如何設計可靠的在線分析儀表取樣系統

　    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是否完善。什么樣的取樣系統才算是一個好的系統，怎樣才能設計一個好的取樣系統，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


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，而不會影響分析儀測量結果的有效性。取樣系統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、汽發器、冷凝器、捕集器、壓力表或其它組件組成。
　　分析系統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？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。本節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。
[OT_page]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、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?？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。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。
[OT_page]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。 
4.1　氣體、液體系統的重要特點：
4.1.1　氣體系統
氣體系統的特點在于：
· 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
4.1.2 液體系統
液體系統的重要特點：
· 液體不容易被壓縮 
· 液體流動阻力大
· 液體不容易達到系統溫度的平衡 
· 液體密度隨組分和溫度而變化
　　液體取樣系統通常使用較大內徑的傳送管線是為了：
· 減少壓力損失 
· 保證有足夠的壓力確保流量 
·保證好的速度
　　液體的溫度和粘度是關系非常密切。 在傾點溫度的附近，樣品溫度每下降10°C樣品粘度會增加一倍。對于重（粘度大）的液體取樣設計必須作適當的考慮。臘質的流體中長或短的殘渣，因為上述的原因和臘質結晶而很容易在取樣系統中形成堵塞。流體的速度必須最少為每秒一米。 
　　另外，在易揮發的液體中，在壓力減少時可能產生火花。這些都必須在設計中注意。

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。
[OT_page]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管。選用氣體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。通常氣體管內壁比普通管平滑。用壓縮接頭連接的氣體管也會減少漏的可能性。
　　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。
　　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　液體取樣系統設計
6.1　簡單的液體取樣系統
圖9是一個典型的單流路帶返回低壓點與內部過濾的液體取樣系統，不包括校驗裝置。

6.2　復雜的液體取樣系統
　　當樣品壓力太低不能得到最小的速度時，就要使用快速回路泵。吸入管線的內徑在可能的情況下至少要比排出管線大一倍。使用離心泵或容積泵都是可以的，可根據實際的情況選用。 
　　圖十是較復雜的液體樣品取樣系統，比簡單的系統增加的取樣泵與壓力釋放裝置。

[OT_page]6.3　設計液體取樣系統經常碰到的問題
對于液體的取樣系統保持足夠的流速使流體特性成紊流是非常重要的(Reynolds No. > 2100)。 如果不能得到紊流，則最小的流速應為1m/s。以下是設計或選用液體系統時經常出現的錯誤。
　　溫度——樣品的粘度可通過伴熱管線很容易地減小是一個錯誤的假設。我們在設計中就盡量保持樣品的高速流動并且溫度沒有顯著的變化，不管是變大的還是變小。推薦樣品管的溫度盡可能接近工藝溫度。我們伴熱液體管的目的是確保其溫度和粘度不發生變化。
　　流量調節閥的位置——所有的調節器件或閥都必須在流量指示、分析器、靈敏元件的下游。在任何的液體系統中最好是假設有泡出現并在設計中作出相應安排。記住揮發性液體的泡泡可出現在過濾器等地方。
　　壓力損失計算錯誤——每一個節流元件都會有相應的壓力損失。例如，管子每條是6米長，每隔6米長就有一個安裝接頭。這個接頭的長度在設計時也應計算進去。計算時要綜合考慮到彎頭的數量、垂直與水平的轉換，那么實際的壓力損失比計算值要大很多。設計中要永遠作最保守的估計，記住足夠的壓力是得到所需流體速度的保證。

　　聚積器同時也會有過濾功能——這就是說不同的功能要用不同的部件來完成。某些過濾器通過設置可完成聚積與過濾中的某個功能（如圖12所示），但不能同時完成兩個功能。在聚積模式下旁路流量至少十倍于過濾器流出流量。
6.4　液體-汽化取樣系統設計
　　到目前為止我們討論的是樣品相態與工藝過程相同的情況。有些應用情況是用氣體分析儀分析液相工藝樣品，這時就需要有相的轉變。但設計時就必須確定樣品輸送的相態！保持樣品輸送的相態是取樣系統是否成功最重要的指標。具有很高蒸汽壓的樣品最好在氣態下輸送。低蒸汽壓（高沸點）的流體最好在液體態輸送。在第一種情況下，相態改變、汽化是在取樣點完成的。在第二種情況下，相態改變是在樣品預處理系統或分析儀內完成的。如果樣品沸點范圍（蒸汽壓）很大就會出現很大的問題，因為這時相態的保持相當困難。樣品的起泡（閃火）或部分的冷凝會導致分析出現偏差、重復性變壞、直接增加維護量、減少分析結果的可信度。 
6.4.1 液體工藝-汽化傳輸-氣體分析

　　如圖十三是典型的液體工藝單流路氣體傳送樣品系統，使用一個加熱的減壓站（汽化站）、伴熱的傳輸管線和加熱的SCS（樣品預處理系統）。
　　如果汽化-液化相平衡計算顯示露點溫度等于或小于最小環境溫度，那么系統溫度至少提升到高于最小環境溫度10°C以防止冷凝。排出口和到分析儀的管線也要伴熱和保溫。任何一個應用設計，如果想要從氣體輸送管道去掉可能的冷凝物（冷凝后），都不是可靠的設計。樣品在輸送過程中應保持單相狀態。
　　滯后時間（響應時間）是這個系統的一個問題。汽化調節器以前液體的體積是非常嚴格的。一個模爾的液體汽化后產生一個模爾的氣體。一個模爾氣體在標準狀態下體積是22.414 升，而一個模爾液體體積很小。為使液體體積小，取樣探頭使用1/8” 管，并使前處理器形成閉環以得到最小的探頭取出體積。通常氣體傳送滯后時間倒不是一個大問題，而液體取樣探頭管線、氣體傳送系統和所有前面提到的規則與需要考慮的問題卻是不容忽視的。如果液體在氣體傳送管線中出現，一定要將它吹掃清洗干凈才能使儀表可靠正常工作。如圖14是一個典型的液體快速回路，樣品預處理系統中有帶汽化調節閥的內部過濾器（離心）。其樣品預處理系統必須在一個伴熱的箱內（沒有畫出）并且排出管必須保溫。

　　在這個系統中，傳輸的液體是與工藝中的液體是相同的。所有的考慮都是液體傳送。上面圖中的過濾器畫的是一個離心過濾器，用來減少液體樣品的排出體積。汽化調節閥也因為這個原因是一個閉環連接到出口。下一段會說到滯后時間的問題。就算是這么小的體積也會顯著增加滯后時間。當使用離心過濾器或內過濾器時必須保證最小的液體流速，足夠的流速才能保證自清洗成功。
6.4.2　液體工藝-液體傳送-氣體分析
6.4.3　汽化和汽化調節閥
　　我們前面的討論局限在使用加熱調節器的場合。這些應用看起來簡單，實際上卻是相當復雜。首先必須有足夠的加熱保證液體的汽化。但要得到樣品的最大汽化率卻與樣品的組成有關并需要足夠的熱量。電氣的防爆和加熱器的效率是兩個關鍵問題。因此，內部系統的液體流速要求相當嚴格。 太高就會出現部分汽化(超過最大汽化能力), 太低不僅滯后時間增加，且因為熱量向汽化器前傳遞而造成汽化前的分餾。因為汽化的最大流速限制及其對液體流速的影響，氣體的流速也受到相當限制。

[OT_page]7　多流路的取樣系統
　　為了經濟上的原因，用一臺分析儀器檢測多個工藝流路是一種很好的選擇。如果有以下情況存在，使用多路的取樣系統通常不是很理想：樣品的沸點范圍很寬、要測量的范圍相差很大。如果要用多流路的取樣系統，最多只能到4個流路。其中校驗也需要占用一個流路。下面討論怎樣的多路切換才是最好的系統。
7.1　簡單的氣體取樣的多路切換

　　圖16中“獨立的設計”因為截止閥后有吹掃不到的死體積而不能接受，‘帶截止閥的設計’用三流路閥消除了死體積。 
7.2　帶返回排放的多路切換

圖17中‘單截止閥的設計’中有靜態的管線，在沒有選中的流路上有不流動的問題。會不可避免的產生管壁效應和增加響應時間，所以這種情況應盡量避免。而‘單截止閥帶排放的設計’使沒有選中的流路從旁路流走。
7.3　最好的多路切換設計

圖18中‘雙截止閥’的方式消除了沒有選中流路中的一段不動的樣品影響，它防止了流路之間的交叉污染和增加了安全系統?！p截止閥帶排放’的方式是最終和最好的設置，死體積的問題、靜態管線的問題、交叉干擾的問題全部得到消除。但需要附加流路，使系統變得相當復雜。

8　工藝過程的數據
　　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。氣體管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。 

9 小結
　　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。