Промышленный NIR-спектрометр HK4 для измерения 4-х органических составляющих

NIR-спектрометры HK4

Обозначение «NIR-» - это сокращенная аббревиатура от английского Near Infrared Spectrum (ближний инфракрасный спектр).  Технология использования ближней инфракрасной части спектра для определения состава различных веществ начала активно использоваться только ближе к концу XX века. Предпосылками развития этого направления измерений (БИК-спектроскопии) послужила потребность в количественном определении содержания воды, белков и жиров в различных веществах при производстве продуктов питания и в сельском хозяйстве. Выбор именно этого способа измерений связан с тем, что в ближней инфракрасной части спектра  проявляются, в основном, колебания как раз С–Н, N–H и O–H групп, что позволяет определить количество веществ, в структуру которых они входят. 

Полное описание: 

Инновационный NIR-спектрометр HK4 был разработан компанией Harrer&Kassen с использованием новейшей онлайн-технологии NIR с диодной матрицей и предназначен для измерения четырех органических составляющих продукта в пищевой отрасли  (например, жиров, воды, белка, коллагена, лактозы и т.п.). 

NIR-онлайн-спектрометр HK4 был удостоен высшей награды Международной выставки-форума поставщиков пищевой промышленности CFIA во Франции, в области измерительных приборов.  NIR-cпектрометр HK4 может устанавливаться на трубопроводах, резервуарах / сосудах, куттерах, мясорубках и т.д. При одном измерении можно одновременно получить данные о содержании различных ценных органических компонентов.

Области применения NIR-спектрометров HK4:

- Мясо, мясные продукты и полуфабрикаты 
- Молочные продукты (молоко, йогурты, сметана, сливочный сыр и т.п.)
- Рыбные и морепродукты, консервы
- Кондитерские изделия, мукомольное производство
- Другие продукты (кетчуп, соя, масло, крахмал и т.п.)

К преимуществам NIR-спектрометров HK4 можно отнести:

• непрерывный мониторинг продукции в реальном времени, раннее выявление сбоев в производстве
• повышенная надежность и точность измерений: 
- детектор диодной матрицы (спектрометр) NIR с термоэлектрическим охлаждением, что необходимо для оптимального соотношения сигнал / шум, даже при жестких условиях применения.
- отсутствие движущихся частей в оптике (например, колеса фильтра)
- отсутствие влияния на измерения цвета и изменения расстояния до продукта
• простое в использовании программное обеспечение 
• существующая калибровка может быть расширена, а новые калибровки могут быть созданы независимо
• не требует специального технического обслуживания

Конструктивно прибор HK4 представляет собой модульное устройство, состоящее из блока оценки и блока сенсоров с галогенными излучателями, соединенными между собой оптоволоконным кабелем. Благодаря такой модульной конструкции, датчик может быть установлен в труднодоступных местах.

В зависимости от особенностей использования устройств HK4 в конкретном производстве компанией Harrer&Kassen предлагаются несколько типов сенсоров (измерение отраженного или проходящего сигнала) и способов их монтажа:

• 3А-проточная измерительная ячейка DN50, с сенсором отраженного сигнала;
• встраиваемый датчик с фланцем (для резервуаров), с сенсором отраженного сигнала;
• 3А-проточная измерительная ячейка DN50, с сенсором проходящего сигнала (только для прозрачных продуктов).

Компанией Harrer&Kassen разработаны и выпускаются различные модификации NIR-спектрометров HK4. Приборы комплектуются разными типами сенсоров и модулями для определения одного или нескольких органических компонентов. Выбор модификации определяется технологическими условиями конкретного производства:

HK4-1: с 3А-проточной измерительной ячейкой DN50 и сенсором проходящего сигнала. Для измерений с длинами волн от 600 нм до 1100 нм.

HK4-2: с 3А-проточной измерительной ячейкой DN50 либо встраиваемым датчиком с фланцем (для резервуаров), с сенсорами отраженного или проходящего сигнала. Варианты для измерений 1, 2, 3 или 4-х компонентов, с длинами волн от 1200 нм до 1700 нм.

HK4-3 (по запросу): с 3А-проточной измерительной ячейкой DN50 либо встраиваемым датчиком с фланцем (для резервуаров),  с сенсорами отраженного или проходящего сигнала. Для измерений с длинами волн от 1700 нм до 2500 нм.

Упрощенные основы спектрографического анализа:

Цель спектрального анализа состоит в том, чтобы вычислить из полученных спектров количество (концентрацию) неизвестных составляющих, представляющих интерес в образце. Как и при любом количественном анализе, предполагается, что измеренные значения (спектры) некоторым образом связаны с концентрацией интересующих составляющих в образце. Было разработано калибровочное уравнение, которое при применении к этим данным может показать концентрацию интересующих компонентов. Это калибровочное уравнение также называется калибровочной моделью.

Сначала  измеряется набор спектров с известными концентрациями интересующих составляющих. Модель калибровки применяется к этому спектру и обеспечивает (в достаточной мере) набор констант, который позволяет определить интересующие составляющие в неизвестном спектре, в свою очередь. Другими словами: процедура калибровки предоставляет собой получение набора констант для калибровочного уравнения, которое при применении к неизвестным спектрам позволяет рассчитать концентрацию интересующих компонентов.

Концентрация рассчитывается на основании закона Бугера — Ламберта — Бера, определяющего ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Этот закон показывает простую линейную зависимость между поглощением и концентрацией составляющей при заданной длине волны. Другими словами: при помещении образца в пучок света спектрометра существует прямая и линейная зависимость между концентрацией составляющих и поглощенным светом. 

 

Спектрометр расщепляет спектры в 256 опорных точках. Через расщепление спектров мы можем выбрать с помощью нашего программного обеспечения для калибровки SPECTER оптимальную длину волны для каждого компонента.

То есть поглощение на определенной длине волны линейно связано с концентрацией всех составляющих образца. Поэтому теоретически можно рассчитать концентрацию всех составляющих в образце. Нужно только решить систему уравнений из n-выражений и n-неизвестных, что с сегодняшней вычислительной мощностью не проблема.

При измерениях по принципу отражения продукт освещается белым галогенным светом. Отраженная часть NIR обнаруживается с помощью NIR-датчика и передается на диодную матрицу через оптическое волокно.

При измерениях по принципу передачи белый галогенный свет пропускают через продукт. Это применяется только в том случае, если изделие изготовлено из прозрачного материала. Галогенный свет принимается NIR-датчиком (на противоположной стороне лампы) и передается в диодную матрицу также через оптическое волокно.

Промышленный NIR-онлайн-спектрометр HK4 имеет высокое быстродействие. За секунду оцениваются 10 спектров, благодаря применению современной диодной матрицы и отсутствию движущихся частей в оптике.

Программное обеспечение SPECTER является открытым, что означает:
  - существующая калибровка может быть расширена
  - новые калибровки могут быть созданы независимо

Технические характеристики NIR-спектрометра HK4:

Корпус:бокс из нержавеющей стали
Размер Вx Ш x Г:400 х 499 х 212 мм
Вес: около 21 кг
Степень защиты:IP66 / NEMA 4
Напряжение питания:85 - 265 V/AC (опция 24 V)
PC-интерфейс: RS232 или RS485
6 аналоговых выходов: 0/4 – 20мA / изолирован от пробоя 1500V
PROFI-BUS-DP:опционально
Дискретный вход:внешний Старт / Стоп
Управление:мембранная клавиатура с 6 интегрированными кнопками
Дисплей:2x24-символьный LCD-дисплей, светодиодная подсветка
Температура окружающей среды: -20°C - +40°C (>+40°C – опционально, с охлаждением корпуса)
Сенсор:
Корпус:нержавеющая сталь
Размер В x Ш: 82 х Ø 65 мм
Степень защиты: IP66 / NEMA 4
Вес:ок. 1 кг
Присоединение:через оптоволоконный кабель
Температура продукта:до +100°C

.