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用软测量技术和新型传感技术开创在线检测分析仪表新局面

李鉴

(天津市自仪科贸有限公司，天津)

摘要本文阐述了计算机、信息处理及单片机嵌入式技术的发展使软测量技术成为智能化仪器仪表的核心
技术，特别就应用软测量技术的成分浓度仪来加强成分在线检测分析，提出了一个软测量技术仪表化的研发
方法。提出了结合软测量技术发展新型传感器技术以及有针对性地采用物性仪表配合色谱质谱等繁荣我国在
线检测分析仪表行业的方略。
关键词软测量技术软测量技术仪表化成分在线检测分析物性仪表
0引言
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，且不讲用于生产、
建设的新物质、新材料不断出现，对于旧的物质和用材料的内在质量及性能要求也越来越高。
正确认知物质对科学检测和分析手段的需求和依赖性很强，在工业生产过程中，线检测分析
手段尤为重要。特别是以自动化程度较高的现代化工为代表的一流工业，早在上世纪70年
代业界就有这样的说法：现代化工生产过程自动化的核心目标是成分质量的控制。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。然而，恰恰在这方面我们国家的仪表业
是薄弱的。如果说大中型石化、化工企业新建项目自动化仪表60%依赖于国外品牌或者国外
引进国产化仪表，那么80%以上在线检测分析仪表都是国外的高价产品，更不要提大多数中
小企业的人工取样化验，在线检测分析几乎为零（附照片1为河北沧井化工公司引进的美国
ABB公司气相工业色谱在线检测仪价值500多万元人民币，还需为其配备恒温恒湿条件的“分
析小屋”）。随着绿色GDP发展，环保主题愈加重要，可是，我国多数环保用的工业检测分
析仪器仪表是国外进口的高价产品。
1软测量技术可以成为智能仪器仪表的核心技术
计算机技术、信息处理技术的高速发展必将带来仪器仪表技术的深入掘进，单片机的嵌
入式应用无处不在，因为它的功能愈进强大，体积、功耗却愈进微小，而且价格越来越低，
例如：一台个人电脑内就有十来个单片机嵌入，一辆高档轿车有几十个单片机嵌入，而一个
可用于计算机鼠标的单片机价格可低到1元人民币以下，一片大小只有5×5（mm2）丰富接
口及存储资源单片机MPU倒退几年需要一个控制箱乃至控制柜，而现在这种单片机的价格
却不足百元人民币。另外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,从外设的磁带机、机械硬磁盘、软磁盘到CF、SMC等等，静态的、动态的、
非易失性的发展了很多代，其趋势是体积越来越小，存储量越来越大，功耗越来越低，读取
速度越来越快。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，国家级图书馆
的藏书资料全放进去绰绰有余；一片指甲大小的闪存体可达几百M字节，可以记录上一个月、
乃至一年的实时采集数据。很难想象现今开发的仪器仪表内可以没有单片计算机技术的介
入。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，在过
程控制领域软测量技术也应运而生。所谓软测量技术就是把常规检测手段与计算机信息处
理、科学运算结合起来的一种基于过程辩识、工艺规律、控制机理学习的间接检测技术。软
测量技术包含4个内容：分析过程机理、确定主导变量和辅助变量；计算机的采集、存储、
数据处理；建立数学模型或经验模型；在线校正。
在以往的记载中，软测量技术并没有应用在仪器仪表的研发上，实际的应用大都在炼油
化工常减压塔、分馏塔、催化裂化、炼油装置等的自动控制方面，且多应用在大型计算机控
制系统内，如InferentialControl公司、Setpoint公司、DMC公司等都有以商品化软件形式推
出的这方面软测量技术产品。国外的产品价格很昂贵，据国内有些软测量技术文献介绍，也
多是应用在计算机控制系统中，例如：天津大沽化工厂曾在计算机控制系统中做烧碱浓度模
型辩识及烧碱蒸发过程的动态模型，在线预报烧碱浓度；天津大学化工学院在“木糖醇发酵
过程参数软测量”中运用广义对数方程拟合木糖醇发酵过程各种参数，借助均匀设计法寻找
神经网络的最佳隐层单元数，实现了在线状态估计和预测木糖醇浓度；浙江大学系统工程研
究所“乙醛生产过程中的软测量实现”针对乙醛生产过程建立关键过程变量粗乙醛实时收率
预测模型，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。以上这些软
测量的应用都是基于整个生产过程的各种参数、构造复杂的运算模型，也大都在计算机控制
系统内完成。
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，而且单片机嵌
入式运算快、处理量大、体积小的优势已能充分体现，因此，没有理由不把软测量技术作为
智能仪器仪表的核心技术，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
有一个既是常识，又易模糊的概念，有一种狭义、却是普遍