在線檢測分析儀表的新型測量技術(shù)

方遠(yuǎn)程

[摘 要]本文闡述了儀表在線分析、單片機(jī)嵌入式技術(shù)、信息處理及計(jì)算機(jī)的發(fā)展使軟測量技術(shù)成為智能化儀器儀表的核心技術(shù)，提出用軟測量技術(shù)結(jié)合發(fā)展新型傳感器技術(shù)以及有針對(duì)性的采用物性儀表配合波譜、光譜、質(zhì)譜、色譜等分析儀器在線檢測分析儀表行業(yè)的方略。提供了一個(gè)軟測量技術(shù)儀表化的研發(fā)方法。特別指出成分在線檢測分析的弱項(xiàng)適合應(yīng)用軟測量技術(shù)的成分濃度儀來加強(qiáng)，

[關(guān)鍵詞]在線；儀表；分析

中圖分類號(hào)：TH83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）06-0387-01

我國上一世紀(jì)八十年代就有這樣的說法：現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程自動(dòng)化的核心目標(biāo)是成分質(zhì)量的控制。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)大千世界物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)越來越深入，以往所用材料的內(nèi)在質(zhì)量及性能要求也越來越高，而對(duì)物質(zhì)的正確認(rèn)知使得對(duì)科學(xué)檢測和分析手段的需求和依賴性很強(qiáng)，且不講用于生產(chǎn)、建設(shè)的新材料、新物質(zhì)不斷出現(xiàn)，對(duì)于舊的物質(zhì)、在生產(chǎn)過程中在線檢測分析手段尤為重要，不言而喻，在線成分檢測分析儀表是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵設(shè)備，恰恰在這方面我們國家的儀表業(yè)界是薄弱的，特別是在自動(dòng)化程度較高的現(xiàn)代化工—流程工業(yè)，多數(shù)環(huán)保用的工業(yè)檢 測分析儀器儀表是國外高價(jià)產(chǎn)品。

計(jì)算機(jī)技術(shù)信息處理技術(shù)的高速發(fā)展也必將帶來儀器儀表行業(yè)的技術(shù)深入掘進(jìn)，甚至基于科學(xué)計(jì)算的預(yù)測、預(yù)估等等現(xiàn)代人所具有的智力思維功能，信息存儲(chǔ)技術(shù)從機(jī)械式到磁介質(zhì)到光/電式EPROM、E2ROM到今日高速閃存Flash，因?yàn)樗墓δ苡M(jìn)強(qiáng)大，體積、功耗卻愈進(jìn)微小，國家級(jí)圖書館的藏書資料全放進(jìn)去綽綽有余；可以記錄上一個(gè)月、乃至一年的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。既然軟測量技術(shù)的內(nèi)核是充分體現(xiàn)計(jì)算機(jī)最擅長的科學(xué)計(jì)算和信息處理，很難想象現(xiàn)今開發(fā)的儀器儀表內(nèi)沒有單片計(jì)算機(jī)技術(shù)介入。一片指甲大小的閃存體可達(dá)幾百M(fèi)字節(jié)，而且價(jià)格越來越低，單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用無處不在，一片大小只有5×5mm帶豐富接口及存儲(chǔ)資源的的單片機(jī)MPU，一個(gè)香煙盒大小而且薄得多的硬盤存儲(chǔ)量可以到近百G字節(jié)，沒有理由不把軟測量技術(shù)作為智能儀器儀表的核心技術(shù)，發(fā)展了很多代，其趨勢是越來越體積小，存儲(chǔ)量大，讀取速度快，這些軟測量的應(yīng)用都是基于整個(gè)生產(chǎn)過程的綜合各種參數(shù)、構(gòu)造復(fù)雜的運(yùn)算模型，國外的產(chǎn)品價(jià)格很昂貴，國內(nèi)有些軟測量技術(shù)的文獻(xiàn)，也多是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。把本來在大型系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用的技術(shù)移植到智能儀器儀表中來，這里又有一個(gè)既是常識(shí)，我們應(yīng)該說是高速運(yùn)算和信息處理，目前比較流行的虛擬儀器實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)技術(shù)在電測儀器方面引起的革新發(fā)展，才可稱其為智能儀器儀表。而軟測量技術(shù)正是這種儀器儀表的智能內(nèi)核。所謂軟測量技術(shù)是把常規(guī)檢測手段與計(jì)算機(jī)信息處理，以軟測量實(shí)現(xiàn)回歸變量選擇、樣本預(yù)處理、一致性回歸的研究分析，所謂萬億次計(jì)算機(jī)實(shí)際是指每秒鐘進(jìn)行的簡單運(yùn)算，而且單片機(jī)嵌入式的功能已能充分的運(yùn)算快、體積小，軟測量技術(shù)并沒有在儀器儀表的研發(fā)上應(yīng)用，還指其處理信息量的速度，所有這一切的發(fā)展給儀器儀表的應(yīng)用發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)的采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，那么在過程控制領(lǐng)域，軟測量技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生，分析過程機(jī)理、確定主導(dǎo)變量和輔助變量，控制機(jī)理學(xué)習(xí)的間接檢測技術(shù)。

關(guān)于成分在線檢測分析，世界上科學(xué)界關(guān)于物質(zhì)內(nèi)成分構(gòu)成有兩種研究路線，一種是從內(nèi)部打開物質(zhì)的內(nèi)核，甚至再深入到中子、質(zhì)子微粒子的運(yùn)動(dòng)、形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，卻是把很多學(xué)科的理論和方法應(yīng)用到物質(zhì)的成分研究，對(duì)這種高深莫測的研究本文不想過多妄談。另一種是從外部研究物質(zhì)的各種特性以及對(duì)周圍的相互作用、影響。比如：發(fā)熱、熔點(diǎn)、燃點(diǎn)、呈酸性、呈堿性等等，典型的手段類似電化學(xué)方法；超聲波方法；熱力學(xué)方法；稱重力學(xué)方法等等，這種研究看似片面，局限很大，但對(duì)某些特性較強(qiáng)、作用性較明顯，起什么變化等等物理的化學(xué)的特性、作用。這種研究不能講是從純應(yīng)用科學(xué)的角度，無非就是根據(jù)物質(zhì)的表觀特性判斷、研究其本質(zhì)，從復(fù)雜的混合體分離成單純的個(gè)體物質(zhì)，且人們?cè)陂L期接觸實(shí)踐中對(duì)其性能較為認(rèn)知的物質(zhì)確是很實(shí)用的。分析的工作是人的判斷性思維伴以計(jì)算，顯然也可以是智能儀器儀表的“思維”計(jì)算。這種方式被公認(rèn)為分析儀器的主要代表。我們?cè)僬劇胺治觥?，所謂分析，當(dāng)然不僅要知其質(zhì)，還要知其量。

世界上任何復(fù)雜的事物都是由各種因素，依據(jù)各種聯(lián)系來構(gòu)成。由生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生的理論模型，再到生產(chǎn)實(shí)踐中檢驗(yàn)的科學(xué)思想方法。我們通常不太可能把所有因素、分析出來，而在各種復(fù)雜的因素、主要性質(zhì)的方面?；诠に嚈C(jī)理、條件、研究變量間的關(guān)系，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型—研究規(guī)律性的數(shù)學(xué)表達(dá)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出相當(dāng)于“分析”出的結(jié)果，當(dāng)然我們并不是說在線檢測不需精度，相反越貼近現(xiàn)場、越貼近工藝條件，越能檢測準(zhǔn)確。還要進(jìn)行在線校正，軟測量技術(shù)的本質(zhì)就是研究生產(chǎn)工藝規(guī)律，物質(zhì)成分變化與各種參數(shù)，是及時(shí)改正操作與控制的根據(jù)，在線檢測指生產(chǎn)的中間過程的檢定，軟測量技術(shù)正是必須要實(shí)時(shí)的結(jié)合生產(chǎn)工藝條件，既要把檢測分析結(jié)果及時(shí)回饋控制，又要根據(jù)控制工藝條件預(yù)測檢測分析結(jié)果，在生產(chǎn)過程中完成檢測分析，因此比較適合這后一種物質(zhì)成分分析研究路線。這種控制類的檢測儀表的基本條件必須是適應(yīng)現(xiàn)場工業(yè)環(huán)境條件的，不是生產(chǎn)最終結(jié)果的檢驗(yàn)，用于控制類儀表，而不是質(zhì)檢儀器儀表。質(zhì)檢儀器儀表在實(shí)驗(yàn)室條件，軟測量還有一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是間接測量，在工業(yè)現(xiàn)場存在很多參數(shù)難以或根本無法用常規(guī)儀表手段直接檢測，不必長時(shí)間工作，可以離線等待式的操作，不牽連生產(chǎn)工藝情況的分析檢測，其精確性是最主要的。軟測量技術(shù)與控制過程是密不可分的。而軟測量技術(shù)可以綜合各種常規(guī)參數(shù)，也需要用模型計(jì)算、繪出譜峰曲線來。研究與成分有因果關(guān)系的主要幾種，根據(jù)機(jī)理分析，測算甚至預(yù)估出成分的變化，軟測量建模是研究分析物質(zhì)關(guān)系的必然結(jié)果。

工藝設(shè)備及條件對(duì)于成分形成的作用，熟練工人的操作經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣以及化驗(yàn)室取樣分析的手段，藝參數(shù)如何影響成分的形成，控制過程的規(guī)律，即正向/反向施以控制操作對(duì)成分形成的影響，把這些參數(shù)的傳感器裝好，并把信號(hào)接入特制的單片機(jī)嵌入式采集器接上，采集器把采集參數(shù)按時(shí)間存儲(chǔ)，把數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)或智能儀表，在此基礎(chǔ)最重要的是找出特別能決定成分變化的一個(gè)主要參數(shù)，并且知道這個(gè)主要參數(shù)是可測、可控的，如果沒有現(xiàn)成的安裝好的傳感器，也要能夠制造出這個(gè)參數(shù)的檢測傳感器，這樣還省卻了上述的專用數(shù)據(jù)采集器，縮短了研發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)費(fèi)用。這種數(shù)學(xué)建模和經(jīng)驗(yàn)建模就是綜合了工藝機(jī)理，找到了檢測變量與成分的內(nèi)在聯(lián)系即規(guī)律性關(guān)系。同樣也把在采集器采集時(shí)間段的分次取樣到化驗(yàn)室用色譜儀智能儀表，為了求解系數(shù)矩陣得到唯一確定解，還需要根據(jù)具體工藝設(shè)備、條件、以及操作經(jīng)驗(yàn)，用儀表上人機(jī)對(duì)話面板、功能按鍵在線修改系數(shù)以便進(jìn)行在線校正。輸入各種初始條件或邊界條件數(shù)值，同樣可以根據(jù)大面積采集存貯實(shí)時(shí)的、歷史的數(shù)據(jù)，以及人機(jī)對(duì)話輸入的化驗(yàn)室分析的目標(biāo)值，最好把對(duì)應(yīng)與高限和低限工藝參數(shù)的不合格的成分結(jié)果也輸入。也可以根據(jù)長期操作經(jīng)驗(yàn)找出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這種智能檢測分析儀應(yīng)該可在現(xiàn)場與化驗(yàn)室分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，隨著計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)及圖形軟件的發(fā)展，就可以在自己選擇的高性能MPU單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)中移植進(jìn)先進(jìn)的數(shù)學(xué)建模仿真工具，我們就可以把智能儀表的功能換代性的提高，自動(dòng)撮合，在線進(jìn)行仿真建模和自動(dòng)校正，這種技術(shù)方法和工藝路線，可以擴(kuò)展到很多化工成分濃度在線分析檢測。