在過去二十年左右的時間里，分析儀器的功能越來越強大和可靠，但取樣系統卻沒有相應地發展。有業內專家認為，工藝分析儀系統相關問題中 80%發生在取樣系統，因此取樣系統的改進變得尤為重要。
使用儀表分析法對化學工藝進行監測和控制，顯著提高了產品質量、能源和原材料使用效率、環保性、安全性和設備總體贏利能力。自動化在線工藝分析儀系統提供了一個實時的工藝視圖，能夠幫助用戶進行快速調整，以保證實現更好的工藝控制。
分析儀系統可以是比較簡單的（比如用于監測單個碳氫化合物氣流內水分含量的系統），也可以是比較復雜的（比如用于在工藝流程內多個點監測工藝流體成分的大范圍多流系統）。兩種情況下，取樣系統都需要對樣品進行提取、收集和可能的預處理，把樣品運送到分析儀，經過適當處理后將其送進分析儀，處置分析后將其送回工藝管路。其他用于吹掃或校準與驗證系統可以為分析儀提供支持。
取樣系統一般是針對工藝設備內的具體應用場合設計的，隨著被分析流體、分析物、工藝點、工藝條件甚至在工廠內位置等要求的不同，系統會有很大不同。通常，取樣系統是閥門、調壓閥和其他流體控制裝置、過濾器、儀表和傳感器、加熱器和冷卻器以及接頭、卡套管和公稱管的組合。
改進取樣系統
在過去20年左右的時間里，分析設備功能越來越強大和可靠，驅動和操作系統的計算機和軟件越來越復雜、強大，并且用戶界面也越來越友好。然而另一方面，在這段時間內，分析儀取樣系統的基本設計幾乎沒什么變化。
行業內一致認為，工藝分析儀系統相關問題中 80%發生在取樣系統，并且一致認為需要改進取樣系統。
隨著工藝分析能力的持續發展和提高，人們可以使用更復雜的分析儀進行更多種測量。工業企業的需求是提高分析系統的性能，降低系統的設計、制造和安裝成本，降低運行費用和維護費用。滿足這些需求的一條重要途徑是取樣系統小型化、模塊化和智能化。
2000 年 1 月的國際過程分析化學論壇（IFPAC） 上確定了這種改進需求，國家標準與技術研究所（NIST） 也充分定義和確認了這種需求。NIST 先進技術計劃化學與生命科學辦公室正在通過智能控制焦點計劃滿足這些需求。
圖2. 高純碳氫化合物流內ppm級H2O和O2的測量流程圖。
模塊化設計誕生
工藝分析化學中心（CPAC） 是一個工業學術聯合研究機構，位于美國華盛頓大學，他們開展了一項由 CPAC 主持、企業會員（工藝分析化學儀表的最終用戶或供應商）參加的新取樣/傳感器計劃（NeSSI）。該計劃的目的是“協助進行最新技術評估和下一代模塊化取樣系統設計的持續開發”，模塊化策略的一個關鍵要素是開放式體系結構。儀表、系統與自動化協會（ISA）SP76 成分分析儀委員會增加了一個負責編寫小型、模塊化智能取樣系統功能流體控制元件與流道基底接合面密封標準的專業委員會。
CPAC 通過 NeSSI 向所有感興趣方征求新系統設計方案建議，征求意見書內容包括工廠內實際使用的6套實際系統的圖紙，從比較簡單的系統到復雜的八流系統都包含在內。這些系統的潛在供應商提供了多種不同方案。世偉洛克公司使用最初為半導體工業用特種氣體處理系統開發的模塊化技術設計了6套方案，都采用模塊化布局，并使用了配置工具軟件包。該工具是一個標準的基于 Microsoft Windows的軟件包，在這個工具內，用戶可以使用一個拖放界面繪制流動圖，輸出之一是用戶布置完畢的系統詳細裝配圖（見圖 1）。
圖 2是6套系統之一，高純碳氫化合物流內ppm級H2O和O2的測量流程圖。該系統用來證明模塊化設計的可行性和實用性。這是一個單樣品流系統，一個用于傳感器吹掃的儀表氣源和一個用于校準各傳感器的氮氣氣源（零點氣體）在適宜位置接入系統內。整套系統的尺寸為寬 24.6 cm（9.7 in.）、長 75.2 cm（29.6 in.）、高 19.0 cm （7.5 in.），比傳統設計的儀表板和儀表箱小得多。
用于驗證設計概念的這套模塊化技術使用了位于基底通道內的小流量部件，通道內并排布置的孔口是功能流動部件（例如分別使用4個螺栓安裝在基底通道上的閥門、調壓閥或過濾器）的進口和出口，連續的流動部件決定了通過系統的流道。在某些點，如果要引入不同的樣品流、吹掃氣體、沖洗溶液或者校準和/或校驗流體，可能要使用落入式流動部件建立分流層，使主流道和其他流道連接起來。
模塊化方法的優點
取樣系統的模塊化設計方法具有很多優點：
利用系統配置工具軟件等工具縮短了開發和布置時間，降低了成本；
取樣系統的尺寸、重量和占地面積減小，因此能夠很容易地與專用現場安裝分析儀配套并安裝在取樣點，而不必提供很長的、加熱的樣品傳輸管路，在工作臺上就可以完成工作，而不需要使用臺架；
與傳統系統相比，小型模塊化取樣系統的內表面積較小，因而減少了流體吸附量；
系統內部容積較小，容易吹掃或沖洗，從而節約了昂貴的分析儀流體；
系統易于裝配，安裝非常簡單，只需要幾個連接。所有功能部件都是表面安裝的，易于維護。所有部件都可以從頂部觸及，只需拆下4個螺栓就可將其從系統內取出。
本文描述的技術中，基底通道上的各流動部件都可以更換，方法是先拆下兩個功能部件，更換所需的流動部件，然后重新組裝。同樣，所有必要的檢修都可以從頂部完成。
不同制造商提供不同的基底設計方法，有的提供專門為某個給定應用場合制造的基底，由基底模塊和焊件構成，這些模塊和焊件共同構成了通過系統的一個獨特流道。有的制造商提供的基底由一個個模塊構成，用螺栓把這些模塊縱向連接在一起時形成通過系統的流道，各基底模塊之間需要面密封。
本文所述技術在裝配基底時不需要面密封、螺栓或焊接。所有這些不同方法都已經成功使用，因此證明了小型模塊化智能取樣系統的可行性和實用性，這些系統就是 NeSSI I 代系統。
實時在線分析要求取樣系統是自動化的，并且是與整套設備操作系統集成在一起的，所有 NeSSI I 代系統采用市售表面安裝功能部件和控制解決方案解決了模塊化的物理問題。I 代系統涉及簡單的自動化，用于監測工藝流體物理特性的壓力傳感器、熱電耦、質量流量計等功能部件通過輸入/輸出模塊連接到控制器。這些信號是常規 4~20mA信號。通信是點對點的單向通信，每條線只用于一個元件。
新一代智能控制系統
目前，CPAC 已經制定出 NeSSI II 代系統規范，II 代系統用于解決取樣系統智能控制涉及的連接和通信問題。規范中定義的這種下一代系統的一些主要特點包括：
緊湊的智能壓力、溫度和流量傳感器；
自帶電氣執行機構的智能閥門；
多點傳感器總線通信（可以是無線通信）；
為取樣系統提供控制和連接的傳感器執行機構管理器（SAM）。
智能功能部件必須具有真實的即插即用能力。這種取樣系統可能處于具有潛在爆炸性的環境中，因此功能元件、傳感器總線和 SAM 必須經過此類危險區使用安全認證，首選保護方案是本安型，這樣就可以在此類區域內進行帶電插拔（RIUP）。NeSSI I 代系統可以使用基于市售輸入/輸出的控制解決方案，NeSSI II 代系統將使用基于現場總線的控制體系結構和智能化功能設備。通信將是雙向的，因此應用到系統內后，這種設備將能夠通過 SAM 互相通信。這種體系結構允許每根線用于多個設備和變量。構建 NeSSI II 代系統所需的許多設備都還無法從市場上找到，不過供應商正在開發這些設備。
I 代和 II 代系統的差異基本上在于模塊化和智能化方面，I 代有效地解決了模塊化問題。有些 I 代系統已經安裝在運行設備上，初步結果表明能夠實現預期的改善和成本節約。
以后幾個月中將在一些具體位置繼續進行更多 beta 測試。II 代系統的開發也在進行中，基本連接和通信解決方案以及某些智能元件可獲得時將開始 alpha 測試。預計從 I 代系統到完全智能化、功能全面的 II 代系統的轉移將是革命性的，但開發過程中實現的改善和進步將與 I 代系統相容。
CPAC已經制定了一個方案，詳細規劃了這些系統的開發日程。該方案還描述了較長期的未來計劃和預期應用微量分析設備（例如芯片實驗室）的 NeSSI III 代系統的開發。預計智能小型模塊化取樣系統將為此開發提供平臺。
緊湊型模塊化取樣系統技術的早期應用表明這種系統的設計、制造和安裝的許多成本要素都能夠產生預期的成本節約。操作測試將確定系統操作與維護能夠實現哪些節約，II 代系統的建設和測試將提供關于成本節約的更多有用信息。