近红外在线分析仪

近红外在线分析仪（精选6篇）

近红外在线分析仪 第1篇

1 在线醇烯比分析系统的组成及工作原理

(1) 在线近红外光谱仪。

在线近红外光谱仪是在线醇烯比分析系统的基础, 分析仪的基本功能是进行被测样品的光谱采集工作, 主要由八个单元组成: (1) 机柜机箱单元:为系统提供一个机械支撑体系及内部工作环境; (2) 光源单元:为光谱仪提供稳定可靠的光谱分析用光源; (3) 多通道光学转换器单元:测量通道的转换, 选择测量对象; (4) 光谱仪及C C D检测器单元:对样品信息进行光谱处理, 并通过C C D线阵检测器将其转换为可以用计算机处理的数字信息; (5) 电子控制单元:为分析仪提供各种电源、电子驱动及控制; (6) 光谱仪控制软件单元:对分析仪进行有序的控制和操作; (7) 计算机单元:实现分析仪全部的控制程序运行及数据处理、化学计量学计算、模型预测、通信等功能; (8) D C S通信单元:向D C S传送分析结果。

(2) 化学计量学软件。

化学计量学软件是在线醇烯比分析系统的运算核心部分, 其主要功能是对采集的光谱信息进行处理并进行化学计量学信息提取, 为分析对象的性质计算提供条件。

(3) 分析模型。

根据用户的分析对象建立的分析模型是在线醇烯比分析系统的另一个重要组成部分。建立模型后, 分析系统可以根据模型对未知样品进行快速预测分析, 分析模型的建立质量将直接影响分析对象最终的分析预测结果。

(4) 样品预处理。

由于在线醇烯比分析系统采用的是光谱分析方法进行信息提取分析, 所以对样品的光谱质量具有较高的要求, 例如样品的温度、杂质等都会对测量精度产生影响, 从而影响下一步的分析结果。

样品预处理系统是根据现场分析对象的需要进行设计的, 包括了稳压、过滤、恒流、恒温、取样、保温、分流、防暴、报警等。

其取样流程如图1所示。

取样样品进入样品预处理系统, 经由球阀分二路过滤 (一路在线、一路备用或检修) , 过滤后的样品压力由压力表指示后, 进入样品恒温室, 经恒温后的样品进入近红外的检测器, 流量大小由针形截止阀调节后, 进入流量计, 最后返回工艺管线, 出口也有压力表指示。当需要手动取样时可以由手动取样钢瓶采集样品或在手动取样接头处抽取样品。

预处理系统使用2 2 0伏电源供电, 其恒温部分分为内外两个恒温区, 先在预处理柜内初步恒温, 柜内的恒温桶再精确恒温, 可达到2 5℃±2℃的恒温效果。同时还采用涡流制冷技术, 4kg/cm2～5kg/cm2的仪表风通过涡流制冷管喷出冷空气, 用于预处理系统内部降温。预处理柜内加热采用中压蒸汽, 仅在冬天启用;保温桶内加热采用电加热带, 由预处理柜后电气箱中的温度控制器控制。控温伴热系统如图2所示。此外, 供电网络应保证仪器接地状况必须达到图3所示要求, 其中总线路电阻为0.2欧姆左右, 并应每年检测一次, 以保证在线醇烯比分析系统安全、稳定的工作。

2 在线醇烯比分析系统应用中所见故障与解决方法

2.1 确保仪器的接地及安全用电

仪器在正常运行中要确保供电网络提供优良品质的电源, 并有净化抗干扰功能。此外, 供电网络应保证仪器接地状况必须达到图3所示要求, 其中总线路电阻为0.2欧姆左右, 并应每年检测一次, 以保证在线醇烯比分析系统安全、稳定的工作。

2.2 程序运行过程中死机, 无法继续测量

计算机程序在运行中出现死机现象是一个普遍存在的问题, 引起的原因有很多, 例如在线仪表运行在现场, 其设备间的电源干扰, 病毒干扰, 通讯干扰以及计算机硬件的一些不足等都会引起程序运行错误, 一般情况下发现故障状态, 只需重新运行程序即可。

2.3 影响测量精度的主要因素

在线醇烯比分析系统具有较高的精度, 但也不能忽略外界因素的影响, 在日常维护中要注意以下几个因素: (1) 如果超过规定的温度范围或温度在短时间内变化很大, 样品会随温度发生变化。为了保证样品在恒温的环境下工作, 在维护中要特别注意温度变化; (2) 如果超过规定的湿度范围, 仪器内部水汽过大, 造成电路参数改变, 部件工作精度下降; (3) 样品外溢或专用比色皿表面清洁度不够、放置不正、正反方向不一致等原因; (4) 在线醇烯比分析系统开机稳定时间不够 (小于6 0分钟) , 或仪器温度未达到设定要求, 或样品放入比色池后稳定时间不够 (小于3分钟) ; (5) 电源突然波动, 致使稳压电源无法抑制波动; (6) 分析系统的光源老化, 能量变化不稳定; (7) 计算机与主机之间通讯暂时故障, 造成控制失误。

3 结语

在线近红外醇烯比分析仪是一套智能水平和测量精度都较高的分析仪, 但实际应用还在不断的探索。以上是本人对此套仪表的初步认识和在日常工作中出现的一些问题的浅析, 如果存在错误和不足希望大家多多指教。

摘要：本文主要对MTBE装置中应用的在线近红外醇烯比分析仪的结构和使用进行了简单介绍, 并列举了生产维护中出现的常见问题及解决方法。

近红外在线分析仪 第2篇

1近红外分析的特点

近红外光谱 (NIR) 是近年来发展较为迅速的一种高新分析测试技术, 是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术的有机结合。与传统分析技术相比, 近红外光谱分析的主要优点有: (1) 快速, 通常光谱扫描时间30-60秒, 将采集的光谱数据输入到数学模型就可给出分析结果, 可进行在线分析; (2) 制样简单, 预处理简单; (3) 信息量大, 可同时测定多组分; (4) 经定标建模后, 无须用其他常规化学分析手段, 不使用有毒有机试剂, 样品处理简单, 绿色环保无污染。

2工作原理

近红外光是电磁波, 具有光的破例二重性。对光的能量表示为:

从光源发出的红外光照射到一种或多种分子组成的物质上, 如果分子运动或转换状态发生变化或者分子运动或转换状态发生在不同等级间跃迁, 等于近红外光谱区域某波长处光子的能量, 则产生近红外光谱吸收。

近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息, 它常常受含氢基团X—H (XC、N、O) 的倍频和合频的重叠主导, 所以在近红外光谱范围内, 测量的主要是含氢基团X—H振动的倍频和合频吸收。

3近红外光谱分析仪器的进展

现代近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换和声光可调滤光器 (AOTF) 四种类型。在各种类型仪器中, 滤光片型主要作专用分析仪器, 在各种类型仪器中, 滤光片型主要作专用分析仪器, 如烟草水分测定仪、油品专用分析仪。为提高测定结果的准确性, 现在的滤光片型仪器往往装有多个滤光片供用户选择。傅立叶变换近红外光谱仪是目前近红外光谱仪器中的主导产品, 具有较高的分辨率和扫描速度, 最近推出的FT—NIR仪器对干涉仪部分作了改进, 减少了对振动、温度和湿度的敏感性。AOTF是90年代初出现的一类型型分光器件, 采用双折射晶体, 通过改变射频频率来调节扫描的波长, 整个仪器系统无移动部件, 扫描速度快, 具有较好的仪器稳定性, 特别适合用于在线分析。

4近红外光谱中的化学计量方法

光谱化学计量学软件是现代近红外技术的一个重要组成部分, 将稳定、可靠的近红外光谱分析仪器与功能全面的化学计量软件相结合也是现代近红外光谱技术的一个明显标志。近红外光谱化学计量学方法研究通常涉及三个方面的内容。一是光谱预处理方法研究, 目的是针对特定的样品体系, 通过对光谱的适当处理, 减弱以至于消除各种噪声对光谱信息的影响, 为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础。常见的方法是平滑处理和基线校正。如对光谱进行一阶微分或二阶微分处理, 另外光谱的标准归一化处理 (SNV) 及多元散射校正技术 (MSC) 也常用到。二是近红外光谱定性和定量校正方法研究, 目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型。定性分析中常用的方法有主成分分析 (PCA) 、模式识别方法、SIMCA方法、人工神经网络等等。各种多元校正技术如逐步多元线性回归 (SMLR) 、主成分回归 (PCR) 、偏最小二乘回归 (PLS) 、人工神经网络 (ANN) 等方法陆续在近红外光谱定量分析中得到应用。

5近红外光谱在国内烟草近红外检测应用现状水平及发展趋势

由于近红外技术独特的优点, 使其在烟草行业受到重视。国外的许多烟草公司已经将近红外技术用于日常的生产检测, 目前国际上已有成熟的烟草行业专用近红外仪器投入使用, 有关近红外应用领域的进一步拓展也在积极进行。我国的烟草行业也开始了近红外技术的应用研究。上世纪九十年代末, 上海烟草集团公司开始研究近红外检测技术在烟草化学成分的快速检测分析以来, 近红外检测技术开始在烟草行业中进行应用。从应用看, 通过建数学模型, 不但可以建立烟草烟碱、总糖还原糖等主要化学成分的烟叶的化学成分定量分析的快速测试方法, 同时还可用于卷烟质量判断、真假卷烟鉴别等。实践表明, 利用该技术快速简便的优势, 可在实验室、卷烟加工过程、烟叶储存养护过程、入库及在库烟叶内在质量检测、烟叶打叶复烤配方指导与质量控制、拟采购烟叶的质量预警等方面进行有效的推广应用, 为结合外观质量和内在质量对烟叶和卷烟的质量进行研究和监控提供了强有力的技术支持。在线监测烟丝配比稳定性及其他应用等许多方面。

目前, 烟草行业中进行应用得近红外检测技术主要有两种:一种是AOTF-NIR (声光可调滤光器近红外) , 主要应用于在线检测分析;另一种是FT-NIR (傅立叶变换近红外) , 主要应用于实验室检测。现在烟草行业实验室对烟草化学成分的分析大多采用AA3流动注射分析仪, 此方法前处理复杂, 时间长;而红外检测技可快速、高效得出检测结果, 分析在线烟丝的加工质量。目前烟草行业中的打叶复烤、卷烟制丝等在线检测有较多的应用。但是每个企业卷烟品牌的加工工艺稳定性存在差异, 所以, 针对山东中烟济南卷烟厂泰山系列产品进行相关课题研究, 用以提升卷烟品牌的加工工艺质量。

2011年10月, 山东中烟工业公司“利用近红外技术在线测定卷烟烟丝掺配的均匀性”开始进行研究。主要就是以济烟卷烟厂生产的泰山系列产品 (常用的3-4个品牌) , 所选品牌为泰山 (沂蒙) 、泰山 (神秀) 、泰山 (白将) 、泰山 (红将) 、泰山 (软哈) 为研究对象, 通过大量试验, 研究利用在线AOTF近红外光谱仪检测制丝线掺配加香后混合烟丝的主要常用的有机化学成分 (主要是烟碱、总糖、还原糖等) 分析和评价的方法。以泰山 (沂蒙) 和泰山 (神秀) 为例具体实验如下:

1) 在线取泰山 (沂蒙) 混合烟丝样品90个, 泰山 (神秀) 样品50个, 用AOTF近红外光谱仪检测与AA3流动注射分析仪烟丝的烟碱、总糖、还原糖化学成分检测分析, 检测数据对比。

2) 通过定量分析和对比分析, 建立相关的数学模型。

泰山 (沂蒙) 品牌的烟碱、总糖、还原糖各指标PLS1模型

各指标模型见图1-图3。

泰山 (沂蒙) 的烟碱、总糖、还原糖

各指标PLS1模型各指标模型见图4-图6。

泰山 (神秀) 的烟碱、总糖、还原糖的各指标PLS1模型。

各指标模型见图7-图9。

3) 计算主要化学成分的均匀系数。

4) 对烟丝掺配均匀性进行分析并确定掺配均匀性的方法。

5) 对掺配均匀性的方法进行验证。

在卷烟生产过程中, 应用近红外光谱仪, 利用烟草近红外光谱与化学成分之间的数学模型, 通过仪器中的光谱图就可以实现生产过程中的反应烟丝重要内在质量的化学成分成分在线监测, 对烟丝掺配均匀性进行分析并确定掺配均匀性的方法。

近红外在线分析仪 第3篇

红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射,温度在绝对零度(-273℃)以上的物体都会不停地向外辐射红外线。红外测温是通过探测物体发出的红外辐射,将辐射量换算成温度数值实现温度监测。随着红外热像技术的成熟和红外热像仪成本的降低,应用红外热像仪对电力系统进行检测,大大提高了故障检测的成功率。

电力设备故障检测技术的发展趋势是预知状态检修,要求故障检测系统具有远程监控、自动报警、温升趋势分析等无需人参与的高度自动化功能[1]。红外热像仪采用氧化钒探测器,专用的红外热像仪配套软件功能单一,无法满足上述要求,需要结合计算机对红外图像进行后期处理与温度数据的处理与管理[2]。单片机通过实时处理算法,实现现场图像的采集;图像处理部分采用ARM+DSP方式;算法中的计算部分主要由DSP实现;子服务器主要用作实时图像处理、数据分析、数据存储等任务。图像处理算法可进行多目标温度提取,真正实现由人工巡检向状态监测的转变。在线红外测温系统应用于电力系统可大量节约人力、物力成本,提高工作效率,进一步提高电力设备安全性,为电力系统稳定运行提供有力保障。

1 系统的硬件结构

电力设备在线红外测温系统硬件结构如图1所示,其采用全数字化、星型网状拓扑网络结构,具有很高的抗干扰能力,通过串口服务器将工控机和变电站内的循检器连接起来。系统采用分层分布式结构,分为过程层、网络层和站级层。过程层主要包括摄像机和巡检器,主要完成原始数据的采集和数据转换工作;网络层主要由串口服务器和网络链路组成,串口服务器完成网络接口的转换,如果上位机不止一台,还要对网络进行扩容,加装集线器或者交换机;站级层主要包括温度监控主站和其它需要监测温度的工作站或者PC,其功能主要是完成数据处理和记录、画面显示、报警分析、打印等,同时负责与其它系统的连接、上传数据到集控站等。

2 系统的软件设计与实现

2.1 红外测温系统的软件总体设计

电力设备在线红外测温系统的软件采用单片机软件系统实现,用单片机结合按键控制温度的检测、显示、报警、传输;并用管理平台软件界面实现温度的存储、查询、曲线报表等功能。本测温系统的软件设计采用模块化的设计思想,把整个系统分成若干模块,主要包括主从控制器的主程序、红外测温、键盘扫描、声光报警、液晶显示、无线传输和组态王通信等模块,软件设计框图如图2所示。

主程序模块主要实现系统初始化、温度检测、串行口通信、键盘和显示等功能[3]。其中系统初始化包括串口通信中断、液晶显示、无线传输的初始化;红外测温模块获取温度数据、计算温度值;键盘扫描模块获取按键信息、处理按键请求等;显示模块获取并处理相应的温度数据;无线传输模块将测量的温度传到从控制器,以便送到管理平台处理;组态王通信模块完成组态王与单片机通信协议和格式等各种操作;数据展示模块通过WEB方式对数据进行展示;系统设置模块根据用户需要对系统参数进行设置。

本文着重介绍该系统软件中的主程序模块、红外测温程序模块、无线收发CC1100E程序模块、组态王与单片机通信程序模块等设计。

2.2 主控制器的主程序模块设计

本系统使用了无线收发模块,故需要两个单片机处理器。当红外测温系统接通电源时,STC89C51单片机自动复位,开始运行自己的主程序。该程序首先对STC89C51初始化、液晶初始化、无线收发初始化;然后给出开机显示;接着判断是否有按键输入,若没有则继续判断,若有第一个按键为目标温度测量,第二个按键为环境温度测量,第三个按键为数据的无线发送;若是进行红外测温,则接收数据,并将计算的温度值显示出来,通过计算是否符合声光报警条件,再通过第三个按键决定是否将温度值无线传输到管理平台处理;最后重新循环判断。主控制器的主程序流程图如图3所示。

主程序如下:

2.3 从控制器的主程序模块

STC89C51单片机自动复位,开始运行自己的主程序。该程序首先对STC89C51初始化、无线模块初始化和组态王通信初始化;当无线收发模块接收到新的数据时,从控制器把数据传到组态王上处理。

程序如下:

2.4 红外测温程序模块

红外测温模块的数据输出信号和脉冲信号分别接单片机P2.4、P2.5口,测温控制端接P2.3口。此模块首先定义一个字符型数组用于存放读取到的一帧数据,然后启动测温,读取数据,数据是在脉冲的下降沿一位一位传送的。把5个字节数据都读完后判断第1个字节是否为0x4c或0x66,且第5个字节为0x0d;若是则计算温度值并存入,否则继续读取数据。连续5次测量数据是为了得到更准确的温度。计算温度,对5个温度值求和然后平均,得到电力设备的温度,然后输入单片机进行处理。红外测温流程图如图4所示。

红外测温系统的软件设计中,温度值的计算非常重要,它关系到整个产品的设计精度,因此把温度数据读取与计算用单独的程序给出[4]。因为红外测温模块的数据是一位一位地送入单片机的,所以用双重循环:内循环接收1个字节的数据,外循环接收5个字节的数据。读测量数据的流程图如图5所示。

2.5 无线收发程序模块

无线收发数据在微机系统中经常出现,它的优势是在于一定的范围内,可以随时随地搭建网络,不受限于硬件。CC1100E是一款Sub-GHz高性能射频收发器,非常有利于传输数据。

1) 无线发送程序

2) 无线接收程序

2.6组态王与单片机通信程序模块

由于需要检测当前温度和记录历史温度,设计4个界面分别显示。每个界面均设置了各种功能的按钮,可以完成各界面之间的切换。在任何一个界面均可以正常退出系统,各个界面均显示当前时间。为了更加形象直观,当前温度使用仪表和实时曲线同时显示。当温度超出规定的范围,使用声光报警。使用了组态王智能模块中的单片机HEX,通信模式选择串口1、8位数据位、1位停止位、无校验、9600 b/s。组态王与单片机的通信是通过RS232电平转换模块实现的,在从控制器设置串口的寄存器、定时器、中断,得到波特率9600 b/s,并定义相关地址。采用组态王图库中的仪表作为当前温度显示,实时温度检测部分和实时曲线显示当前温度分别如图6、7所示,其中图7中的两条实时趋势曲线分别代表2个被监测对象的实时温度曲线,上面的曲线为目标温度曲线,下面的曲线为环境温度曲线。

2.7 数据展示程序模块

在本地计算机上安装数据库及WEB软件,通过传输模块,实时获取前端设备的运行温度并保存到数据库中,在管理平台上进行展示。管理人员使用浏览器登录系统,进行数据浏览,实时了解设备的运行温度,并可以对系统参数设置实现不同的超温报警方法,满足实际的管理需要。也可连通电力内部专网,其他部门的人员可以访问此计算机,实现运程操作、监控与管理[5]。

3 结语

近红外在线分析仪 第4篇

奶牛乳腺炎是发生在奶牛乳腺的一种炎症, 我国奶牛乳房炎的发病率一般在20%—75%, 其中临床型乳房炎 (clinical mastitis) 发病率在9.7%—55.6%, 而隐性乳房炎 (subclinical mastitis) 发病率却高达61.03%—79.62%, 直接给我国的奶牛业、乳制品企业和社会带来了巨大的经济损失[1]。近年来, 我国奶牛的饲养数量逐年增加, 牛场规模逐步扩大, 但对于奶牛乳腺炎诊断的方式大多还停留在原始的乳汁细菌培养法、乳汁体细胞技术法, 乳汁酶类活性分析法等传统方式, 而本系统利用的红外线热成像技术具有非接触、无创、快速连续的成像等诸多优势, 奶牛疾病诊断方面可以有更广泛的应用。

红外热像技术在我国起步较晚, 1976年以前还是一片空白。1975年上海率先成立了科研、生产、使用三结合的HWX-I型医用红外热像仪研制协作组, 于1976年试制成功第一台样机并投入临床试用。1979年姜宗桥发表了第一篇国产热像仪临床应用报道[2], 表明我国已用红外热像技术的开发和应用与国际进展基本同步。之后, 红外热像技术在医学中的应用逐渐成熟, 为医疗事业做出了不可磨灭的贡献。目前我国红外热像仪主要应用在人体临床医学诊断、建筑学以及化工设备缺陷诊断等领域, 但在动物疾病应用领域的研究甚少, 尤其是奶牛疾病的诊断方面。

本文介绍的一种基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线监测系统相对于传统检测方法而言具有自动化、非接触、快速无损检测等诸多优势, 可以及时有效的检测奶牛乳房健康情况, 大大提高奶牛乳腺炎检测效率, 节约了人工成本。

2 工作原理

从物理学的角度来看, 动物就是一个自然的生物红外辐射源。它不断地向周围空间发散红外辐射能。当动物身体局部发炎或某些生理状况发生变化时, 这种全身或局部的热平衡受到破坏或影响, 于是在临床上就表现出组织温度的升高或降低。因此利用红外线热成像技术测定动物体表部分温度的异常变化, 就可以成为诊断奶牛相关疾病的参考依据, 也为本系统的设计提供了理论依据。张鲜等人通过研究及结合国外科学家的实验得出结论:应用红外摄像仪, 具有简便、无创、无辐射损害, 热图电脑储存便于反复复查对比等优点通过热像图能够较准确的诊断出奶牛临床疾病的状态[3]。

本系统以红外热成像技术为基础, 完整的构建了一个基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线实时监测系统。具体的设计原理如下:首先利用温湿度传感器对牛舍环境进行温湿度检测;利用超声波测距系统自动捕捉拍照时机, 并通过单片机控制系统启动红外摄像头对经过的奶牛的乳腺进行自动拍照。并将其所拍图像通过传输装置传输到上位机检测系统, 对其采集到的红外图像进行图像处理, 并通过相关软件将奶牛乳房分为四个区域, 分别计算其各个区域温度以及平均温度。最后通过该平均温度结合环境温湿度计算奶牛乳腺炎发病指数, 该指数与奶牛正常生理常数通过建立一定的线性模型或者图表进行参数对比, 从而得出相应的判断依据, 并实时对奶牛乳腺炎疾病进行监测, 当该指数出现异常, 单片机所连接的报警系统自动发出警报, 从而及时、准时、准确的给出判断, 为奶牛乳腺炎疾病发现和治疗节约了时间。

3 系统设计

4 实验结果及数据分析

已有的研究表明, 正常奶牛的左右乳房温度呈对称分布, 当左右乳房温度差值超过1.5℃时, 可初步判断温度升高一侧乳腺已经患有隐性乳房炎[4]。本检测系统以此为依据, 设定系统阈值为1.5℃。通过在奶牛场实地检测, 验证系统运行正常, 可以报警。提取报警奶牛的乳汁利用体细胞计数法 (scc) 进行比对实验。实验结果显示, 有75.6%的报警奶牛确实患有隐形乳房炎。通过上述实验可以证明本系统对于奶牛隐性乳腺炎的检测准确率在75.6%左右, 对奶牛隐形乳房炎有一定的预警作用。

通过实验分析发现, 引起检测准确率下降最主要的因素如下:由于个体变异, 奶牛乳房皮肤温度的变化差异较大, 这种差异主要来源于奶牛的品种, 胎次、泌乳期等因素。所以, 在本系统中奶牛乳腺炎报警的阈值温度是不同的, 要根据奶场的实际情况进行调节。以提高系统检测的准确性。

5 结束语

奶牛乳腺炎作为奶牛最常见的疾病, 大大降低了奶牛的产奶量和质量, 现有的对奶牛乳腺炎检测方法普遍比较繁琐, 检测周期较长, 一般需要提出奶样, 检测设备也较为昂贵, 而本系统基于红外热热成像技术, 不但可以很好的解决上述问题, 而且可以实现对奶牛乳房的实时检测, 做到尽早发现, 尽早治疗, 减轻工人的劳动强度, 具有较好的市场前景。结构简单, 实用性强, 具有很高的实用意义和市场推广价值。

摘要：在我国, 奶牛乳腺炎的危害在奶牛疾病中居首位, 是制约我国奶牛业发展, 降低牛奶品质和奶牛饲养经济效益的大敌。基于红外热像图的奶牛乳腺炎在线监测系统可以通过检测奶牛乳房温度异常变化来快速有效的诊断奶牛是否患有乳腺炎。本设计利用红外摄像头 (Seek Thermal Camera) 定点拍摄奶牛乳房的红外热像图, 通过计算机对红外热像图进行相应的分析处理, 提取奶牛乳房的表面关键区域温度与预设阈值温度作比对, 依据比对结果对奶牛乳房疾病进行初步的预测和诊断, 并将诊断结果发送到监控中心, 从而实现对奶牛乳腺炎疾病的实时在线监测。

关键词：红外热像图,单片机,红外摄像头

参考文献

[1]李宏胜, 郁杰, 罗金印, 等.牛源性无乳链球菌血清型分布及抗生素耐药性研究[J].中国畜牧兽医, 2012 (1) :164-167.

[2]姜宗桥.HUX.I型医用红外热像仪及其临床应用[J].中华物理学杂志, 1999 (1) :95-98.

[3]张鲜, 何金成.红外热像仪在奶牛疾病诊断中的应用[J].福建农机, 2014 (2) :34-37.

近红外在线分析仪 第5篇

关键词：红外测温,无线通信,ZigBee

0 引言

电力行业经常发生电力电缆和设备因过热而引起火灾的现象, 导致大面积电缆烧损和设备损坏而被迫停机, 短时间内无法恢复生产, 从而造成重大经济损失。通过分析得知, 引起电设备过热和火灾发生的直接原因是电缆中间接头制作质量不良、接头压不紧、接触电阻过大, 长期运行造成的电缆头过热、烧穿绝缘等。电缆中间接头的压接质量好坏, 只能在运行中发现, 运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。变电站设备需要监测温度的具体位置包括导电母排接头、高压开关柜触头、刀闸开关、干式变压器、箱式变电站等设备的表面, 这些测温位置的特点是: (1) 需要测温的检测点多, 据统计, 一个220 kV变电站的各种电缆接头达数千个。 (2) 检测点的位置千差万别, 有的在室内, 有的在室外, 有的在控制柜内, 有的裸露在高空。 (3) 检测点的电压高达上万伏, 电流几十安培甚至上百安培, 设备周围分布着极强的电磁场干扰。这些检测点无法使用常规有线方式对其进行温度检测, 因此本文提出使用Zig Bee无线组网方式对各个采集点进行数据采集与信息交流。Zig Bee作为新一代信息通信技术, 可应用于电力生产、传输的整个系统, 提升电力系统运行的安全性和经济性, 帮助电力行业实现健康高效的转型。

1 ZigBee技术介绍

Zig Bee技术是一种应用于短距离范围内, 低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。Zig Bee技术具有如下特点:低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全、免执照频段。在一个Zig Bee网络中有3种设备类型:网络协调器、全功能设备 (FFD) 、精简功能设备 (RFD) 。3种设备类型的主要功能如下: (1) 网络协调器 (COO) :发送网络信标, 建立一个网络, 管理网络节点, 存储网络节点信息, 不断地接收信息。 (2) 全功能设备 (FFD) :担任网络协调者, 形成网络, 让其他FFD或是精简功能装置 (RFD) 连结, FFD具备控制器的功能, 可使信息双向传输。 (3) 精简功能设备 (RFD) :RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。这3种设备类型可组成星型、簇状型或网状型的Zig Bee网络。由于Zig Bee设备易于安装和维护, 既可靠又安全, 并能够提供较长的电池寿命和高度可扩展的网络, 同时可满足嵌入式设备较高的成本控制要求, 因此越来越多地被用于设备到设备的互联传输和控制应用中。

2 整体设计方案

变电站内输电线接触头、母排、刀闸等属于一次设备, 有高压和高可靠性要求。为减少对这些设备电气特性的影响, 本方案设计的测温单元采用非接触式测温方式进行温度采集。非接触式无线测温单元安装到开关柜内或室外与被测点保持一定距离 (约0.5~1 m) , 测温探头指向母线接头、室内外刀闸开关等接头处, 测温单元每隔一定时间通过红外测温探头检测一次触点温度, 并通过Zig Bee无线通信网络, 作为RFD或FFD节点将数据上报给网络协调器。网络协调器一般安装在变电站内墙壁上, 它可接收RFD或FFD传来的数据, 并通过Internet网络将数据发送到后台服务器软件。一般一个变电站需安装一台具有Internet通信功能的网络协调器, 用于节点管理及数据转发。

无线测温单元支持适配器电源供电或电池供电2种方式, 使用电池供电时无需布线, 以降低实施难度, 测温单元安装对一次设备不产生任何可靠性方面的影响。因变电站测温数据量少, 对无线通道效率要求不高, 所以可将测温单元的Zig Bee设备类型全部设定为FFD类型。系统无线数据传输示意图如图1所示。

3 设计原理

3.1 无线测温单元设计

无线测温单元主要由光学处理器、红外探测传感器、信号滤波处理电路、Zig Bee无线传感器、MCU处理器、电源管理电路等组成, 如图2所示。

3.2 红外线测温原理

一切温度高于绝对零度 (-273℃) 的物体都在不停地向周围空间辐射波长在0.75~100μm的红外线, 光谱辐射能量的大小及波长与物体表面温度之间有十分密切的关系。因此, 通过对物体自身红外辐射的测量便能准确得到其表面的温度。本方案采用全辐射测温法, 公式为:

式中, C为电路增益;ε为红外发射率;σ为波尔兹曼常数;T为物体表面温度;Vi为红外探测传感器输出电压。

从式 (1) 可推导出:

物体表面发射出红外线经过红外传感器的光学镜头折射到红外传感器上, 将红外辐射能量转换为电压信号, 经过信号滤波电路处理后, 输出到单片机A/D脚进行转换接收。单片机根据式 (2) 推导出实际温度。

3.3 Zig Bee数据传输原理

Zig Bee无线单元硬件基础主要由STM32W108传感芯片及一些外围器件组成。ST公司的STM32W108是高性能的IEEE802.15.4无线片上系统 (SoC) , 集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容的无线收发器、32位ARM Cortex-M3微处理器、128 kB flash和8 kB RAM, 以及基于Zig Bee的外设。STM32W108芯片受主MCU的USART端口控制, 有休眠、发送及接收无线数据3种工作方式, 为节省功耗, Zig Bee大部分时间处于休眠状态, 可支持电池供电。

Zig Bee无线单元软件基础是它有自己的协议标准Zig Bee Pro。Zig Bee Pro包括MAC层、路由、网络层、应用层等, 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量, 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器, 所以它们的通信效率非常高。当一个无线设备发送一个路由请求, 希望发现到另一个无线设备的路径时, 路由就形成了。当在2个设备间的路由被发现后, 源设备给路由中第一个设备发送它的信息, 该设备是在源设备的路由表中指定的。每个设备使用自己的路由表来决定把信息传递给目标节点所要走的下一步, 这样就形成了数据传输的无线网络。红外测温设备通过无线数据传输减少系统布线, 提高使用价值。

4 抗干扰措施

高压开关柜运行在高电压、大电流的状态, 系统事故瞬间出现强烈的电磁暂态过程, 这些都会产生强电场、磁场及强电磁干扰, 从而对微电子系统及微弱信号处理非常不利。

为消除这些干扰, 同时采用软、硬件抗干扰措施, 在软件设计上应用数字编码、解码技术, 剔除干扰信号, 并使用软件滤波技术;在硬件上采用金属屏蔽, 加强各级滤波消除高频干扰。检测器与测温点处于同一电位, 减少电场的影响。另外, 为消除随机干扰, 利用触头温度变化相对缓慢的特点, 对检测点信号反复接收, 多次采集, 排除异常数据以保证数据可靠。通过以上综合措施, 整机有了较好的抗干扰能力, 测量数据稳定可靠。

5 结语

本文介绍了基于Zig Bee通信的红外测温系统, 系统很大程度上弥补了普通红外测温设备的不足, 大大提高了系统的自动化、智能化, 节约了人力资源, 同时大大降低了成本, 有利于红外测温技术的推广应用。系统实现远程实时测温, 进一步提高了设备的管理水平。

参考文献

近红外在线分析仪 第6篇

1 TM710红外水分仪基本测量原理

TM710红外水分仪基本测量原理是根据OH分子键吸收特定波长的红外光能量的原理工作的。

水分仪的探头里装有一个石英卤素灯泡, 该灯发出的光线通过光学系统, 产生以下波长的红外光束。一种是称为吸收波长:它的能量将被所要求检测物质里的水分子强烈吸收。另一种为参考波长:它的特点为不被检测物质里的水分子吸收, 但其他方面对它的影响与吸收波长受到的影响相同。

红外光束照到物料表面, 然后又部分反射回来, 通过非常精确地测量吸收波长在被物质成分吸收前后的能量的变化, 经过数学函数的计算, 得出一个和被测物质水分有一定比例关系的输出信号。

2影响TM710红外水分仪在线测量误差的因素及对策

2.1 设备

2.1.1 TM710红外水分仪光源来自卤素灯, 对于灯泡来说, 其发出光的强弱直接影响仪器测量精度。因此, 要加强设备点检, 发现灯泡老化时, 应及时更换。

2.1.2 TM710红外水分仪镜头是测量光的窗口, 其清洁程度如何, 直接影响红外线的穿透和吸收, 从而造成测量误差, 因此, 要加强设备保养, 每天保养1次, 保持窗口清洁。

2.2 安装

2.2.1 TM710红外水分仪探头到产品的额定测量距离是250mm, 所以红外水分仪从镜头到物料的直线距离一般都是控制在250±100mm, 装得太高或太低都会影响红外光的能量聚焦, 从而产生测量误差。

2.2.2 TM710红外水分仪的检测原理是对光的吸收, 当安装位置处有强外光照射时, 会引起测量误差, 若如此, 则要安装遮光罩或改变探头测量角度, 倾斜角小于20°, 以免外光干扰影响测量误差。

2.3 物料

2.3.1 由于烟叶的等级、产地不同, 其颜色也是有所差别的, 而TM710红外水分仪对不同颜色的烟叶或烟丝进行测量时, 测量光被物料吸收是不一样的, 从而造成测量误差。虽然可用不同通道采集, 但对于同一探头、同一品牌和同一规格下的物料, 其颜色应保持相对稳定。如某一牌号卷烟的烟叶等级更换, 要对水分仪进行重新校准。

2.3.2 水分仪探头下的物料如果不均匀或断断续续, 会形成料面的不规则, 就会影响反射光的能量, 造成测量值波动大, 从而影响测量误差。因此, 要保证水分仪探头下的物料的均匀和连续。

2.3.3 由于物料在不同温度下吸收红外线是不一样的。因此在同一探头、同一品牌、同一规格下的物料温度应在工艺要求内保持相对稳定, 尽量避免物料温度忽高忽低, 从而引起测量误差。

2.4 校准

2.4.1 由于TM710红外水分仪探头测量光直径最大不超过50mm, 且红外线的穿透能力有限, 因此进行采样校准时, 要取靠近探头且测量光通过的物料;否则会造成样品失真, 从而影响水分仪的测量误差。

2.4.2 由于TM710红外水分仪的显示值是在某一时段内的平均值, 因此采样时一定要在物料相对稳定后, 方可采样且要尽量多采几个点, 采样速度要快, 尽量把采样偏差控制在较小的范围内, 因为采样的多少, 影响探头的校准精度, 所以样品的数量不少于10个, 且每个样品在实验室中要做至少双样的测定分析。

2.4.3 在实验室对样品进行烘箱法校准时, 由于环境温湿度对样品的水分和称重有一定的影响, 因此, 要保持实验室内空气温度22±2℃, 空气相对湿度60±5%, 以保证样品真实。

2.4.4 由于采集的样品水分大小不一定相同, 因此, 采样后不易立即进行测定, 要把样品平衡2个小时, 且要把样品拌均匀, 以减小样品的误差导致校准偏差。

2.5 环境

2.5.1 由于探头窗口镜面到物料之间有一定的距离, 当红外线穿过时, 必然受到这一段空气的影响, 如果空气中含有大量的粉尘或水蒸汽时, 则直接影响测量误差。对此, 就要在探头的玻璃窗上安装空气清洁窗, 利用其周围持续的正压力, 阻止污染物进入探头窗口区。

2.5.2 空气清洁窗中的压缩空气开与关, 以及压缩空气开启压力的大小直接影响水分仪测量精度, 特别是在物料温度较高、水分较大时, 压缩空气的影响尤为明显。因此必须保持水分仪探头窗口的压缩空气无污染且压力大小稳定, 0.2MP, 并加强保养, 以保持空气清洁窗洁净。

3小结

由上可见, 影响TM710红外水分仪在线测量误差的因素主要有设备、安装、样品、物料和环境, 要提高其测量精度, 就必须要关注这些因素。阜阳卷烟厂通过多年的使用和研究, 采取了相应的对策, 同时通过定人、定时点检、保养和周期校验, 对出现的问题, 及时加以解决, 从而满足了工艺要求, 确保了过程控制和生产, 为提高产品质量作出了有力保障。

参考文献

[1]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京:中央文献出版社, 2003.

[2]章习, 高波.解决红外水分仪测量误差的对策探讨[J].烟草科技, 2001 (4) :20-22.