微通道智能电合成系统中的多模态传感与数据融合策略

  微通道智能电合成系统作为化工与材料合成领域的新兴技术，凭借其高效、精准、安全等优势，正逐步改变传统合成工艺的格局。在该系统中，多模态传感与数据融合策略的运用至关重要，它们如同系统的 “神经" 与 “大脑"，实现对反应过程的精细监测与智能调控，确保反应高效、稳定且安全地进行。

一、微通道智能电合成系统概述

      微通道智能电合成系统是利用微尺度通道内的电化学反应实现物质合成的装置。其核心优势在于微通道的高比表面积，能极大提升传质、传热效率，精准控制反应条件，有效减少副反应，提高产物纯度与反应选择性。例如，在有机电合成中，可通过精确调节电流密度、反应温度与流速，实现对反应路径的精准引导，这是传统大尺度反应器难以企及的。

二、多模态传感技术在微通道智能电合成系统中的应用

（1）电流 / 电位传感器

      电流和电位是电合成反应的关键参数。通过高精度的电流传感器，可实时监测反应过程中的电流变化，反映反应速率与进程。电位传感器则用于测量电极电位，辅助判断反应的发生与进行程度。在电催化合成过程中，电流的波动能直观展现催化剂活性的变化，电位的稳定与否也与反应的稳定性紧密相关。

（2）温度传感器

      反应温度对电合成反应的速率与选择性影响显著。高精度、响应迅速的温度传感器，如热电偶或热敏电阻，被部署于微通道关键位置，实时感知反应温度。在强放热或吸热的电合成反应中，及时准确的温度监测是维持反应在适宜温度区间的基础，防止因温度失控导致反应失败甚至安全事故。

（3）流量传感器

      反应物与产物的流量控制关乎反应的连续性与稳定性。流量传感器，如电磁流量计、质量流量计等，精确测量流体流速与流量，确保反应物按设定比例持续流入微通道，产物及时排出，维持反应体系的动态平衡。在连续流电合成工艺中，稳定且精准的流量控制是实现高效生产的必要条件。

（4）浓度传感器

      反应物与产物的浓度变化是反应进程的直接体现。光谱类浓度传感器，如紫外 - 可见分光光度计，可在线监测溶液中物质的浓度；电化学类浓度传感器则通过检测离子浓度变化来反映反应进行程度。在药物中间体的电合成中，实时监测反应物浓度，能及时调整反应参数，保障产物收率与质量。

（5）压力传感器

      反应体系内的压力波动可能影响反应速率、物质传输及设备安全。压力传感器实时监测微通道内压力，在涉及气体参与的电合成反应中，尤为重要。及时察觉压力异常，可防止管道堵塞、设备损坏等问题，确保系统稳定运行。

三、多模态传感数据融合策略

（1）数据级融合

      在数据采集初期，直接将来自不同传感器的原始数据进行融合处理。将电流、电位、温度等传感器的原始数据按时间序列整合，形成一个综合的数据集。这种融合方式保留了原始、全面的信息，但对数据处理能力要求较高，数据传输与存储负担较大。

（2）特征级融合

      先对各传感器数据分别进行特征提取，再将提取的特征进行融合。从电流数据中提取反应速率特征，从温度数据中提取热变化特征，然后将这些特征组合成一个新的特征向量。此方法降低了数据维度，减少计算量，同时保留了对反应分析至关重要的特征信息，在实际应用中较为常用。

（3）决策级融合

      各传感器独立进行数据分析与决策，然后将这些决策结果进行融合。电流传感器判断反应是否正常进行，温度传感器判断温度是否在安全范围，最后综合这些判断结果做出整体决策。该方式对各传感器的独立性要求较高，通信负担小，容错性强，适用于对实时性要求高且传感器可靠性有保障的场景。

四、多模态传感与数据融合策略的优势

（1）提升反应监测精度

      通过多种传感器从不同维度监测反应，如同时获取电流、温度、浓度等信息，避免单一传感器的局限性，全面且精准地掌握反应状态。在复杂的电合成反应中，单一传感器可能因干扰或测量范围限制而出现偏差，多模态传感则能相互补充，提供更准确的数据。

（2）增强系统稳定性与可靠性

      实时监测与数据融合能及时发现反应中的异常情况，如温度突变、压力异常等，并迅速做出调整。当某一传感器出现故障时，其他传感器的数据仍可支撑系统运行，通过数据融合算法进行故障诊断与补偿，保障系统持续稳定工作。

（3）实现智能优化与控制

      基于多模态传感数据融合，结合先进的算法与模型，可对反应过程进行智能优化。利用机器学习算法对历史数据与实时数据进行分析，预测反应趋势，自动调整电流、流量等参数，实现反应条件的控制，提高产物质量与生产效率。

五、挑战与展望

（1）面临挑战

      不同传感器数据的采样频率、数据格式与量纲存在差异，给数据同步与融合带来困难；多模态数据量庞大，对数据存储、传输与处理能力提出了很高要求；传感器的精度、稳定性与可靠性受环境因素影响，可能导致数据误差与错误。

（2）未来展望

      研发更高效的数据融合算法，能自适应处理不同类型、不同频率的传感器数据；借助边缘计算与云计算技术，提升数据处理效率，实现实时分析与决策；发展高精度、高稳定性、抗干扰能力强的新型传感器，拓展多模态传感的应用范围；将多模态传感与数据融合技术与人工智能、物联网深度融合，推动微通道智能电合成系统向智能化、自动化、无人化方向发展，为化工、材料等领域的创新发展提供有力支撑。

产品展示

      SSC-ECRS2000微通道连续流智能电合成系统主要用于电催化反应和光电催化剂的性能评价，可以实现连续流和循环连续流实验，配置反应液体控温系统，实现主要用于光电催化CO2还原反应全自动在线检测系统分析，光电催化、N2催化还原，电催化分析、燃料电池、电解水等。 

      SSC-ECRS2000微通道连续流智能电合成系统将气路液路系统、光电催化反应池、在线检测设备等进行智能化、微型化、模块化设计并集成为一套装置，通过两路气路和两路液路的不同组合实现电催化分析，并采用在线检测体系对反应产物进行定性定量分析。可以适配市面上多数相关的电解池，也可以根据实验需求定制修改各种电催化池。

产品优势：

● 将光源、电化学工作站、电催化反应池、管路切换和气相色谱模块化集成化系统化；

● PLC控制系统集成气路、液路控制、温度控制、压力控制、阀体切换、流路显示等；

● 主要用于半导体材料的光电催化流动相CO2还原反应活性评价等；

● 用于半导体材料的光电催化流动相H2O分解产氢、产氧活性评价、N2还原、电催化等；

● 微量反应系统，极低的催化剂用量；

● 导电电极根据需要可表面镀金、钯或铂，导电性能佳，耐化学腐蚀；

● 标配光电反应池，可实现两室三电极体系或三室三电极体系，采用纯钛材质，耐压抗腐蚀

● 可适用于气-固-液三相界面的催化反应体系，也可适用于阴阳极液流循环反应系统；

● 测试范围广，CO2、CO、CH4、甲醇、氢气、氧气、烃类等微量气体。