一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统

摘要

本发明公开了一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统，涉及金属特性分析技术领域；本发明设置了标准分析模块，该设置用于分析标准测量数据；标准分析模块通过标准位置对氧氮氢分析仪进行仪器校正，同时获取标准物质对应的标准测量数据，并根据标准测量数据获取驻点序列和极值点序列，为分类模型的建立提供了数据基础，同时保证了氧氮氢仪器分析的精度；本发明设置了样品分析模块，该设置根据分类模型获取待检测金属中的氧氮氢含量；样品分析模块根据获取待测样品的样品测量数据，结合分类模型获取待测样品中的氧氮氢含量，并生成分析报告，结合人工智能模型，有助于提高氧氮氢含量的测定精度，且使得分析结果更加直观。

权利要求

1.一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统，其特征在于，包括氧氮氢分析仪本体和控制系统；所述控制系统包括处理器、数据采集模块、标准分析模块、样品分析模块、执行控制模块、后台管理模块和数据存储模块；

所述数据采集模块用于采集氧氮氢分析仪的工作数据；所述数据采集模块将工作数据分别发送至标准分析模块、样品分析模块、处理器和数据存储模块；所述标准分析模块用于分析标准测量数据和仪器设置参数，以获取驻点序列和极值点序列；

所述执行控制模块用于根据仪器预警信号实现对氧氮氢分析仪的智能控制；

所述样品分析模块根据分类模型获取待检测金属中的氧氮氢含量，包括：当样品分析模块接收到样品测量数据之后，通过数据存储模块获取分类模型；

将样品测量数据经过数据归一化处理之后输入到分类模型中获取输出结果，所述输出结果为样品对应的氧氮氢含量；

生成并发送样品分析报告至数据存储模块；所述样品分析报告包括样品测量数据和输出结果；

所述分类模型的具体获取步骤包括：

通过数据存储模块获取训练数据；所述训练数据包括仪器设置参数、驻点序列、极值点序列和标准测量数据；

将训练数据经过数据归一化之后按照设定比例划分为训练集和测试集；

构建融合模型；所述融合模型通过SVM、BP神经网络和RBF神经网络三种智能模型结合融合方式进行构建，所述融合方式包括线性加权融合法、交叉融合法、瀑布融合法、特征融合法和预测融合法；

通过训练集和测试集对融合模型进行训练和测试；当融合模型的训练精度达到目标精度时，则判定融合模型训练完成，将训练完成的融合模型标记为分类模型；

通过处理器将分类模型分别发送至样品分析模块和数据存储模块；

所述仪器设置参数包括标准物质分析过程中的温度值、电压值、脱气功率、脱气时间、电流值和保护气体的浓度；所述标准测量数据包括标准物质分析过程中标准物质的重量、助熔剂用量以及通过热导检测仪获取的氧气、氮气和氢气的含量；

以时间为自变量，以标准物质的重量、助熔剂用量、保护气体的浓度、电压值、温度值和电流值建立标准变化曲线；所述标准变化曲线包括物质重量变化曲线、助熔剂用量变化曲线、保护气体浓度变化曲线、电压变化曲线、温度变化曲线和电流变化曲线；

获取标准变化曲线中曲线的驻点数量和极值点数量，并按照标准变化曲线顺序建立驻点序列和极值点序列；

将仪器设置参数、驻点序列、极值点序列和标准测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统，其特征在于，所述处理器根据运行数据分析氧氮氢分析仪的故障，包括：以时间为自变量，以运行数据为因变量通过多项式拟合法分别建立运行曲线；所述运行曲线包括温度曲线、电流曲线和保护气体浓度曲线；

根据运行曲线判断氧氮氢分析仪的故障，当氧氮氢分析仪发生故障时，生成并发送故障信号至台管理模块和执行控制模块；所述故障信号包括温度异常信号、电流异常信号、浓度异常信号、运行正常信号和运行异常信号。

说明书

一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于金属特性分析领域，涉及分类技术，具体是一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统。

背景技术

[0002] 氧、氮、氢的含量直接影响金属(如钢铁、钛和铜)的特性，所以在质量控制过程中要精确测定氧、氮、氢的含量；通常通过氧氮氢分析仪对金属中的氧氮氢含量进行检测分析，现有技术中的氧氮氢分析仪包括炉头，炉头包括炉体，炉体内部有护腔，炉腔内设置有用来盛放样品的石墨坩埚，炉体上固定设置有用来向炉腔内部输出气体的载气净化过滤管以及上电极、下电机，炉头还包括用来检测炉腔内部温度的温度检测器和控制电极移动的气动升降机构。

[0003] 公开号为CN105223135A的发明专利提供了一种氧氮氢分析仪用载气净化过滤管、炉头及氧氮氢分析仪；包括过滤管和设置在过滤管内用来过滤气体的过滤材料，还包括用来检测所述过滤材料的位移的直线位移检测装置。

[0004] 上述方案中利用直线位移检测装置来精确显示过滤管中过滤材料吸附石墨粉的量，并及时更换过滤材料，提高了分析结果的精度，也降低了分析成本；但是，上述方案中是通过改进氢氧氮分析仪的内部结构来实现提高分析结果精度的，这导致氢氧氮分析仪的结构更加复杂，而且对分析结果精度的提高有限；因此，上述方案仍需进一步改进。

发明内容

[0005] 为了解决上述方案存在的问题，本发明提供了一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统，包括氧氮氢分析仪本体和控制系统；所述控制系统包括处理器、数据采集模块、标准分析模块、样品分析模块、执行控制模块、后台管理模块和数据存储模块；

[0007] 所述数据采集模块用于采集氧氮氢分析仪的工作数据，所述工作数据包括运行数据、标准测量数据和样品测量数据；所述数据采集模块将标准测量数据分别发送至标准分析模块、样品分析模块和数据存储模块，同时将运行数据发送至处理器；所述数据采集模块将样品测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块；

[0008] 所述样品分析模块根据分类模型获取待检测金属中的氧氮氢含量，包括：

[0009] 当样品分析模块接收到样品测量数据之后，通过数据存储模块获取分类模型；所述样品测量数据包括样品仪器参数和样品检测数据，所述样品仪器参数包括样品分析过程中的温度值、电压值、脱气功率、脱气时间、电流值和保护气体的浓度，所述样品检测数据包括样品分析过程中样品的重量和助熔剂用量；

[0010] 获取分类模型；

[0011] 将样品测量数据经过数据归一化处理之后输入到分类模型中获取输出结果，所述输出结果为样品对应的氧氮氢含量；

[0012] 生成并发送样品分析报告至数据存储模块；所述样品分析报告包括样品测量数据和输出结果。

[0013] 优选的，所述执行控制模块用于根据仪器预警信号实现对氧氮氢分析仪的智能控制；所述仪器预警信号包括温度异常信号、电流异常信号、浓度异常信号和运行风险信号。

[0014] 优选的，所述后台管理模块用于对氧氮氢分析仪的运行数据进行实时监测；所述后台管理模块还用于调度工作人员对氧氮氢分析仪进行保养维修。

[0015] 优选的，所述分类模型的具体获取步骤包括：

[0016] 通过数据存储模块获取训练数据；所述训练数据包括仪器设置数据、驻点序列、极值点序列和标准测量数据；

[0017] 将训练数据经过数据归一化之后按照设定比例划分为训练集和测试集；所述设定比例包括4:1和2:1；

[0018] 构建融合模型；所述融合模型通过SVM、BP神经网络和RBF神经网络三种智能模型结合融合方式进行构建，所述融合方式包括线性加权融合法、交叉融合法、瀑布融合法、特征融合法和预测融合法；

[0019] 通过训练集和测试集对融合模型进行训练和测试；当融合模型的训练精度达到目标精度时，则判定融合模型训练完成，将训练完成的融合模型标记为分类模型；

[0020] 通过处理器将分类模型分别发送至样品分析模块和数据存储模块。

[0021] 优选的，所述标准分析模块用于分析标准测量数据，包括：

[0022] 选定标准物质；所述标准物质为氧、氮和氢含量固定且已知的金属物；

[0023] 通过标准物质对氧氮氢分析仪进行仪器校准；按照操作步骤分析标准物质，并获取标准测量数据，所述标准测量数据包括仪器设置参数和标准测量数据；所述仪器设置参数包括标准物质分析过程中的温度值、电压值、脱气功率、脱气时间、电流值和保护气体的浓度；所述标准测量数据包括标准物质分析过程中标准物质的重量、助熔剂用量以及通过热导检测仪获取的氧气、氮气和氢气的含量；

[0024] 以时间为自变量，以标准物质的重量、助熔剂用量、保护气体的浓度、电压值、温度值和电流值建立标准变化曲线；所述标准变化曲线包括物质重量变化曲线、助熔剂用量变化曲线、保护气体浓度变化曲线、电压变化曲线、温度变化曲线和电流变化曲线；

[0025] 获取标准变化曲线中曲线的驻点数量和极值点数量，并按照标准变化曲线顺序建立驻点序列和极值点序列；

[0026] 将仪器设置数据、驻点序列、极值点序列和标准测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块。

[0027] 优选的，所述处理器根据运行数据分析氧氮氢分析仪的故障，包括：

[0028] 当处理器接收到运行数据之后，建立运行曲线；所述运行数据包括温度值、电流值和保护气体的浓度，所述保护气体包括氦气和氩气，所述温度值包括熔融温度和色谱柱温度，所述电流值通过直流数字毫安表获取；

[0029] 以时间为自变量，以运行数据为因变量通过多项式拟合法分别建立运行曲线；所述运行曲线包括温度曲线、电流曲线和保护气体浓度曲线；

[0030] 当温度值不在温度阈值范围内时，生成并发送温度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当电流值不在电流阈值范围内时，生成并发送电流异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当保护气体的浓度不在浓度阈值范围内时，生成并发送浓度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；

[0031] 获取运行曲线的导函数，并将时间带入导函数中获取导数值；

[0032] 任取一个导数值取绝对值之后标记为第一导数值；获取第一导数值对应时间前一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第二导数值；获取第一导数值对应时间后一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第三导数值；

[0033] 获取第一导数值、第二导数值和第三导数值的平均值并标记为导数平均值DPZ；

[0034] 当导数平均值DPZ满足YDPZ‑μ≤DPZ≤YDPZ+μ时，则判定运行数据正常，生成并发送运行正常信号至后台管理模块；否则，判定运行数据存在隐患，生成并发送运行风险信号至后台管理模块和执行控制模块；其中YDPZ为导数平均阈值，且YDPZ通过大量数据模拟获取，μ为比例系数，且μ为大于0的实数；

[0035] 通过处理器将导数平均值和故障信号的发送记录发送至数据存储模块进行存储；所述故障信号包括温度异常信号、电流异常信号、浓度异常信号、运行正常信号和运行异常信号。

[0036] 优选的，所述处理器分别与数据采集模块、标准分析模块、样品分析模块、执行控制模块、后台管理模块和数据存储模块通信连接；所述后台管理模块分别与数据存储模块和执行控制模块通信连接，所述标准分析模块分别与数据采集模块和样品分析模块通信连接，所述样品分析模块和执行控制模块通信连接；所述数据采集模块通过通信和/或电气的方式与氧氮氢分析仪连接；所述氧氮氢分析仪包括脉冲单元和色谱单元，所述脉冲单元包括上电极、下电极、脉冲变压器、冷却水、水压开关、脉冲加热电缆线、时间控制器、炉头启动、加热启动、交流电压表、交流电流表、手动/自动切换开关和调压旋钮，所述色谱单元包括色谱柱炉、色谱柱、热导检测器、池平衡、进样器、直流毫安表、停止、调压、分析、冲洗、桥电流、载气调节、冲洗调节、载气压力表、系统压力表、柱温控制、载气流量计、冲洗气流量计、载气稳压、载气调节、冲洗气调节、载气净化器和冲洗气净化器。

[0037] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0038] 1、本发明设置了标准分析模块，该设置用于分析标准测量数据；标准分析模块通过标准位置对氧氮氢分析仪进行仪器校正，同时获取标准物质对应的标准测量数据，并根据标准测量数据获取驻点序列和极值点序列，为分类模型的建立提供了数据基础，同时保证了氧氮氢仪器分析的精度；

[0039] 2、本发明设置了样品分析模块，该设置根据分类模型获取待检测金属中的氧氮氢含量；样品分析模块根据获取待测样品的样品测量数据，结合分类模型获取待测样品中的氧氮氢含量，并生成分析报告，结合人工智能模型，有助于提高氧氮氢含量的测定精度，且使得分析结果更加直观。

附图说明

[0040] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0041] 图1为本发明控制系统的原理示意图。

具体实施方式

[0042] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 请参阅图1，一种基于分类算法的氧氮氢分析仪测量系统，包括氧氮氢分析仪本体和控制系统；控制系统包括处理器、数据采集模块、标准分析模块、样品分析模块、执行控制模块、后台管理模块和数据存储模块；

[0044] 数据采集模块用于采集氧氮氢分析仪的工作数据，工作数据包括运行数据、标准测量数据和样品测量数据；数据采集模块将标准测量数据分别发送至标准分析模块、样品分析模块和数据存储模块，同时将运行数据发送至处理器；数据采集模块将样品测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块；

[0045] 样品分析模块根据分类模型获取待检测金属中的氧氮氢含量，包括：

[0046] 当样品分析模块接收到样品测量数据之后，通过数据存储模块获取分类模型；样品测量数据包括样品仪器参数和样品检测数据，样品仪器参数包括样品分析过程中的温度值、电压值、脱气功率、脱气时间、电流值和保护气体的浓度，样品检测数据包括样品分析过程中样品的重量和助熔剂用量；

[0047] 获取分类模型；

[0048] 将样品测量数据经过数据归一化处理之后输入到分类模型中获取输出结果，输出结果为样品对应的氧氮氢含量；

[0049] 生成并发送样品分析报告至数据存储模块；样品分析报告包括样品测量数据和输出结果。

[0050] 进一步地，执行控制模块用于根据仪器预警信号实现对氧氮氢分析仪的智能控制；仪器预警信号包括温度异常信号、电流异常信号、浓度异常信号和运行风险信号。

[0051] 进一步地，后台管理模块用于对氧氮氢分析仪的运行数据进行实时监测；后台管理模块还用于调度工作人员对氧氮氢分析仪进行保养维修。

[0052] 进一步地，分类模型的具体获取步骤包括：

[0053] 通过数据存储模块获取训练数据；训练数据包括仪器设置数据、驻点序列、极值点序列和标准测量数据；

[0054] 将训练数据经过数据归一化之后按照设定比例划分为训练集和测试集；

[0055] 构建融合模型；融合模型通过SVM、BP神经网络和RBF神经网络三种智能模型结合融合方式进行构建，融合方式包括线性加权融合法、交叉融合法、瀑布融合法、特征融合法和预测融合法；

[0056] 通过训练集和测试集对融合模型进行训练和测试；当融合模型的训练精度达到目标精度时，则判定融合模型训练完成，将训练完成的融合模型标记为分类模型；

[0057] 通过处理器将分类模型分别发送至样品分析模块和数据存储模块。

[0058] 进一步地，标准分析模块用于分析标准测量数据，包括：

[0059] 选定标准物质；标准物质为氧、氮和氢含量固定且已知的金属物；

[0060] 通过标准物质对氧氮氢分析仪进行仪器校准；按照操作步骤分析标准物质，并获取标准测量数据，标准测量数据包括仪器设置参数和标准测量数据；仪器设置参数包括标准物质分析过程中的温度值、电压值、脱气功率、脱气时间、电流值和保护气体的浓度；标准测量数据包括标准物质分析过程中标准物质的重量、助熔剂用量以及通过热导检测仪获取的氧气、氮气和氢气的含量；

[0061] 以时间为自变量，以标准物质的重量、助熔剂用量、保护气体的浓度、电压值、温度值和电流值建立标准变化曲线；标准变化曲线包括物质重量变化曲线、助熔剂用量变化曲线、保护气体浓度变化曲线、电压变化曲线、温度变化曲线和电流变化曲线；

[0062] 获取标准变化曲线中曲线的驻点数量和极值点数量，并按照标准变化曲线顺序建立驻点序列和极值点序列；

[0063] 将仪器设置数据、驻点序列、极值点序列和标准测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块。

[0064] 进一步地，处理器根据运行数据分析氧氮氢分析仪的故障，包括：

[0065] 当处理器接收到运行数据之后，建立运行曲线；运行数据包括温度值、电流值和保护气体的浓度，保护气体包括氦气和氩气，温度值包括熔融温度和色谱柱温度，电流值通过直流数字毫安表获取；

[0066] 以时间为自变量，以运行数据为因变量通过多项式拟合法分别建立运行曲线；运行曲线包括温度曲线、电流曲线和保护气体浓度曲线；

[0067] 当温度值不在温度阈值范围内时，生成并发送温度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当电流值不在电流阈值范围内时，生成并发送电流异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当保护气体的浓度不在浓度阈值范围内时，生成并发送浓度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；

[0068] 获取运行曲线的导函数，并将时间带入导函数中获取导数值；

[0069] 任取一个导数值取绝对值之后标记为第一导数值；获取第一导数值对应时间前一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第二导数值；获取第一导数值对应时间后一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第三导数值；

[0070] 获取第一导数值、第二导数值和第三导数值的平均值并标记为导数平均值DPZ；

[0071] 当导数平均值DPZ满足YDPZ‑μ≤DPZ≤YDPZ+μ时，则判定运行数据正常，生成并发送运行正常信号至后台管理模块；否则，判定运行数据存在隐患，生成并发送运行风险信号至后台管理模块和执行控制模块；其中YDPZ为导数平均阈值，且YDPZ通过大量数据模拟获取，μ为比例系数，且μ为大于0的实数；

[0072] 通过处理器将导数平均值和故障信号的发送记录发送至数据存储模块进行存储；故障信号包括温度异常信号、电流异常信号、浓度异常信号、运行正常信号和运行异常信号。

[0073] 进一步地，处理器分别与数据采集模块、标准分析模块、样品分析模块、执行控制模块、后台管理模块和数据存储模块通信连接；后台管理模块分别与数据存储模块和执行控制模块通信连接，标准分析模块分别与数据采集模块和样品分析模块通信连接，样品分析模块和执行控制模块通信连接；数据采集模块通过通信和/或电气的方式与氧氮氢分析仪连接；氧氮氢分析仪包括脉冲单元和色谱单元，脉冲单元包括上电极、下电极、脉冲变压器、冷却水、水压开关、脉冲加热电缆线、时间控制器、炉头启动、加热启动、交流电压表、交流电流表、手动/自动切换开关和调压旋钮，色谱单元包括色谱柱炉、色谱柱、热导检测器、池平衡、进样器、直流毫安表、停止、调压、分析、冲洗、桥电流、载气调节、冲洗调节、载气压力表、系统压力表、柱温控制、载气流量计、冲洗气流量计、载气稳压、载气调节、冲洗气调节、载气净化器和冲洗气净化器。

[0074] 上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况设定。

[0075] 本发明的工作原理：

[0076] 数据采集模块用于采集氧氮氢分析仪的工作数据，工作数据包括运行数据、标准测量数据和样品测量数据；数据采集模块将标准测量数据分别发送至标准分析模块、样品分析模块和数据存储模块，同时将运行数据发送至处理器；数据采集模块将样品测量数据分别发送至样品分析模块和数据存储模块；

[0077] 当处理器接收到运行数据之后，建立运行曲线；以时间为自变量，以运行数据为因变量通过多项式拟合法分别建立运行曲线；当温度值不在温度阈值范围内时，生成并发送温度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当电流值不在电流阈值范围内时，生成并发送电流异常信号至后台管理模块和执行控制模块；当保护气体的浓度不在浓度阈值范围内时，生成并发送浓度异常信号至后台管理模块和执行控制模块；获取运行曲线的导函数，并将时间带入导函数中获取导数值；任取一个导数值取绝对值之后标记为第一导数值；获取第一导数值对应时间前一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第二导数值；获取第一导数值对应时间后一时刻的导数值，取绝对值之后标记为第三导数值；获取第一导数值、第二导数值和第三导数值的平均值并标记为导数平均值DPZ；当导数平均值DPZ满足YDPZ‑μ≤DPZ≤YDPZ+μ时，则判定运行数据正常，生成并发送运行正常信号至后台管理模块；否则，判定运行数据存在隐患，生成并发送运行风险信号至后台管理模块和执行控制模块；通过处理器将导数平均值和故障信号的发送记录发送至数据存储模块进行存储；

[0078] 选定标准物质；通过标准物质对氧氮氢分析仪进行仪器校准；按照操作步骤分析标准物质，并获取标准测量数据；以时间为自变量，以标准物质的重量、助熔剂用量、保护气体的浓度、电压值、温度值和电流值建立标准变化曲线；标准变化曲线包括物质重量变化曲线、助熔剂用量变化曲线、保护气体浓度变化曲线、电压变化曲线、温度变化曲线和电流变化曲线；获取标准变化曲线中曲线的驻点数量和极值点数量，并按照标准变化曲线顺序建立驻点序列和极值点序列；

[0079] 当样品分析模块接收到样品测量数据之后，通过数据存储模块获取分类模型；获取分类模型；将样品测量数据经过数据归一化处理之后输入到分类模型中获取输出结果，输出结果为样品对应的氧氮氢含量；生成并发送样品分析报告至数据存储模块；样品分析报告包括样品测量数据和输出结果；

[0080] 后台管理模块用于对氧氮氢分析仪的运行数据进行实时监测；所述后台管理模块还用于调度工作人员对氧氮氢分析仪进行保养维修。

[0081] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0082] 以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。