Automatiserad fukthaltsmätning vid bränslemottagning Mikael Karlsson Bestwood 2008-01-25 1
Innehåll Kort om Bestwood. NIR vad är det? On-line mätning Mottagningsmätning 2
Bestwood Startade 1996, med grunden i flera års forskning på KTH Affärsidé: Utveckla och marknadsföra, icke berörande NIR baserade mätsystem. Multivariat dataanalys. Konsultverksamhet. Stor erfarenhet av NIR-mätning på flis/spån/massa/papper 3
NIR vad är det? 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0-0.1-0.1 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 4
NIR teori 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0-0.1-0.1 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 Snabb analysteknik Stort penetrationsdjup Typiskt millimetrar till centimetrar Mäter bulkegenskaper Lämpligt att användas med optiska fibrer Stora energimängder Liten eller ingen förbehandling av material Applicerbart på många olika kemiska system Kan mäta fysiska egenskaper GAMMA X-RAY UV VIS IR MICROWAVE RADIO NIR Diffus reflektans 5
Vad är NIR? Nära Infra Rött ljus NIR är likt UV-VIS och låga IR-ljuset NIR spektrofotometrar är ofta kombinerade med VIS spektrofotometrar En mycket snabbt växande analysmetod, ofta använd för on-line mätning Består av en kombinationsband och övertoner från vanlig InfraRött ljus (jämför ljud, toner, instrument) NIR spektra kan jämföras med fingeravtryck från materialet. 6
Multivariat statistik Kemometriska metoder används för att tolka NIR spektra. Stora mängder data översätts till relevant information. 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0-0.1-0.1 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 7
Historik Hösten/vintern 05 undersökte Bestwood tillsammans med ÅF möjligheterna att använda NIR för fuktmätning på biobränsle, i ett Värmeforskprojekt. Mycket goda resultat gav oss iden att utveckla online mätning av fukt för att styra pannan. Hösten/vintern 06 förfrågan från v-forsk om mottagningsmätning. Sommaren 07 montering av hårdvara vid Eskilstuna Energi & Miljö. 8
NIR On-line Sedan Mars 06 har Bestwood tillsammans med Eskilstuna Energi & Miljö installerat och utvecklat ett system för on-line mätning av fukt på bränsle. Ett liknande system är installerat vid Göteborg Energi i Oktober 06. 9
NIR-data Vattentoppar Rådata kräver förbehandling. 10
Vattentopp Andra derivata på vattentoppen vid första övertonen. Toppmaxima skiftar som funktion av fukthalt 11
Vatten ~20% Fukthalt PLS-scores för de tre först principalkompone nterna Låg fukthalt Hög fukthalt 12
Resultat Vid normaldrift tas referensprover 2 ggr per vecka för att säkerställa systemet och för att erhålla nya möjliga kalibreringsprover. 13
Resultat Dessa värden kan även jämföras med fuktvärden från rökgaserna. Medelvärden över timmar, dygn, veckor etc. 14
Std på NIR Ref = 1.9% Resultat Ett stort antal dubbelprover har visat att std på referensmetod är ca 1.8%. 15
Mottagning Sedan våren 07 genomför Bestwood ett Värmeforskprojekt vid Eskilstuna Energi & Miljö. 16
Transport anländer Provtagning 17
Start av mätsekvens (Signaler till dator) Registrering Våg 18
Mätning kan startas Systemet färdigt för mätning (signal från dator) 19
Mätprob placeras i mätläge Med stadig hand sköter mottagaren provtagning mha kranen 20
NIR signal Mätprob Proben är fylld med kvävgas med 25 psig övertryck Kommunikation med dator 21
Mätning Ett antal (5-6) stick på lasset för att få ett bra medelvärde 22
Resultat till dator Separata stick Genomsnitt för en transport 23
Transport lämnar Fotocell som visar att transporten lämnat Signal till dator som ger medelvärdet av fukthalt i lasset 24
Mätning avslutad Fukthalten är bestämd Fuktvärdet och leveransens ID skickat till verkets datasystem Personal kan återgå till tidigare sysselsättning 25
Data Under ett stick på 15 sekunder erhålls 5 spektra, medel på dessa ger spektra för ett stick. 5-6 stick per bil, medel av stick ger bilmedel. Som visas senare är materialet ibland heterogent. 26
Referensanalys Metoden bygger på referensanalyser Vad är riktigheten på lab Vad är precisionen på lab Vilka felkällor tillkommer vid kalibrering och provhantering och hur stora kan de uppskattas vara. Det är viktigt att tänka igenom detta innan beslut tas om hur utvärdering skall ske. 27
Upprepade mätningar på bil Ett antal (4-6) prover från varje leverans. Proven erhålls genom att gräva ner 0,5-1m ned i materialet. Varje enskilt prov vägs in och analyseras separat. Vid ett antal prover mäts med NIR prob på samma position som provuttaget sker. (Proben går dock genom hela materialet i höjdled. 28
Upprepade mätningar på bil Manuellt NIR Ref analys Medel Spann Std Ref-Medel NIR Medel NIR Spann NIR Std 20.98 21.73 2.1 0.86-0.75 39.02 40.98 5.71 3.06-1.96 42.19 41.62 15.51 5.7 0.57 36.82 38.31 24.63 10.41-1.49 26.48 31.01 15.39 5.8-4.53 21.4 24.11 8.84 3.78-2.71 48.97 50.79 10.06 3.29-1.82 63.61 63.62 2.51 0.92-0.01 47.42 49.28 26.62 9.6-1.86 OBS! NIR mätningarna som redovisas är mha en slaskmodell 39.22 43.62 8.82 3.61-4.4 47.8 16.7 6.271 62.54 60.76 3.27 1.43 1.78 53.79 17.59 7.4363 58.53 54.56 18.05 7.19 3.97 52.96 13.56 4.4918 39.57 37.83 5.79 2.78 1.74 36.49 9.05 3.8014 29.2 30.32 2.79 1.22-1.12 36.59 13.95 6.1704 47.87 41.08 19.51 9.15 6.79 47.21 20.88 9.0418 29
Upprepade mätningar på bil (Ref analys) Röd linje - medelvärde 30
Upprepningar NIR STD = 1.5133 1.1138 1.4278 1.2025 0.6297 31
Olika godhetsmått för Leverans (alltid svårt att validera) mätmetoder On-line (tidsfiltrering möjlig) God riktighet God precision (liten spridning) Precision och riktighet 32
Upprepade mätningar på bil Det är tydligt att leveranserna är mer heterogena än vad vi antagit tidigare. Manuell provtagning visar på stor spridning i x-y led på bil. NIR visar på stor spridning i x-y-z led på bil. Detta ställer krav på hur kalibrering utförs. Även krav på hur validering utförs. 33
Modeller För att erhålla kalibreringsmodeller med god riktighet kan ej de vanliga referensanalyserna användas då bilarna kan vara mycket heterogena. För att erhålla god precision krävs förbehandling av spektra i flera olika steg. Viktigt är en kvalitetsanalys (på 3 sek spek). Till skillnad från on-line analys finns ingen möjlighet att använda tidsseriefilter för att ytterligare öka precisionen. 34
Mjukvara Mycket arbete har lagts ner på att utveckla ett helt paket av mjukvara som sköter: Kommunikation med instrument Kom. med fabrik (sensorer och filer läses in och fukt ges ut) Predikterar Kvalitetsgranskar Kom. Med Bestwood för fjärrövervakning 35
Framtid Systemet genomgår ytterligare arbete med modellering, vilket Bestwood gör med befintlig prototyp. När systemet finns fysiskt på plats finns det möjligheter att studera även ytterligare parametrar. Skall detta system användas för avräkning och ej enbart intern logistik krävs att branschen eller delar av den enas om formerna för detta. 36
Diskussion / Frågor 37