CN104048995B - 用于原位烟气测量装置的改进扩散器诊断 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过程气体分析系统。所述系统包括：探针，能够插入过程气体的源并且具有远端和在远端附近的腔。气体传感器被安装在所述腔内，并且被配置为提供关于气体种类的电指示。扩散器被安装在探针的远端附近，并且被配置为允许气体扩散进入所述腔。校准气体的源能够操作地连接到探针并且被配置为提供包括浓度已知的气体种类的校准气体。电子元件被连接到气体传感器并且被配置为存储预校准过程气体浓度，并且测量传感器响应返回到预校准过程气体浓度的时间量(传感器返回时间)。电子元件被配置为将被测量的传感器返回时间与合格传感器返回时间进行，以提供关于扩散器的指示。

Description

用于原位烟气测量装置的改进扩散器诊断

背景技术

工业过程工厂往往依赖于包括一个或多个燃烧过程的能量源。这样的燃烧过程包括炉或锅炉的运转，以产生蒸汽或加热原料液。虽然燃烧提供成本相对较低的能量，但寻求燃烧效率最大化，并且由此经常调节所产生的从烟囱排出的烟气(flue gas)。因此，燃烧过程管理业的一个目标是最大限度地提高现有燃烧炉和锅炉的燃烧效率，其本身也降低温室气体的产生。可以通过在来自这种燃烧过程的排气或烟气中保持理想水平的氧气，优化燃烧效率。

原位或过程中分析仪常用于监测、优化和控制燃烧过程。通常，这些分析仪采用被加热到相当高温度的传感器，并且直接在炉子或锅炉的燃烧区域之上或者附近操作。公知的过程燃烧氧气分析仪通常采用氧化锆传感器，其设置在被直接插入到烟气流的探针的端部处。在排气或烟气流入传感器时，其通过称为扩散器的过滤器扩散到传感器附近。没有泵或其它流动引导装置，以引导样品样流进入传感器;气体被动地扩散通过扩散过滤器。传感器提供与在气体中存在的氧气量有关的电信号。虽然扩散器允许穿过其中的扩散，但它也保护传感器免于与空气中的固体或颗粒物理接触。

一些燃烧应用可能不利地影响燃烧分析仪。例如，在烟气流中产生沉重颗粒负载的燃烧过程可能会阻塞或以其他方式降低扩散器的功效。当在原位探针中的扩散器被完全或部分地堵塞时，由于从过程到测量单元的降低的或无效的扩散，分析仪对过程变量变化的响应可能被减慢。此外，由于在校准过程中在测量单元上的背压，可能导致校准错误。最后，在校准周期结束时，过程燃烧气体测量(如氧含量)仍可能受到校准气体的影响。良好地检测出在燃烧过程中气体分析仪中被堵塞的扩散器，将减少上述的问题的可能性和效果。此外，假设燃烧过程中气体分析仪的扩散器的更换可能需要燃烧过程被脱机，除非保证，否则替换扩散器也是不可取的。提供能够有效地确定扩散器更换或者重新修复被保证的时间的原位的过程燃烧过程气体分析仪和方法在燃烧过程监测领域中将表示进步。

发明内容

提供了一种过程气体分析系统。所述系统包括：探针，该探针能够插入过程气体的源中并且具有远端和在远端附近的腔。气体传感器被安装在所述腔内，并且被配置为提供关于气体种类的电指示。扩散器被安装在探针的远端附近，并且被配置为允许气体扩散进入所述腔中。校准气体的源能够操作地连接到探针并且被配置为提供包括浓度已知的气体种类的校准气体。电子元件被连接到气体传感器并且被配置为存储预校准过程气体浓度，并且测量传感器响应返回到预校准过程气体浓度的时间量(传感器返回时间)。电子元件被配置为将被测量的传感器返回时间与合格传感器返回时间进行比较，以提供关于扩散器的指示。

附图说明

图1是特别适用于本发明的实施例的一种原位过程氧分析仪/变送器的示意图。

图2是特别适用于本发明的实施例的燃烧氧变送器的示意透视图。

图3是设置在烟道内和测量烟气的探针的远端的示意图。

图4是校准过程燃烧气体传感器的示意图。

图5是根据本发明的实施例的获得合格(known-good)过程返回时间的方法的示意图。

图6是根据本发明的实施例的诊断扩散器操作的方法的示意图。

具体实施方式

图1是本发明的实施例特别适用的一种原位过程氧分析仪/变送器的示意图。变送器10例如可以是可从美国俄亥俄州梭伦(艾默生过程管理公司)的Rosemount Analytical公司获得的6888型氧气变送器。变送器10包括探针组件12，探针组件12基本上设置在烟筒或烟道14内，并且测量与在燃烧器16处发生的燃烧相关的烟气的氧含量。燃烧器16能够操作地连接到空气或氧气18的源和燃烧燃料的源20。源18和20中的每一个可控制地连接到燃烧器16，以便控制燃烧过程。变送器10测量燃烧废气流中的氧气量，并且将氧含量的指示提供到燃烧控制器22。控制器22控制阀24、26中的一者或两者以提供闭环式燃烧控制。

图2是本发明的实施例特别适用的燃烧氧变送器的示意透视图。变送器100包括壳体102、探针104和电子元件106。探针104具有远端108，在远端108中安装有扩散器110。扩散器是允许至少一些气体扩散穿过其中但是保护探针104内的部件的物理装置。具体而言，扩散器110保护在图2中以虚线示出的测量单元或传感器112。

壳体102具有腔114，腔114的尺寸形成为容纳电子元件106。此外，壳体102包括适于接收和与端盖116的外螺纹相配合以形成密封的内螺纹。此外，壳体102包括穿过其中的孔或通孔，所述孔或通孔允许电子元件106和设置于探针104的远端108内的测量单元或传感器112之间的电连接。

探针104被配置为在诸如烟道14的烟道中延伸。探针104包括邻近于法兰120的近端118。法兰120用于安装或以其他方式固定变送器100到烟道的侧壁。当这样安装时，可以通过连接法兰120到烟道壁而完全地支撑变送器100。

电子元件106提供加热器控制和信号调理，导致表示烟气氧的线性4-20mA信号。优选地，电子元件106还包括微处理器，该微处理器能够执行编程步骤，以提供如将在下面更详细阐述的扩散器诊断的功能。然而，在一些实施例中，变送器100可以简单地是没有电子元件的“直接替换(direct replacement)”探针，并且因而发送用于检测单元和热电偶的原始毫伏信号，检测单元和热电偶分别地提供表示氧浓度和单元温度的指示。在使用“直接替换”探针的实施例中，探针被连接到合适的分析仪，如可从Rosemount Analytical公司获得的已知的Xi操作者界面。Xi操作者界面在NEMA4X(IP66)外壳内提供背光显示屏、信号调理和加热器控制。Xi操作者界面的电子元件还提供如下功能，如自动校准、在还原条件下的化学计算指示和用于在接近环境的水平处测量的可编程的参考功能。因此，Xi操作者界面包括根据本发明的实施例来执行扩散器诊断的适当的过程能力。因此，在其中变送器是“直接替代”探针的应用中，仍然可以实现本发明的实施例。

随着时间的推移，需要定期地校准传感器122。本发明的实施例通常利用氧传感器在校准模式和过程监控模式之间发生的行为。为了便于参考，相对于图3和图4描述这两种模式如下。

图3是在过程监视模式期间设置在烟道内和测量烟气124的探针104的远端108的示意图。烟气124通过扩散器110扩散，如标号126表示。校准线路128被关闭或以其他方式被阻止，如标号130表示。在燃烧气体124的监控过程中，这种烟气扩散通过扩散器110并接触传感器122。传感器122电连接到合适的电子元件，如电子元件106，或如上述的Xi操作者界面的外部分析器。传感器122产生信号，该信号表示气体接触传感器122的氧浓度的信号，并且因此表示烟气124内存在氧气。可以理解的是，如果扩散器110部分地或完全地被阻挡时，传感器122准确地测量烟气124中的氧的能力受到损害。

图4是校准传感器122的示意图。在校准过程中，校准管路128可操作地连接到校准气体的源。校准气体是具有已知氧含量的任何气体。校准气体流入传感器122和扩散器110之间的探针104的远端108。足够的校准气体流动，直到远端108内的整个腔充满校准气体。此时，传感器122将反映一个值，该值是表示校准气体中的氧含量的读数。假设校准气体具有已知氧含量，则可以测量并去除传感器122的任何错误、漂移或其他不准确性。

本发明的实施例通常测量氧传感器在校准模式和过程监控模式之间的时间响应。氧传感器的时间响应可以被分析，以检测何时扩散器110何时被完全或部分地阻塞。当氧气变送器是新的时，无论是刚被制造的或新安装的，传感器返回时间值被获得用于合格(known good)配置。例如，分析仪可以被安装到新的燃烧设施中，并且可以被操作以读取烟气中的氧浓度。优选地，在校准之前，烟气中的氧浓度被存储在存储器中，氧变送器的电子元件的存储器，或者是连接到直接更换探针的外部装置的存储器。然后，启动校准，其中，具有已知的氧浓度的校准气体流入测量传感器和扩散器之间探针的远端。校准气体流过合适的时间长度，以确保从远端去除所有的燃烧气体。然后，从传感器获得的校准气体的氧含量的测量值。合适的时间量可以是特定的时间，例如一分钟，或者，可以基于传感器响应，使得当传感器响应变化水平低于某个阈值(表示大致稳定状态)时，则可以进行校准测量。一旦已经进行校准测量，则停止校准气体流动，启动计时器，并且监测传感器输出。计时器是用来测量如下时间长度：从停止校准气体到其中传感器测量到匹配就在校准之前被存储的所述值的燃烧气体氧含量的时间点。由于，在合格配置期间获得测量时间，其被存储为合格传感器返回时间或阈值。可替换地，合格阈值可以简单地在制造时被编程到变送器。此外，在一些实施例中，该方法可以等待，直到传感器指示大致稳定状态。目标是相信传感器已经返回到在校准期间可能已经改变的燃烧气体测量。

稍后，在变送器已经运行一些时间之后，例如数月或数年，在每次执行校准循环时，燃烧气体传感器返回到就在校准之前存储的过程氧气值所需的时间与合格配置阈值相比较。这种比较可以是简单的比较，以确定稍后的时间测量是否等于或小于合格阈值，从而表明扩散器能有效地运作。此外，小的缓冲区可以被添加到合格时间阈值，使得可以容忍少量的阻塞。例如，测得的传感器返回时间可以与合格阈值比较，并且如果测得的传感器返回时间等于或低于合格阈值的110％，扩散器可被表示为是有效的。相反，如果测得的传感器返回时间超过具有可选的缓冲区的合格阈值，则可以提供扩散器已经恶化到它需要被更换或修理的程度的指示。取决于应用，可以通过使用已知的过程通信协议(如数字高速可寻址远程传感器通信标准)的过程通信回路，或者通过本地操作者界面，或者这两种方式，提供这种警报。此外，本地发声器，如LCD或音响报警设备，可以设置在变送器自身处。

图5是根据本发明的实施例的获得合格过程返回时间的方法的示意图。方法200在框202处开始，其中新的变送器被安装在过程设施中。接着，在框204中，变送器被操作以测量燃烧过程氧含量。测得的燃烧过程氧含量被存储，如在框206处所示。在框208处，方法200继续变送器的校准。在校准208后，立即地停止校准气体流动，并且执行框210以开始计时氧传感器的值从校准值返回到等于存储的过程氧气值所需的时间量。在框210中测量的时间量然后被存储在电子元件(如变送器的电子元件106)或者合适的外部装置的电子元件(如Xi操作者界面)的存储器内。存储的合格返回时间随后用于与后续被测量的传感器返回时间进行比较，以根据本发明实施例确定扩散器阻碍。

图6是根据本发明的实施例的诊断扩散器操作的方法的示意图。在框222处开始方法220，其中变送器被用于测量过程氧含量。接着，在框224中，被测量的过程氧含量被存储在合适的电子元件(如氧变送器本身的电子元件106，或者合适的外部分析仪的电子元件)的存储器内。在框226处，执行变送器的校准。接着，在框228处，由于校准气体流动被停止，计时器开始测量传感器读数从校准值返回到等于被存储的过程氧气值的值或返回到或过程氧气值的大致稳定状态的时间量。接着，在框230处，来自框228的被测量的传感器返回时间与如在框212(关于图5描述)处得到的所存储的合格返回时间相比较。作为这个比较的结果，处理器，例如电子元件106的处理器，或合适的外部分析仪，提供关于扩散器的指示。具体而言，如果测得的返回时间或者恰好超过合格返回时间，或者比合格返回时间多指定缓冲区，则扩散器被指示为需要维修或更换，如在框232中所示。相反地，如果测得的返回时间小于或等于合格返回时间或小于加上指定缓冲区的合格返回时间，则扩散器在框234处被指示为良好。

本发明的实施例通常提供一种很容易在现有的硬件中实现的方法，以允许处理器，如变送器的处理器，或操作者界面的处理器，提供关于变送器的扩散器的诊断指示。这允许技术人员可以在需要更换或修理扩散器被正确地警告。因此，提供燃烧氧气的准确和及时的测量，并且最小化技术人员更换或翻新扩散器所需的时间。

尽管已经参照优选实施例描述本发明，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出变化。

Claims (16)

1.一种过程气体分析系统，包括：

能够插入过程气体的源中的探针，所述探针具有远端和在远端附近的腔；

被配置为提供关于气体的种类的电指示的气体传感器，所述气体传感器被安装在所述腔内；

安装在探针的远端附近的扩散器，所述扩散器被配置为允许气体扩散进入所述腔；

能够操作地连接到探针的校准气体的源，所述校准气体的源被配置为提供校准气体，所述校准气体包括已知浓度的所述种类的气体；

电子元件，该电子元件连接到所述气体传感器并且被配置为提供过程监控模式和校准模式，所述过程监控模式通过使用所述气体传感器感测气体的种类，在所述校准模式中所述气体传感器感测所述校准气体，并且所述电子元件被配置为存储校准之前的过程气体浓度并测量传感器返回时间，其中，所述传感器返回时间包括所述气体传感器在校准模式之后、进入过程监控模式之前响应于返回所述校准之前的过程气体浓度所需的时间量；并且

其中电子元件被配置为自动地将被测量的传感器返回时间与存储的合格传感器返回时间进行比较，并提供关于扩散器的指示。

2.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中气体传感器是氧传感器。

3.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中所述过程气体是燃烧过程气体。

4.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中所述电子元件是过程气体变送器的部件。

5.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中所述合格传感器返回时间是在该过程气体分析系统的制造期间被存储的。

6.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中当过程气体分析系统第一次被操作时，获得所述合格传感器返回时间。

7.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中电子元件被配置为在测得的传感器返回时间超过合格传感器返回时间时提供关于扩散器的诊断指示。

8.根据权利要求7所述的过程气体分析系统，其中电子元件配置为在测得的传感器返回时间比合格传感器返回时间多指定的缓冲区时提供关于扩散器的诊断指示。

9.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中所述指示通知技术人员更换扩散器。

10.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中所述指示表示扩散器局部阻塞。

11.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中经由过程通信回路提供所述指示。

12.根据权利要求1所述的过程气体分析系统，其中在本地提供所述指示。

13.一种确定过程气体分析系统中的扩散器的状态的方法，所述过程气体分析系统具有过程监控模式和校准模式，所述方法包括下述步骤：

存储校准之前的过程气体浓度值；

在过程气体分析系统上执行校准；

测量过程气体分析系统的传感器在校准模式之后、过程监控模式之前返回到所存储的校准之前的过程气体浓度值所需要的时间量；

在被测量的时间量和存储的合格传感器返回时间之间产生比较；和

根据所述比较提供扩散器诊断指示，其中，所述扩散器诊断指示是关于是否所述扩散器需要维修或更换或所述扩散器为良好的确定。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在过程气体分析系统的制造期间存储所述存储的合格传感器返回时间。

15.根据权利要求13所述的方法，其中在过程气体分析系统第一次被安装在过程中时执行的校准之后存储所述合格传感器返回时间。

16.一种过程气体分析系统，包括：

能够插入过程气体的源中的探针，所述探针具有远端和在远端附近的腔；

被配置为提供关于气体的种类的电指示的气体传感器，所述气体传感器被安装在所述腔中；

安装在探针的远端附近的扩散器，所述扩散器被配置为允许气体扩散进入所述腔中；

能够操作地连接到探针的校准气体的源，所述校准气体的源被配置为提供校准气体，所述校准气体包括已知浓度的所述种类的气体；

电子元件，该电子元件连接到所述气体传感器并且被配置为提供过程监控模式和校准模式，所述过程监控模式通过使用所述气体传感器感测气体的种类，在所述校准模式中所述气体传感器感测所述校准气体，并且所述电子元件被配置为存储校准之前的过程气体浓度并测量传感器返回时间，其中，所述传感器返回时间包括所述气体传感器在校准气流已经停止之后响应达到稳定状态所需的时间量；并且

其中电子元件被配置为将被测量的传感器返回时间与合格传感器返回时间进行比较，以提供关于扩散器的指示，其中，所述指示是指示扩散器需要维修或更换的警报。