在线近红外光谱仪的组成及应用

　　在线近红外光谱仪具有分析速度快，同时测量多种质量参数，采用光纤路由器等技术实现单机同时测量多个测量点的物料，多种测量附件可以方便在线测量液体和固体样品，分析精密度高和稳定性好等优点，可有效地解决过程质量信息的自动化测量难题，已被广泛地用于石化、制药、粮食、食品等工业领域，产生了显著社会效益和经济效益。

在线近红外光谱仪的组成

　　在线近红外光谱仪主要由硬件系统、软件系统和分析模型等三部分构成。

　　一、硬件系统

　　在线近红外光谱仪硬件部分主要包括光谱仪、光纤测量附件、快速回路、样品预处理系统等部分，此外，还有防爆系统和户外分析小屋等。

　　光谱仪是在线近红外光谱仪的心脏。目前几乎所有类型的近红外光谱仪，如固定波长滤光片扫描光栅色散、固定光路阵列检测器、傅立叶变换和声光可调滤光器，都有用于在线分析的报道。许多生产过程需每天24h连续进行在线分析仪也应无间断连续运行。在选择在线光谱仪时，抗环境干扰以保持自身稳定性的性能指标，成为首要考虑的问题。固定光路阵列检测器，内部没有移动光学部件，其性能价格比也较为合理，更适用于在线分析。

　　大多数在线近红外光谱仪都采用光纤方式远距离传输光。光纤的化学和热稳定性对电磁干扰不敏感等特性，使其可在困难、危险环境以及复杂的工业生产现场工作;价廉、轻巧、使用寿命长，安装和维护方便;采用光纤和光纤多路转换器，很易实现一台光谱仪检测多路物料，提高仪器的利用效率。

　　光谱在线采样主要有两种方式:流通池和直接插入式光纤探头。流通池方式需要从装置主流路引出一旁路，为了减少机械杂质等因素对测量信号的影响，通常需将样品引入预处理系统，对样品的压力、温度和流速控制以及对样品中的气泡、水分和机械杂质进行滤除，待测样品经预处理后流入流通池，由光纤探头方式是将探头直接插入主流路中，但这种方式会受到如压力、温度、气泡等对光谱的影响，探头还容易被污染，需定期将其拆卸拔出清洗，探头的长期插拔不仅存在光纤损坏的潜在危险性，还会对光谱的测量一致性带来影响。

　　样品预处理系统并非是在线近红外光谱仪的必须部分，但在一些液体样品的过程分析中，却扮演着重要的角色。它的主要功能是控制样品的温度、压力和流速，以及脱除样品中的气泡、水分和机械杂质等影响因素，确保分析结果有效准确。此外，样品预处理系统还包括近红外分析模型界外样品抓样装置。

　　二、软件系统

　　在线近红外光谱仪的软件应具备以下功能：

　　1、测量与分析功能，如光谱的采集，待测样品类型的判断，样品性质或组成的定量计算等;

　　2、化学计量学软件，如光谱预处理方法、多元定量校正方法和定性校正方法、模型传递方法等;

　　3、数据与信息显示功能，如显示各个通道所测的当前物化性质结果及历史趋势图，各个通道的历史数据，质量及分析模型界外点报警内容等;

　　4、数据管理功能，如分析模型库、光谱和分析测量结果的储存管理，分析模型输入输出等;

　　5、通讯功能，如执行操作室发送的查询、数据传输等命令(如分析模型、测定结果的输入与输出)，以模拟信号、Modbus协议等方式APC系统、DCS系统提供数据等;

　　6、故障诊断与安全功能，如由气泡、电压波动等因素引起的假分析信号的识别、光谱仪性能安全监控、环境条件监控、样品预处理系统安全监控、紧急报警等;

　　7、监控功能，如对样品预处理系统各单元的操作参数以及分析模型界外样品抓样系统进行调节和控制。

　　三、分析模型

　　在线近红外光谱仪分析模型，就是通过化学计量学方法将光谱与样品性质直接关联得到的两者之间的函数关系。模型的建立需要收集大量在组成和性质分布上具有代表性的样品(训练集样品)，并测量其近红外光谱和采用标准方法或参考方法测定其组成或性质数据。然后，采用先进的化学计量学方法对光谱和性质进行关联，建立两者之间的函数关系。模型精度与适用范围将直接关系到该技术应用的成败。

在线近红外光谱仪的应用

　　1、在石化工业中的应用：

　　在线近红外光谱仪已广泛用于石化工业中原油蒸馏、催化裂化、催化重整、油品调和、蒸汽裂解，高分子聚合等大型石化工业装置，取得了显著效益。

　　汽油调合组分包括直馏汽油、催化汽油、重整汽油、烷基化汽油、抽余油、MTBE等组分。传统的汽油调合方法是泵循环罐式调合，不仅需要昂贵的调合罐区投资，而且调合时间长，油品消耗大，同时不能对调合比例精确控制，调合作业分批进行，一次调合合格率低，调合成本高。

　　使用在线近红外光谱仪对调合组分及成品油的质量指标进行实时监测，指标包括烯烃、芳烃、苯及氧化物含量、辛烷值、馏程、蒸气压等。这些质量参数被传送到多变量优化控制软件，根据调合策略等约束条件进行调合计算，并将计算得到的调合指令(各调合组分的流量)传送到DCS控制系统执行。

　　在线近红外光谱仪实时测定成品油质量指标，与调合目标值进行比较，对各调合组分的流量进行调整，实现质量卡边及平稳操作。实现了在保证汽油质量规格前提下，进行经济合理地调合，即Zda限度地使用价格低和库存充裕的组分，将价格贵组分的用量Z小化，同时避免某些重要质量指标(如辛烷值)富裕情况导致成品油质量“白送”现象，从而获得巨大经济效益。

　　2、在果品分选系统中的应用：

　　在农产品收购和贸易环节使用在线近红外光谱仪快速提供大批量物料的质量，推行优质优价，极大地促进了种植业种植管理，改善粮食，水果，肉类品质改善，其结果是直接改善了人民生活质量。我国虽然是水果生产大国，其生产技术水平还很落后，其他行业也存在若类似现象，可见未来我国大力发展和应用近红外过程质量分析仪表技术将是多么重要!