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在線光譜技術及其産品的市場應用
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發布時間:2013-01-27 20:00:44 閱讀:6713

在線光譜技術及其産品的市場應用

 

 一、在線光譜技術及其産品介紹
   
光譜技術正在經曆一場革命,從實驗室走向現場(生産線,實驗場和自然環境)。以往絕大部分光譜儀器都局限于實驗室內,將采來的樣品經過切割、粉碎、壓片、研磨、溶解、稀釋、萃取或化學反應等處理手段後放在儀器的固定樣品室內進行測量分析。由于這些光譜儀器龐大笨重,很難到現場去工作。但是每個工業部門都面臨不斷改進質量的要求,這主要表現在以離線計量爲基礎的傳統質量保證體系正在向以在線或現場傳感器爲基礎的過程控制新質量保證體系轉移。在流程工業的過程控制中,目前能在線測量與控制的變量僅限于溫度、壓力和流量等,而對過程中化學成分和許多物性變量仍不能進行有效的連續測量,而這些特殊變量卻是表征生産狀況的重要甚至是決定性的指標參數,因而嚴重影響了工業産品成品的産率和質量的及時監測;在環境監測中,反映環境變化的關鍵性變量的連續測量也是很困難的。
   
因此,在線光譜技術應運而生,它正是在線或現場狀況下基于分子水平基礎上的微觀物理量和微觀化學量的光譜傳感技術,可廣泛應用于化工、制藥、輕工和半導體等工業部門的過程監測,化學分析,色度和照度控制,環境保護,生物和醫學研究,農業和林業,海洋和礦業,防僞和安全保證系統以及軍事部門等等。
   
在線光譜技術是一項新興的技術。因爲它的應用對象和條件與傳統光譜技術不同,也就決定了它具有自己的技術特征:針對性、協調性和綜合性。針對不同的分析對象、條件和要求就需要選擇諸如吸收、反射、熒光、拉曼等光譜方法中適用的光譜手段、相應的采樣方式和技術指標適中的元件設備。在線光譜測量必須與生産流程相協調,不幹擾生産流程正常進行,實現生産、測量、控制與優化相融合,形成一個有機的整體,即智能型生産,對于實驗場和自然環境也有類似的非破壞性測量的要求。由于現場條件的多樣性,測量對象的複雜性,過程的進行性,這就需要綜合運用多項高新技術靈活解決各種實際問題。
   
傳統光譜技術是以光譜儀爲中心考慮問題、解決問題的技術。在線光譜技術則完全相反,是完全以被測樣品爲中心考慮問題、解決問題的技術。由此,帶來了在線光譜儀器設備設計開發的革命性變化:
    1
.采用柔性光纖采光技術,以適應被測樣品的複雜形狀和位置;
    2
.采用小型化全固定件光學設計,以適應高震動、狹窄空間等複雜的工況環境檢測的需要;
    3
.采用低能耗便攜技術,以適應戶外(野外)環境檢測的需要;
    4
.采用遙控光電傳感技術,以適應腐蝕、汙染、有毒等惡劣環境檢測的需要;
    5
.采用新型的傳感器-多道電荷耦合光電器件,實現數據采集的高速化。
   
因此,在線光譜技術是一項綜合性高技術。
   
在線光譜技術包括:系列在線光譜儀設計與制造技術,采樣與樣品預處理技術,光譜分析軟件和模型數據庫技術以及現場總線技術。
   
在線光譜儀主要技術指標:
    ·
波長範圍:200nm-1000nm(可擴展至3400nm
    ·
光譜儀焦距長度:4265100133150220300mm任選
    ·
光譜分辨率:0.5-5nm(因設計方案而異)
    ·
光源:可提供各種用于吸收、反射、熒光和拉曼等光譜測量適用的光源
    ·
探頭:備有適應不同光譜方法的采樣頭,任選
    ·
多模光纖:芯徑50100200400μm,可互換(包括集束光纖),長度可大于100
    ·CCD
檢測器動態範圍:3000 : 1 — 20000 : 1任選
    ·CCD
檢測器積分時間:10ms-100s
    ·
輸出:輸出已數字化,可與各種協議總線挂接,或經串口直接接入計算機

    ·
譜儀控制:譜儀控制全部智能化,接口協議公開,提供開發軟件包,方便用戶進行二次開發。
    ·
軟件:Windows 95平台實時采樣、繪圖和分析軟件包(自有知識産權),還可另外提供非線性回歸和人工神經網絡光譜數據處理軟件包(上圖爲化學流程成份實時測試軟件界面)。
   
二、産品及其市場應用
   
在線光譜儀系統(包括各種二次開發的檢測儀器)應用廣泛,幾乎可以囊括全部的國民經濟領域,下面分具體領域舉例介紹:
    1
、石油勘探、石油化工:
   
例一:某石油化工廠,應用小型快速化學反應光譜檢測儀現場檢測聚醚多元醇(高聚物)試驗流程(産品試制)中的化學成分變化情況,用以篩選最佳的控制參數,現已實現聚醚多元醇的伯仲羟基比值測定,提高了産品的成品率。
   
例二:某油田地質錄井公司在石油鑽井工程中需要快速原位(現場)監測鑽井循環泥漿、岩屑的紫外受激熒光特點,以及時發現地下含油層或指導鑽井工作進程,經濟意義巨大。
   
例三:油田采油作業區的井口采油集輸站需要在線監測井下原油采出液的含水量、含油量、含氣量、多種離子含量等參數,用來判斷井下油層參數,以及時調整休井時間和井下注水量,如延誤監測造成油井地質報廢,經濟損失難以估量(1個集輸站通常控制數十口油井,單口油井經濟價值在數百萬至數億元)。
   
例四:某天然氣化工企業從成份複雜的液化氣中提純特殊結構的六碳烴以生産榨油(大豆油)工業所需的豆粕油,但是産品的純度監測在生産流程中難以靠傳統的廠內品管室用離線的取樣化驗方法完成,急需可靠的在線監測方法。
   
例五:汽油的辛烷值是表征汽油品質的重要指標。傳統測試方法是用內燃機進行點火測試(馬達法),費時(數小時/樣品)費物(需要樣品較多),而利用在線光譜技術建立數據庫後,測試工作瞬間完成,而且需要樣品很少(幾毫升),測試結果既經濟又快速准確。
    2
、資源調查、礦業、冶金:
   
例一:野外地質隊在礦産勘察工作中發現了可能有價值的礦點時,目前只能采集礦物標本回到基地後在進行詳細精確的測定,野外標本的重荷造成地質隊員只能采集少量標本,不能長途跋涉,影響全面的地質考察評價,有了方便的礦物光譜鑒別儀器,問題就解決了。
   
例二:礦砂、礦粉是礦産(特別是貴重礦産)交易中的常見商品,在交易現場隨機采樣進行礦物品位檢驗是增強買方信心的有效手段。
   
例三:地物光譜航拍照片是有別于傳統航拍照片(只有顔色和地形信息,無光譜信息)的新的國土資源調查新方法,它可以利用光譜信息直接顯示出地物的類別甚至判斷森林火情。
    3
、農業:
   
例一:農作物的種籽質量(蛋白質、氨基酸、脂肪、澱粉、糖分、灰份含量)是關系到農業健康發展的至關重要的關鍵,種籽培育、交易過程中的質量鑒定是十分必要的。而在線光譜技術中的近紅外漫反射(漫透射)分光光度法是鑒別種籽質量的極佳方法。
   
例二:含水量是煙草工業、飼料工業、國家糧庫中品質檢測的重要內容。
   
例三:國外已經利用色度測試的方法定量測試水果的成熟程度。
   
例四:廣西某企業采用近紅外技術分析甘蔗糖汁用于指導甘蔗的收購計價。
   
例五:水稻硅質化作用是影響稻谷(糧食)生産與稻草(飼料)營養品質的主要因素之一,對水稻硅化特點的傳統化學分析費時、耗資、准確度較低。利用近紅外反射光譜分析技術具有分析速度快、精度高、結果穩定的優點可以對采自不同種植地、不同季節、不同品種的稻草及稻葉、葉鞘、莖稈樣品進行半纖維素、纖維素、木質素、可溶及不可溶性硅化物成分的近紅外光譜分析。
    4
、無機化工、印染、印刷、輕工 
   
例一:金屬電鍍廠,電鍍槽內的電鍍液的雜質成份濃度是影響電鍍質量的關鍵因素,傳統光譜方法沒有辦法及時檢測,而電化學儀器又不能很好的同時提供多種複雜成分的濃度。
   
例二:某印刷企業,在大量套色印刷過程中,發現印刷顔色的漸變問題,但苦于沒有在線監測設備,印刷物次品率高,成本居高不下。
   
例三:某膠粘紙帶(卷煙過濾嘴包裝紙)生産企業,由于儲膠裝置的噴口經常出現堵塞現象,出現了紙帶上塗膠斷線而不能及時發現的情況,造成無謂返工,成了生産效率提高最大的障礙。
   
例四:某居民小區供熱中心,爲防止管道內水垢結垢現象,需要在循環水中添加阻垢劑,但是阻垢劑濃度大小又會影響阻垢劑的化學效果,不同的水溫也對阻垢劑濃度有不同的要求,由于循環水有循環損失需要隨時補充並且不同時間的水質對阻垢劑的濃度要求不同,阻垢劑的濃度監測與控制成爲順利供熱的難題。
    5
、生物、醫療、制藥:
   
例一:在線光譜技術可以用透皮光度法檢測人體的血糖濃度、皮膚病變等。
   
例二:結合生物芯片或者生物修飾光探頭技術,在線光譜技術可以快速准確地進行  微量病毒(細菌)樣本檢測。
   
例三:某化妝品企業應用在線光譜技術控制産品質量。
   
例四:某中藥制藥企業應用在線光譜技術建立中藥指紋圖譜,研制中藥丸劑。
    6
、釀造、食品:
   
例一:醬油、食醋、啤酒、白酒、果酒的質量與在釀造流程中各種工藝參數的精確控制是離不開的,它的色度、成份都是十分重要的質量指標,而最終的産品抽檢只是馬後炮工程,不能解決在釀造過程中出現的質量問題,所以在線監測的需要是十分迫切的。
   
例二:某大型原料藥企業在青黴素的生産中,出現了釀造罐中産品成分隨機變化、不穩定的情況,在得知這些參數後可以通過控制溫度、投料比等方法改善流程狀況,並可以完善工藝控制技術。
   
例三:目前市場上存在某些食品類的商品之釀造和配制之爭,例如配制醬油中由于生産工藝的限制不可避免地存在苯丙醇(有劇毒性)成份,利用工業酒精配制的酒類含有超標的甲醇(有劇毒性)成份,食品衛生執法機關需要有方便可靠的現場檢驗方法。
    7
、建材:
   
例一:某大型玻化石瓷磚生産企業,産品燒結面(瓷磚正面)的色度、光澤度分級工作一直是靠人工(有多年經驗的工人)肉眼鑒別完成的,由于存在著人工的主觀不確定性和受連續工作勞累判斷力下降以及不同工人的判斷標准難以統一的情況,在某形象工程中出現了工作失誤被建築商索賠數十萬元的事故,故決心在全部生産線上采用在線檢測儀器。
   
例二:某彩鋼板生産企業,需要在線檢測烤漆顔色的儀器設備,以防止爐溫過高出現殘次品並可以有效節省燃料費用。
   
例三:某钛白粉(生産油漆的重要原材料)生産企業,采用在線喇曼光譜技術在線監測金紅石(TiO2,俗稱钛白粉)晶體的同分異構現象,控制生産質量。
    8
、環境監測:
   
例一:海洋、河流、湖泊等水體經常受到突發的汙染事故,對國民經濟生活産生了負面影響,在線光譜技術可以全天候地監測水體質量,及時鑒別和控制汙染源,將負面影響減小到最小程度。
   
例二:汽車尾氣、工業廢氣成爲城市大氣汙染的最大來源,成爲市民某些城市病的頭號致病因素,定期公布的城市空氣質量指標也成爲影響城市旅遊經濟的指揮棒,在線光譜技術的應用可以爲城市建設決策機構提供隨時的數據旁證。
   
例三:土地鹽堿化和酸化是國土資源狀況惡化的重要表現,它分別與過量地使用化肥以及不合理垃圾填埋有關,對板結的土地進行成分檢測是治理土地鹽堿化和制訂合理的垃圾處理方法所需要的。
    9
、軍事、安全、防僞:
   
例一:僞裝材料的應用在軍事設施建設中的重要性日益突出,它的主要特點主要是利用了可見區色差、光反射率差,利用
   
例二:海關、稅務管理機關在檢查各種票據時,對于發生塗改、篡寫的現象用肉眼難以分辨,而用在線光譜技術可以准確顯示筆迹成分的不同。
    10
、光電子産業
   
例一:某玻璃鍍膜企業需要在線監測膜厚度,而傳統的光譜儀不可能移到生産線上來對原樣産品進行檢測工作。
   
例二:某新型光源顯示器件企業在生産中需要對LED大屏幕的各種光電參數進行品質檢測,以確定産品的品質等級率,並根據檢測結果調整生産工藝。
   
例三:某閃光燈生産企業采用在線光譜技術監測閃光管的光電特性、時間特性,有效提高了生産效率和經濟效益。
    11
、科學研究(共同特點:被測物不可能被進行加工成傳統樣品)
   
例一:某大學應用在線光譜技術進行等離子體發光光譜特征研究。
   
例二:某大學應用在線光譜技術進行流動注射化學分析研究。
   
例三:某海洋研究所應用在線光譜技術進行海洋有機汙染航空巡測研究。
   
例四:某農研院應用在線光譜技術進行農作物在最佳光合作用情況下受光的光譜特性研究。
   
例五:某考古單位應用在線光譜技術對出土文物進行光譜方法研究。
   
例六:某冶金研究所應用在線光譜技術監測金屬焊點成分結構。

 
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