shù)。當電源恢復正常后，還能自動啟動，按故障前的狀態(tài)運行。
　�。�4）具有較強的接口功能�？梢酝ㄟ^接口同時控制另一臺輔助色譜儀，也可以同外部計算機通訊，從而進一步提高分析儀的自動化水平和數(shù)據處理能力。
　　工業(yè)氣相色譜儀與實驗室用色譜儀有所不同，它更為注重分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，對分析過程中程序控制的要求也更為復雜多樣。而且，工業(yè)色譜儀往往作為整個過程控制系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，所以要有足夠的模擬和數(shù)字輸入/輸出接口，以方便與模擬調節(jié)器或上位計算機聯(lián)接。
　　
　　4 微處理機工業(yè)色譜儀
　　
　　4.1 微處理機工業(yè)色譜儀的結構
　　配有微處理機的工業(yè)色譜儀是一種新型的智能儀器。微處理機作為工業(yè)色譜儀的一個環(huán)節(jié)，它代替了程序控制器和信息處理器，并增加了數(shù)據處理以及統(tǒng)計制表等功能。
　　4.1.1 微型計算機
　　色譜儀中的微型計算機由CPU、FlashROM、RAM以及各種接口電路組成。其中，F(xiàn)lashROM作為程序存儲器用來存儲工業(yè)色譜儀的控制、運算及系統(tǒng)管理程序。各種算術邏輯運算，數(shù)據傳送及中斷處理等操作由CPU完成。RAM作為數(shù)據存儲器用來寫入或讀出各類數(shù)據。RAM在斷電后會失去所存儲的信息，因此機內應備有應急電源及電源切換裝置。一旦電網掉電，可馬上接入應急電源以保存信息，并及時轉存到硬盤上。
　　4.1.2 分析器接口
　　它具有兩種功能組件，其一是模擬接口組件，即A/D轉換接口；另一個是數(shù)字接口組件，它把CPU發(fā)出的各種時序命令信息輸出到分析器，控制各種閥門和開關。
　　4.1.3 鍵盤和CRT（或液晶）接口
　　它是操作員和微機工業(yè)色譜儀進行人機對話的通道。操作員通過鍵盤輸入原始數(shù)據，設定各種參數(shù)，指定分析器的動作程序以及下達機器動作命令等。CRT（或液晶）顯示器能顯示各種有關數(shù)據和代碼。
　　4.1.4 記錄儀接口
　　它實際上是一個數(shù)/模（D/A）轉換接口，它把二進制數(shù)碼轉換為電壓信號送往記錄儀表。
　　4.1.5 模擬輸出接口
　　它和記錄儀接口類似，可以將微處理機送來的瞬間輸出保持下來，供模擬儀表和調節(jié)器使用，每個分析周期更換一次輸出數(shù)據，并能多點輸出。
　　4.1.6 硬盤和光盤存儲器接口
　　它是和微機的聯(lián)系通道。通常，與運算和控制有關的各種數(shù)據都要事先存儲到硬盤或光盤存儲器中。
　　4.1.7 計算機接口
　　它主要是為了同上位計算機通訊而設置的，能夠將色譜分析的組分、流路、時序等信息向上位計算機發(fā)送，并接收來自上位計算機的各種命令。
　　4.1.8 數(shù)字輸入/輸出接口
　　它是一組并行I/O接口，這部分功能要依實際需要來配置。
　　4.1.9 打印機接口
　　它是主機與打印機間的數(shù)據通道。接口類型依打印機不同有串行和并行之分。
　　
　　4.2 信息處理方法
　　在工業(yè)色譜儀中，微處理機的功能在很大程度上取決于應用軟件的設計。在通用型的微機工業(yè)色譜儀中還要配置較強的人機對話軟件。在各種應用軟件模塊中，信息處理軟件是最基本、最有特色的模塊。它主要完成數(shù)據的采集、數(shù)據濾波、峰的檢測、各種峰形的判斷處理、計算峰面積和百分比含量等功能。
　　4.2.1 定時采樣和數(shù)字濾波
　　實時數(shù)據處理有兩種方式，一是先采集到全部信息，存儲在RAM中，最后再作處理；另一種是邊采集邊進行處理。
　　為了定時準確，一般用定時器按時發(fā)出中斷請求信號，CPU響應中斷，在中斷服務子程序中完成計時，采集及完成其他處理任務。采樣周期取決于色譜峰信號的頻譜特性，一般取0.1s。
　　在色譜峰信號中，不可避免地包含高頻以及工頻干擾成分。通常要采取某些簡便的數(shù)字濾波方法來濾出干擾，這些方法包括：中位值濾波、平均值濾波以及移動平均值濾波等。
　　4.2.2 色譜峰的檢測
　　利用色譜峰面積定量的關鍵在于準確地確定峰的起點、頂點和終點。所以峰形檢測是數(shù)據處理軟件的核心部分。
　　峰形檢測有斜率檢測和電平檢測等不同方法，其基本思想都是設定一個閥值作為判別門限，當采樣值的幅度或斜率超過閥值時則判定為起峰；起峰后，斜率的正、負交變處即為峰頂；當信號的幅度或斜率小于閥值時就認為峰終結。閥值的設定要依具體的測量環(huán)境來決定。一般都是通過測試進樣后色譜基線及其噪聲而自動設置的，也可以由操作員根據不同情況通過鍵盤進行校正。
　　4.2.3 峰面積計算和基線漂移處理
　　峰面積計算可采用簡單的矩形求積法。
　　
　　4.2.4 特殊峰形處理
　　含有多種組分的試樣有時不能完全分離，形成所謂搭肩峰和拖尾上的峰等，這些峰的共同特點是在其交疊處形成“峰谷”。對它們的處理首先是準確判斷出峰谷的位置，然后再按不同峰形確定面積分割方法。
　　4.2.5 定量分析方法
　　定量分析可以采用歸一化法、內標法或外標法等。一般來說，定量分析方法的選擇以及有關參數(shù)的確定都可以通過鍵盤來預置。
　　
　　5 成分分析儀器的發(fā)展趨勢
　　
　　成分分析儀器由于在科學技術和國民經濟生產中的重要作用，正受到世界各國的普遍重視。其發(fā)展趨勢可以歸納為：
　　
　　5.1 普及計算機應用
　　目前計算機已經廣泛用于多種近代成分分析儀器的數(shù)據處理、監(jiān)督成分分析儀器的功能、控制它們的工作和各項操作參數(shù)。計算機（或單片機）和成分分析儀器相結合已經成為生產過程自動控制的有效工具。
　　
　　5.2 廣泛采用新技術
　　激光技術、固體氣敏元件、大規(guī)模集成電路、超導、光導等新技術的出現(xiàn)，大大擴展了成分分析儀器的品種和使用范圍，提高了儀器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性和自動化程度。當前科學技術的發(fā)展已經進入了一個嶄新的階段，新學科、新技術、新工藝層出不窮。
　　
　　5.3 不斷提高自動化程度
　　隨著我國自動化生產水平的提高，迫切要求把實驗室中已經成熟的各種成分分析儀器和分析方法逐步應用到生產實踐中，成為能連續(xù)自動地完成生產過程中所必需的測量、監(jiān)督和調節(jié)任務的手段。
　　
　　5.4 盡量標準化
　　采用“積木式”結構，將儀器分解成若干個標準部件，根據用途不同進行適當組合，以滿足不同使用功能的要求。此外在電子部件方面盡量采用標準化插件，實現(xiàn)成分分析儀器的標準化、系列化和單元組合化，這不僅有利于降低儀器的生產成本，縮短制造周期，而且可以簡化操作技術，提高使用靈活性，減少維護工作量，有利于推廣成分分析儀器的應用。
　　
　　參考文獻
　　[1]姚運先主編.環(huán)境監(jiān)測技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003.
　　[2]楊一德.分析儀器電子技術[M].北京：北京理工大學出版社，1995.
　　[3]奚旦立，劉秀英，郭安然.環(huán)境檢測[M].北京：高等教育出版社，1998.
　　[4]張宏勛.過程分析儀器（修訂版）[M].沈陽：東北大學出版社，1995.

相關熱詞搜索：微處理器 色譜 分析 微處理器在色譜分析中的應用 微處理器的主要功能 dsp微處理器原理和定義