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在线分析系统基础理论和优化设计的探索研究

作者：金义忠姜培刚来源：重庆凌卡分析仪器有限公司北京泰和联创科技有限公司发布时间：2014年06月16日点击数：

摘要 研究和探索在线分析系统（OAS）应用及发展这一重大技术课题时，构建在线分析系统的基础理论和务实开展在线分析系统的优化设计，是两个不可或缺的全新技术维度。因为任何专业技术的应用及发展，绝对离不开基础理论的强力支撑和正确引领，也应该以创新对抗一成不变。这种创新既是有创见的优化设计，也应有原始创新的突破，都要有基础理论的指导，才会更富有成效。本文还列举了四项优化设计的典型实例。

关键词 在线分析系统基础理论系统学开放性优化设计简单方法论

1 钱学森的系统学理论和综合集成法

1.1 系统学理论

人民科学家钱学森院士早在1979年就提出要建立系统学（Systematology），2001年11月出版了《创建系统学》^［¹^］，为系统学奠定了一个初步的理论框架。系统学最根本的概念就是系统。他为系统学的创立提出了许多新思想和重要概念，揭露了很多关于系统的深刻思想。

钱老给系统学下的定义是 “系统学是研究系统结构与功能（系统的演化、协同与控制）一般规律的科学，这就是系统科学的基础理论。”^［²^］他给系统学的进一步表述是：“事物常有两个方面，一个是事物的结构，另一个是其属性。而事物的主要属性之一是复杂性。”^［²^］钱老正是抓住这一特点，提出了开放的复杂巨系统概念。所谓开放性是指“系统与其周围环境有物质的交换。能量的交换和信息的交换。”^［¹^］钱老还特别强调用系统学处理好局部与整体的关系。

1.2 综合集成法

钱老在长期研究系统科学和思维科学的过程中，还准确地提出了“从定性到定量的综合集成方法。”这是中国人原创的立法论，钱老为此非常自豪：“这是人类思维方式和科学方法论的革命性变革。”（注：本段引语抄录自国家博物馆2011年的《人民科学家钱学森事绩展览》）

1.3 “联想与类比”

采用“联想与类比”的创新方法，不难发现：钱老的系统科学理论和综合集成的科学方法，无疑可以引用并成为我们探索构建OAS基础理论的核心支柱，从OAS的系统层级结构和OAS的功能特性两方面破题，就可展开最基本的探索研究了。

2 OAS的基础理论框架的要点

2.1 OAS的基本定义的拓展——OAS是开放的复杂技术系统

OAS的开放性主要体现在OAS与其外部环境（包括千差万别的样气条件、工程环境条件和工程应用要求等）有十分复杂和动态的物质交换、能量交换和信息交换。

OAS的复杂性全体现在OAS的功能和特征上，初步分析和归纳，至少有如下17项之多：开放性、复杂性、适应性、协调性、稳定性、准确性、工艺性、动态特性、安全性、成套性、易维护性、组织性、智能化、长寿命周期、经济性和体系性等。关于OAS的协调性，详见笔者的专题论文《在线分析系统工程应用协调运行的综合研究》，^［3］协调性是新提出的技术概念，有利于OAS的综合性技术表达和推进其优化设计。

2.2 OAS的层级结构

认识和研究任何事物都要从系统结构开始，首先要有一个基本的框架结构。研究OAS，有如下五层基本的层级结构。

图1 OAS的层次结构图

在线分析仪和样气处理系统是OAS最重要的并列子系统，都自成体系，有着各自复杂的技术规律，它们还有各自更次一级的子系统，如分析仪的传感器，样气处理系统的取样探头（系统）等。

在线分析系统集成是小型的大系统，比OAS更高一个层级，而以成份量为基础的信息融合更多地体现为信息技术的工程应用，最新的技术概念是构成“混合过程分析系统”。

单就OAS而言，对其分类是必要的，也体现了体系性，其分类还涉及行业的细分，无论是推广应用，还是系统本身的优化设计，都离不开“分类”的规律探究和技术性措置。

OAS的每一技术层级都不是孤立存在的，必须要有体系性的贯通和协调。

3 OAS的优化设计也是一个系统问题

3.1 OAS优化设计的最大困难

OAS工程应用千差万别的工艺条件和环境条件绝对不可能按期望设定，而且是动态的、长期的，缺乏均一性。所以研究在线分析仪和在线分析系统的设计和应用都应包括工程项目的生产过程，环保项目也是如此。如脱硝工艺（SCR）微量逃逸氨的在线监测，进口的激光微量氨分析仪是原位法设计，在中国市场试用，短时间就得出结论，几乎检测不出1～2ppm的微量氨。

3.2 OAS优化设计应有新的技术观念

浙江大学中控研究院吕勇哉院长在第五届在线分析仪器应用及发展国际论坛上的报告：《信息技术在过程分析仪（PA）系统可靠性分析中的应用》，受此报告的启发，我们把OAS的设计和运行问题“转化成一个多目标的优化问题”。遵循技术逻辑，进而提出创新的、成熟的、整体解决方案，重点包括系统结构、方法、稳定性、协调性、适应性、可靠性、寿命及可维护性、成本等，从而达到OAS优化设计的目的。

3.3 OAS的优化本质上就是OAS的协调进化

从系统学的基础理论可知，OAS的优化设计就是不断优化系统的结构，完善系统的各种功能和特性，并促进其体系性的协调运行和协调进化。根据前苏联发明大师、TRIZ之父阿奇苏勒的“TRIZ（萃智）发明问题解决性理论^［4］”，OAS的协调进化法则应该是，“沿着各子系统相互之间更协调的方向发展”。

OAS的优化设计就是追求如下目标的最终理想解：

（1）很好保留了原系统的优点；

（2）较彻底地消除了原系统的缺陷与不足；
（3）没有使新系统变得更复杂和成本更高（降低更好）；

（4）新系统没有引入新的缺陷和潜在技术风险；

（5）整个新系统更能长寿命地协调运行，科技创新的本质就是创造协调。

4 OAS优化设计的哲学内涵

4.1 王小谟院士的方法论

2012年1月18日，中国预警机之父王小谟院士荣获2012年度国家最高科学技术奖。同事称赞他有超前的思维和眼光，而他则笑言“自己只是工程师，致力于将复杂的问题简单化”。他还称赞乔布斯的眼光独到，“有技术支撑，他知道哪些技术集成在一起，做出一个苹果。”

王小谟带领的年青团队自主研制成功空警－2000预警机，采用先进的固态有源相控技术，将三部天线集中设置在一个高2米，直径14米的固定圆盘天线罩内，构成360°全方位探测，最大探测距离480公里，比美国的E-3C预警机整整领先一代。

王小谟院士正在研制第三代反隐身预警机：“向小型化、网络化、多功能化、使用方便、价格便宜方面发展。”“未来的预警机可能将取消飞机背上的大圆盘，采用更小的贴于机身的天线。”

王小谟院士将“简单化”技法用到了极致，正如史道夫·乔布斯的“苹果”，将“简单化”用到了极致一样，乔布斯的秘诀之一就是善于运用“简单”的创新方法，“化繁为简”是他的拿手好戏，他的设计哲学就是不断简化，他的十大管理戒律之六就是“极简主义”。

科学泰斗钱伟长院士也曾说过：“科技就是把复杂的事情简单化。”

中国最古老的文化典籍《易经》，以简易为最高原则，“大道至简至易”正是《易经》能千古流传的真谛。

笔者也非常崇尚简单，曾写有论文《简单与创新》，有“简单综合即创新”的技术感悟。

4.2 OAS优化设计的方法论

OAS开展优化设计时，王小谟院士和乔布斯以“简单”为核心技术思想的方法论值得认真借鉴，甚至是跨界地去仿效。

OAS优化设计必然采用系统集成和融合创新的方法，但是要把天生具有开放性和复杂性的OAS简单化实非易事，我们必须坚持“简单”当作哲学来深入思考，当作方法论来充分应用，使OAS的优化设计得以实现“简单”的技术回归，为此将列举以下四个成功实例。

5 OAS优化设计的技术重点

OAS优化设计的技术重点和直接目标是“除尘、除湿、抗干扰（以及安全防爆）”，也可以说这是在线分析系统的技术本质。

除尘、除湿早为工程师们所重视，抗干扰不能够局限于样气中非测量干扰组分的狭义干扰，应该理解为广义抗干扰，笔者有专题论文“在线分析系统的广义抗干扰研究”。^［5］

就行业现状而言，除尘、除湿、抗干扰仍然还有很大的创新空间，当然这有赖于工程师的智慧、勇气和务实的创新行动。

6 高稳定热导式气体传感器

6.1 高稳定热导式传感器的优化设计

传感器是分析仪的核心支柱，被誉为分析仪的心脏，自然是分析仪优化设计的第一重点。

重庆凌卡公司的“高稳定热导式气体传感器”发明专利，可称传感器优化设计的精典，其超越传统的核心技术突破诠释如下：

（1）将传感器的稳定性，特别是温度稳定性作为优化设计的第一重点，不再以灵敏度作为第一研发重点。

（2）测量敏感元件和参比敏感元件只用一对（两个），加上其它技术措施，这有利于实现简单化、小型化、低成本和工艺优化。

（3）热导敏感元件采用工作状态的动态温度系统配对新工艺，颠覆了已沿用半个多世纪的冷态电阻配对传统工艺。

（4）传感器采用非均匀环形加热器，基本消除了温度梯度，有效抑制了环境温度变化的不利影响，包括消除气体热对流的影响误差。

（5）采用第Ⅱ对称的复合电桥线路，这是高稳定性的最佳设计，使传感器的温度影响误差完全可控，取代了已沿用半个多世纪，温度影响误差不可控的等臂（对称）电桥（也称为全桥）。

（6）装配校验过程后期，还有分析仪的低漂移校正工艺，不需要挑选传感器，就能方便获得近乎零漂移的高稳定性。

（7）新研发传感器的结构设计实现了至简的小型化（＜Φ40×50），当然也是低成本的。

图2 热导式第Ⅱ对称复合电桥线路

6.2 高稳定热导式气体分析仪

分析仪是OAS最重要的技术基础，而稳定性是分析仪代表性的核心技术指标，《仪器仪表行业十二五发展规划》特别强调仪器和分析系统的稳定性，并将稳定性置于可靠性之前。

采用“高稳定热导式气体传感器”发明专利研制的LKA100R、THA100R型热导分析仪，稳定性有超常规的趋于零漂移的表现，实测试制样机的稳定性，零点漂移几乎为零（7天中显示值的末位无变化），量程漂移为0.18％FS/7d。

LKA100R型热导分析仪的开机（预热）零点稳定性曲线如图3所示，几乎一通电开机就能投入稳定运行。

图3 LKA100R开机零点稳定性曲线

7 脱硝（SCR）激光微量氨在线分析系统

7.1 原位法激光氨分析仪用于脱硝（SCR）微量逃逸氨检测的困境

脱硝（SCR）微量逃逸氨检测是当前环保的新热点，由于中国的烟气粉尘含量高，又缺乏均一性，还常有阵发性扰动，高价进口的原位法激光分析仪没有这种特殊样气条件的适应性，检测不出1～2ppm左右（一般＜3ppm）的微量逃逸氨，倒逼我们寻求新的技术突破方向。

7.2 抽取式旁路测量装置的研制

抽取式旁路测量装置为激光氨分析仪提供一个高品质的外置测量气室，流过测量气室的样气已经过高精度过滤（0.3um）除尘，完全消除了烟气粉尘难题的困扰，样气的其它条件，特别是样气组分和样气温度与烟道内完全相同，从而保障了微量氨检测的适应性、稳定性、可靠性、准确性。原位式激光氨分析仪借此演变成了原位抽取式，这一创新的技术模式既区别于原位式，又区别于传统的抽取式。

7.3 旁路抽取式脱硝（SCR）激光微量氨监测系统

配置“抽取式旁路测量装置”的脱硝（SCR）激光微量氨监测系统的气路流程简图如图4所示。

图4 激光微量氨监测系统气路流程简图

旁路抽取式激光微量逃逸氨监测系统工程应用取得很大成功，能稳定、可靠、准确地检测1～2ppm的微量逃逸氨，充分证实“样气处理系统技术是在线分析系统的核心和关键技术”^［6］的技术观点是完全正确的。

在线分析系统的优化设计应延伸和包括所有功能部件。例如本案例采用的LKF2型探头过滤器，由于表面过滤（surface）技术相对于传统深度过滤技术的突破性创新，实现了高精度（0.3um）和低气流阻力（90Pa 1L/min）的完善协调，能够为激光分析仪创造长期稳定、可靠、准确运行的“无尘”样气条件。LKP402型气动采样泵经过多次优化设计，在0.2MPa空气压力下抽吸负压优于－30kPa，，抽气量＞20L/min，保证1米长的测量气室有足够快的反应速度，滞后时间＜30秒。

8 整体式内藏高精度过滤器取样探头（发明专利）

8.1 不锈钢网叠层结构高精度表面过滤器（LKF3型）

316L不锈钢微筛孔网叠层结构，仅很薄的外表层是2um的微筛孔，其余粗、大筛孔基层保证足够强度，也是真正的表面（surface）过滤，实现了高精度（2um）和低气流阻力（180Pa 1L/min）的协调。本过滤器耐腐蚀、耐高温、可焊接、小型化，Φ20×200mm尺寸的细长试管状结构，成为新型探头创新设计的前提条件和基础技术。

8.2 整体式内藏高精度过滤器取样探头（发明专利）

细长试管状结构的高精度表面过滤器隐藏在探头取样管中段的内部，处于炉窑烟道内的高温环境，所以取样探头没有电加热器及其相应的附属结构，本质安全，探头管的取样口端设计有粉尘分离罩，根据斯托克斯（Stokes）定律，由于物理分离作用，进入取样口的样气粉尘将大比例减少。本取样探头有内外反吹扫过滤器的结构设计，外吹扫气流从过滤器内端外腔室的四周沿轴线方向均匀进入，无反吹扫的死角空间，反吹扫气路阻力很小，反吹扫通畅、强劲，取们探头能适应更高粉尘浓度的恶劣样气条件。

本取样探头别创独例的至简优化设计，整体式、小型化、重量不足4kg，造价低、安装、使用、维护、检修都简单方便，几乎是免维护地实现了无堵塞连续取样，能适应110℃＜t＜700℃、＜200g/m³粉尘的恶劣样气条件。

图5 LKP107S型取样探头外形示意图

8.3 取样探头系统的新构想

整体式内藏高精度过滤器取样探头，将为新型取样探头系统的研制带来有利契机，可能拓展出更大的创新空间：

（1）充分利用整体式内藏高精度过滤器取样探头的整体式、小型化和高精度除尘的技术优势。

（2）采用［美］Perma Pure （博纯）公司先进的Nafion膜气体干燥器，其体积很小，干燥效率却很高，远优于压缩机式样气冷凝器。

（3）Nafion膜气体干燥器可以由高分子膜式空气干燥器（组合件）提供－40℃～－20℃露点的大流量吹扫气，充分满足Nafion膜气体干燥器依赖于低露点吹扫气的先决条件。

（4）序2和序3的组合与匹配，可将样气露点很容易降低至－10℃以下。这就突破了传统样气冷凝器只能达到4℃左右露点的极限，为各种高端分析仪的长寿命可靠运行提供更高层次的保障。

（5）序2和序3组合应用的除湿过程不会出现冷凝水，样气中易溶于水的组分（如SO₂）没有流失的可能，为分析仪的高准确度检测创造了充分条件。

（6）序2和序3体积都较小，和新型取样探头就近组合在一起，向后传输的样气已经过高精度过滤，而且绝无冷凝水出现，所以不再需要成本很高的电热管。

（7）取样探头系统的这一全新整体技术方案，设备体积有所缩小，成本可控、总体有所降低，制造容易，安装、使用、维护方便，运管成本将会降低。

本整体技术方案的取样探头系统，如能深入实践，不断完善，很有可能成为完全有别于传统取样探头系统的新一代取样探头系统。

9 涡旋样气冷凝器的优化设计

涡旋样气冷凝器采用兰科原理，由涡旋管和样气热交换器两大部分组成，以压缩空气驱动力，本质安全，在化工防爆分析系统中有重要应用。

重庆凌卡公司研制的LKP210型涡旋样气冷凝器，经过历时3年5次优化设计的技术改进，技术性能取得突破性的提高。两台定型样机的性能试验，在0.6MPa空气压力下，平均最大降低温度为37.9℃，美国某公司的3108型涡旋管在相同试验条件下的最大降低温度为23.8℃，存在14℃的明显差距，3108型的耗气量还略高6%左右。