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  2. 為什么近紅外水分儀只能測量物料的表面水分?
    發布時間: 2020-10-30   684 次瀏覽   

    目前,市場中有兩類紅外水分儀,一種是實驗室用的紅外水分儀,以下簡稱“紅外水分儀”,另一種則是用于工業加工過程的連續水分測量的在線近紅外水分儀;而本篇文章中分析的則是第二種用于工業生產加工過程用的"在線近紅外水分儀",以下簡稱“近紅外水分儀”。

    區分“紅外水分儀”與“近紅外水分儀”

    紅外水分儀是指利用紅外光對被測介質進行加熱,導致被測介質中的水分全部蒸發,最后通過失重法計算水分含量的,這種測水方法是直接法,也叫做失重法。

    近紅外水分儀是根據近紅外波長會被水分子吸收的原理,分析某特定波長的近紅外能量變化,從而計算得出水分含量。這種測水方法屬于間接法測量。

    近紅外從哪里來?

    在空間傳播著的交變電磁場,即電磁波。它在真空中的傳播速度約為每秒30萬公里。電磁波包括的范圍很廣,無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線、r射線都是電磁波。為了對各種電磁波有個全面的了解,人們按照波長或頻率、波數、能量的順序把這些電磁波排列起來,這就是電磁波譜。

    近紅外光(Near Infrared,NIR)是介于可見光(ⅥS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波,按ASTM(美國試驗和材料檢測協會)定義是指波長在780~2526nm范圍內的電磁波,習慣上又將近紅外區劃分為近紅外短波(780~1100nm)和近紅外長波(1100~2526nm)兩個區域。近紅外區域是人們最早發現的非可見光區域。

    近紅外與水分子之間的聯系

    近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和主頻吸收光譜,主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的,具有較強的穿透能力。近紅外光主要是對含氫基團X-H(X=C、N、O)振動的倍頻和合頻吸收,其中包含了大多數類型有機化合物的組成和分子結構的信息。由于不同的有機物含有不同的基團,不同的基團有不同的能級,不同的基團和同一基團在不同物理化學環境中對近紅外光的吸收波長都有明顯差別,且吸收系數小,發熱少,因此近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效的載體。

    近紅外的特點

    與傳統分析技術相比,近紅外光譜分析技術具有諸多優點,它能在幾分鐘內,僅通過對被測物完成一次近紅外光譜的采集測量,即可完成其多項性能指標的測定(最多可達十余項指標)。光譜測量時不需要對分析樣品進行前處理;分析過程中不消耗其它材料或破壞樣品;分析重現性好、成本低。

    無前處理、無污染、方便快捷

    近紅外光線具有很強的穿透能力,在檢測樣品時,不需要進行任何前處理,可以穿透玻璃和塑料

    包裝進行直接檢測,也不需要任何化學試劑。和常規分析方法相比,既不會對環境造成污染,又可以節約大量的試劑費用。近紅外儀器的測定時間短,幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試,并打印出結果。

    無破壞性

    無破壞性是近紅外技術一大優點,根據這一優點,近紅外技術可以用于果蔬原料及成品的無損檢測??梢岳脽o損檢測技術在不破壞產品的前提下,對水果的內在品質進行更多數量的抽樣檢查。

    在線檢測

    由于近紅外技術能夠及時快捷的對樣品進行檢測,在生產中,可以在生產流水線上配置近紅外

    裝置,對原料和成品及半成品進行連續再現檢測,有利于及時地發現原料及產品品質的變化,便于及時調控,維持產品質量的穩定。光纖導管和光纖探頭的開發應用使遠距離檢測成為現實。且遠距離檢測技術特別適用于污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環境應用,為近紅外網絡技術的發展奠定了基礎。

    對水果的內在品質(可溶性固溶物含量、水果內部病變)進行檢測,并且利用該指標將水果進行分級處理。篩選出高品質產品。

    多組分同時檢測

    多組分同時測定,是近紅外技術得以大力推廣的主要原因。在同一模式下,可以同時測定多種組

    分,比如在測小麥的模式中,可以同時測定其蛋白質含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標,這樣大大簡化了測定操作。不同的組分對測定結果都有一定的影響,因為在測定過程中,其它組分對近紅外光線也有吸收。

    測定速度快

    近紅外光譜的信息必須由計算機進行數據處理及統計分析一個樣品取得光譜數據后可以立即得到定性或定量分析結果整個過程可以在不到2min內完成而且可以通過樣品的一張光譜計算出樣品的各種組成或性質數據。

    投資及操作費用低

    近紅外光譜儀的光學材料為一般的石英或玻璃儀器價格低操作空間小樣品大多數不需要預處理投資及操作費用較低而且儀器的高度自動化降低了操作者的技能要求。

    當然,近紅外光譜分析也有其固有的缺點:首先,它的測試靈敏度比較低,相對誤差比較大;其次,由于是一種間接測量手段,需要用參考方法(一般是化學分析方法)獲取一定數量的樣品數據,因此測量精度永遠不能達到該參考方法的測量精度,建立模型也需要一定的化學計量學知識、費用以及時間;最后,近紅外光潛的測量范圍,只適合對含氫基團的組分或與這些組分相關的屬性進行測定,而且組分的含量一般應大于0.1%才能用近紅外進行測定。對于經常的質量監控是十分經濟且快速的,但對于偶然做一兩次的分析或分散性樣品的分析則不太適用。因為建立近紅外光譜方法之前,必須投入一定的人力、物力和財力,才能得到一個準確的校正模型。

    近紅水分儀的原理

    近紅外水分儀是根據近紅外波長會被水分子吸收的原理,分析某特定波長的近紅外能量變化。

    水分子不是靜止的:當遇到特定的能量帶時,它們會振動。水分子中兩個氫原子與氧原子的鍵會伸展、收縮、或以其它形態扭曲。需要外來的能量引起這些振動,需要的能量遍及整個電磁光譜的特定波段。在整個光譜的不同部位,有一些吸收波段十分強烈,有一些十分微弱。在光譜的近紅外部位,該部分波段對于水分子特別強烈,同時儀器在發射、過濾和接收這能量方面更容易實現。使用介可視近紅外光能量的特定波長,以提供適量的能量給被測產品中的水分。一般用以測量水分的波長保持在1至2.5微米范圍。

    特定波長能量被吸收的多少,取決于近紅外能量束所遇到的水分子多少和在該特定波長的吸收強度。能量束所遇到的水分子數量是與所測物質中水分成正比。同時因為水分儀是反射比的形式,測量的光束亦被受測物質的反射和吸收特性所影響。

    舉個例

    德國默斯的近紅外水分儀,這款儀器采用的LED光源,當LED光源照射在被測產品表面,產品表面將吸收一部分近紅外光線,然后將其余的光反射回測量儀的光探測器內。這部分被吸收的光稱為吸收頻譜,該頻譜和成分含量,比如水分,具有線性關系。根據儀器內置專利軟件可以計算被測物中的水分含量。

    最后

    基于近紅外本身的特性,也就解釋了為什么近紅外水分儀只能測量物料的表面水分這一問題,如果您想測量物料內部與外部的平均水分含量,建議選擇具有很好穿透性能的微波水分儀等產品。