在线检测分析仪表的新型测量技术
[摘 要]本文阐述了仪表在线分析、单片机嵌入式技术、信息处理及计算机的发展使软测量技术成为智能化仪器仪表的核心技术，提出用软测量技术结合发展新型传感器技术以及有针对性的采用物性仪表配合波谱、光谱、质谱、色谱等分析仪器在线检测分析仪表行业的方略。提供了一个软测量技术仪表化的研发方法。特别指出成分在线检测分析的弱项适合应用软测量技术的成分浓度仪来加强，
[关键词]在线；仪表；分析
中图分类号：TH83 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0387-01
我国上一世纪八十年代就有这样的说法：现代化工生产过程自动化的核心目标是成分质量的控制。随着科学技术的发展，人们对大千世界物质组成的认识越来越深入，以往所用材料的内在质量及性能要求也越来越高，而对物质的正确认知使得对科学检测和分析手段的需求和依赖性很强，且不讲用于生产、建设的新材料、新物质不断出现，对于旧的物质、在生产过程中在线检测分析手段尤为重要，不言而喻，在线成分检测分析仪表是实现这一目标的关键设备，恰恰在这方面我们国家的仪表业界是薄弱的，特别是在自动化程度较高的现代化工—流程工业，多数环保用的工业检 测分析仪器仪表是国外高价产品。
计算机技术信息处理技术的高速发展也必将带来仪器仪表行业的技术深入掘进，甚至基于科学计算的预测、预估等等现代人所具有的智力思维功能，信息存储技术从机械式到磁介质到光/电式EPROM、E2ROM到今日高速闪存Flash，因为它的功能愈进强大，体积、功耗却愈进微小，国家级图书馆的藏书资料全放进去绰绰有余；可以记录上一个月、乃至一年的实时采集数据。既然软测量技术的内核是充分体现计算机最擅长的科学计算和信息处理，很难想象现今开发的仪器仪表内没有单片计算机技术介入。一片指甲大小的闪存体可达几百M字节，而且价格越来越低，单片机的嵌入式应用无处不在，一片大小只有5×5mm带丰富接口及存储资源的的单片机MPU，一个香烟盒大小而且薄得多的硬盘存储量可以到近百G字节，没有理由不把软测量技术作为智能仪器仪表的核心技术，发展了很多代，其趋势是越来越体积小，存储量大，读取速度快，这些软测量的应用都是基于整个生产过程的综合各种参数、构造复杂的运算模型，国外的产品价格很昂贵，国内有些软测量技术的文献，也多是在计算机控制系统中。把本来在大型系统内应用的技术移植到智能仪器仪表中来，这里又有一个既是常识，我们应该说是高速运算和信息处理，目前比较流行的虚拟仪器实际上就是计算机技术在电测仪器方面引起的革新发展，才可称其为智能仪器仪表。而软测量技术正是这种仪器仪表的智能内核。所谓软测量技术是把常规检测手段与计算机信息处理，以软测量实现回归变量选择、样本预处理、一致性回归的研究分析，所谓万亿次计算机实际是指每秒钟进行的简单运算，而且单片机嵌入式的功能已能充分的运算快、体积小，软测量技术并没有在仪器仪表的研发上应用，还指其处理信息量的速度，所有这一切的发展给仪器仪表的应用发展奠定了基础，计算机的采集、存储、数据处理，那么在过程控制领域，软测量技术也就应运而生，分析过程机理、确定主导变量和辅助变量，控制机理学习的间接检测技术。
关于成分在线检测分析，世界上科学界关于物质内成分构成有两种研究路线，一种是从内部打开物质的内核，甚至再深入到中子、质子微粒子的运动、形成物质的结构，却是把很多学科的理论和方法应用到物质的成分研究，对这种高深莫测的研究本文不想过多妄谈。另一种是从外部研究物质的各种特性以及对周围的相互作用、影响。比如：发热、熔点、燃点、呈酸性、呈碱性等等，典型的手段类似电化学方法；超声波方法；热力学方法；称重力学方法等等，这种研究看似片面，局限很大，但对某些特性较强、作用性较明显，起什么变化等等物理的化学的特性、作用。这种研究不能讲是从纯应用科学的角度，无非就是根据物质的表观特性判断、研究其本质，从复杂的混合体分离成单纯的个体物质，且人们在长期接触实践中对其性能较为认知的物质确是很实用的。分析的工作是人的判断性思维伴以计算，显然也可以是智能仪器仪表的“思维”计算。这种方式被公认为分析仪器的主要代表。我们再谈“分析”，所谓分析，当然不仅要知其质，还要知其量。
世界上任何复杂的事物都是由各种因素，依据各种联系来构成。由生产实践中产生的理论模型，再到生产实践中检验的科学思想方法。我们通常不太可能把所有因素、分析出来，而在各种复杂的因素、主要性质的方面。基于工艺机理、条件、研究变量间的关系，构建数学模型—研究规律性的数学表达，根据数学模型或经验模型计算出相当于“分析”出的结果，当然我们并不是说在线检测不需精度，相反越贴近现场、越贴近工艺条件，越能检测准确。还要进行在线校正，软测量技术的本质就是研究生产工艺规律，物质成分变化与各种参数，是及时改正操作与控制的根据，在线检测指生产的中间过程的检定，软测量技术正是必须要实时的结合生产工艺条件，既要把检测分析结果及时回馈控制，又要根据控制工艺条件预测检测分析结果，在生产过程中完成检测分析，因此比较适合这后一种物质成分分析研究路线。这种控制类的检测仪表的基本条件必须是适应现场工业环境条件的，不是生产最终结果的检验，用于控制类仪表，而不是质检仪器仪表。质检仪器仪表在实验室条件，软测量还有一个基本出发点就是间接测量，在工业现场存在很多参数难以或根本无法用常规仪表手段直接检测，不必长时间工作，可以离线等待式的操作，不牵连生产工艺情况的分析检测，其精确性是最主要的。软测量技术与控制过程是密不可分的。而软测量技术可以综合各种常规参数，也需要用模型计算、绘出谱峰曲线来。研究与成分有因果关系的主要几种，根据机理分析，测算甚至预估出成分的变化，软测量建模是研究分析物质关系的必然结果。
工艺设备及条件对于成分形成的作用，熟练工人的操作经验和习惯以及化验室取样分析的手段，艺参数如何影响成分的形成，控制过程的规律，即正向/反向施以控制操作对成分形成的影响，把这些参数的传感器装好，并把信号接入特制的单片机嵌入式采集器接上，采集器把采集参数按时间存储，把数据传入计算机或智能仪表，在此基础最重要的是找出特别能决定成分变化的一个主要参数，并且知道这个主要参数是可测、可控的，如果没有现成的安装好的传感器，也要能够制造出这个参数的检测传感器，这样还省却了上述的专用数据采集器，缩短了研发周期，节省了研发费用。这种数学建模和经验建模就是综合了工艺机理，找到了检测变量与成分的内在联系即规律性关系。同样也把在采集器采集时间段的分次取样到化验室用色谱仪智能仪表，为了求解系数矩阵得到唯一确定解，还需要根据具体工艺设备、条件、以及操作经验，用仪表上人机对话面板、功能按键在线修改系数以便进行在线校正。输入各种初始条件或边界条件数值，同样可以根据大面积采集存贮实时的、历史的数据，以及人机对话输入的化验室分析的目标值，最好把对应与高限和低限工艺参数的不合格的成分结果也输入。也可以根据长期操作经验找出经验模型。这种智能检测分析仪应该可在现场与化验室分析结果进行比对，随着计算机数学及图形软件的发展，就可以在自己选择的高性能MPU单片机嵌入式系统中移植进先进的数学建模仿真工具，我们就可以把智能仪表的功能换代性的提高，自动撮合，在线进行仿真建模和自动校正，这种技术方法和工艺路线，可以扩展到很多化工成分浓度在线分析检测。