Soluções Near Infrared (NIR) para Controle de Processo e ... · A chave para a interpretação de espectros NIR é o processamento de dados on-line e ... espectrômetro coleta espectros

Soluções Near Infrared (NIR) para Controle de Processo e de Qualidade

Bem-vindo a Brimrose e nossas subsidiárias internacionais. Brimrose é a primeira fabricante de AOTF-NIR de análise de processo que fornece para indústrias como: química, petroquímica, alimentos, bebida, polpa, papel e celulose, farmacêuticas, etc. Nossos sistemas oferecem soluções NIR para laboratório (on-line e at-line) para a maioria das companhias líderes de mercado nessas indústrias no mundo .

Brimrose é o líder mundial em tecnologia acousto-ótica com atividade comercial e de pesquisa / desenvolvimento que incluem todas as principais aplicações. Nossos produtos foram desenvolvidos para as especificações mais exigentes. Nós levamos os princípios de qualidade de classe mundial e orgulhosamente o serviço ao longo de nossa estrutura organizacional.

A matriz esta localizada nos Estados Unidos da América.

Brimrose Corporation of America 5024 Campbell Boulevard, Baltimore, Maryland 21236-4968, USA phone: (410)931-7200, (410)931-7201 fax:(410)931-7206, (410)931-7310 Internet: www.brimrose.com e-mail: [email protected]

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Brimrose do Brasil Ltda. Rua Senador Flaquer, 457 04744-030 – Santo Amaro – SP - São Paulo Tel./Fax: +55 11 5521-0659 Celular: +55 11 9172-0046 Internet: www.brimrose.cjb.net e-mail: [email protected] Contato: Paulo Rogério Veiga Silva

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Introdução da tecnologia por infravermelho próximo (NIR) A espectroscopia na região Infravermelho Próximo é uma técnica que tem ganhado larga aceitação nos últimos anos como uma poderosa ferramenta de diagnóstico, particularmente para propósitos de Garantia da Qualidade, Controle e Monitoramento de Processos. O sucesso do emprego da técnica NIR implica na coleta de dados em diferentes comprimentos de onda. Algum tipo de monocromador ou sistema de seleção de comprimentos de onda é a parte essencial de qualquer espectrômetro NIR. Infelizmente, monocromadores tradicionais (utilizando redes de difração) requerem cuidados no manuseio e freqüentes calibrações. A sua performance é facilmente degradada em um ambiente de processo, sofrendo, por exemplo, de problemas de vibração, dificultando a implementação em “chão de fábrica”, em situação de monitoramento on-line de produção. Também são lentos no escaneamento e a estabilidade e reprodutibilidade são questionáveis, devido ao grande número de partes móveis.

O Filtro Sintonizável Óptico-Acústico - Acousto-Optic Tunable Filter (AOTF) oferece quase que todas as propriedades ideais para realizar espectroscopia NIR. É um filtro sintonizável, totalmente em estado sólido, sem partes móveis, e por isso imune a mudanças de orientação, choques mecânicos e vibrações. AOTF é comparativamente, a mais nova e poderosa tecnologia para escanear o NIR. Brimrose com os seus analisadores Luminar AOTF NIR oferece uma excelente escolha na arte tecnológica, tempo de resposta, completo pacote de comunicação, robustez e manutenção “hands-off” devido ao seu projeto sem partes móveis.




Espectroscopia NEAR INFRARED - NIR A região do InfraVermelho Próximo ou NIR é definida entre os comprimentos de onda entre 700 nm a 2-3 microns. Muitas moléculas apresentam sobretons (overtones) característicos que geram bandas de absorção nesta parte do espectro eletromagnético. Conseqüentemente, espectros de absorção NIR podem ser utilizados para identificar espécies químicas, avaliar concentrações e determinar propriedades físicas em misturas complexas. As bandas de absorção NIR mais intensas são usualmente associadas com o primeiro e segundo sobretons (overtones) (ou bandas de combinação) de alta freqüência de vibração. Os comprimentos de onda onde estas vibrações ocorrem para uma dada entidade química é função de sua estrutura e composição: o primeiro sobretom de ligações O-H normalmente encontra-se entre 1350-1450 nm, enquanto o segundo sobretom de uma ligação C-H pode variar de aproximadamente 1070 em um grupamento vinílico até 2500 nm em algumas moléculas alifáticas. A interpretação de espectros NIR para determinar composições ou concentrações de constituintes é bastante mais complexa em comparação com outras técnicas de espectroscopia. Concentrações e outros parâmetros não podem ser determinados somente pelos valores de absorção ou reflexão em um único comprimento de onda NIR. As razões são o congestionamento de bandas e sobreposição. A chave para a interpretação de espectros NIR é o processamento de dados on-line e Quimiometria, o que se tornou possível com a utilização de computadores e microprocessadores embutidos nos espectrômetros. Tipicamente, as análises seguem quatro fases distintas: coleta de dados, processamento de dados, e finalmente calibração e predição (as duas últimas são parte da Quimiometria). A fase de coleta de dados envolve a escolha correta das condições experimentais, de instrumento e modo de amostragem . Isto significa a escolha correta de faixas de comprimentos de onda, quantidade de sinal, caminho óptico, e escolha entre Transmitância, Transflectância ou Reflectância. A fase de processamento de dados ou pré-processamento refere-se ao tratamento dos dados com uma variedade de técnicas digitais que possuem o efeito de redistribuir a informação contida no espectro em uma forma mais tratável para a subseqüente aplicação de análise Quimiométrica. Isto inclui média de sinal, subtração ou normalização espectral, correção de resposta do instrumento, cálculo de derivadas, edição de comprimentos de onda, e também métodos mais elaborados, como “spectral decovolutions” ou cálculo de entropia máxima em alguns casos.




Quimiometria refere-se a uma variedade de métodos matemáticos, incluindo estatística multivariada, para analisar ou aprimorar a análise dos dados. estes métodos permitem por exemplo a interpretação empírica de espectros NIR, garantindo dados altamente confiáveis de parâmetros como composição química, frações molares e até mesmo parâmetros complexos, como Número de Octanas em gasolinas ou Densidade de produtos diversos. Os princípios básicos são os mesmos para cada método. O PC ligado ao espectrômetro coleta espectros de um conjunto de amostras de calibração, ou “training” set. O software tenta então ajustar expressões que correlacionam intensidades espectrais às concentrações ou parâmetros de interesse conhecidos - com limites de erros determinados pela qualidade dos dados. Estas expressões envolvem alguns poucos comprimentos de onda de um espectro ou até mesmo todo o espectro, dependendo do método analítico empregado. Uma vez finalizada a modelagem dos dados, o equipamento estará apto a predizer concentrações de amostras com teores desconhecidos, para um ou mais constituintes.

Principio de operação de um NIR – AOTF

Um AOTF age como um filtro espectral eletronicamente sintonizável. É um sistema eletrônico-óptico, sem partes móveis. Consiste em um cristal no qual ondas acústicas (vibracionais), em determinadas radiofreqüências (RF) são usadas para separar comprimentos de onda únicos de luz advindos de uma fonte larga. O comprimento de onda selecionado é função da freqüência da RF aplicada ao cristal. Assim, variando-se a freqüência, pode-se variar o comprimento de onda. O comprimento de onda é independente da geometria do sistema.




Os tipos mais comuns de AOTF utilizados na região NIR utilizam um cristal de Dióxido de Telúrio em uma configuração chamada não-colinear -- as ondas ópticas e acústicas são propagadas em ângulos diferentes, dentro do cristal. Na figura é a representação gráfica do AOTF. Um transdutor é colado em um dos lados do cristal, e emite vibrações (ondas acústicas) quando a RF é aplicada. A freqüência de vibrações é igual a freqüência da RF aplicada. Quando estas ondas acústicas passam pelo cristal, causam a ele uma compressão e relaxamento, alternadamente. As variações do índice de refração agem como uma grade de difração ou “Bragg diffracter”. Diferentemente de gratings clássicos, o AOTF somente difrata um único e específico comprimento de onda, agindo mais como um filtro do que como um grating. Isto é resultado do fato de que a difração ocorre em todo o volume, e não somente na superfície ou plano. O comprimento de onda que é difratado é determinado pela seguinte condição de “phase matching”:

pp = ||n ÀÀ ��a / fa onde |n é a birrefrigerência do cristal, �a e fa são a velocidade e frequência das ondas acústicas À é um parâmetro complexo dependendo do projeto do AOTF. Assim o comprimento de onda pode ser selecionado simplesmente variando a freqüência da RF aplicada. Como indicado na figura, a luz difratada é entregue em dois feixes (+) e (-). Estes feixes são ortogonalmente polarizados, o que é utilizado em certas aplicações. Para utilizar o AOTF como filtro sintonizável, um “beam stop” é utilizado para bloquear a luz não difratada. O ângulo entre os feixes é função do projeto do sistema, mas é tipicamente alguns poucos graus. A largura de banda da luz selecionada depende do sistema e do comprimento de onda da operação, e pode ser estreita como 1 nm FWHM. Eficiência de transmissão é alta (até 98%), com intensidade dividida entre os feixes (+) e (-). Outra característica única do AOTF é a possibilidade de ajustar de maneira rápida e precisa a intensidade da luz filtrada variando a força da RF.




Equipamentos

A Brimrose (NIR) infravermelho próximo possui a família de Luminar TM série de espectrômetros que é baseado na tecnologia: acousto-optic tunable filter (AOTF).

Sem partes móveis para análise de processo com as características seguintes: altamente veloz, robusto, alta sensibilidade, ambiente de operação iluminado, estabilidade alta e repetibilidade. A CPU embutida e capacidade de Ethernet permite a operação sozinha (stand-alone) e para sua Rede (networking) uma solução viável para suas necessidades de processo. Diagnósticos remotos por um modem interno, junto com o designer de uma placa modular, permitem manutenção preventiva e conduzem para zerar tempo de parada de seu processo.

Para qualquer aplicação, a interface para seu processo é crítica. Brimrose oferece uma variedade de sondas que incluem reflectância difusa, transflectância e celulas de fluxo, nas quais podem ser fabricadas de materiais conforme as suas necessidades. Estes são conectados ao analisador por fibras simples ou fibra estrelares, terminando os com conectores padrões TNC ou SMA na indústria .

O uso de baixo OH contido nas fibras únicas, permite análise de pontos de amostra localizados a centenas de metros do analisador, enquanto a unidade multiplexador da Brimrose LightGlide TM minimiza drasticamente o custo por amostra de ponto com até 16 canais monitorados por um único analisador.




Para a análise de sólidos, Brimrose desenvolveu o sistema FreeSpace TM e levou o espectrômetro direto ao ponto de medida. Este conceito fibra-livre dá desempenho superior em todo aspecto de medida de reflectância difusa.

Estão disponíveis diferentes documentos para satisfazer todas as exigências ambientais, inclusive Classe 1, Divisão 1, NEMA 4X, IP55, IP65, e 19 " rack montado.

Seed Meister TM é um sistema especialmente desenvolvido para alta velocidade de discriminação, quantificação e seleção de sementes híbridas como: soja, milho, café, amendoim, etc. Este sistema é capaz de selecionar até 60 sementes por minuto e analisar constituintes como: óleo, proteína, umidade, amido, açúcar, etc.

Porque trazer a amostra até o laboratório se você pode levar o laboratório até a amostra.

Com o Luminar TM você ganhará tempo e dinheiro na identificação, checagem e análise de matérias primas e produto final em qualquer lugar (na linha de produção ou durante a inspeção final, sem a necessidade de preparar as amostras).

Típica instalação de um Luminar TM Free Space.

- Trabalhando a 65 mm de distância da amostra.

- Cabos eletrônicos no máximo de 15 metros

- Medindo em reflectância sem tocar a amostra

- Espectrômetro em uma pequena caixa.




Características dos espectrômetros AOTF Brimrose

Velocidade : A tecnologia Luminar permite acessos de até 4.000 comprimentos de onda por segundo (Luminar 2000) ou 16.000 comprimentos de onda por segundo (Luminar 3000). Neste último caso, isto significa até 30 varreduras por segundo. Maiores velocidades em NIR significam poder realizar compensações para micro e macro bolhas em correntes do processo, aumentar a relação Signal to Noise por efeito de co-adição, especialmente quando na análise de componentes de baixas faixas de concentração e uma melhor utilização de multiplexadores. Neste último caso, especialmente em multiplexadores para um número elevado de canais, a velocidade é fundamental. Se uma análise típica realizada com um analisador baseado em tecnologia de monocromadores demora em média 60 segundos, para um multiplexador de 20 canais o tempo necessário para completar o ciclo de medições e retornar ao primeiro canal pode significar um tremendo desperdiço ou ausência de controle. Ausência de Partes Móveis : A tecnologia Luminar é exatamente a mesma em equipamentos de processo e de laboratório : Repetibilidade/Calibração : No AOTF, o comprimento de onda transmitido é independente da geometria do sistema. O comprimento de onda transmitido é determinado somente pela freqüência da RF aplicada, que é gerada com precisão digital. Isto significa que após a calibração do sistema na fábrica, recalibrações do sistema óptico não serão mais necessárias. A repetibilidade de comprimentos de onda, em curto e longo prazos são também excepcionais: melhor que 0.01 nm; AOTF’s são compactos e robustos : um sistema que não apresenta partes móveis é insensível às condições ambientais em aplicações industriais, como vibrações e choques mecânicos; Eficiência/Sensibilidade : AOTF é um sistema de alta eficiência na transmissão de comprimentos de onda, chegando até a 98%. Não existem fendas ou sistemas ópticos de geometria complicada. Os equipamentos são de feixe duplo, o que é uma vantagem adicional em processo, devido à necessidade de realizar a leitura do canal de referência. Manutenção “Hands-Off” : não existem partes ópticas e móveis a serem alinhadas ou recalibradas. Assim a manutenção é extremamente rápida e opera no conceito de troca de placas, em estilo de manutenção de microcomputadores. O único consumível é uma lâmpada pré-alinhada.




Integração - Adequação ao Processo : Luminar nasceu como um analisador de processo, ao contrário de outros equipamentos NIR que são versões adaptadas de instrumentos de laboratório para operar na linha de produção. Como o processo sempre exigiu a integração de instrumentação com sistemas tipo SDCD ou PLC, o conceito de integração estava presente desde o início do projeto Luminar. A interface Ethernet foi escolhida para permitir uma fácil disponibilização e integração dos dados, através de link com o SDCD por protocolo numérico (modbus), fieldbus ou via placas 4-20 mAmps. Modem - Ferramentas de Suporte Embutidas : todo sistema Luminar contém um modem embutido para diagnósticos remotos e suporte de aplicação. O analisador pode também ser operado via telefone, ou Internet.




Brimrose Spectral Software

O Servidor de Predição Tempo-Real da Brimrose utiliza modelos desenvolvido na indústria software padrão de quimiometria como Unscrambler, Pirouette e Grams32.

Análise qualitativa com Identificação, Informação Espectral, Cliente LabView VI e Servidor de Aquisição de Dados

Programa para monitoramento de processo

Reduza Variabilidade do Produto Reduza Tempo de Ciclo do Lote Controle de Realimentação e Retorno do Processo Rápido e Preciso o Ponto Final de Monitoramento

Linha de Tendência de tempo-real mostrado no DCS para Processo de Recuperação Solvente On-line

É provida comunicação por Protocolo de Modbus que permite fluxo inigualado de informação entre o Mestre DCS e analisador escravo por AOTF-NIR. Customização do Modbus traz flexibilidade e permite interface aos líderes de indústria como Allen Bradley, Foxboro, Yokogawa, Honeywell e outros.




Além de protocolo de Modbus, a indústria padrão, os sinais de 4-20 mA podem ser facilmente utilizados.

Análise quantitativa que mostra a Linha de Tendência com Alarmes Superiores e mais Baixos, Espectros de matéria-prima, Concentração e Descoberta de Outlier

Transferências de Calibrações

A Brimrose desenvolveu um algoritmo único, sem igual e garantirá transferência de calibração nas seguintes condições:

Transferência de Calibração de Analisador para Analisador Transferência de Calibração desenvolvida no Laboratório para as condições de Processo Transferência de Calibração depois de mudanças de hardware




Suporte de Processo (AOTF-NIR)

O trabalho do time constrói o sucesso da Brimrose e as Aplicações, Orientações Tarefas e Força são reconhecidas dentro da indústria como o time com um registro inigualado de sucesso e realização implementando de processo on-line por AOTF-NIR.

Especialistas da Brimrose têm vasta experiência em muitas indústrias de processo incluindo: Petróleo e Petroquímicas, Polímeros, Farmacêuticas, Substâncias Químicas, Papel e Celulose, Têxtil, Alimentos / Leite e Agricultura. Nós nos orgulhamos em nossa habilidade para oferecer uma solução turn-key completa.

Dois anos de garantia no sistema analisador é padrão e os clientes tiram proveito de nosso contrato de apoio podendo utilizar nosso conceito único de Forever Young TM, ou seja, são oferecidas versões de software e hardware aperfeiçoadas sem despesa no período do contrato com o cliente.

Os cientistas e engenheiros da Brimrose pesquisam e continuam aumentando o desempenho da série Luminar TM de analisadores por AOTF-NIR, estes conhecimentos serão implementados em analisadores existentes no campo.

Suporte do usuário via modem também é oferecido no contrato. O suporte rápido e eficiente na aplicação do cliente, bem como, manutenção de calibração. Contratos de serviço baseado em tempo de resposta também são uma parte integrante do pacote de apoio extenso que nós oferecemos.

Treinamento e cursos em quimiometria, diagnósticos do analisador e interfaces para o controle de sistemas do processo, inclusive Modbus, que assegura a Brimrose transferir sua experiência à sua indústria.




Mercado e Aplicações

Hoje o monitoramento on-line por AOTF-NIR e o controle do processo operacional são crescentes e o número de mercados competitivos.

Globalmente, a indústria farmacêutica ampliou o uso da técnica por AOTF-NIR na identificação de matéria-prima para um ponto onde 100% de inspeção do comprimido, no processo que mistura e formulação, e recuperação solvente estão em uso rotineiro.

Exemplos na indústria de alimentos incluem umidade e conteúdo de óleo em comidas de snacks, umidade em cereais de café da manhã, e gordura em carnes de processo. Recentes desenvolvimentos estenderam o uso de AOTF-NIR agora em indústrias de bebida e de leite.

Para processo de fabricação de queijo on-line, gordura e umidade em misturas cruas e validação de produto final também foi desenvolvido prosperamente.

Tradicionalmente, NIR foi desenvolvido para servir o grão e grão de semente de óleo, soja e plantas de processo. Agora, no clima empresarial de hoje a necessidade de informação de processo exigi a monitoração para substituir a amostra de laboratório. Agora controle de tempo-real para trigo e polvilho moído, frutose no milho úmido moído, valor de iodo, ácidos gordurosos livres em óleos comestíveis são agora analisados diretamente usando AOTF-NIR.

Recentes aplicações de agricultura incluem analisadores por AOTF-NIR em safras associando-se mapeamento por Satélites de Posicionamento Globais (GPS) para economizar em custo de fertilização.




Recentes avanços permitiram as aplicações na indústria petroquímica como o octano e o elemento aditivo que monitoram a produção de gasolina. Medidas de on-line em polímeros como Melt Index, elementos aditivos, estão sendo padronizados na indústria com analisadores por AOTF-NIR .

Parâmetros críticos como extrato de álcool e cor em amostras de cerveja não filtrada, permitiram a indústria de cerveja adotar AOTF-NIR para as suas necessidades.

Finalmente, a indústria de Papel e Celulose percebeu a técnica AOTF-NIR para soluções de controle do processo. Análises como: números de KAPPA foram recentemente desenvolvidos valores de energia e álcali efetivo nos analisadores on-line, respostas de tempo-real para o Kraft processo.

Em conclusão, os usos potenciais são ilimitados. O uso futuro de AOTF-NIR permanece aberto à imaginação de suas indústrias.

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