过程分析仪的趋势

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从一开始，人类就用最基本的分析仪——鼻子——来嗅闻空气、食物或饮料的质量。多年来，我们分析特定物质或产品以确定其成分的方法取得了巨大的进步。今天，用户有多种选择来分析气体，液体和固体。每种技术都有优点和缺点，必须对应用程序进行权衡才能成功实现。

今天几乎所有的过程分析系统都起源于实验室环境。用户通常是第一个尝试重新配置这些实验室仪器进行直接在线测量的人。在实验室仪器与工艺不兼容的情况下，用户开发自己的仪器来进行在线分析。随着时间的推移，供应商开始提供基于他们自己的设计或用户许可的技术的专用过程分析仪。通常，这些早期的系统没有展示出健壮的设计原则，非常复杂，并且需要由训练有素的技术人员进行频繁的维护和监督。这导致了许多过程分析技术的不良声誉，这通常是合理的。

同时要求降低制造成本、提高产品质量和满足严格的健康和安全要求，这促使许多公司更多地使用过程分析仪器。在当今竞争激烈的全球市场中，对市场需求的响应通常必须是即时的，将过程样本发送到中心实验室进行分析可能需要几个小时到几天的时间，这已不再是可接受的。这些实验室进行常规分析所需的人员配备越来越被认为是一项不适当的间接费用。公司寻求创新的解决方案来削减实验室预算，提高产品产量，并遵守法规。过程分析系统(PANS)的供应商声称他们有满足这些不同要求的解决方案。技术进步在帮助供应商提供此类解决方案方面发挥了主导作用。

然而，分析仪器行业已经达到了一个成熟的状态，可以通过较少的技术飞跃和仪器的商品化来定义。而不是革命性的飞跃在新的分析技术，未来将看到一个更进化的进步在分析仪器。虽然实验室仪器的市场成熟度更高，但过程分析仪也可以看到类似的趋势。然而，过程分析仪在采用最新技术方面落后于其实验室对应物。因此，要了解过程分析仪的存储情况，只需查看当前的实验室产品。

实验室的进展

在过去的几年中，新技术已经被引入到执行快速实验室气相色谱(GC)分析。Varian公司(Palo Alto, california)为他们的gc提供了一种低温聚焦系统，大大减少了分析时间。Thermedics公司(Chelmsford, Mass)采用了一种不同的方法，对气相色谱柱进行极快速的温度循环，以减少分析时间。在这两种方法中，化合物的分析已经从几十分钟大大减少到只有几分钟。应用自动化公司(Bartlesville, Okla)最新的GC, Advance Maxum将平行色谱的实验室技术应用于过程分析仪，大大减少了分析时间。每个都展示了实验室技术/技术如何更接近实时GC分析，提供更严格的过程控制能力。

微电子是另一个拥有众多值得关注的技术的领域。其中最有趣的是“芯片实验室”的设计理念。利用从半导体工业借鉴的先进纳米技术制造技术，研究人员正在微型芯片上开发极小的邮票大小的实验室。这些“纳米实验室”能够用最少的化学试剂进行非常精确、复杂的化学反应和快速分析。例如，研究人员已经在短短150毫秒内完成了复杂的液体化学分离。由于其体积小，试剂用量少，操作相对简单，可能很快就可以将过程湿化学分析仪的尺寸从一立方米减少到几立方厘米，每年只消耗几厘升或几毫升的反应物。

一项仍在开发中的有趣技术是光纤化学传感器。这种传感器结合了光纤技术和末端的荧光化学反应来进行分析。目前的研究重点是开发传感器来监测液体流中的气体和pH值。将几种不同的化学反应与多路光纤相结合的能力可能会导致紧凑的光纤束，可以在一个过程中从一个入口点同时进行许多精确的专用测量。

虽然分析过程流的基本物理和化学原理没有改变，但执行这些测量的技术正在发生变化。材料科学、光学、电子、计算机和软件方面的重大进展都在开发具有更高灵敏度、鲁棒性和易用性的新型pan中发挥着重要作用。这些进步也导致了更紧凑的系统的发展，这些系统的房屋成本更低，耗材更少，并且在工厂内占用的空间更少。

它让人们感受到它的存在

信息技术(IT)对pan的影响最为显著。从简单的电导率传感器到复杂的全扫描傅立叶变换近红外分析仪，微处理器已经在所有pan中发挥了作用。低成本微处理器产生了新的传感器概念。Thorton Associates Inc. (Waltham, Mass.)的电导率传感器就是一个例子，该传感器本身嵌入了微处理器，可以持续存储和更新传感器特性的信息。制造商也在他们的分析仪中加入智能来执行许多功能，包括PID控制和系统健康监测。系统健康监测包括传感器自诊断和自动校准。这些特性大大降低了仪器的维护要求。

在廉价的高速微处理器出现之前，对光谱丰富数据的分析，例如大多数基于光谱的系统产生的数据，无法足够快地执行，以实时监控过程应用。对于使用计算密集型算法的近红外应用尤其如此。遵循摩尔定律，计算机的处理能力每18个月翻一番，而价格保持不变。更大的微处理器功率，结合先进的软件和新的光学技术，正在生产具有更快速扫描能力的新型光谱系统。

更快的计算机也使得基于图形用户界面(GUI)模型的软件能够运行。GUI在大多数常见的桌面应用程序中已经无处不在，它允许用户更容易地在程序中导航，为应用程序配置仪器，而不是键入代码。除了简化系统设置外，软件还简化了非技术操作人员的分析仪。简单的菜单结构与自动提示程序相结合，允许操作员轻松监控，校准和执行复杂的分析。

互联网和基于互联网的技术的指数级增长影响着pan。互联网的影响才刚刚开始，但潜力巨大。目前，一些pan供应商通过互联网提供客户服务。例如，供应商正在利用互联网，通过远程监控分析仪的输出和相应的软件配置，帮助客户实时地为其pan开发应用程序。一些供应商也通过互联网为其pan提供远程服务支持。这种支持降低了供应商成本，同时加快了用户服务。

Fisher-Rosemount公司最近在其GCx中嵌入了网络服务器技术。这允许用户调用色谱仪，通过互联网浏览器从世界任何地方监控仪器的性能和健康。

光子学革命

光学科学研究(光子学)是当今最具活力的领域之一，世界上一些最大的公司在研究和开发方面进行了巨大的投资。虽然绝大多数研究都致力于电信和多媒体行业，但这些技术的溢出效应正在显著影响pan的发展，特别是基于光谱的仪器。光纤技术为用户提供了使用单个分析仪监测过程中多个远程点的能力。使用电荷耦合器件阵列的探测器产生了扫描速度极快的全数字化仪器。光开关正在消除容易发生故障的机械剪刀。可调谐二极管激光器提供更相干和紧凑的光源。这些综合技术提供了紧凑的全数字化分析仪。这些分析仪没有活动部件，从而提高了可靠性。可以预见，未来基于光子的pan更像普通的发射器，而不是今天的大型分析仪，这不是一种想象的延伸。

材料研究也通过用于分析系统的新型固态探测器，提高了检测极限，并最大限度地减少了探测器的冷却要求。用于原位监测应用的新型衰减全反射(ATR)光学探头正在利用材料研究。ATR探头采用先进的金刚石薄膜，既具有化学惰性，又具有优异的透射性能。

微电子技术的进步缩小了仪器尺寸，几乎所有形式的pan都受益。例如，ABB、Fisher-Rosemount、Onix Systems (Kingwood, Tex.)和Yamatake Corp. (Tokyo, Japan)都提供针对特定应用的紧凑型气相色谱仪。微电子表面贴装技术简化了特定应用的电子板配置。

模块化，部件更少

大多数供应商在其系统开发中支持的一般趋势可分为四类。首先，供应商正在采用更加模块化的方法进行仪器设计。其次，供应商正在将客户转移到跨产品线的通用用户界面，以最大限度地减少用户培训需求。第三，在新的过程分析系统中，较少的零件减少了制造成本，提高了可靠性，并最大限度地减少了服务和备件需求。第四，pan越来越多地被开发用于专用应用，简化了它们的使用。

模块化方法有利于供应商和用户。供应商可以更容易地为跨产品线的系统构建一个公共平台。ABB哈特曼博朗分公司(Wickcliffe, O.)将模块化设计概念应用于其新的Advance Optima连续气体分析仪系列。这导致这些分析仪的平均零件数量从5000个减少到500个。采用模块化设计方法还允许供应商将内部制造成本过高的关键组件外包出去，从而降低了分析仪的总成本。模块化设计的PANS还通过减少备件库存和简化维护来降低用户的总拥有成本。

由于工厂人员的急剧减少，需要更容易操作和维护的pan。供应商试图满足这种需求的一种方法是开发标准用户界面。当需要操作员输入时，在各种仪器之间提供通用的人机界面，特别是通过使用gui，简化了培训要求。

随着仪器走向商品化，供应商将更多地专注于为利基市场的特定应用开发专用分析仪。用户不再需要高度依赖博士化学家来配置和监控pan的性能，专用的专用pan大大简化了用户的设置和操作。

随着新的竞争技术的出现，用户在为其应用程序选择最合适的技术时将面临越来越困难的选择。确定已经证明技术卓越的供应商合作伙伴可以帮助不谨慎地采用技术。这些供应商可以协助制定过程优化和监测战略，将最先进的技术与最适当的分析技术结合起来。

科技进步的好处

从	来	技术	好处
大的分析	紧凑的分析		更小的房子，更少的空间
许多机械部件	机械部件更少	光子学，电子学，模块化设计理念，软件	更健壮，更高的MTBF
手动密集	半自治系统		低维护
高分析仪漂移	低分析仪漂移	电子产品和	更高的准确度和精度
抽样的火车	现场测量	先进材料	安装方便，MTBF高
精密度和准确度低	高精度、精度高	固态探测器和	改进的分析数据
复杂的软件	更简单的菜单驱动软件	GUI软件和	更少的培训
来源:控制工程，信息来自ARC咨询小组

作者信息

约翰·摩尔是ARC咨询集团公司(马萨诸塞州戴德姆)现场系统主管。

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