CN102224405B - 气体取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体取样装置，该气体取样装置包括：气体取样头(1)；用于所取样的气体的利用装置(EXD)；用于将通过取样头取样的气体输送到利用装置的管道(2)；和用于降低管道中所取样的气体的压力以便降低所取样的气体的露点的机构(12、3)，其中，压力降低机构包括设在取样头中并与管道连通的扩散形喷管(12)以及在横跨利用装置的管道中所取样的气体的抽吸装置(3)，本发明可用来分析充满蒸汽的热空气。

Description

气体取样装置

技术领域

本发明涉及气体取样，尤其是工业气体、尤其为了实施气体成分的分析的气体取样。本发明尤其适用于特别是在化学或石油化学装置、水泥厂、炼钢厂、煅烧炉、或者气体处理或生产装置中湿热气体的分析。

背景技术

取样装置一般包括用于气体取样的取样头和用于将所取的气体样品传送到利用样品的系统如气体分析器的管道。

一般，尤其是当待取样的气体是热的并包括高比例蒸汽形式的水时，为分析气体成分的气体取样构成关键步骤。在此背景下，对实施可靠分析确实敏感，且目前的取样装置需要经常的维修作业。

尤其是，从湿热气体中取样产生冷凝问题。实际上，在具有高水蒸汽比率的热气体中所含的水的露点(也叫做水的“冷凝温度”)可达到几十甚至几百摄氏温度。结果是，在环境温度下，这些气体中所含的水蒸汽可以冷凝成小水滴，该小水滴沉积到壁上与气体接触。如果所取样的气体包括能溶于水中的分子，则这些分子易于被捕集并溶于小水滴中。结果是被传送到利用装置的气体的成分与所取样的气体的成分不相对应。气体取样装置因此可以影响所取样的气体的成分并因此如果利用所取样的气体样品的系统是气体分析器则影响所采取的测量的质量。此外，在壁上所形成的小水滴可能引起腐蚀现象，而更多的是因为小水滴由于气体分子溶于其中而可能具有酸性。气体取样装置因此也可能影响其所在系统的运行成本和运行条件。

某些气体取样装置设计成使所取样的气体在取样头和管道二者中保持在比所取样的气体中所含的水蒸汽的露点更高的温度下。因此，这些装置中的某一些设计成能使所取样的气体的样品保持在能达到100℃或200℃的温度下。因此这些装置尤其是由于管道必须加热和必需存在温度调节器的复杂性而具有高制造费用及另外尤其是由于为保持装置在较高温度下所需能量而具有高运行费用和维修费用。此外，这些装置意味着利用系统也设计成在相同温度下运行。

其他一些取样装置包括被加热的取样头和用于干燥所取的气体样品的装置。这种干燥装置提供膜或冷却机构。这些装置由于存在干燥装置在某些待取样的气体情况下可能需要经常的维修作业也具有高的制造费用和维修费用。此外，这些装置使所取的样品变性，因为它们改变了样品的成分。

另一些取样装置用另一种气体如无尘空气稀释所取的样品。为此，这些装置包括不必要被加热的取样头、实施抽吸和稀释气体样品的文丘里系统、未被加热的管道和在压力下以高流量供应稀释气体的系统。这些装置同样具有使所取的样品变性的缺点，因为其成分由于其在另一种气体中的稀释也被改变，而更多的是，因为稀释气体此外可能带进杂质。此外，如果取样装置联接到分析装置上，则该分析装置必须非常敏感到能检测由于稀释而产生的低含量气态组分。

因此，理想情况是，能在没有冷凝现象情况下获得气体样品，但不使它们变性或不需要使它们保持在高温下、干燥它们或稀释它们。

发明内容

实施例公开了一种气体取样的方法，该方法包括通过取样头从气体取样，并通过管道将所取样的气体传送到使用取样气体的气体利用装置。按照实施例，该方法包括降低管道中所取样的气体的压力，以便降低其中所取样的气体的露点，而降低所取样的气体的压力通过安装在取样头中的扩散形喷管对气体取样以及通过将管道中所取样的气体抽吸穿过利用装置来实施。

按照实施例，降低所取样的气体的压力如此实施，以便保持在管道中流动的气体的压力低于一数值，使得在考虑到管道温度的情况下管道中的气体的温度保持高于管道中气体的露点。

按照实施例，该方法包括将所取样的气体穿过经过校准的音速类型的扩散形喷管的抽吸功率调节在一数值，使得在管道中流动的所取样的气体的压力保持低于扩散形喷管上游所取样的气体的压力的三分之一——考虑到在没有调节的情况下抽吸功率的变动。

按照实施例，该方法包括调节所取样的气体的抽吸功率以保持管道中的压力基本上恒定。

按照实施例，该方法包括在降低压力之前将所取样的气体过滤以便提取出所取样的气体中可能存在的固体颗粒。

按照实施例，该方法包括将管道加热以使管道的温度保持高于所取样的气体的露点。

实施例公开了一种用于气体取样的装置，该装置包括用于气体取样的取样头、用于利用所取样的气体的利用装置和用于将由取样头所取样的气体传送到利用装置的管道。按照实施例，该装置包括用于降低管道中所取样的气体的压力以便降低所取样的气体的露点的机构，用于降低压力的机构包括安装在取样头中并与管道连通的扩散形喷管和用于将管道中所取样的气体抽吸穿过利用装置的抽吸装置。

按照实施例，用于降低所取样的气体的压力的机构如此设计，以便使管道中气体的压力保持低于一数值，使得在考虑管道温度的情况下管道中气体的温度保持高于管道中气体的露点。

按照实施例，该扩散形喷管是音速喷管。

按照实施例，该抽吸装置具有一抽吸功率，该抽吸功率高于一数值，使得在管道中流动的所取样的气体的压力保持低于扩散形喷管上游所取样的气体的压力的三分之一——考虑到在没有抽吸装置的调节的情况下抽吸功率的变动。

按照实施例，该装置包括用于调节用于抽吸所取样的气体的抽吸装置的抽吸功率以使管道中的压力保持基本上恒定的机构。

按照实施例，取样头包括用于提取出所取样的气体中可能存在的固体颗粒的过滤器。

按照实施例，该装置包括用于使管道中的温度增加到高于所取样的气体的露点的加热机构。

按照实施例，抽吸装置包括通过管道联接到利用装置上的泵，以便抽吸管道中的气体。

实施例公开一种气体分析系统，该气体分析系统包括如上所述的取样装置，利用装置包括基于光腔衰荡光谱技术类型的低压气体分析器。

附图说明

下面说明本发明的一些实施例，这些实施例与附图有关但不限于附图，

其中：

图1示意性地示出根据一个实施例的气体取样装置，该气体取样装置连接到一气体样品利用装置；

图2示意性地示出根据另一个实施例的气体取样装置，该气体取样装置连接到一气体样品利用装置。

具体实施方式

图1示出气体取样装置，该气体取样装置包括取样头1和管道2，管道2将取样头联接到气体样品利用装置EXD上。装置EXD通过管道4联接到抽吸装置3如泵上，该管道4通过装置EXD与管道2连通。因此，抽吸装置抽吸取样头1所抽取的样品气体。抽吸装置3联接到用于处理和/或抽出所抽取的样品气体的处理和/或抽出装置PRCS上。

取样头1包括气体输入口10、过滤器11和扩散形喷管12，该过滤器11用于滤出穿过输入口10进入取样头1的气体中可能存在的固体颗粒，而扩散形喷管12如一段毛细管接收由过滤器11处理过的气体，且其输出口联接到管道2上。抽吸装置3和扩散形喷管12的组合能在管道2、4中和装置EXD中得到一比取样头1的输入口10处气体的压力低的压力。抽吸装置可以与调节机构相关联，以便使管道2和利用装置EXD中的压力保持在给定值处。

按照一个实施例，喷管12和抽吸装置3的特点选择成用于降低管道2、4和装置EXD中气体压力，以便降低由取样头1所取样的气体的露点。

按照一个实施例，管道2、4和装置EXD中的压力被保持在低于一值，使得管道2、4和装置EXD的温度保持高于管道2、4和装置EXD中的气体的最高露点。在目标应用中，所取样的气体通常包括水蒸汽，因此所取样的气体的最高露点为水的露点。

因此，管道2、4和装置EXD中的气体不能冷凝。因此不必加热管道2、4和装置EXD、或稀释气体、或干燥气体。因此，所取样的气体不变性。此外，由于所取样的气体的低压(相对于大气压而言)，所以它们可以在管道2、4中快速地流动。结果是，所取样的气体与各管道接触不多。取样头1和包括管道2、4及抽吸装置的用于运送所取样的气体的装置还具有比现有技术的那些装置显著地更简单的优势。结果是取样装置具有比现有技术的取样装置显著更低的制造成本、运行成本和维修成本。

喷管12是例如经过校准的音速型的喷管，该喷管当满足下列条件时保证恒定气流：

P1-P2＞2P2     (1)

其中P1是上游(假定喷管中气流的方向)所取样的气体的压力，P2是从喷管的下游所取样的气体的压力。当满足条件(1)时，喷管内最小的气体通过区段的直的部分中气体的流动速度在这些气体中达到声速，换句话说，当管道2中压力低于喷管12下游压力的三分之一时满足条件(1)。因此，只要管道2中的压力满足条件(1)，它就与装置3的抽吸功率无关。

抽吸装置3的抽吸功率可以如此调节，以便即使经受与用于制造抽吸装置的技术有关联的变化，在没有调节的情况下也总是满足条件(1)。那样，管道2、4中的气流是恒定的，并能精确地确定，而不需要调整抽吸功率。若是纯粹静态的元件，喷头12还具有不需要维修作业的优点——如果是由相对于能通过取样头1取样的气体而言是惰性的材料制成。

应该注意，气体膨胀通常导致所取样的气体的冷却。如果待取样的气体(亦即取样头1)的温度高于管道2和利用装置EXD的环境温度，则通过膨胀作用冷却的气体被取样头加热。因此，由气体膨胀作用所产生的温降至少部分地通过取样头的环境温度补偿。如果待取样的气体是处于管道2和利用装置EXD的环境温度，则露点低于环境温度。因此待形成的压降低，从而由气体膨胀所产生的温降也低。

考虑到容许的抽吸功率或考虑到利用所取样的气体所需的最小压力，可能发生管道中的压力不能达到足够低以避免所取样的气体冷凝的压力。当待取样的气体很热和很湿时这种情况可能发生，因此气体的露点很高，而管道2的环境温度低。管道2和4及利用装置EXD因而可以与如隔热的机构或者加热机构联接，以便使它们保持在高于所取样的气体的露点的温度。

因此，图2示出一种取样装置，该取样装置与图1的取样装置不同之处在于管道2和4装备有加热机构22，利用装置EXD包括所取样的气体在其中流动的热室21。

应该注意，加热机构22不能与在大气压下传送所取样的气体的现有技术装置中所需的加热机构相比，因为所取样的气体的露点通过与抽吸装置3结合的喷管12已以某种方式(可能是显著的)降低。实际上，在某些应用中，现有技术中所需的加热机构必须能够使管道达到可达到200℃的温度，而在图2的取样装置可能是必须的加热装置22必须能够使管道2、4达到12℃或24℃的最高温度。

利用装置EXD包括例如气体分析装置和/或用于实施与其它气体的混合的装置。

在一个实施例中，利用装置EXD包括一基于光腔衰荡光谱技术的低压气体分析器。这种分析器是例如在专利申请WO9957542(也以US6504145公布)和WO2003/031949(也以US7450240公布)中说明的。这种分析器包括所取样的气体在其中流动的谐振光腔、激光源如激光二极管，该激光源供应其波长可调的激光束，该激光束被发送到谐振腔中。从谐振腔出来的光被光电探测器接收。而由光电探测所供应的信号通过一信号分析电路进行分析。激光束在可调的持续时间期间供应给所述腔，使得在激光束的各发射周期之间，被束缚在所述腔中的光子随着时间推移而经受指数衰减。如果所述腔是空的，或者如果光子的波长是在位于所述腔中的气体吸收管的外部，束缚在所述腔中的光子的减少具有一定的时间常数，该时间常数主要取决于由形成所述腔的镜面所引入的损失。如果所述腔中存在的气体的吸收光谱于束缚在所述腔中的光子的波长处包括吸收管，则该时间常数减小。

该领域的技术人员很清楚，本发明可有许多不同的实施例。尤其是，本发明不限于包括扩散形喷管和抽吸泵的用于降低压力的装置。因此，如果取样装置打算装备在空间飞行器上，则泵可以用真空源如空间真空代替，例如如果待通过取样头取样的气体是在高于大气压的压力下，则泵可以用低压源(source de dépression)代替。

Claims (13)

1.一种气体取样方法，包括：

通过取样头从气体取样；

通过管道将所取样的气体传送到使用该取样气体的气体利用装置；和

降低管道中和气体利用装置中所取样的气体的压力以便将管道中和气体利用装置中所取样的气体的露点降低至比管道和气体利用装置的温度低的数值，降低所取样的气体的压力通过经由安装在取样头中并提供恒定气体流量的经过校准的扩散形喷管进行气体取样和通过将管道中所取样的气体全部抽吸穿过利用装置来实施，施加给所取样的气体的抽吸功率被调节以便使管道中压力保持基本上恒定。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，降低所取样的气体的压力如此实施，以便保持在管道中流动的气体的压力低于一数值，使得在考虑管道温度的情况下管道中气体的温度保持高于管道中气体的露点。

3.按照权利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，包括将所取样的气体穿过音速类型的扩散形喷管的抽吸功率调节在一数值处以使在管道中流动的所取样的气体的压力保持低于扩散形喷管上游所取样的气体的压力的三分之一。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括在降低压力之前对所取样的气体进行过滤以便提取出所取样的气体中存在的固体颗粒。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括加热管道以便保持管道的温度高于所取样的气体的露点。

6.用于气体取样的装置，包括用于气体取样的取样头、用于利用所取样的气体的利用装置和用于将通过取样头取样的气体传送到利用装置的管道，

其特征在于，该用于气体取样的装置包括：用于降低管道中以恒定流量所取样的气体的压力以降低所取样的气体的露点的经校准的扩散形喷管，该扩散形喷管安装在取样头中并与管道连通；用于将管道中所取样的气体全部抽吸穿过利用装置的抽吸装置；以及用于调节所述抽吸装置的抽吸功率以使管道中压力保持基本上恒定的调节机构。

7.按照权利要求6所述的装置，其特征在于，用于降低所取样的气体的压力的扩散形喷管如此设计，以保持管道中气体的压力低于一数值，使得在考虑管道温度的情况下管道中气体的温度保持高于管道中气体的露点。

8.按权利要求6-7之一所述的装置，其特征在于，扩散形喷管是音速喷管。

9.按照权利要求6所述的装置，其特征在于，所述抽吸装置具有一抽吸功率，该抽吸功率高于一数值，使得在管道中流动的所取样的气体的压力保持低于扩散形喷管上游所取样的气体的压力的三分之一。

10.按照权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述取样头包括用于提取出所取样的气体中存在的固体颗粒的过滤器。

11.按照权利要求6或7所述的装置，特征在于，包括用于增加管道中的温度高于所取样的气体的露点的加热机构。

12.按照权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述抽吸装置包括泵，该泵通过管道联接到利用装置上，以便抽吸管道中的气体。

13.气体分析系统，其特征在于，它包括权利要求6-12之一所述的取样装置，利用装置包括基于光腔衰荡光谱技术类型的低压气体分析器。

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