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Sistema NIR para Control de Procesos

Medición Multipunto Remota en Línea

(On Line – Resultados a Tiempo Real)

Concepto Tecnológico:

El sistema y equipamiento está basado en el uso de la energía NIR (infrarrojo cercano) como medio de excitación de la materia a controlar, obteniéndose información espectral especifica de la misma. Este espectro representa la absorción de los componentes presentes en el producto controlado, como Proteínas, Agua (humedad), Grasa y Fibra. Estos espectros se correlacionan con la concentración de los constituyentes mencionados a través de un modelo matemático denominado Calibración.

Los sistemas desarrollados por TecnoCientífica utilizan el concepto de transporte de la señal lumínica a través de Fibras Ópticas especiales, que aseguran una distancia de transmisión de hasta 1000 metros con un máximo de atenuación de señal del 5%.

El objetivo fundamental es la posibilidad de medir remotamente, independientemente de la distancia, distintos puntos de la línea de procesos, concentrando toda la información en una unidad central, desde la cual puede ser administrada por los diferentes operarios autorizados. La información On Line y visual de la evolución de parámetros controlados, puede ser observada por diferentes actores, vía Intranet o Internet, siempre bajo estricto control del Usuario Administrador generado por el cliente. Los productos medidos en los diferentes puntos pueden ser diferentes y seleccionables a criterio del usuario

Un sistema de Conmutación de Fibras Ópticas de diseño propio y exclusivo, se encarga de distribuir la señal proveniente de los distintos sensores hacia la unidad espectrométrica, permitiendo así utilizar solo 1(un) espectrómetro para controlar hasta 12 puntos de medición remotos con una única central. Esto le da al sistema una óptima relación Costo/Beneficio.


Tecnología Diferenciada:

La tecnología diseñada por TecnoCientífica para el uso de mediciones y control a Tiempo Real en las líneas de procesos, puso el foco en cubrir de la mejor manera posible las necesidades del usuario, manteniendo una amplia versatilidad. El corazón de la unidad central, es un módulo espectrométrico NIR con un detector PDA de hasta 512 elementos. PDA significa en inglés Photo Diode Array (en castellano conocido como Arreglo de Diodos) muchas veces confundido con CCD (Couple Charged Device). Si bien el concepto es similar, el material y tipo de componentes de ambos arreglos es diferente. El arreglo de diodos utilizado por nuestra tecnología utiliza elementos de InGaAs (Cobertura de Indo ‐ Galio ‐ Arsénico) considerados los mejores, y más estables componentes para la detección dentro del rango de longitudes de onda en el infrarrojo cercano (NIR)

La característica principal de esta tecnología no es solo que obtiene un espectro COMPLETO del producto controlado, sino que también es ultra rápida y colecta TODAS las longitudes de onda simultáneamente, haciéndola IDEAL para las determinaciones On‐Line. Al no poseer partes móviles en el dispositivo dispersor de luz, no se producen derivas en su señal, y no hace falta recurrir a procedimientos de calibración óptica del espectrómetro en sí.

Esta es una diferencia importante respecto de los sistemas que utilizan un monocromador para realizar el barrido sobre todas las longitudes de onda del rango NIR.

Espejo Colimador

Detector de Arreglos


En el sistema de monocromación, puede llegar a lograrse mayor resolución, pero el sistema DEBE realizar un escaneo completo para obtener una imagen espectral completa del producto. Su detector también es un Fotodiodo InGaAs pero de un solo componente. Por tanto para colectar la imagen completa está obligado a mover el elemento dispersor (prisma o red de difracción) de manera de focalizar cada porción del espectro sobre el único mono‐detector. Así, el tiempo de medición es más lento y en realidad la imagen espectral corresponderá a una “diagonal” del producto, si se trata de aplicar en la línea de proceso, en lugar de una sección transversal del mismo:


La experiencia nos ha demostrado que para el manejo de sólidos heterogéneos que se mueven a velocidad importante, lo más importante es la representatividad del dato. La tecnología de arreglo de diodos (ya sea PDA o CCD) nos permite obtener rápida información completa y de una misma sección de muestra. Pero eso hay que integrarlo con un manejo de software que le permita al usuario diagramar CUANTOS individuales quiere obtener antes de generar uno integrado (o promedio) para obtener la predicción de la composición porcentual de la muestra. El software diseñado por TecnoCientífica permite el manejo y administración de esta representatividad por parte del usuario. Esto quiere decir que, teniendo en cuenta el caudal de producción, el usuario puede decidir, indicándole al software cuantas imágenes obtener antes de realizar una determinación, a cuantos kg corresponde la representatividad de ese dato.

El sistema más antiguo utilizado en la tecnología NIR es el uso de filtros ópticos para la obtención de “bandas” de luz diferenciadas.

Este tipo de tecnología es útil cuando se tiene un producto realmente homogéneo, ya que solo manejaremos bandas estrechas y específicas de longitudes de onda. Además, de la misma manera que el monocromador debe girar la red de difracción (o prisma) para “barrer” todo el espectro, en esta tecnología, el disco de filtro debe producir el giro completo para permitir recorrer todos los filtros ópticos del sistema, dándole el tiempo suficiente a cada uno para una señal robusta en relación al ruido propio del detector.


Por tanto el tiempo es aun menor, y obtendríamos una imagen “diagonal” aun más dispersa. En plantas donde la velocidad de producto y la heterogeneidad del producto es realmente alta, este tipo de tecnologías tendría mucho más sensibilidad a los cambios de productos.

Dos Diferencias Críticas:

1) Unidad NIR completamente aislada del ambiente y térmicamente controlada por sistema Peltier: Concientes de lo importante que es el control ambiental para el “corazón” espectrométrico, la tecnología utlizada por TecnoCientífica instala el NIR dentro de un Termo aislado del ambiente (no ingreso de polvo – no afectación de humedad ambiental) y controlado con una placa Peltier de alto poder para mantenr su micro ambiente en 20°C +/‐ 0.06°C. Esto le infiere una estabilidad excelente al sistema. Los sistemas que instalan espectrómetros en cada punto de medición, están expuestos a cambios de planta sumamente agresivos, además de sumar mucho mayor costo ya que cada punto es un espectrómetro en sí.

2) Sensor SIN contacto con el Producto: Con larga experiencia en este tipo de plantas, uno descubre lo agresivo y abrasivo que pueden ser productos como el Poroto de Soja o su Harina, viajando a alta velocidad. Entrar en contacto con ellos sería estar cambiando permanentemente sensores. Nuestros sistemas miden a través de ventana de alta dureza contra las cuales se arrastra la muestra, midiendo de manera continua y sin desgaste o ensuciamente de ninguna de las partes ópticas del sistema. Además, no medimos con “cámaras de aire” entre nuestros sensores y el producto a controlar. Es decir, no colocamos los sensores sobre las líneas de transporte donde hay una distancia aérea entre el sensor y el producto. Hay varias razones para no hacerlo:

• Al moverse las cintas a altísimas velocidades (debido a los volúmenes de producción típicos de esta industria) se produce insuflado de aire en la muestra cambiando su densidad

• Cambia además la distancia entre muestra y sensor

• Hay polvo permanentemente en el camino de iluminación que produce dispersión no deseada

• Es sumamente difícil controlar el ensuciamiento de los sensores

Por lo general han sido tecnologías pensadas para transportes de productos más homogéneos y para transportes de muy baja velocidad

Es muy importante notar que, TecnoCientífica inició sus investigaciones y aplicaciones en este tipo de tecnología aplicada a productos heterogéneos y sólidos en el 2002, convirtiéndose en pioneros en esta materia. Su diseño es sumamente característico y diferenciado, con grandes ventajas por la apertura de su sistema hacia el usuario, el manejo de varios puntos de medición remoto con un solo espectrómetro, diferentes productos y parámetros.


Descripción del Sistema:

1) Sensores remotos de medición Olsen:

• Montados íntegramente en gabinetes industriales estancos a prueba de polvo y humedad

• Sensor óptico con fuente halógena de tungsteno y lente colimadora incluida

• Sistema de referenciado automático (Dark y Blanco)

• Ventana de Cristal de Cuarzo de alta dureza

• Sistema de toma‐muestra automático y programable para calibración y/o validación

• Display LCD para control de estado y servicio técnico

• Electrónica de control

• Ventana de inspección para estado de lámpara

• Compuerta de acceso a contenedor de muestra

• Caja de Electrónica general y fuentes de alimentación para Sensor Olsen Precisa 220 volts estables y limpios


2) Central Automática de Control

Montada íntegramente en un rack industrial especial para mantener toda la electrónica y espectrómetro aislados de polvo y humead

• Unidad Espectrométrica NIR montada en sistema TEC (Peltier) que mantiene su ambiente operativo en 20°C +/‐ 0.1°C ‐ Rango espectral de 1200 – 2100 nm. Sin intercambio de aire con el medio externo, por lo que se anula el ingreso de polvo al espectrómetro.


• Conmutador de Fibra Óptica, diseño exclusivo de TecnoCientífica, capaz de manejar hasta 12 puntos de manera secuencial

• Electrónica de Control General del sistema

• Fuentes de alimentación

• Control de comunicación entre Sensores y PC

• Display LCD para control de estado y servicio técnico

3) Fibra Optica

• Diámetro 400/500 micrones

• Core de Sílice Fundido con Ultra Bajo contenido de OH (especial para transmisión en el infrarrojo cercano)

• Protección interna con hilos de kevlar y camisa plástica

• Protección externa con camisa de PVC flexible

• Terminales con conectores SMA Premium


4) Comunicación: Protocolo Bus‐Can de comunicación para control de sesores de monitoreo en puntos de medición y Central automática

5) Sensores de Monitoreo: En todos los componentes del sistema se instalan sensores que permiten controlar desde la PC Central el estado de funcionamiento de todas las partes ópticas y mecánicas:

• Presencia de Frasco recolector de muestra

• Estado de lámpara

• Posicionamiento de referencia

• Posicionamiento de la compuerta del toma‐muestra

• Posicionamiento del Conmutador de Fibra Óptica

6) Software Operativo Central Diseñado y desarrollado por TecnoCientífica, este software trabaja bajo una plataforma de Windows 2000, XP o superior, y comando la operación de adquisición de datos, muestra en pantalla y almacenamiento. Estas son sus principales características y alcance:

• Compatible con Windows 2000, XP o superiores

• Base de Datos SQL, protegida e inviolable

• Registros históricos permanentes y automáticos

• Exportación a Excel de datos históricos por períodos seleccionados a criterio del usuario

• Configuración de Usuarios y Password con distintos niveles de acceso y operación, gerenciado por el usuario Administrador del cliente

• Operación del sistema On Line, automática

• Control de estado remoto de los sensores de línea y sus componentes

• Sistema de servicio técnico y reparación de puntos de medición vía remota por software

• Visualización de datos en gráficas individuales en pantalla por punto de medición (producto) y parámetro, a selección del usuario. Puede seleccionar ver todos los puntos & parámetros o solo los que desea ver

• Período de visualización en gráficos seleccionable por el usuario

• Cálculo automático del promedio del período mostrado en gráfico, que se actualiza permanentemente con el último dato tomado

• Valor Actual (último medido), con su hora específica

• Programación de niveles críticos para cada parámetro (alarmas de máxima y de mínima)

• Programación de línea objetivo de producción por parámetro

• Cuadros de Ajustes individuales por punto de medición (producto) y parámetro

• Configuración de productos y calibraciones por punto de medición a selección del usuario. Cambiables cada vez que así lo requiera el usuario, ya sea por


actualizaciones de modelos, o por cambios de producción en las diferentes líneas de procesos donde se encuentran ubicados los sensores.

• Archivos automáticos de registros de espectros (SPC) tanto de medición como de aquellos tomados para validación/calibración.

• Posibilidad de instalación de Software Esclavo para computadoras periféricas de usuarios que precisen visualizar (solo) los datos On Line

• Posibilidad de instalación de Software de Replicación y comando remoto, si un usuario administrador precisa controlar, configurar y/o ajustar el sistema vía remota.

• Programación de toma de muestras para validación/calibración automática en los diferentes puntos, vía software y desde la central.


Consideraciones técnicas especiales:

• Todo el funcionamiento puede monitorease, controlarse y programarse desde el Software Central.

• El sistema maneja la medición de todos los puntos de manera secuencial, siguiendo el orden establecido por el propio usuario. Este orden de secuencia puede ser modificado a requerimiento del mismo

• Pueden sacarse de medición alguno(s) de los puntos de medición, simplemente ingresando a través del software central en la configuración del punto en cuestión. Esto puede deberse a que la línea esté fuera de producción, o haya algún trabajo de mantenimiento en ejecución, o cualquier otro requerimiento del usuario.

• Los equipos de mesada de la línea InLab NIR-512/256 poseen la misma

tecnología que los equipos On‐Line de TecnoCientífica, compartiendo el mismo concepto de detección, colección espectral y predicción de composición.

Gustavo Caneda

Socio Gerente

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