图1  世伟洛克提供的模块化平台

在过去20年左右的时间里，分析仪器的功能越来越强大和可靠，但取样系统却没有相应的发展。有业内专家认为，工艺分析仪系统相关问题中 80%发生在取样系统，因此取样系统的改进变得尤为重要。

使用仪表分析法对化学工艺进行监测和控制，显著提高了产品质量、能源和原材料使用效率、环保性、安全性和设备总体赢利能力。自动化在线工艺分析仪系统提供了一个实时的工艺视图，能够帮助用户进行快速调整，以保证实现更好的工艺控制。 

分析仪系统可以是比较简单的（如用于监测单个碳氢化合物气流内水分含量的系统），也可以是比较复杂的（如用于在工艺流程内多个点监测工艺流体成分的大范围多流系统）。

两种情况下，取样系统都需要对样品进行提取、收集和可能的预处理，把样品运送到分析仪，经过适当处理后将其送进分析仪，处置分析后将其送回工艺管路。其他用于吹扫或校准与验证系统可以为分析仪提供支持。

取样系统一般是针对工艺设备内的具体应用场合设计的，随着被分析流体、分析物、工艺点、工艺条件甚至在工厂内位置等要求的不同，系统会有很大不同。通常，取样系统是阀门、调压阀和其他流体控制装置、过滤器、仪表和传感器、加热器和冷却器以及接头、卡套管和公称管的组合。

改进取样系统

在过去20年左右的时间里，分析设备功能越来越强大和可靠，驱动和操作系统的计算机和软件越来越复杂、强大，并且用户界面也越来越友好。然而另一方面，在这段时间内，分析仪取样系统的基本设计几乎没什么变化。

行业内一致认为，工艺分析仪系统相关问题中 80%发生在取样系统，并且一致认为需要改进取样系统。

随着工艺分析能力的持续发展和提高，人们可以使用更复杂的分析仪进行更多种测量。工业企业的需求是提高分析系统的性能，降低系统的设计、制造和安装成本，降低运行费用和维护费用。满足这些需求的一条重要途径是取样系统小型化、模块化和智能化。

2000 年 1 月的国际过程分析化学论坛（IFPAC） 上确定了这种改进需求，国家标准与技术研究所（NIST） 也充分定义和确认了这种需求。NIST 先进技术计划化学与生命科学办公室正在通过智能控制焦点计划满足这些需求。

模块化设计诞生

工艺分析化学中心（CPAC） 是一个工业学术联合研究机构，位于美国华盛顿大学，他们开展了一项由 CPAC 主持、企业会员（工艺分析化学仪表的最终用户或供应商）参加的新取样/传感器计划（NeSSI）。该计划的目的是“协助进行最新技术评估和下一代模块化取样系统设计的持续开发”，模块化策略的一个关键要素是开放式体系结构。仪表、系统与自动化协会（ISA）SP76 成分分析仪委员会增加了一个负责编写小型、模块化智能取样系统功能流体控制元件与流道基底接合面密封标准的专业委员会。

CPAC 通过 NeSSI 向所有感兴趣方征求新系统设计方案建议，征求意见书内容包括工厂内实际使用的6套实际系统的图纸，从比较简单的系统到复杂的八流系统都包含在内。这些系统的潜在供应商提供了多种不同方案。世伟洛克公司使用最初为半导体工业用特种气体处理系统开发的模块化技术设计了6套方案，都采用模块化布局，并使用了配置工具软件包。该工具是一个标准的基于 Microsoft? Windows 的软件包，在这个工具内，用户可以使用一个拖放界面绘制流动图，输出之一是用户布置完毕的系统详细装配图（见图1）。

图2是6套系统之一，高纯碳氢化合物流内ppm级H2O和O2的测量流程图。该系统用来证明模块化设计的可行性和实用性。这是一个单样品流系统，一个用于传感器吹扫的仪表气源和一个用于校准各传感器的氮气气源（零点气体）在适宜位置接入系统内。整套系统的尺寸为宽 24.6 cm（9.7 in.）、长 75.2 cm（29.6 in.）、高 19.0 cm （7.5 in.），比传统设计的仪表板和仪表箱小得多。 

图2  高纯碳氢化合物流内ppm级H2O和O2的测量流程图

 
用于验证设计概念的这套模块化技术使用了位于基底通道内的小流量部件，通道内并排布置的孔口是功能流动部件（例如分别使用4个螺栓安装在基底通道上的阀门、调压阀或过滤器）的进口和出口，连续的流动部件决定了通过系统的流道。在某些点，如果要引入不同的样品流、吹扫气体、冲洗溶液或者校准和/或校验流体，可能要使用落入式流动部件建立分流层，使主流道和其他流道连接起来。

模块化方法的优点

取样系统的模块化设计方法具有很多优点：

利用系统配置工具软件等工具缩短了开发和布置时间，降低了成本；

取样系统的尺寸、重量和占地面积减小，因此能够很容易地与专用现场安装分析仪配套并安装在取样点，而不必提供很长的、加热的样品传输管路，在工作台上就可以完成工作，而不需要使用台架；

与传统系统相比，小型模块化取样系统的内表面积较小，因而减少了流体吸附量；

系统内部容积较小，容易吹扫或冲洗，从而节约了昂贵的分析仪流体；

系统易于装配，安装非常简单，只需要几个连接。所有功能部件都是表面安装的，易于维护。所有部件都可以从顶部触及，只需拆下4个螺栓就可将其从系统内取出。

本文描述的技术中，基底通道上的各流动部件都可以更换，方法是先拆下两个功能部件，更换所需的流动部件，然后重新组装。同样，所有必要的检修都可以从顶部完成。

不同制造商提供不同的基底设计方法，有的提供专门为某个给定应用场合制造的基底，由基底模块和焊件构成，这些模块和焊件共同构成了通过系统的一个独特流道。有的制造商提供的基底由一个个模块构成，用螺栓把这些模块纵向连接在一起时形成通过系统的流道，各基底模块之间需要面密封。

本文所述技术在装配基底时不需要面密封、螺栓或焊接。所有这些不同方法都已经成功使用，因此证明了小型模块化智能取样系统的可行性和实用性，这些系统就是 NeSSI I 代系统。

实时在线分析要求取样系统是自动化的，并且是与整套设备操作系统集成在一起的，所有 NeSSI I 代系统采用市售表面安装功能部件和控制解决方案解决了模块化的物理问题。I 代系统涉及简单的自动化，用于监测工艺流体物理特性的压力传感器、热电耦、质量流量计等功能部件通过输入/输出模块连接到控制器。这些信号是常规 4~20mA信号。通信是点对点的单向通信，每条线只用于一个元件。

新一代智能控制系统

目前，CPAC 已经制定出 NeSSI II 代系统规范，II 代系统用于解决取样系统智能控制涉及的连接和通信问题。规范中定义的这种下一代系统的一些主要特点包括：

紧凑的智能压力、温度和流量传感器；

自带电气执行机构的智能阀门；

多点传感器总线通信（可以是无线通信）；

为取样系统提供控制和连接的传感器执行机构管理器（SAM）。

智能功能部件必须具有真实的即插即用能力。这种取样系统可能处于具有潜在爆炸性的环境中，因此功能元件、传感器总线和 SAM 必须经过此类危险区使用安全认证，首选保护方案是本安型，这样就可以在此类区域内进行带电插拔（RIUP）。NeSSI I 代系统可以使用基于市售输入/输出的控制解决方案，NeSSI II 代系统将使用基于现场总线的控制体系结构和智能化功能设备。通信将是双向的，因此应用到系统内后，这种设备将能够通过 SAM 互相通信。这种体系结构允许每根线用于多个设备和变量。构建 NeSSI II 代系统所需的许多设备都还无法从市场上找到，不过供应商正在开发这些设备。

I 代和 II 代系统的差异基本上在于模块化和智能化方面，I 代有效地解决了模块化问题。有些 I 代系统已经安装在运行设备上，初步结果表明能够实现预期的改善和成本节约。

以后几个月中将在一些具体位置继续进行更多 beta 测试。II 代系统的开发也在进行中，基本连接和通信解决方案以及某些智能元件可获得时将开始 alpha 测试。预计从 I 代系统到完全智能化、功能全面的 II 代系统的转移将是革命性的，但开发过程中实现的改善和进步将与 I 代系统相容。

CPAC已经制定了一个方案，详细规划了这些系统的开发日程。该方案还描述了较长期的未来计划和预期应用微量分析设备（例如芯片实验室）的 NeSSI III 代系统的开发。预计智能小型模块化取样系统将为此开发提供平台。

紧凑型模块化取样系统技术的早期应用表明这种系统的设计、制造和安装的许多成本要素都能够产生预期的成本节约。操作测试将确定系统操作与维护能够实现哪些节约，II 代系统的建设和测试将提供关于成本节约的更多有用信息。