在线近红外技术对工业与食品生产的影响

本文最初发表于《Processing》杂志。点击此处访问该杂志网站阅读原文。

从散装粉末到烘焙食品，水分控制在加工制造工厂最重要的质量保证工作中名列前茅。如果没有参数控制措施，水分和温度的变化会直接影响产品质量，增加额外的运营/能源成本，并导致产品浪费。

然而，考虑到大多数工业和食品加工厂的环境较为恶劣，并非所有的水分分析仪都适用。在特别具有挑战性的环节，例如干燥机或烤箱出口、带有空气悬浮颗粒的开放式传送带上方，或者在观察料仓、溜槽、螺旋输送机等位置时，都需要进行水分控制。

随着绿色环保倡议的深入和工资水平的增长促使工厂管理者更加关注成本，在线水分仪已成为推动投资回报率（ROI）的关键工具，帮助企业利用实时数据掌控质量并做出更优的运营决策。对于许多工业和食品生产流程而言，近红外（NIR）在线水分仪因能帮助企业实现这些目标而日益普及。

在线水分分析仪：目前有哪些选择？

虽然目前工业流程中使用了多种快速在线水分分析仪，但其中最常见的两种是近红外（NIR）和射频（RF）。微波和电容技术是其他类型的水分分析仪，但它们并不适合散装粉末或食品生产。此外，红外（IR）技术常用于制造业，但这些红外仪器仅测量温度，而非水分。

每种传感类型都有其优势，具体选择取决于工艺的特定要求和所需的测量深度。

NIR 是一种表面测量技术——通过定向发射近红外光并分析样品反射的光线来测量水分含量。这是一种二次水分分析方法，意味着每台仪器都必须针对其测量的每种材料进行校准。此外，NIR 测量仪必须安装在距离产品固定的位置（约 200-450 毫米/8-18 英寸）。

NIR 还能够测量温度和树脂/油含量等其他质量参数，所有这些功能都集成在仅占用生产现场极小空间的单一仪器中。这些优势使得 NIR 非常适合分析从粉末化学品到休闲食品等水分分布均匀的同质产品。

RF 是一种穿透式测量技术，通过向产品发射信号，根据水的介电特性来获取水分含量。RF 分析仪非常适合具有特定产品质量、形状和密度均匀的异质产品。

RF 水分分析仪可提供穿透深度通常在 10 毫米（4 英寸）以内的产品的完整水分分布情况。它常用于板材制造（刨花板、石膏板、绝缘材料等）和木屑颗粒/生物能源产品。然而，对于食品或非同质产品，RF 并非最佳选择。

对于许多工业流程和几乎所有的食品生产流程而言，NIR 是最实用且灵活的非接触式水分分析方法。此外，这些系统坚固耐用，安装占用空间小，并配有各种附件，几乎可以在工艺流程中任何需要的地方测量水分，因此大多数工厂业主无需寻找其他方案。

粘土、滑石粉和其他矿物成分在经过开采、精炼、混合并在高压粉末压机或冲压机成型前，会被干燥至设定的水分水平。控制粘土和粉末的水分对于生产尺寸一致的优质地砖和墙砖以及确保生产操作的安全至关重要。

成型瓷砖的含水量波动可达 6%，在进入窑炉烧制前，必须通过烘干或风干将其降至 1% 以内。含水量哪怕仅超过 1%，也可能导致炸裂。

在线近红外（NIR）水分仪能够测量输送带上粘土粉末的水分，为后续生产环节提供数据支持。大多数企业发现，将水分仪安装在输送带换向处之后，可以更准确地分析刚翻转产品的含水量。

这种在线测量方式不仅能提升产品质量，还能确保生产环境的安全。

砂料的含水量是开发建筑材料（如抹灰砂浆、砌筑砂浆、混凝土等）的关键质量参数。大多数生产企业将砂料露天存放，受天气影响，原材料的含水量波动很大。因此，在投入生产前，必须使用大功率烘干机进行处理。

如果企业无法掌握砂料进入烘干机前后的含水量，可能会在不知不觉中造成不必要的能源浪费。因此，在线近红外（NIR）检测技术能够帮助砂料生产商及其他采用类似预烘干工艺的散装物料制造商实现投资回报。

首先，在进料输送带上安装在线近红外（NIR）水分仪，有助于操作人员在烘干前掌握砂料的含水量。如果加工地点经历了长时间的干燥天气，或者砂料来自新的料仓，其初始含水量可能较低。此时，操作人员可以调低烘干机温度以降低能耗。在线近红外分析仪提供的实时数据让这一决策变得简单明了。

其次，为了实现质量闭环控制，一些砂料制造商会在烘干机出口处安装在线近红外分析仪，以确保水分达标；若含水量过高，还可将砂料重新送回烘干机。这不仅能确保为客户提供优质产品，仅凭节能带来的收益就能迅速收回系统投资。

壶煮薯片深受零食消费者喜爱，其标志性特点是比普通油炸薯片口感更酥脆。因此，水分和脂肪含量的控制对产品质量至关重要——这不仅关乎口感和味道，过高的水分和脂肪含量还可能导致产品在包装内发霉。

在此生产过程中，薯片在独立的锅中油炸，随后通过输送带运出。由于产品从锅中出来的速度不均匀，有时会堆积成峰，随着锅内物料减少又逐渐降低，导致输送带上的料层厚度在不同时段存在差异。

为解决这一问题，应用工程师与用户合作，确定了理想的安装高度（距离产品约 250 毫米/10 英寸）以及输送带上的最佳位置，以确保测量结果具有代表性（图 2）。经过严谨的测试，最终确定了这一理想的安装高度。

为传感器配备空气冷却附件，使其能够在高温高湿的作业环境中无忧运行。现在，即使产品流量不连续，薯片生产商也能准确获取薯片的水分和脂肪含量读数。

大型饼干生产商通常在烘焙前将面团压制成长片。他们此前已使用在线（at-line）近红外技术进行偶尔的抽样分析。然而，考虑到产品产量大且生产速度恒定，引入在线（in-process）监测方法来控制这些参数，对于管理成本和提升最终产品的一致性变得十分必要。

他们的首要任务是评估混合饼干面团在离开压片机时的水分和脂肪含量。为此，他们在压片机出口处安装了一台静态在线近红外（NIR）水分仪，从而获得了判断烘焙前产品质量所需的代表性测量数据（图 3）。

当产品离开烤箱时，安装在框架上的分析仪会持续扫描烤箱出口的整个宽度，以检测产品的水分含量。操作员可以通过显示屏判断烤箱的特定区域温度是否过高或过低，并根据需要进行调整。

在线近红外技术凭借其灵活性、紧凑性和简洁的设计，成为工业产品和食品加工商在关键工艺阶段进行水分分析的理想方案。通过始终聚焦于成功安装的核心要素，并与信誉良好的技术供应商合作，该技术的应用场景正在不断推陈出新。

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