【分享】数字化在线分析仪器

并贴处理：3． 在线分析器的发展简述
　　在线分析器成为现代工业现场网络最前端的神经元这一趋势的发展在两个方向上开展：首先是其本身的智能化即分析器不仅要有很强的计算能力还要具有满足要求的智能性；紧随而来的是要将其得到的各种信息能够大量、全面、高速、可靠地传送出去，同时能接收并执行来自通讯线路（网络）上主控设备的命令。
　　3.1 演进历程
　　50年代开始，就已经出现了所谓数字式的仪器，那时是用分立元件组成的电压/电流转换电路（以大电路板形式出现）。其输出显示是荧光灯丝，转换对象是个别的电压/电流参量。随后近10年的发展即50年代末已经有整块的电路板出现使模拟测量的精度得到了提高。在这个阶段，模拟仪器的精度、分辨率及速度等有了超过一、两个数量级的发展。
　　60年代，计算机的引入（还不是现在的PC概念的计算机），对模拟量进行终端数据处理，主要是对标准的电压电流等电量进行计算，同时不仅仅对个别的电量，也对测量系统的一些特征参量进行分析、处理、计算甚至控制。
　　70年代随着IC集成电路的迅速发展，单一功能的数字电路板被逐渐用IC代替，包括出现了日益完善的A/D转换芯片，使模拟量的数码运算向高精度高速度方向发展。

图片：于80年代初引进的德国麦哈克公司的以模拟IC为主设计的08系列在线气体分析器。
　　80年代，微处理器（MPU或CPU）开始大量进入这种运算。CPU引入的一个最重要的功能，就是加入了软件运算，这得益于微电子技术的深刻发展，这种发展促进了以其为基础的现代一系列的计算技术的发展，使计算发生了革命性变化，由早先的时域/频域分析进入所谓数字域（data domain）分析。
　　数字计算具有很多优点并呈现出很强的功能，一般来说，
　　1、高精度性，其取舍可以灵活选择，能达到所希望的任何一个极限（在考虑适当的成本时），例如π的计算，模拟运算能做到小数点后6~7位就极困难了，而数字运算可以达到小数点后的位数以万计的程度（虽然不具有工程意义）；后续有具体例子加以对照
　　2、具有较强的抗干扰性；利用硬件软件相结合的方法，如数字滤波，光电耦合等
　　3、能“绝对地”消除视差影响；
　　4、可以对数据进行存储；
　　5、数字、文字同时显示；
　　6、具有简单的数字传输功能；
　　90年代初，以数字计算为基础的仪器发展到具有智能特性，这一特点是以VLSI或PVLSI为基础的硬件和嵌入式软件相互之间极具艺术性的紧密结合的结果。另一方面，测量分析结果的显示部件（这种显示部件通常也带有专用CPU）由早先单纯的数字向数字、文字、图形方向发展，甚至包括谱图、峰值、趋势图等的计算绘制等。

图3 测量分析仪器内部计算方式的演进
　　A）数字化智能型在线分析器的主要特点是：
　　　 ①操作自动化，无需在测量过程中扳动开关、按钮等；
　　　 ②诊断功能；
　　　 ③消除各种干扰信号，如信号尖峰干扰、背景干扰、测量元件误差干扰、电源干扰等等；
　　　 ④数据处理：可以对数据进行自动管理，分类、筛选、计算、统计等，而且都可自动完成；
　　　 ⑤数字、文字、图形同时显示；
　　　 ⑥具有海量的、高速的包括数字、文字、图形在内的数字信息传输功能（网络）；
　　　 ⑦单个主测成分或/和多个主测成分，多参量测量与检测；
　　　 ⑧在线式编程技术奠定了柔性化生产方式的基础；
　　图3可以简要说明在线分析仪器在计算技术方面及主要功能方面的大致演变过程。
　　B）作为在线气体分析仪器，其数字化要求是上述许多功能被日益要求在现场就要实时完成，与实验室很是不同。数字化智能分析仪器具有如下一些主要特点：
　　1、智能计算特点，对输入信号将线性补偿、跨度移偏、温度补偿、背景补偿、故障诊断等有综合处理能力；
　　2、单量程的测量分析，实现多个量的测量分析（与模拟不同）
　　　 ①单一量程，附带多重参量；如自动标定操作，需要日期、时间、单点/双点量程，切换时间间隔等等所谓辅助参量；
　　　 ②多量程，附带多重参量。
　　3、精度高，测量范围宽，1:10，1:100，可以应对需要测量范围比较宽的场合；
　　4、中间量程，不但有且可任意截取；
　　5、信号传输、采用标准化接口、信息量大、全面、高速，且可以收发/反控。
　　在线分析器所要解决的主要是测量算法和一部分分析算法。测量算法要解决的主要问题有提高信噪比、被测信号的线性表达、跨度偏移、仪器漂移、灵敏度干扰，谱图或/及趋势图的分析以及诸如报警限检查、仪器本身的内部运行状态包括故障等其他参量的诊断及检测，再有可用于控制的开关量信号等。

并贴处理：

目前国内生产在线气体分析器的厂家也有一、二十家左右，投入市场的数字式的在线分析器也有不少品种。其中以北分麦哈克公司的产品较具有代表性。其C系列产品包括红外线分析器（光声气动式、半导体型）、氢分析器（热导式）和氧分析器（热磁式、电化学式）均具有国外产品的几乎全部特点。这一系列产品为北分麦哈克公司自行研制开发，并具有批量生产能力，这一软硬件成果具有完全的自主知识产权。目前采用在我国使用比较广泛的CAN总线和以太网接口，但也可根据国内市场的需要，移植其它总线标准。
　

　
　　这个系列产品具有如下一些特点：
　　1） 测量信号的精度有了很大提高，（表）
　　2） 测量信号的输出表达均呈线性特性，
　　3） 具有多个量程（双量程），具有中间量程，量程比可以达到1:10，
　　4） 测量信号屏幕直读，传统的20mA电流模拟信号输出，
　　5） 具有数字补偿功能，有自动的，也有人工进行的，
　　6） 自诊断能力，包括各种电源信号监测，重要资源例如存储器检查等，
　　7） 功能很强的通讯能力，有RS232/485等，还有以太网络或CAN总线输出，
　　8） 所有输出信号全部隔离，
　　9） 解决可靠性，具有自恢复功能，如看门狗、冷热启动等
　　（1）C系列产品使用了多种数字化计算方法，例如：
　　　　 1） 数字信号处理
　 　　　　　数字滤波器，以提高选频信噪比并使信号“清晰化”为根本目的，
　　　　 2） 标度变换
　 　　　　　使用多种方法将传感器的输出信号“还原”成被测信号的不同量程及其标度或量纲。
　　　　 3） 非线性校正
　 　　　　　用软件实现非线性校正的优点是可以灵活地采用多种计算方法而且可以容易地进行精度取舍。有多种方法，例如拟合法、最佳一致逼近法等等；
　　　　 4） 数字信号滤波
　 　　　　　使用了诸如去极值平均滤波、队列均值滤波、加权滤波等等；
　　　　 5） 补偿算法
　 　　　　　对一些参量进行补偿，例如测量部件温度的自适应补偿、环境温度补偿、背景补偿等等。
　　　　 6） 解决长效漂移，利用数字运算可以是用户了解仪器长时间使用后的漂移情况，10%，20%，30%（严重漂移）等
　　这张表列举了几个例子。
QGS-08C红外线气体分析器 公司原产品
主要指标 线性误差：为±1% SP
漂移影响：全量程范围±1%/7天
交叉干扰：为1% SP，
温度影响：为1% SP，5℃～40℃ 线性误差：为±1% SP
漂移影响：（微量）高1倍
交叉干扰：高1倍
温度影响：高1倍

　
QGS-5101C数字化热磁式氧分析器 公司原产品
主要指标 中间量程（SP）：2%
漂移影响：全量程范围±1%SP/1d，2%/7d
线性误差：为±1% SP
重 复 性：为±0.5% SP
环境温度：为±1% SP /±10℃ 中间量程：无
低于5101C 1.5～4倍
低于5101C 1.5～4倍
低于5101C 2倍
低于5101C 1.5～4倍

　
QRD-1102C数字化热导式氧分析器 公司原产品
主要指标 漂移影响：为±1% SP /7d
中间量程：按规格
线性误差：为±1% SP
重 复 性：为±0.5% SP
环境温度：为±1% SP/±10℃ 比1102C低1倍
中间量程：按规格
比1102 C低1倍
比1102 C低1倍
比1102 C低1倍

　
GXH-105C半导体红外线分析器 公司原产品
主要指标 测量气体：NH3、CH4、CO、CO2等多种
量程范围：0.1%～100%
中间量程：量程的最小比1:10
线性误差：为±1%SP
漂移影响：全量程范围±1%/7天
交叉干扰：为1%SP
温度影响：为1%SP 测量气体：NH3、SO2
量程范围：5%～25%，
中间量程：无
线性误差：为±3% SP
漂移影响：差105C许多
交叉干扰：无此功能
温度影响：差3倍

　
DHY-102C电化学氧分析器 公司原产品
主要指标 量程范围：0～100%
中间量程：量程的最小比1:10
漂移影响：全量程范围±1%FS/7d
线性误差：为±1%SP
环境影响：抗氢及其他腐蚀性气体 无