如何設計一個成功的在線氣體分析系統

     在線氣體分析儀表能否可靠運行，大部分情況取決于氣體取樣系統是否完善。什么樣的氣體取樣系統才算是一個好的系統，怎樣才能設計一個好的氣體取樣系統。

1、氣體取樣系統簡介
　　在線氣體分析儀是一個儀表，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或數量，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氣體分析儀， 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將被排空與去掉，而不會影響氣體分析儀測量結果的有效性。取樣系統通常也包括校驗和真實氣體分析儀的標準樣品的引入接口。取樣系統可由一個取樣點和探頭、導管或傳送管線、減壓或調壓、過濾器、閥件、流量計、蒸汽發生器、冷凝器、霧水過了器、壓力表或其它組件組成。
　　氣體分析系統的設計要從氣體分析儀的應用、選擇和測量的對象就開始考慮。 這些決定了取樣系統的設計標準。取樣系統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氣體分析儀器。用戶最需要的、最成功的系統應該具有長的維修間隔、少的日常維護、系統簡單。只有在線氣體分析儀表測量出可信的結果，系統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中最常見的技術。但樣品已經被改變。如果這些是在受控狀態下，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。這里就出現了‘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，誤差的范圍和結果的有效性就可以定下來了。
　　另外一個經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：取樣系統帶來的任何變化在整個測量范圍內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？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：
    要充分考慮氣體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？ 允許的最大顆粒物大小和是否存在腐蝕性或物質的兼容性問題？
     工藝條件、相態、流動性、溫度壓力密度及組分怎樣？工藝條件是否穩定，其最小、正常及最大值是在預期的范圍內？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。    今天山東新澤儀器有限公司把本文說明的重點放在樣品的取出。最好能采取最近的抽取和就地處理的方法， 但只是少數的場合能這樣做，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

　　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造一個紊流取樣點。 除少數的情況外，取樣探頭插入深度應在管道內直徑的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。
·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。取樣系統的部件中有許多都使用了這個定律，從可變面積的轉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。
　　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，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氣體分析儀是一個很好的例子。這里樣品保持在流動狀態，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、氣體分析儀的精確需求和它的樣品系統有充分的了解。
　　分級過濾是液體流路中常用的方法。快速回路過濾，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。第二級過濾是為滿足氣體分析儀的要求，在某些情況下在氣體分析儀前面使用第三級過濾作為保護性過濾。
4、氣體取樣的特點
　　干凈的氣體取樣
　　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的響應速度，減少滯后時間。 這里假定工藝壓力能滿足系統的需要。推薦使用過濾器，但這里并沒有畫出來。

氣體系統的重要特點：
· 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
　　氣體的樣品系統設計成容量很小的系統，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：
·　保證系統的快速響應
·　減少樣品的浪費
·　防止冷凝
5、氣體取樣系統設計
　　如圖八所示是一個典型的單流路氣體取樣系統，包括預處理減壓、快速旁路過濾、校驗標定和排放口。

　　在工藝管道壓力下減少樣品容量的途徑有用小直徑的輸送管、減少壓力和使用最短的管線、減少樣品預處理部件的尺寸和容量。這種盡量節省的設計還有如下的好處：
低的樣品壓力減少了部件局部的壓力，有利于減少冷凝的可能性。
●　組合的管壁效應因表面接觸樣品量減少而得到減少。
●　樣品速度因大氣流速降低而增加。
●　過濾器負載因而減少。
●　滯后和響應時間減少。
●　樣品排出量減少。
　　在高壓的工藝中，探頭與管的容量在減壓前非常嚴格。因膨脹而冷卻、減壓、（H2是一個特殊）將使樣品溫度降低導致蒸汽壓降低而產生冷凝問題。如果出現這種情況，就要減壓時加熱和減壓前對樣品管進行伴熱和保溫。
5.2　氣體取樣要考慮的問題
　　氣體樣品輸送通常首先要考慮用專用氣體取樣管。選用氣體取樣管有利于選擇最合適的最小的內徑、最小的表面積和比普通管道平滑的內壁。通常氣體取樣內壁比普通管平滑。用壓縮接頭連接的氣體取樣也會減少漏的可能性。

   聯合管道效應
　　聯合管道效應是一個總的說法，包括對足夠有代表性樣品的多個限制現象。吸收和解吸是最常見的限制的現象。樣品的一些組分粘到管壁或從管壁釋放出來會帶來磁滯現象。如果壓力、溫度或樣品的速度改變，平衡就會被打破。這種影響還會因為一些樣品組分的反應或極化而變得嚴重。酸性氣體和水蒸汽是很明顯的實例。樣品管材質的選擇（選用更為惰性的材料）將有利于減少這種現象。增加輸送管/樣品的溫度和樣品的流速也有助于減少這種現象。這種現象的存在使保證系統的平衡變成非常困難的事情。

    泄漏如何處理
　　泄漏是一個必須消除的常見的問題。不同的局部壓力是一個巨大的推動力，并且要認識到是差壓而不僅僅是系統壓力決定了泄漏的方向。這個問題在作微量測量時越顯嚴重。微量的氧和低濃度的溫度測量是兩個常見的泄漏會導致極大測量誤差的例子。在這兩個場合，由出口向內滲漏是一個問題。所以要求測量室出口必須沒有背壓擴散，或濕氣與氧氣從出口向內倒流。必須使用最小的鏍紋管接頭，推薦使用壓縮（雙層壓環）接頭。最好使用焊接的接頭和整體性的VCO（SWAGELOK注冊商標）接頭。

   水分如何處理
　　低于露點溫度時的冷凝是另外一個常見的問題。在所有的情況下，取樣系統各部件的局部壓力必須小于它們的蒸汽壓以防止冷凝。在整個取樣系統中都要保持系統較低的壓力（低的局部壓力）和高的樣品溫度（增加蒸汽壓）以防止冷凝。在氣體的系統中樣品必須保持單相，也就是氣相。必須注意的是顆粒和離子化射線能減少露點（提高露點溫度）。溫度必須始終保持在安全的方向（不結露）并有10°C 以上的保險區。

    壓力如何處理
　　壓力錯誤 – 大多的氣體（蒸汽）測量是與局部壓力（基于容量的）有關，測量結果會受到局部壓力變化的影響。測量池的壓力必須保持穩定，或采用壓力補償減少誤差。通常大氣壓力是最穩定的參考壓力，而在某些情況下這些小的壓力感應誤差對測量也影響很大，若誤差不允許的范圍內就須作修正。正因為這個原因，調節閥、壓力調節器和流量控制器件通常放在所有的壓力傳感器的上游。而有毒、有害、危險性的樣品是不能直接排放到大氣壓力的，這時必須使用樣品的回收或處理裝置。而系統成功的最重要的衡量標準是壓力控制穩定。
　　死體積也就是說沒有更新的體積：是取樣系統中樣品沒有流動的體積。取樣系統設計中必須避免死體積的存在或將其減到最小。死體積中的流動樣品的平衡完全靠樣品的擴散，這是個很慢的過程。所以它們會帶來樣品的滯后現象。

6、工藝過程的數據很重要
　　可靠的工藝數據是得到可靠設計的必須信息。因為樣品預處理系統是連續運行的，所以設計時一定要考慮到工藝樣品可能出現的異常情況。設計必須適應很寬的工藝波動范圍。至少需要三種情況的數據：最小、正常和最大工藝條件。裝置的開停工期間，工藝條件會超過實際的設計范圍。如果在這種情況下，就必須切斷樣品預處理系統和工藝管道的連接。
　　如果同一工藝過程中樣品的沸點范圍特別寬，那么設計的要求就更高了。氣體取樣線中的冷凝液是一種污染物質，在固有的樣品預處理系統運行的情況下會給樣品帶來偏差和干擾。液體系統中起沸點溫度低不應認為是一種污染，但是在固有的樣品預處理系統運行情況下會引起短期的偏差（分餾）和干擾。以上兩種情形最好都要避免。當預計到有類似問題的系統時，要進行相平衡的計算。取樣系統的設計和運行都要作適當的處理以避免類似的問題。
7 、新澤分析技術總結
　　氣體分析儀的取樣系統設計應以經濟的、滿足要求的解決方案為目標。而系統的可靠性不僅要求分析結果值得信任，同時也不排斥低維護和容易理解。我們經常會在現場對系統進行改變以消除不可靠的現象。這樣做常常為使系統可被用戶正確理解，但對改進性能卻不是必要的。只有對系統的完全理解才能有正確的觀察和并采取正確的干預行動而使性能得到改善。完成一個可靠的設計需要的概念并不困難，最簡單的解決辦法就是給出最好的全面的性能。在尋求最可靠系統時，用戶條件和排放系統也是不可忽視的。安全和環保的考慮可能會增加系統的復雜性和費用，但對一個完善的系統來講也是必須的。最后一點，可靠系統的唯一指標就是能得到的可信的分析結果。山東新澤儀器有限公司專業提供相關的氣體分析儀、環境監測、VOCs監測相關的取樣系統和分析儀產品。希望能為您服務！