CN106681224B - 一种定量抽取溶液的方法及系统 - Google Patents

一种定量抽取溶液的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种定量抽取溶液的方法和系统，包括：对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵，基于蠕动泵对应的工作模型，根据工作模型的体积参数，得到工作模型的时间参数和频率参数，体积参数为待抽取体积值，时间参数和频率参数分别为蠕动泵的工作时间和工作频率；根据工作时间和工作频率形成驱动信号；蠕动泵根据驱动信号抽取待抽取体积值的待抽取溶液。本发明通过利用蠕动泵的工作模型得到蠕动泵的工作时间和工作频率，使得蠕动泵根据该工作时间和工作频率抽取的溶液与工作模型的体积参数值之间的差值控制在较小范围内，保证了精确地定量抽取溶液，该方法无需添加额外的反馈硬件便可实现精确地定量抽取溶液，降低了投资成本。

Description

一种定量抽取溶液的方法及系统
技术领域
本发明涉及溶液抽取技术领域，更具体地，涉及定量抽取溶液的方法及系统。
背景技术
蠕动泵，因能精确控制流量，而广泛应用于溶液的抽取过程。蠕动泵精确控制流量的方法主要为开环控制和闭环控制方式。
对于开环控制方式，由于没有位置反馈，当步进电机加速过快导致输出频率过高时，容易出现失步现象。同时，由于步进电机的速度存在震荡区域，在震荡点也会出现失步现象。而失步现象会造成对流量的控制精度降低。现有技术通过建立合理的脉冲序列控制模型来求得有效控制时间，以解决失步问题进而解决对流量的控制精度降低的问题。但由于建立的脉冲序列控制模型较为简单，大多选择线性模型来进行曲线拟合，实现对溶液精准定量控制。实际上，大多数控制系统均是非线性关系，仅在某个控制时间段存在线性关系。如果整个控制时间均近似处理为线性系统，对流量的控制精度会产生明显的影响。从而造成精确化学分析结果的不准，或者医学配药过程中造成某种含量超标等影响。
而采用闭环控制方式，由于增加了位置传感器和反馈电路，可以将检测到的位置或者速度值与设定值进行比较，进而产生伴随负载位置变化的控制脉冲序列，能够实现较高的对流量控制的精度，同时可以解决失步问题。但由于增加了位置传感器和反馈电路，提高了硬件成本。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的定量抽取溶液的方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供一种定量抽取溶液的方法，包括：步骤1，对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵，基于所述蠕动泵对应的工作模型，根据所述工作模型的体积参数，得到所述工作模型的时间参数和频率参数，所述体积参数为待抽取体积值，所述时间参数和频率参数分别为蠕动泵的工作时间和工作频率；步骤2，根据所述工作时间和所述工作频率形成驱动信号；步骤3，所述蠕动泵根据所述驱动信号抽取所述待抽取体积值的所述待抽取溶液。
根据本发明的另一个方面，提供一种定量抽取溶液的系统，包括上位机、控制装置和蠕动泵；所述上位机与所述控制装置连接；所述控制装置与所述蠕动泵连接；所述上位机，用于对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵，基于所述蠕动泵对应的工作模型，根据所述工作模型的体积参数，得到所述工作模型的时间参数和频率参数并发送给所述控制装置，所述体积参数为待抽取体积值，所述时间参数和频率参数分别为蠕动泵的工作时间和工作频率；所述控制装置，用于根据所述工作时间内、所述工作频率形成驱动信号；所述蠕动泵，用于根据所述驱动信号抽取所述待抽取体积值的所述待抽取溶液。
本发明提出的定量抽取溶液的方法，通过利用蠕动泵的工作模型得到蠕动泵的工作时间和工作频率，使得蠕动泵根据该工作时间和工作频率抽取的溶液与工作模型的体积参数值之间的差值控制在较小范围内，保证了精确地定量抽取溶液，该方法无需添加额外的反馈硬件便可实现精确地定量抽取溶液，降低了投资成本。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种定量抽取溶液的方法流程图；
图2为根据本发明实施例的一种定量抽取溶液的系统示意图；
图3为根据本发明实施例的另一种定量抽取溶液的系统示意图；
图4为根据本发明实施例二的芯片TLP521-2的示意图；
图5为根据本发明实施例二的芯片6N137的示意图；
图6为根据本发明实施例二的芯片THB6064的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
根据本发明的一个方面，提供一种定量抽取溶液的方法，如图1所示，该方法包括：步骤1，对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵，基于所述蠕动泵对应的工作模型，根据所述工作模型的体积参数，得到所述工作模型的时间参数和频率参数，所述体积参数为待抽取体积值，所述时间参数和频率参数分别为蠕动泵的工作时间和工作频率；步骤2，根据所述工作时间和所述工作频率形成驱动信号；步骤3，所述蠕动泵根据所述驱动信号抽取所述待抽取体积值的所述待抽取溶液。
在本实施例中，蠕动泵对应的工作模型体现了蠕动泵的工作时间、工作频率与待抽取体积值之间的关系。给定工作模型的体积参数为待抽取体积值，该工作模型便可得出时间参数和频率参数的全局最优解，即可得到一组最优的蠕动泵的工作时间和工作频率。在此最优的工作时间和工作频率下，蠕动泵抽取的溶液体积值与待抽取体积值之间的误差最小。通过对蠕动泵对应工作模型的求解便实现了高精度的溶液的定量抽取，而无需增加额外的硬件反馈设备，节省了成本。
本发明提出的定量抽取溶液的方法，通过利用蠕动泵的工作模型得到蠕动泵的工作时间和工作频率，使得蠕动泵根据该工作时间和工作频率抽取的溶液与待抽取体积值之间的差值控制在较小范围内，保证了精确地定量抽取溶液，无需添加额外的反馈硬件便可实现精确地定量抽取溶液，降低了投资成本。
作为一种可选实施例，所述蠕动泵的工作模型的建立过程包括：利用均值标准化方法，对N组工作时间、工作频率和体积值构成的大小为N*3的矩阵中的各列进行处理，得到大小为N*3第一矩阵，所述体积值为各组工作时间、工作频率下所述蠕动泵抽取溶液的体积值；利用罗曼诺夫斯基准则，对所述第一矩阵中异常数据所在的行进行剔除，得到大小为M*3的第二矩阵，所述M、N为自然数，且N大于或等于M；基于所述第二矩阵中的M组工作时间、工作频率和体积值，以M组工作时间、工作时间的平方、工作时间的立方和工作频率作为输入神经元，以M个体积值作为输出神经元，采用状态转移算法对Back Propagation(BP)神经网络模型进行训练，得到所述蠕动泵的工作模型。
在本实施例中，对于各蠕动泵均进行上述模型构建，得到对应的工作模型。由于各蠕动的在实际工作中存在属性差异，因此对各蠕动泵均构建工作模型，从而能够保证各蠕动泵定量抽取溶液的精度。
作为一种可选实施例，所述待抽取溶液为多种，各待抽取溶液分别采用不同的蠕动泵进行抽取。
在本实施例中，蠕动泵数目为P，可抽取Q种溶液，其中，P，Q均为自然数，且P大于或等于Q。具体地，各待抽取溶液均需分别选择一个对应的蠕动泵，且待抽取溶液与蠕动泵为一一对应关系。基于待抽取溶液对应的蠕动泵的工作模型，根据体积参数得到时间参数和频率参数，对应的蠕动泵根据时间和频率抽取待抽取溶液。通过设置多个蠕动泵，可以抽取多种溶液，满足了实际应用中需对多种溶液按量进行调制时的抽取需求。
作为一种可选实施例，在所述步骤1之后，等待预设时间，再执行步骤2。
在本实施例中，可根据具体需要，提前获取各待抽取溶液对应的蠕动泵的工作时间和工作频率，待经过预设时间后，再根据所述工作时间和工作频率形成驱动信号使蠕动泵工作，从而使工作人员可以提前安排抽取工作，避免了不必要的加班。
作为一种可选实施例，蠕动泵的工作模型为：Vout＝FBP(t,t2,t3,f)，其中，FBP为所述蠕动泵的工作模型；Vout为所述蠕动泵的工作模型的输出，即所述待抽取溶液的体积值；t为所述蠕动泵的工作时间；t2为所述蠕动泵的工作时间的平方；t3为所述蠕动泵的工作时间的立方；f为所述蠕动泵的工作频率。
作为一种可选实施例，多种待抽取溶液同时抽取或者顺序抽取。
在本实施例中，可以根据多种待抽取溶液调制方案的需求，同时开始对多种待抽取溶液的抽取，或者根据第一种待抽取溶液对应蠕动泵的工作时间先抽取第一种待抽取溶液，接着按设定的次序依次抽取其余各待抽取溶液。这样即可根据溶液调制方案灵活调整抽取方式。
本发明提出的定量抽取溶液的方法，通过对各蠕动泵均进行工作模型的构建，保证了各蠕动泵抽取溶液的精度，避免了由于各蠕动在实际工作中存在属性差异，采用同一工作模型降低抽取精度，通过对体现蠕动泵的工作时间、工作频率与待抽取体积值之间关系的工作模型的求解，得出时间参数和频率参数的全局最优解，保证了在此最优的工作时间和工作频率下，蠕动泵抽取的溶液体积值与待抽取体积值之间的误差最小，现了高精度的溶液的定量抽取，且无需增加额外的硬件反馈设备，节省了成本，通过设置多个蠕动泵，可以抽取多种溶液，满足了实际应用中需对多种溶液按量进行调制时的抽取需求，通过提前获取各待抽取溶液对应的蠕动泵的工作时间和工作频率，待经过预设时间后，再根据所述工作时间和工作频率形成驱动信号使蠕动泵工作，从而使工作人员可以提前安排抽取工作，避免了不必要的加班，通过根据多种待抽取溶液调制方案的需求，同时开始对多种待抽取溶液的抽取，或者根据第一种待抽取溶液对应蠕动泵的工作时间先抽取第一种待抽取溶液，接着按设定的次序依次抽取其余各待抽取溶液，实现了根据溶液调制方案灵活调整抽取方式。
根据本发明的另一个方面，提供一种定量抽取溶液的系统，如图2所示，该系统包括：上位机10、控制装置20和蠕动泵30；所述上位机10与所述控制装置20连接；所述控制装置20与所述蠕动泵30连接；所述上位机10，用于对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵30，基于所述蠕动泵30对应的工作模型，根据所述工作模型的体积参数，得到所述工作模型的时间参数和频率参数并发送给所述控制装置20，所述体积参数为待抽取体积值，所述时间参数和频率参数分别为蠕动泵30的工作时间和工作频率；所述控制装置20，用于根据所述工作时间内、所述工作频率形成驱动信号；所述蠕动泵30，用于根据所述驱动信号抽取所述待抽取体积值的所述待抽取溶液。
在本实施例中，上位机10安装在PC机上，具有高速求解数据能力，用于对模型时间参数、频率参数的最优求解，以及发送相关的指令。蠕动泵30具有6个滚轮，软管可根据不同的流量要求进行更换，泵头壳体为刚性好、精度高的ABS材料，具有双向同等流量输送能力。为了保证溶液的精确定量，在蠕动泵30投入后，需定期对软管进行更换。
本发明提出的定量抽取溶液的系统，通过具有高速求解数据能力的上位机求解蠕动泵的工作模型，得到工作时间和工作频率的全局最优解并发送给控制装置，控制装置根据所述工作时间内、所述工作频率形成驱动信号，驱动蠕动泵工作，使得蠕动泵抽取的溶液的体积值与待抽取体积值之间的误差最小，实现了高精度的溶液的抽取，且无需增加额外的硬件反馈设备，节省了成本。
作为一种可选实施例，所述控制装置20包括：微处理器模块201、执行模块202；所述微处理器模块201分别与所述上位机10和所述执行模块202连接；所述执行模块202还与所述蠕动泵30连接；所述微处理器模块201，用于接收所述工作时间和工作频率，形成工作指令，发送给所述执行模块202；所述执行模块202，用于根据工作指令工作，形成驱动信号发送给蠕动泵30。
在本实施例中，微处理器模块201为具备32位Cortex-M4 CPU，能够提供高达168MHz时钟频率，同时具有144个I/O接口，15个通信接口，1M的存储空间，17个定时器等功能的芯片STM32F405ZGT6。
作为一种可选实施例，所述执行模块202包括：驱动电路单元2021、电流检测单元2022和两相步进电机2023，如图3所示；所述驱动电路单元2021分别与所述微处理器模块201、所述电流检测单元2022和所述两相步进电机2023连接；所述电流检测单元2022还分别与所述微处理器模块201和两相步进电机2023连接；所述两相步进电机2023还与所述蠕动泵30连接；所述驱动电路单元2021，用于接收所述工作指令，并根据所述工作指令驱动两相步进电机2023转动；所述电流检测单元2022，用于检测两相步进电机的定子电流并转化为电压发送给所述微处理器单元201；所述两相步进电机2023，用于带动所述蠕动30工作。
在本实施例中，驱动电路单元2021包括芯片TLP521-2、单通道高速光耦隔离芯片6N137和驱动输出芯片THB606 4。其中，芯片TLP521-2与芯片STM32F405ZGT6响应动作不频繁的普通I/O接口连接实现隔离；单通道高速光耦隔离芯片6N137与芯片STM32F405ZGT6的输出频率较高的PWM接口连接实现隔离；在满足信号稳定和驱动能力强的条件下，高度集成、智能、接口简单的驱动输出芯片THB6064输出频率指令。
在本实施例中，驱动电路单元2021主要用于保证两相步进电机2023稳定正常工作和快速启停。
图4为芯片TLP521-2的示意图。将芯片TLP521-2的IO_DD_DR_1#管脚和IO_DD_EN_1#管脚分别与芯片STM32F405ZGT6普通I/O口连接，为芯片TLP521-2提供信号输入；将芯片TLP521-2的DD_DR_1#管脚与芯片THB6064的DD_DR_1#管脚连接，将芯片TLP521-2的DD_EN_1#管脚和芯片THB6064的DD_EN_1#管脚连接，输入信号给芯片THB6064。
图5为芯片6N137的示意图。将芯片6N137的PWM_1#管脚与芯片STM32F405ZGT6的具有PWM输出功能的管脚相连接，为芯片6N137提供输入占空比为50％的10KHz的PWM波形；将芯片6N137的CP_1#管脚与芯片THB6064的CP_1#管脚连接，输出时钟信号给芯片THB6064。
图6为芯片THB6064的示意图。芯片THB6064的DD_DR_1#管脚输入电平为高时，步进电机正转，输入电平为低时，步进电机反转；芯片THB6064的DD_EN_1#管脚为使能触发，其输入电平为高时，驱动芯片THB6064工作，输入电平为低时，芯片THB6064停止输出信号，使步进电机立即停止工作，在紧急情况下，可以通过控制芯片THB6064的DD_EN_1#管脚输入为低电平来实现两相步进电机2023的紧急制动；将芯片THB6064的M1_1#、M2_1#和M3_1#管脚分别与芯片STM32F405ZGT6普通I/O口连接，通过芯片STM32F405ZGT6为M1_1#、M2_1#和M3_1#管脚为芯片THB6064输入高低电平，芯片THB6064输出相应频率的信号驱动与之相连的两相步进电机2023转动。可通过对基本信号的频率进行多种细分，如：取基本信号频率的1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40，得到细分后相应频率的输出信号。
本实施例将驱动电路单元2021设计成独立部分，驱动电路单元2021与两相步进电机2023一一对应。在进行定量抽取溶液的过程中，根据选择的蠕动泵30将驱动电路单元2021、两相步进电机2023与该蠕动泵30正确的连线。如果某个驱动电路模块坏掉，可立即更换驱动电路模块，在进行数据校正后，系统即可很快投入使用。
在本实施例中，两相步进电机2023的定子电流与驱动电路单元的电流近似相等，两相步进电机2023的定子电流的检测可通过驱动电路单元的电流检测实现。电流检测单元2022，采用0.25Ω精密采样电阻，将驱动电路单元的电流转换为电压，采用RC滤波和运算放大器对该电压进行放大，将放大后的电压信号发送给微处理器模块201。
在本实施例中，微处理器模块201，还用于通过A/D接口放大后的电压信号进行采样，将采样所得的电压值与此次采样之前8次采样所得的电压值从大到小排序，两次去掉最小值和最大值后，对剩余的多个电压值采用均值滤波方法进行实时滤波，得到最终的电压值，当最终电压值相对于之前的最终电压值明显变大时，立即停止输出信号。
电流检测单元2022和微处理器模块201共同有效监控了两相步进电机2023受到阻力堵转的情况，及时对系统是否正常工作作出了判断。
作为一种可选实施例，所述控制装置20还包括：电源配置模块203，所述电源配置模块203分别与所述微处理器模块201和所述驱动电路单元2021连接；所述电源配置模块203，用于为微处理器模块201和驱动电路单元2021供电；所述微处理器模块201，还用于实时检测电源配置模块203的供电电压。
在本实施例中，电源配置模块203，采用成熟、制作成本较低、稳定度高、波纹较小且自身的干扰和噪声都较小的线性电源技术。该电源配置模块203通过变压器对输入的220V交流电进行变压得到15V交流电，通过KBL406集成芯片对15V交流电进行整流，接着通过大电容进行滤波操作，输出15V的直流电。为了得到稳定的电压，该电源配置模块203还通过L7815对15V的直流电进行稳压操作。由于不同电路模块需要电压不一致，该电源配置模块203稳压后的15V直流电进行DC/DC转换，分别转换为24V，5V和3.3V的直流电，提供给各个不同的电路模块。驱动电路单元2021需要24V和5V工作电压，STM32F405ZGT6需要3.3V电压工作。
在本实施例中，为了让系统能够正常工作，微处理器模块201需实时检测电源配置模块203的供电电压。由于芯片STM32F405ZGT6中A/D接口检测电压为5V以下，本实施例设定安全检查电压为3.3V，允许波动范围为±0.V2。将供电电压转化后直接接到芯片STM32F405ZGT6具有A/D转换功能接口上，当检测到的供电电压异常，微处理器模块201立即停止输出工作指令，保证系统在运行过程中，不会因为电压过大，造成电路损坏。
作为一种可选实施例，所述执行模块202为多个，多个所述执行模块202均与微处理器模块201连接，还分别连接一个蠕动泵。
在本实施例中，系统设置有多个执行模块202，多个执行模块202均与微处理器模块201连接，且分别连接一个蠕动泵。抽取多种待抽取溶液时，每种待抽取溶液对应一个执行模块202以及一个蠕动泵30。
作为一种可选实施例，所述系统还包括触摸屏40，所述触摸屏40与所述微处理器模块201连接，如图3所示；所述触摸屏40，用于设置所述待抽取溶液的待抽取体积值并发送给所述微处理器模块201。
具体地，在本实施例中，触摸屏40为预装了MCGS嵌入式组态软件，以Cortex-A8CPU为核心、主频为600MHz的高性能嵌入式一体化触摸屏TPC1061Ti。触摸屏40主要包括显示模块、输入模块、接收发送模块和紧急制动按键。通过该触摸屏40的显示模块可以显示待抽取体积值值、蠕动泵的工作时间、两相步进电机2023定子的电流值转化后的电压值以及供电电压等数据；通过该触摸屏40的输入模块可以通过默认设置和自定义设置两种方法设置待抽取体积值；通过接收发送模块可以向微处理器模块201发送数据和接收来自微处理器模块201的数据；通过紧急制动按键可以根据操作人员的决定随时停止该系统。
本发明提出的定量抽取溶液的系统，通过电源配置模块为微处理器模块和驱动电路单元供电，微处理器模块实时检测电源配置模块的供电电压，实现了为微处理器模块和驱动电路单元稳定安全的供电，通过触摸屏设置待抽取体积值值，实现了用户的可视化操作管理，通过上位机求解蠕动泵的工作模型，得到最优的工作时间和工作频率，通过电流检测单元检测两相步进电机的定子电流，有效防止了两相步进电机因阻力堵转，通过驱动电路单元接收工作指令，驱动对应的两相步进电机转动，实现了两相步进电机按照最优的工作时间和工作频率带动蠕动泵抽取待抽取体积值的溶液，从而实现高精度的溶液定量提取，该系统无需添加额外的反馈硬件便可实现精确地定量抽取溶液，降低了投资成本。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种定量抽取溶液的方法，其特征在于，包括：
步骤1，对于任意一种待抽取溶液对应的蠕动泵，基于所述蠕动泵对应的工作模型，根据所述工作模型的体积参数，得到所述工作模型的时间参数和频率参数，所述体积参数为待抽取体积值，所述时间参数和频率参数分别为蠕动泵的工作时间和工作频率；
步骤2，根据所述工作时间和所述工作频率形成驱动信号；
步骤3，所述蠕动泵根据所述驱动信号抽取所述待抽取体积值的所述待抽取溶液；
所述蠕动泵的工作模型的建立过程包括：
利用均值标准化方法，对N组工作时间、工作频率和体积值构成的大小为N*3的矩阵中的各列进行处理，得到大小为N*3第一矩阵，所述体积值为各组工作时间、工作频率下所述蠕动泵抽取溶液的体积值；
利用罗曼诺夫斯基准则，对所述第一矩阵中异常数据所在的行进行剔除，得到大小为M*3的第二矩阵，所述M、N为自然数，且N大于或等于M；
基于所述第二矩阵中的M组工作时间、工作频率和体积值，以M组工作时间、工作时间的平方、工作时间的立方和工作频率作为输入神经元，以M个体积值作为输出神经元，采用状态转移算法对BP神经网络模型进行训练，得到所述蠕动泵的工作模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待抽取溶液为多种，各待抽取溶液分别采用不同的蠕动泵进行抽取。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1之后，等待预设时间，再执行步骤2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蠕动泵的工作模型为：
Vout＝FBP(t,t2,t3,f)，
其中，FBP为所述蠕动泵的工作模型；Vout为所述蠕动泵的工作模型的输出，即所述待抽取溶液的体积值；t为所述蠕动泵的工作时间；t2为所述蠕动泵的工作时间的平方；t3为所述蠕动泵的工作时间的立方；f为所述蠕动泵的工作频率。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，多种待抽取溶液同时抽取或者顺序抽取。
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