怎樣設計可靠的在線分析儀表取樣系統(tǒng)

摘  要：在線分析儀表能否可靠運行，大部分情況取決于取樣系統(tǒng)是否完善。什么樣的取樣系統(tǒng)才算是一個好的系統(tǒng)，怎樣才能設計一個好的取樣系統(tǒng)，是用戶和設計人員都想知道的一個問題。本文在這方面進行了很好的探索、總結。 關鍵詞： 管壁效應；滯后時間；取樣系統(tǒng) 1　簡介 　　在線分析儀是一個儀表，它無需操作員干預而自動測量被分析物的化學組成或一些相應的物理性質(zhì)或數(shù)量，在工藝操作中這個結果可作指示、記錄、報警或控制之用。 　　一個取樣系統(tǒng)是一些元件或設備的集合。它可完成從工藝過程取出足夠有代表性的樣品的功能。 處理好的樣品直接進入在線分析儀， 通過分析器后排出去。足夠有代表性是說一部分樣品、塵、微粒和其它一些物質(zhì)將被排空與去掉，而不會影響分析儀測量結果的有效性。取樣系統(tǒng)通常也包括校驗和證實分析儀的標準樣品的引入接口。取樣系統(tǒng)可由一個取樣點和探頭、導管或傳送管線、減壓或調(diào)壓、過濾器、閥件、流量計、汽發(fā)器、冷凝器、捕集器、壓力表或其它組件組成。 　　分析系統(tǒng)的設計要從分析儀的應用、選擇和測量的對象就開始考慮。 這些決定了取樣系統(tǒng)的設計標準。取樣系統(tǒng)設計的主要目標是從工藝中取得足夠有代表性的樣品和用最少的時間傳送到分析儀器。用戶最需要的、最成功的系統(tǒng)應該具有長的維修間隔、少的日常維護、系統(tǒng)簡單。只有在線分析儀表測量出可信的結果，系統(tǒng)的性能才能得到證實。 2　有代表性的樣品 　　什么是足夠有代表性的取樣同測量的要求大有關系。在取樣點就去掉樣品中有問題的組成是取樣系統(tǒng)中最常見的技術。但樣品已經(jīng)被改變。如果這些是在受控狀態(tài)下，由此帶來的樣品組分的濃度偏差就會與工藝成比例，并能與工藝濃度作合理的可信的關聯(lián)。這里就出現(xiàn)了‘有偏差的樣品或沒有偏差的樣品’的概念。如果工藝過程中的一些確定的組分更應該是樣品中的一個組分而不是與工藝樣成一定比例，那么這種取樣方式就是有偏差的。 當我們知道偏差的來源后，就可能設計一種方法將各組分全部取出來或者干脆允許偏差存在。如果兩個取樣系統(tǒng)設計都能取到有代表性的樣品且都是無偏差取樣，但往往其中一個結果的偏差會大于另外一個，那么偏差較小的方法是更有效的和更精確的。如果誤差都是在可以預見的范圍內(nèi)，誤差的范圍和結果的有效性就可以定下來了。 　　另外一個經(jīng)常遇到的問題是我們要取的工藝樣品的可變性。通常較好的是當工藝樣處于平衡和單相的狀態(tài)取樣。如果明知工藝中是多相、分層或易變的，那么就必須對測量可能得到的精度和經(jīng)濟性做出切實的評估。如果分析的結果沒有重復性和不能被證實或類似其它的疑問，就要另外選擇采樣點或選用其它的分析方法。   　　一個樣品具有代表性，簡單地說就是任何不被檢測參數(shù)的變化都會在樣品中引起相應等值的成比例或線性相關的變化。至關重要的是：取樣系統(tǒng)帶來的任何變化在整個測量范圍內(nèi)具有工藝上的一致性和并且是可重復的。 3　取樣點和取樣探頭的確定 　　在取樣系統(tǒng)的設計過程中，我們要充分考慮我們到底要測量什么，測量的標準、重復性、響應時間和想要的精度是多少？操作想要的臨界值是怎樣的，允許的偏差、誤差又是多少？ 以下的問題是在設計中不可忽視：    要充分考慮分析儀的要求來決定取樣的形式和樣品需要處理的程度。所需樣品是氣體還是液體，溫度壓力和流量的要求是多少？  樣品的返回（排出流出物）和其它的使用要求是什么？ 允許的最大粒子大小和是否存在腐蝕性或物質(zhì)的兼容性問題？    工藝條件、相態(tài)、流動性、溫度壓力密度及組分怎樣？工藝條件是否穩(wěn)定，其最小、正常及最大值是在預期的范圍內(nèi)？是否存在不完全的反應，是否在取樣前在預期的工藝條件下已經(jīng)完全反應？工藝干凈嗎？  它們是否會起反應，是否有毒或具有危險性？ 其它需要考慮的事情包括工藝管道的管壁效應或組合管壁效應、混合、分層、或易變化。本節(jié)要說明的重點放在樣品的取出。最好能采取最近的抽?。–lose-coupled extractive）和就地處理的方法， 但只是少數(shù)的場合能這樣做，而這些基本的原則則是普遍適用的。 3.1　管道中的樣品狀態(tài)

　　如圖一所示，在兩種情況下管壁流速都比中心的速度要小。取樣探頭用來使取樣點遠離管壁避免管壁效應和低流速區(qū)域。如果可能最好在混合良好（紊流）的工藝流路上取樣。層流的工藝管會出現(xiàn)分層和引入較大的樣品密度的偏差。層流工藝取樣要在充分的混合以后或創(chuàng)造一個紊流取樣點。 除少數(shù)的情況外，取樣探頭插入深度應在管道內(nèi)直徑的25%~30%處，或在平均密度分布的地方。

　　如有可能取樣時最好使用取樣探頭。下面先看一下兩種典型的取樣探頭。 3.2.1 典型的可移動式取樣探頭 3.2.2 抽取、快速回路與過濾器的組合

3.2.3 取樣探頭的作用 　　無論在水平或垂直的工藝管道中，重力都是必須考慮的因素。在垂直的管道中向下流的樣品比較容易處理。而煙道、煙囪、焚化爐等樣品通常是向上流動，設計時需要特別小心。應該考慮到取樣時存在的紊流加上分層、低壓或負壓、高露點和含塵等因素。過濾、速度和露點溫度是極為苛刻的。通常探頭必須加熱到露點以上，并且抽取樣品后就地將固體顆粒過濾掉.  煙氣應用時通常遇到的困難在于樣品溫度高、露點高、含塵多。 取樣探頭的作用主要體現(xiàn)在： ?樣品探頭用來使取樣點遠離管壁，避免管壁效應和速度較低的區(qū)域。 ?取樣探頭在氣體樣品中減少減壓前的取樣量，在液體樣品中減少汽化前的取樣量。 ?取樣探頭用來阻擋或去掉固體雜質(zhì)。 ?取樣探頭用來選擇性地控制樣品流速。 3.3　斯托克斯定律在取樣中的應用 3.3.1　斯脫克斯（Stokes）定律 　　斯脫克斯定律定義了重力場中粒子在流體中懸浮的情形。取樣系統(tǒng)的部件中有許多都使用了這個定律，從可變面積的轉(zhuǎn)子流量計到過濾器和取樣探頭。通過一定的設計斯脫克斯定律可為你所用，你如果忽視其存在就會找你麻煩。 　　最基本的，當有懸浮顆粒的移動流體速度變慢時，我們認為重力將粒子加速向下掉并不再懸浮。 因為這個原因，液體管道經(jīng)常在第一個拐彎處堵塞。這是斯脫克斯定律在找你的麻煩。如果知道樣品中有顆粒存在，就有可能利用斯脫克斯定律通過減小速度的辦法使顆粒退出懸浮狀態(tài)。   　　這里我們是一個利用斯脫克斯定律為我所用的例子。下面的例子是一個在取樣點直接利用斯脫克斯定律阻止顆粒進入樣氣的方法。 3.3.2 斯托克斯定律應用實例:

　　如圖五所示：管中的流體速度V2小于工藝管道中的流體速度V1，重力使懸浮的顆粒往下掉入到工藝管道中。 3.4　取樣中的過濾方法 　　從樣氣中去掉顆粒還有其它的一些方法。使用過濾器是其中之一。一些過濾器綜合使用了斯托克斯定律和布朗寧運動（Brownian Motion）進行緊湊（Impact）過濾，如伯森微纖維過濾器（Balston Microfiber）就是一個很好的例子。慣性過濾器如摩托管（Mott Metallurgica）和高分子（Perma Pure）快速旁路過濾器是另一實例。離心過濾器如旋風分離器（Swirlklean ）組合使用了離心壓力和膜片過濾的原理。 　　如果必須向系統(tǒng)中引入沒有過濾過的樣品，流體的速度就要求很嚴格。顆粒物必須一直保持在懸浮狀態(tài)，直到它們被從樣品中去掉或返回到工藝中。圖六所示的高溫負壓抽取式煙道氧分析儀是一個很好的例子。這里樣品保持在流動狀態(tài)，顆粒通過快速回路吹回到工藝管道中，而樣品中速度較低的部分基本沒有顆粒，被對流（熱感應thermally induced）作用輸送到測量室。這里我們也很好地利用了斯托克斯定律。

　　過濾，就是從想要的流路樣品中除掉顆粒物。但我們也需要對有效過濾的方法、工藝流路、分析儀的精確需求和它的樣品系統(tǒng)有充分的了解。 　　分級過濾是液體流路中常用的方法?？焖倩芈愤^濾，通常是慣性過濾或離心過濾，用來從樣品中除掉主要的雜質(zhì)。第二級過濾是為滿足分析儀的要求，在某些情況下在分析儀前面使用第三級過濾作為保護性過濾。 4　氣體和液體取樣的特點 　　干凈的氣體和液體取樣 　　圖七是一種最簡單的取樣設計。

　　請注意圖中一部分的樣品通過旁路排放以保證傳輸管線有足夠的速度和增加系統(tǒng)的響應速度，減少滯后時間。 這里假定工藝壓力能滿足系統(tǒng)的需要。推薦使用過濾器，但這里并沒有畫出來。 4.1　氣體、液體系統(tǒng)的重要特點： 4.1.1　氣體系統(tǒng) 氣體系統(tǒng)的特點在于： ? 氣體容易被壓縮                           ? 氣體流動力阻力低 ? 氣體溫度容易快速達到平衡         ? 氣體密度因組成溫度壓力而不同 　　氣體的樣品系統(tǒng)設計成容量很小的系統(tǒng)，通常操作在較低的壓力下，從而減少所需要的樣品量，是為了： ?　保證系統(tǒng)的快速響應         ?　減少樣品的浪費       ?　防止冷凝 4.1.2 液體系統(tǒng) 液體系統(tǒng)的重要特點： ? 液體不容易被壓縮                           ? 液體流動阻力大 ? 液體不容易達到系統(tǒng)溫度的平衡       ? 液體密度隨組分和溫度而變化 　　液體取樣系統(tǒng)通常使用較<< p="">