CN100561189C - 多金属元素分析的控制方法和仪器 - Google Patents

Abstract

一种多金属元素分析的控制方法，对5-16通道的多金属元素分析的控制，并按下述顺序进行元素分析：先自动化学反应仪自动测量：1)分放：将被分析样品的溶液排入反应皿；2)一加：将第一种试剂加入反应皿；3)加热：对反应皿中的溶液进行加热；4)二加：将第二种试剂加入反应皿；5)搅拌：将氧气自动吹入反应皿；6)溶放：将反应皿中的溶液同时放入相应的5只测量器中，达到自动浓度比色；7)一清：将氧气压出蒸馏水进入分液器，完成自动清洗5只定容球，达到干净整洁；反应完成后进行自动测量：利用比耳定律和最小二乘法进行计算和回归运算，确立元素分析工作曲线。校正时所有测量通道同时进行清洗。

Description

多金属元素分析的控制方法和仪器

技术领域

本发明涉及冶金、机械等行业的多金属元素分析的控制方法和装置。

背景技术

国内现有多种用于金属元素分析的仪器，按其功能可分为两类：一类是以物理分析方法为代表的光谱分析仪-器，这绝大多数依赖进口，国产的很少且技术尚未完全过关，性能还不够稳定，而光谱类仪器价格昂贵，因此其应用范围受到较大限制，市场份额较小。另一类是以化学分析方法为主的两元素、三元素以及多元素分析仪器，这类仪器技术含量低，但价格较低，因此在国内占据了较大的市场份额。

在金属元素分析方面，我国自行研制或仿制的分析仪器的技术水准普遍较低，其分析材质单一，分析的元素种类少、分析速度慢、分析误差大、操作复杂。目前，在国内除了少数条件较好的大企业及部份科研院所等单位选用进口分析仪器或国产光谱分析仪外，其余占80％左右的单位都是使用简易的手工操作型分析仪器。

当前，国内生产的锰、硅、磷等号称微机型数显三元素自动分析仪实质上几乎都是由单片机进行简单程序控制和数据处理、数码管表头显示的非计算机控制的分析仪，其手工操作繁琐、故障率高、性能不稳定、适用面窄，人机对话功能复杂、自检功能弱，仪器总体性能差。其它的三元素等分析仪技术档次更低，更不能满足企业多元素快速分析的需要。

总体的来讲，现有的金属分析仪器功能还较差，操作繁琐，尤其是分析速度太慢，无法适应企业多元素快速分析的需要，不能保证或促进企业的产品质量和生产效率的提高。

目前，国内市场需求新型的金属元素分析仪器的要求越来越高。如何研制出高速化、自动化、数字化、智能化甚至网络化的分析仪器成为摆在广大分析仪器生产厂家面前的一个重要课题，这也是本公司研究本发明的目的所在。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多金属元素分析的控制方法和仪器，能够进行16种元素中选择5种元素的分析，在本发明多元素自动高速分析仪内设有5个通道，每次可同时联测五种不同元素的百分含量，若更换比色器、发光器、试剂等更可续测金属材料中16种不同元素的百分含量。本发明产品分析速度快、精度达到甚至优异于国家标准，仪器利用计算机进行智能化程序控制、操作简单、性价比高、人机对话界面好，提供了一种较理想的金属多元素分析仪器。

发明内容

本发明的目的是这样实现的：一种多金属元素分析的控制方法，能够进行5-16通道的多金属元素分析的控制方法，计算机执行下述程序进行元素分析：

自动化学反应仪自动测量：

1)分放：将被分析样品的溶液排入反应皿(发色器)；

2)一加：将第一种试剂加入反应皿；

3)加热：对反应皿中的溶液进行加热；

4)二加：将第二种试剂加入反应皿；

5)搅拌：将氧气自动吹入反应皿，对5-16只反应皿中的溶液进行搅拌，达到混合均匀的目的；

6)三加：根据需要将第三种试剂加入反应皿；

7)色放：将反应皿中的有色溶液同时放入相应的5只测量器中，进行光电比色；

8)一清：将氧气压出蒸馏水进入分液器，完成自动清洗5只分液器；

9)二清：根据需要将氧气压出蒸馏水进入反应皿完成自动清洗5只反应皿。

反应完成后进行自动测量：

1)测量：自动检测测量器中溶液的含量，采用发光二极管发出的单色光透过测量器中的有色溶液，分别照射到5只光电池上，产生稳定的电压，经过放大器进行信号放大，经模数转换器采集数据，从而得到出每种元素的含量。

2)比放：将测量器中被检测的溶液排出，清除。

3)三清：将氧气自动压出蒸馏水，进入5只测量器完成自动清洗测量器，达到整洁干净。

上位机通过RS485等通讯总线控制自动化学反应仪和自动测量的分析过程。

本发明利用比耳定律和最小二乘法进行计算和回归运算，确立和调用元素分析的工作曲线进行自动分析。

本发明采用仪器校正方法：

校正时所有测量通道同时进行清洗。零位校正时关闭所有通道发光二极管，测量通道入射光线均为零下，以修正逻辑零位。满度校正时开启所有通道的发光二极管，以修正逻辑满度。自动校正时自动对所有测量通道依次进行清洗、零位校正、满度校正。

控制流程主控板只完成“接收指令-解释指令-操作的单步操作过程，每接到一个命令。只完成一个操作，控制一个或一组器件”。

下位机的主控板不关心整体流程，只要完成每个单步，使用上有灵活性，后续升级可以仅通过计算机软件升级来完成。

本发明的多金属元素分析的仪器或装置，包括有上位计算机、主控板、AD采集卡、蠕动泵控制板、被控的线圈阀、电磁阀、蠕动泵、发光二极管、继电器、加热器；在自动化学反应系统中包含有定液器、发色器、测量皿、电磁阀、线圈阀；在自动测量系统中包括有发光二极管、智能感光传感器、信号放大器，主控板由微处理器及存储器、I/O输出电路；上位计算机与主控板之间由485总线通讯连接。I/O输出电路分别连接蠕动泵控制板器、被控的线圈阀、电磁阀、线圈阀、蠕动泵、发光二极管、继电器、加热器，由测量系统中的光电转换传感器连接信号放大器和AD采集卡，AD采集卡连接上位机的总线。

本发明的特点是：通过优化计算机程序软件，积极提升智能控制技术，以通过接近最佳方式来监控、控制仪器各系统正常运行，使系统效益得以充分的发挥；采用的光源技术、智能传感技术及蠕动泵技术进一步对精度和状态进行精确控制；控制自动化学反应仪完成系统自检和诊；控制自动测量仪完成系统自检和诊断程序；控制系统完成仪器标定；改变了现有二三元素分析仪的手工控制方式和落后的装置。

附图说明

图1为本发明多元素自动高速分析仪电路结构图

图2为本发明一个典型元素的曲线选择图

线圈阀1、钽丝加热器2、固态继电器3、变压器4、电磁阀5、蠕动泵6、发光管7、光电池8、加热变压器9。

具体实施方式

一、元素分析软件设计的方法：在元素分析软件设计方面，利用中文Windows操作系统平台，充分利用比耳定律和最小二乘法进行计算和回归运算，确立元素分析工作曲线。

(1)采用比耳定律

在使用光学方法标定和测量溶液元素的溶度时，需要应用比耳定律。该定律描述如下：

T＝I/10，T-透光度，I-透过光的强度，对本系统是测量时采集卡的数值；

A＝log(10/I)或＝-logT，K＝A/CL，A＝log(10/I)＝KCLA-吸光度

10-入射光强度，对本系统是满度时采集卡的数值，C-溶液的溶度

L：溶液的厚度，对本系统是个常数，K-吸光系数

系统标定的过程就是要通过对已知溶度的标准溶液进行测量，计算出A值，进而建立回归方程。

(2)建立回归方程

依据比耳定律，进行标样测量，就可以建立不同元素的回归方程，在建立回归方程的过程中，软件允许对测量不合理的标样数据进行删除和重新测量操作。

与国内同类仪器的手工操作型的二元素、三元素分析仪相比，本仪器内设有数百条曲线，可以多点定标，而手工操作型的二元素、三元素分析仪只设有3-5条曲线。

在回归方程建立的界面上需要显示以下数据：根据标准测量结构生成完成曲线后，可以根据曲线情况，返回进行修改，主要是删除坏点的操作。完成合理的曲线后，可以贮存曲线，要求贮存的内容为：曲线(回归方程)名称、斜率、截距、相关系数、标样测量数据、测量人、建立时间等。曲线在显示时，可以自动根据坐标数字的大小调整显示的范围。

在进行测量时，需要指定曲线(回归方程)进行溶度计算，由于试剂含量的微小变化，导致测量结果需要微调，这时候就需要微调曲线的斜率和截距，系统允许这种调整，但调整后，原曲线要同时显示，便于对照，修正后的曲线数据不保存到系统数据库中。

二、进行自动分析

自动分析时，由操作员选定各个测量通道的被测量元素，并为每种元素选择相应的曲线(回归方程)。在进行自动分析测量操作时，由软件控制顺序完成下列操作：分放、一加、加热1、加热2、加热3、加热4、加热5、二加、搅拌、三加、溶放、读数(采集)、比放、一清、二清、三清等。

自动控制的操作过程中，要在显示器上实时显示操作进度，并可以在任何时候由操作员手工终止系统操作。自动操作一旦被终止，就不能继续从断点进行自动测量操作。

本发明具有精度良好的测量结果，并可以显示各元素的曲线(回归方程)。测量完成，数据保存到数据库中。系统按照操作指令，可以进行数据处理，包括数据的编制和打印、数据存储。

三、仪器校正方法

如上述方法：清洗，点击“仪器校正”插页。点击“清洗”按钮，本软件将控制分析仪自动对所有测量通道同时进行清洗。

零位校正。点击“仪器校正”插页。点击“零位校正”按钮，本软件将控制分析仪关闭所有发光二极管(五个测量通道入射光线均为零下，以修正逻辑零位。

满度校正。点击“仪器校正”插页。点击“满度校正”按钮，本软件将控制分析仪开启所有发光二极管(五个测量通道入射光线均为最强)，以修正逻辑满度。

自动校正。点击“仪器校正”插页。点击“自动校正”按钮，本软件将控制分析仪自动对所有测量通道依次进行清洗、零位校正、满度校正。而国内手工操作型的二元素、三元素等分析仪，该类仪器无论在清洗、零位校正、满度校正都只能用手工操作来完成。

四、试样测量方法：选择“试样测量”插页。选择需要做试样测量的通道的方程，点击“自动分析”按钮，再次点击“是”开始自动分析。此时界面下部将显示系统当前状态和测量进度。当测量进度红线走到头时，弹出“完成标准样品测量”对话框，点击“确定”，测量完成。同时请注意：试样测量过程中可以在任何时候由操作员手工终止系统操作，自动操作一旦被终止，就不能继续从断点进行标样测量操作。

五、控制系统硬件结构

控制系统由4部分组成：主控板：模/数采集卡；蠕动泵控制板；被控器件。

主控板接收来自主控计算机的指令，完成对器件的控制操作以及测量，主控板包含主控芯片、通信接口、控制电路、测量电路。

模/数采集卡具有12位精度和16个通道，采用PCI总线安装在主控计算机上，完成测量得采样工作，本实施例中使用16通道的5个通道加以说明。常用于测量Mn，Si，P.Cr，Mo的测量。

蠕动泵控制板接收来自主控计算机和主控板的指令，将控制信号转换为对步进电机的控制信号，产生蠕动泵泵头动作。

被控器件包含线圈阀、电磁阀、蠕动泵、发光二极管、继电器、加热器等。

主控板：具有与主控计算机通信的接口；接收主控计算机的指令，转换为被控器件的控制信号；将控制信号转换为被控制器件的动作；将被控制器件的状态反馈给主控计算机；控制蠕动泵控制板，产生蠕动泵的动作；产生测量信号，并将测量结果信号放大，传递到信号采集卡。

主控芯片：使用美国Microchip公司的8位微处理芯片PIC16F73，芯片具有高性能、低成本的特点。该芯片最高工作频率为20MHz，在本系统中使用的频率为2MHZ。PIC16F73芯片采用28pin的引脚封装形式。PIC16F73芯片具有4K的程序内存和192Byte的动态内存，22个I/O端口，并具有通用串行接口(USAKT)，这些特性完全满足本系统对主控芯片的要求。PIC16F73芯片内还具有5个8bit的模/数转换通道，但由于采集精度偏低而末被使用。

通信接口：主控板和主控计算机的通信采用RS485工业控制总线，在PIC16F73芯片上加一个MAXIMRS485接口芯片，就可以使用RS485和主控计算机通信。

在主控计算机端，使用一个RS232/485转换器，就可将计算机的RS232串口信号直接转换为RS485信号，完成与主控板的通信。I/O输出接口是由如PIC16F73芯片定义。

六、测量器件

主控板上的测量器件为5只光电池(即所谓智能感光传感器，也可以是光敏二极管)和后续的放大电路。光电池经过发光二极管照射后，产生微弱的电压，经过放大器放大后，由主控计算机上的模，数转换卡完成采样。

模/数转换采集卡

系统使用具有PCI接口的模/数转换卡对结果进行采样，安装在主控计算机上。

该卡具有12位精度和16通道，采样速度达到30K，测量精度达到0.024％，对于溶液测量来说：

当A＝0.1时，测量误差约为±0.00023A，

当A＝0.5时，测量误差约为±0.00033A，

当A＝1时，测量误差约为±0.00104A，

当A＝2时，测量误差约为±0.00934A，.

能够满足系统精度的要求。

目前只使用16通道的5个通道。

模/数转换卡的测量范围为-5V-+5V，因此，测量电路的电压输出应该控制在-4.8V-+4.8V之间，零位时输出-4.8V，满度时输出+4.8V。测量结果参见图2曲线。

七、蠕动泵控制板设计

使用1块BT00-600M蠕动泵的控制板控制3台蠕动泵的动作，由于3台蠕动泵是独立工作的，因此，自行设计了软件将控制板的信号引至主控板，将信号一分为三，再通过3组继电器开关分别连接3台蠕动泵，在操作某1台蠕动泵时，先通过主控板选通1组继电器，然后再向该台蠕动泵发出控制信号。

八、其它被控器件及连接

1)线圈阀，计有15只线圈阀，分为3组，每组五只，阀门为常闭阀门，五只阀门同时工作。第一组：分放组，开启时，将5只样品皿中的溶液同时放入反应皿。第二组：比放组，开启时，将5只反应皿中的溶液同时放入测量皿。第三组：色放组，开启时，将5只测量皿中的溶液同时排出。

2)电磁阀，共计有5只电磁阀，分别控制操作。第一、总阀。本阀门为氧气瓶开关的总阀门，该阀门为常闭阀门。氧气通过该阀门后，分别进入搅拌阀、一清阀、二清阀和三清阀。第二、搅拌阀。本阀门为常闭阀。在总阀开启的情况下，开启本阀，将氧气吹入反应皿，达到搅拌反应液的目的。第三、一清阀。本阀门为常闭阀。在总阀开启的情况下，开启本阀，通过氧气压出蒸馏水，进入分液器，完成清洗分液器的操作。第四、二清阀。本阀门为常闭阀。在总阀开启的情况下，开启本阀，通过氧气压出蒸馏水，进入反应皿，完成清洗反应皿的操作。第五、三清阀。本阀门为常闭阀。在总阀开启的情况下，开启本阀，通过氧气压出蒸馏水，进入测量皿，完成清洗测量皿的操作。

3)蠕动泵，共计有蠕动泵3只，完成向反应皿中加入试剂的功能，每只蠕动泵向反应皿加入一组试剂。

4)发光二极管，系统共计有5只发光二极管，每只对应一个测量皿，使用不同颜色的单色光，用以测量不同元素的含量。

每个发光二极管发出的光线，通过测量皿中的溶液，分别照射到5个光电池上，产生稳定的电压，经过放大器，经模/数转换器采集数据，计算出每种元素的含量。

5只发光二极管可以被同时控制，具有发光和不发光两个状态。

5)继电器，系统具有多组继电器，均为常开型。

分放阀组、比放阀组、色放阀组、加热器组、发光二极管组、总阀、搅拌阀、一清阀、二清阀、三清阀各使用一个继电器控制电源供给。

使用三个继电器控制三台蠕动泵，并要确保这三个继电器在任意时刻最多只能有一个处于闭合状态。

6)加热器，共计有5个电加热器(可采用钽丝加热器)，分别安装在5只反应皿中，这5个电加热器被系统同时控制。在发色器内设有特定的发热功能，用1根(2mm×0.4mm)钽丝特制成半圆形状，放置发色器内，通过导电，起到加热作用，促使溶液发热。如手工操作型的二元素、三元素及其它类别的分析仪等均无法实现上述加热功能，而是靠外部用电炉加热的手工操作方式来实现。

7)玻璃器具，为了有序准确地控制化学试制溶液进行正常的加液发色、比色，测得分析正确的结果，如下玻璃器皿具：

①特制1根(10X50)玻璃(可储、分)液管。此管中设有5ml壹只，8ml贰只，10ml壹只，15ml壹只的玻璃分液器，通过计算机控制，可以自动分液等功能。

②特制了五只玻璃发色器。该发色器内设有五个玻璃嘴，其中一个嘴起搅拌溶液作用，三个嘴分别起一加、二加、三加溶液作用。另一个嘴解决清洗用。

③特制了五个玻璃比色器(即测量皿)。该比色器的下端设有五只石英比色皿，其中0.5cm壹只，1cm贰只，2cm贰只，分别对五种元素进行光电比色的测定作用。

如其它类别手工操作型的二元素、三元素分析仪在正常的情况下只能储存30个左右的元素，不可以保存所有的历史数据，更无法查找测试时间、测量数据，无法进行正确的数据统计。

本发明达到的技术指标如下：(1)波长范围：360nm-700nm；(2)重现性：同一溶液多次重复测定，读数不大于0.005A；(3)T——A转换范围：≤2A；(4)T——A转换；0-1A范围内≤±0.5％，即≤±0.005A；(5)漂移；正常电源电压在范围内开机预热半小时后在0-1A范围内漂移不大于±0.01A/半小时；(6)分析时间：3min(不含溶称样时间)。

Claims (9)

1、一种多金属元素分析的控制方法，其特征是对16种元素中选择5种元素的5通道的多金属元素分析的控制，并按下述顺序进行元素分析：

先由自动化学反应仪进行自动测量：

1)分放：将被分析样品的溶液排入反应皿；

2)一加：将第一种试剂加入反应皿；

3)加热：对反应皿中的溶液进行加热；

4)二加：将第二种试剂加入反应皿；

5)搅拌：将氧气自动吹入反应皿，对5只反应皿中的溶液进行搅拌，达到混合均匀的目的；

6)三加：再将第三种试剂加入反应皿；

7)溶放：将反应皿中的溶液同时放入相应的5只测量器中，进行自动浓度比色；8)一清：通过氧气压出蒸馏水，进入分液器，完成自动清洗5只分液器；

9)二清：再通过氧气压出蒸馏水，进入反应皿自动清洗5只反应皿；

反应完成后进行自动测量：

1)测量：自动检测测量器中溶液的含量，采用发光二极管发出的单色光透过测量器中的溶液，分别照射到5只光电池上，产生稳定的电压，经过放大器进行信号放大，经模数转换器采集数据，从而得出每种元素的含量；

2)比放：将测量器已被检测的溶液排出，清除；

3)三清：通过氧气自动压出蒸馏水，进入5只测量器完成自动清洗测量器，达到整洁干净，清除所有溶液残留。

2、由权利要求1所述的多金属元素分析的控制方法，其特征是利用比耳定律和最小二乘法进行计算和回归运算，确立元素分析工作曲线。

3、由权利要求1所述的多金属元素分析的控制方法，其特征是仪器采用如下校正：

校正时所有测量通道同时进行清洗；

零位校正时关闭所有通道发光二极管，测量通道入射光线均为零，以修正逻辑零位；

满度校正时开启所有通道的发光二极管，以修正逻辑满度；

自动校正时自动对所有测量通道依次进行清洗、零位校正、满度校正。

4、由权利要求1所述的多金属元素分析的控制方法，其特征是控制流程主控板只完成接收指令-解释指令-操作的单步操作过程，每接到一个命令，只完成一个操作，控制一个或一组器件。

5、多金属元素分析的装置，其特征是包括主控计算机、主控板、AD采集卡、蠕动泵控制板、自动化学反应系统和自动测量系统，所述自动化学反应系统中包含反应皿、分液器、测量皿、电磁阀、线圈阀，蠕动泵、继电器、加热器；自动测量系统中包括发光二极管、智能光电转换器、信号放大器，主控板由微处理器及存储器、I/O输出电路组成；主控计算机与主控板之间由通讯总线连接，I/O输出电路分别连接蠕动泵控制板、继电器，继电器控制电磁阀、线圈阀、蠕动泵、发光二极管和加热器，由测量系统中的智能光电传感器连接信号放大器和AD采集卡，AD采集卡连接主控计算机的总线。

6、由权利要求5所述的多金属元素分析的装置，其特征是主控板和主控计算机的通信采用RS485工业控制总线，在主控板芯片连接一个MAXIMRS485接口芯片，主控计算机连接RS232/485转换器，与主控板连接通信。

7、由权利要求5所述的多金属元素分析的装置，其特征是蠕动泵控制板控制3台蠕动泵，通过3组继电器开关分别连接3台蠕动泵，通过主控板选通1组继电器，然后再向该台蠕动泵发出控制信号。

8、由权利要求5所述的多金属元素分析的装置，其特征是设有钽丝加热器分别安装在反应皿中。

9、由权利要求5所述的多金属元素分析的装置，其特征是设有五只玻璃反应皿，该反应皿内设有五个玻璃嘴，其中一个玻璃嘴起搅拌溶液作用，三个玻璃嘴分别起一加、二加、三加溶液作用，最后一个玻璃嘴作清洗用。

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