当计算机与光谱仪合二为一


作者:Hanns S. Eckhardt博士,Tobias Krause,Peter Huber,本文作者供职于Tec5公司。 日期:2016/09/27 来源:PROCESS《流程工业》

在PAT过程分析技术领域,嵌入式系统并不是什么新鲜概念。像光度计等用于简单的过程控制检测的仪器通常只能完成一个参数的检测,最多三个。长期以来,类似于光度计的简单测量仪器只能作为整个检测设备的一个组成部分,而且也无需单独配备控制系统。由于对它们的要求较低,常规微处理器的功能就足以满足其工作需求。当需要用复杂的评估分析处理方法对所获得的数据进行分析处理时,就必须借助计算机的支持。

今天,随着微处理器技术的飞速发展,我们能够把功能强大的微型控制器直接集成和安装到像NIR近红外、UV/VIS紫外光谱/可见光谱和拉曼光谱仪中,作为嵌入式系统,提供给用户。

之所以能够做到这些,是因为有了关键的核心固件——参数设置取代了控制程序的编写。用户可以快速并轻松地完成设置,省略了编程过程,节约了编程时间。

嵌入式系统——量子级的飞跃?

近年来,光谱学与计算机技术的结合越来越紧密。现在,有着强大功能的小型微处理器嵌入式系统把测控系统的精确性和可用性整合到一起。

在完成某一检测点的特殊检测分析任务时,可以使用嵌入式系统的光谱仪。配用了Tec5平台的“tecSaaS”系列的传感器(参见图示)准确地满足了这些需求。通过在光谱仪控制单元中嵌入了完整的数据处理和评判功能,用户可以在内置微处理器的帮助下,直接在过程控制器中得到检测分析结果。

自主研发的固件模块能够替代复杂的控制程序编制,简单地完成检测数据的参数赋值和参数处理,以及化学计量模型的评判分析。其采用的通信技术协议包括以太网TCP/IP、Profinet现场总线、Ethernet IP、EtherCAT、CANopen现场总线、RS422 / 485和MODBUS TCP等。

坚固耐用且结构紧凑

省去了使用计算机系统和一些系统元器件,过程分析系统的结构更加小巧,能够安装在非常紧凑且坚固耐用的盒式容器之内,不再需要工业电气柜。而这种盒式装置耐热、抗寒、不易受潮以及很好的抗震性能又是室外应用必不可少的,例如在农业机械设备中的应用。PAT过程分析系统能够在农业机械行驶的过程中对耕地土壤中的氮含量进行检测,准确地计算出每平方米应该施用的化肥量。这种应用不仅提高了经济性而且非常环保。

另一方面,系统构架应能够保证数据安全。与易受到攻击的网关这一“标准操作系统”不同,这里所使用的硬件和固件只含有必要的功能和通信技术协议。通过防火墙就可以防止来自网络的传统攻击,为过程检测分析单元建立起全面的安全防护。

嵌入式光谱仪常见于水果和蔬菜的分拣,用以评价被检测物的成熟度。此外,在乳制品的检测中也常常应用这一设备。

在饮料工业领域中,这种检测分析系统非常适合于分析饮料重要组成成分的纯度,例如分析威士忌中糖的浓度。另外,这一系统也可以完成空容器的污染程度检测。

在电镀技术领域,嵌入式的光谱分析仪可在涂覆装饰性和功能性表面的涂覆设备中进行电解池的溶液分析。为保证电镀涂层的质量,快速地检测分析电解液中金属离子的浓度是非常重要的,以便于及时自动调整金属离子的浓度。此时,嵌入式光谱仪可用例如Ethercat通信技术协议直接与电镀设备的控制系统进行通信。由于电镀设备工作在腐蚀性很强的环境中,使用的嵌入式系统需要用不锈钢或者聚四氟乙烯材料制造。

化学工业也能够从中受益

嵌入式光谱仪也可以在化学工业领域中使用。在这种情况下,化学成分、化学材料和颜色等都是需要同时检测和控制的要素。今天的嵌入式光谱仪已经可以按照多种应用进行配置。它把计算机系统的优点与IT基础设施免费更新和低维护成本的优点结合在一起,同时又有着很高的承载能力(耐热、抗寒、防潮以及很好的抗震性能)。日常电子消费产品的优点,如今也随着“tecSaaS”平台进入了PAT过程分析技术领域中。