刘三堂

一、前言作为物质存在的第四种状态的等离子体通常由电子、离子和处于基态以及各种激发态的原子、分子等中性粒子组成。等离子体中带电离子间库伦相互作用的长程特性，是带电粒子组分的运动状态对等离子体特性的影响起决定性作用，其中的电子是等离子体与电磁波作用过程中最重要的能量与动量传递粒子，因此，等离子体中最重要的基本物理参数是电子密度及其分布以及描述电子能量分布的函数以及相应的电子温度。而对于中高气压环境下产生的非热低温等离子体来说，等离子体中的主要组分是处于各种激发态的中性粒子，此时除了带电粒子外，中性粒子的分布和所处状态对等离子体电离过程和稳定性控制也起着非常重要的作用，尤其是各种长寿命亚稳态离子的激发。为了可以充分描述等离子体的状态，在实验上不仅要对带电粒子的分布和运动状态进行诊断，如电子温度、电子密度、电离温度等参数，还需要对等离子体中的中性粒子进行必要的实验测量，来获得有关物种的产生、能量分布以及各个激发态布居数分布等信息，如气体温度、转动温度、振动温度、激发温度等参数。基于这种要求，结合相关学科的各种技术形成了一个专门针对等离子体开展诊断研究的技术门类，如对等离子体中电子组分的诊断技术有朗缪尔探针法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，汤姆逊散射法(Thomason Scattering, TS)，发射光谱法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，对离子组分的光谱诊断技术有光腔衰减震荡(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和发射光谱法(OES)，而对中性粒子的光谱诊断技术包括了吸收光谱法(Absorption Spectroscopy, AS)，发射光谱法(OES)，单光子或者双光子激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。二、汤姆逊散射（Thomson Scattering）基于激光技术发展起来的汤姆逊散射诊断原本用于高温聚变等离子体的测量，借助激光技术和光电探测技术的突飞猛进，汤姆逊散射在近年也大量应用于低温等离子体的密度和电子温度的测量。汤姆逊散射具有空间分辨率高（局域测量），测量值稳定可靠等优点。测量的物理量：电子温度：下限0.1e密度：下限1019m-3.图1. 汤姆逊散射分析系统结构示意图2.1、激光束在等离子体中的束斑大小（束径DLP）激光束经过透镜聚焦，等离子体应该位于透镜的焦点，以达到激光束在等离子体中有最小的束径，最高的功率密度。DLP = f´ q其中f是聚焦透镜的焦距，q是激光束发散角，考虑各种综合因素，实际束径是上述公式的2倍左右。假设使用f=1000mm的聚焦透镜和q=0.5mrad的激光束，DLP大约是1mm。2.2、收集光学系统的光纤的像斑（fP）与等离子体中激光束径DLP的匹配为了有效的收集激光束上的散射光子，光纤的像斑fP应该完全覆盖激光的束径。理想情况是光纤的像斑与DLP尺寸完全相同，并且二者完全重合，这样激光的散射光最大，同时背景非散射光最小。但是考虑到实际的准直的难度，这样的理想条件在有限的资金投入下很难实现。建议fP是DLP的两倍，既能有效的收集散射光子，也能比较容易准直。如果DLP =1mm, fP =2mm是比较合适的。2.3、光纤的芯径、布局和光谱仪以及ICCD的选择汤姆逊散射谱线展宽与温度的关系如下：汤姆逊散射角度 Theta=90度；me是电子质量，c是光速，kB是玻尔兹曼常数，公式右边分母下面：是激光的波长 532nm；分子是谱线展宽，不过是1/e展宽因此汤姆逊散射光谱的半高宽△λ1/e（nm）与等离子体温度Te（ev）的关系可以简化为△λ1/e=1.487×Te1/2Te eV0.10.20.30.4124510△λ1/e nm0.470.530.810.941.492.102.973.324.70表1. 电子温度与汤姆逊散射谱半高宽对应值在光谱仪没有入射狭缝或者入射狭缝宽度超过光纤的芯径的情况下，光纤的芯径实际决定了谱仪的实际分辨率（仪器展宽）：△λof = fof ´ LSPfof是光纤的芯径，LSP是谱仪的倒线色散率。针对于此应用，可以考虑选择两款光谱仪，分别是：1、Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni系列 750mm的谱仪，如果使用1200l/mm的光栅，LSP = 1nm/mm。测量电子温度的原则是仪器展宽应该与最低温度的展宽相当，才能有效的测量到最低温度。2、选用207（670mm焦距）光谱仪，在搭配1200l/mm光栅的情况下，LSP=1.24nm/mm，可以满足要求。同时可以考虑搭配1800l/mm光栅，这样的话可以兼容高电子温度和低电子温度的同时测量，以及同时兼顾高分辨和宽光谱。原则上，使用芯径400mm的光纤，△λof=0.4-0.48nm，完全符合0.1eV的测量要求。但是还是建议谱仪安装入射狭缝，靠狭缝来控制分辨率，不仅确保0.1 eV的测量要求，还能实现更低的温度测量。同时在调试阶段，靠狭缝来控制通光量，以免532nm的激光杂散光太强，对ICCD造成破坏。另一方面ICCD的尺寸决定了光纤的排布数量。光纤数量越多，对汤姆逊散射这种微弱光测量是越有利的。在信号很弱的时候，可以把几道合成一道使用，以增加信噪比，提高信号质量。因此在波长覆盖范围（CCD的横向尺寸）满足要求的情况下，ICCD的纵向尺寸应该尽量大一些，以便容纳更多的光纤。选用iStar 334T探测器，这款CCD的尺寸是13.3 ´ 13.3 mm，对焦距目前的光谱仪无论是Omni-750还是207在搭配1200l/mm光栅的情况下，波长覆盖范围是13nm左右，同时纵向13.3mm，容纳的光纤数量也更多，可以做更多的多道光谱。如果已有更大面阵的CCDsCMOS或高速相机，可以考虑使用Zolix 卓立汉光的IIM系列镜头耦合像增强模组与之配合，达到类似ICCD的功能和效果，同时获得更大的相机选取自由度；IIM 内部可以选择25mm 尺寸的增强器，1：1耦合到CCD, 可以获得更大的成像面，双层增强器也可以获得更高的增益；光纤的布局是一字型密集排布，在13mm的长度内，尽量的密布尽可能多的光纤。同时光纤应该严格排列在一条直线上，整排光纤的偏心距小于20mm。2.4、收集透镜的选择等离子体中心到透镜的距离L和光纤的芯径，及像斑决定了收集透镜的焦距。举例如下：如果像斑要求是fP =2mm，光纤芯径400mm, 则物像比是4，如果L=320mm, 则透镜的焦距就是320/4=80mm。同时如果观测的等离子体范围是50mm，那光纤一字排开的范围就是50mm/4=12.5mm。这个宽度和连接谱仪一侧的光纤束的尺寸很接近了，连接收集透镜一侧光纤也应该是密集排布，这样两端容纳的光纤数量就是匹配的。2.5、瑞利散射的滤除与使用瑞利散射信号通常也可以用来测试重粒子的相关信息比如中性原子。但是相比于瑞利散射法来说，作为弹性散射的汤姆逊散射法更多用于自由电子的测试。和离子与原子相比，由于自由电子的速度更快，质量更轻，因此具备更宽的光谱展宽。比较强的杂散光信号与更强的瑞利散射信号则可以通过例如布儒斯特窗、笼式结构或者黑丝挡板的方式滤除掉。图2 滤除瑞利散射的笼式结构示意光路因此在实际的测试过程中，如何合理地使用这些信号为等离子体诊断服务，则是另一个相关的话题。如图3[1]所示，为实际测试过程中得到的瑞利与汤姆逊散射信号如图4[2]所示，为实际测试过程中得到的滤除瑞利散射后的汤姆逊散射信号图3 包含瑞利散射与汤姆逊散射的实测信号图4 滤除瑞利散射后的汤姆逊信号2.6其他附属部件光电倍增管谱仪第二出射口配宽度可调的狭缝三维调整光学支架，用以调节镜头的方位和方向三、整体解决方案汇总推荐根据用户需求，一般推荐的配置如下：光谱仪：Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-500I 或750i光谱仪搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光栅高光通量光谱仪，搭配120*140mm 或110*110mm 的大尺寸，高分辨率的1200l/mm光栅和1800l/mm光栅探测器：ICCD, 18mm 增强器，13*13mm 探测面；Zolix卓立汉光 公司的IIM-A系列 镜头耦合像增强模组，配合更大面阵的CCD或sCMOS相机， 18mm或25mm 的大面积增强器，灵活的CCD 相机选择； DG645数字延迟脉冲发生器：用于系统触发控制标准A光源，用于系统强度校准其他的配件：包括多道光纤，收集光路，可以后续一并考虑，先购买标准部件参考文献[1] Yong WANG, Cong LI, Jielin SHI, et al. Measurement of electron density and electron temperature of a cascaded arc plasma using laser Thomson scattering compared to an optical emission spectroscopic approach[J]. Plasma Sci. Technol. 19 (2017) 115403 (8pp) [2] Ma P, Su M, Cao S, et al. Influence of heating effect in Thomson scattering diagnosis of laser-produced plasmas in air[J]. Plasma Science and Technology, 2020.

秒准MAYZUM在线三氯蔗糖糖度计MAY-3001一、MAY-3001浓度监控仪工艺应用通常在线果汁浓度仪以旁通的形式、安装在三效蒸发器每一循环泵的出口，可以在线监测每一效的果汁、果酱、蔗糖浓度，并将浓度值输出到 PLC，便于 PLC 集成精确控制，以提高产品品质、降低生产成本并实现连续生产、提高生产效率。同样，在软饮料混合灌装、制药蒸发、制糖蒸发浓缩工艺上也有使用秒准may-3001-70在线果汁浓度仪。下图所示是典型的浓缩果汁、果酱生产流程示意图。蔗糖提取原理：当甘蔗径在田间的糖分含量达到13Brix时，甘蔗就可以收割了。收割的甘蔗削去叶、梢和根即可作为原料送糖厂加工。糖厂的甘蔗原料先被破碎成片状或条状制成蔗料，然后送入压榨机压榨。压榨出的蔗汁经过亚硫 酸清净、预灰和加热、硫熏中和、沉降和过滤等工序后得到清汁，此时清汁的浓度约为12- 14Brix，清汁必须经过多效蒸发浓缩为60Brix的糖浆，并经过硫熏、过滤制成清净糖浆，清净糖浆经煮糖、结晶、离心、干燥制成原糖。may-3001在线糖度仪，可以采用管道安装的方式， 在线安装在加热器、过滤器、蒸发器的出口，在线监测蔗汁糖度，帮助提高蒸发效率。也可直接安装在罐体上，在线监测罐中糖浆糖度。作为食品药品基础原料的淀粉糖，为满足食品药品的苛刻要求，生产工艺高度复杂，因此大量的过程控制系统被应用在淀粉制糖的整个工艺流程，以帮助精确控制。MAY-3001已大量成熟应用在淀粉制糖行业，在线测量和控制成品糖浆糖度、混合过程糖度、加晶种结晶糖度，以提高和控制淀粉糖成品的质量。MAY-3001的量程宽达0-100Brix，适用于淀粉制糖工业的整个工艺流程。秒准MAYZUM丰富多样的安装配件，使MAY-3001能安装在各种口径的管道上，或直接安装在蒸发罐、结晶罐、混合罐上进行在线测量，无需另外配置昂贵的旁通系统。葡萄糖 淀粉浆经α酶液化成水解液，此时水解液的DE值为10-20，人们通常采用DE值来衡量水解度。水解液经糖化工序后水解完成，得到DE98的葡萄糖浆，此糖浆经后续脱色、去离子、压滤、浓缩后散装销售，或进一步制成结晶葡萄糖销售。 果糖 葡萄糖经异构酶异构后形成果糖，此异构是有限的。理想情况下，100%的葡萄糖能异构转化成50%的果糖（DE50），实际生产中异构转化率约为42%，所以商品果糖浓度通常为42%（42 HFS或42 HFCS）。异构形成的果糖经脱色、脱臭、除灰精制后制成成品。42HFS经分馏精制后得到96HFS高果糖浆，将42HFS和96HFS混合，可制成55HFS。糖醇 山梨糖醇由葡萄糖加氢催化形成，主要的生产工序有：加氢、催化分离、精制、蒸发（到70%固含量）。MAY-3001-70JS在线糖度仪，0-100Brix宽量程、耐+100℃工艺高温、方便的自动超声波清洗装置、无漂移/免维护/无耗材、多样化的安装配件，使得MAY-3001-70JS在淀粉糖工业得到了广泛的应用。 上图是淀粉糖制取工艺流程图 二、 秒准MAYZUM在线三氯蔗糖糖度计MAY-3001 产品特点描述 1、安装方式灵活（安装于管道、槽体、反应釜、储罐…）、体积小巧，安装方式多样化，可选卡箍/法兰/螺纹安装；2、不受介质颜色、浊度、粘度、气泡、固体杂质、结晶体的影响，不受液体压力变化、流量突变、湍流现象影响；3、出厂附带标定证书，内置温度补偿，即装即用，无需现场校准，也不需要定期校准；4、用户自定义上下限报警，触屏输入，操作简单易懂，现场可接报警灯；5、所有的用户设置参数保存在设备内置的NAND Flash高速存储器中，掉电不丢失；6、标配多组信号模拟输出：可选4-20mA、RS485/232数字量、开关量（异常报警,上下限2路输出），便于客户集成控制，提高自动化程度，提高生产效率；7、内置0-80℃温度补偿数据，克服了单片机内存小，温度补偿范围受限制的缺点。温度传感器与浓度探头集成，紧贴测量介质，保证温度补偿及时、准确、可靠；8、采用4.3寸触屏人机交互界面，显示内容更详细，彩色界面，操作便利，可拓展性强，可按用户需求定制功能；9、数据自动保存，便于查询：历史数据查询、生成历史数据曲线，快捷查询、导出EXCEL，自动数据分析与汇总，数据保存周期12个月，便于溯源（需选配MAY-LST历史数据存储功能）；10、支持sqlite数据库，可存储高达32G的历史数据，数据可通过U盘导出到电脑或者通过无线远传功能实时远传至PLC、PC、DCS等上位机系统；通过PC远程查看实时状态与报警。（需选配MAY-LOT数据远传模块）11、采用智能化芯片，运行无需试剂耗材，功耗低，探头内部光源寿命可长达10万小时，稳定性高，使用寿命长；12、连续测量，迅速反馈，消除人工检测误差，不再需要人工频繁取样检测，节省大量人力财力，保证数据一致性，提升产品质量；13、搭配多组数据采集系统，实现多车间统一监控，便于数据收集、远程管理，可与MES系统对接。三、秒准MAYZUM在线三氯蔗糖糖度计MAY-3001规格参数选型表产品型号MAY-3001-70JS量程 依据实际工况确定，以达到最好精度和分辨率；浓度范围0.0-100% Brix折射率范围1.3330~1.4655分辨率0.1 %，折射率 0.00002，温度 0.1℃ 测量精度+/- 0.1%绝对值，或折光率：+/-0.0002；测量温度0-100℃温度补偿自动温度补偿，0-60℃环境温度0-60℃关键部位材质 大面积耐磨蓝宝石，9摩氏硬度；输入电源24V DC信号输出£ 4-20mA、£ RS485/232数字量、£ 开关量（异常报警,上下限2路输出）防护等级 IP67耐压范围≤1MPa整机净重≈1250g清洗选项MAY-C12超声波清洗组件特殊标度非标定制，按客户需求建立数据模型应用场景现场工况图片：果汁浓度在线监控仪、果汁在线浓度计、果汁在线浓度检测仪、在线浓缩果汁浓度监控仪、甘蔗制糖浓度计、在线甘蔗制糖浓度检测仪、梨膏果汁浓度实时监控仪、在线果汁糖度检测仪、果汁折光仪、折射率实时监控仪、果汁糖度在线实时监控仪、果汁糖度在线实时检测仪、饮料浓度在线监控仪、软饮料浓度在线检测仪、在线浓缩茶叶浓度监控仪、在线水果茶饮料浓度计、低浓度茶饮料浓度监控仪、在线乳制品浓度计、牛奶浓度实时监控仪、牛奶折射率检测仪、在线果汁浓度监控仪、在线乳制品浓度检测仪、在线牛奶浓度检测仪

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