CN104807897B - 具有改进的热稳定性的过程分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过程分析装置，其包括用于接收感兴趣的样本的输入端和被可操作地连接以接收感兴趣的样本的分析探测器。提供与感兴趣的样本有关的分析输出。多个导热管被热连接到所述分析探测器。

Description

具有改进的热稳定性的过程分析装置

技术领域

本实用新型一般地涉及一种过程分析技术，更具体地涉及一种过程分析装置，以及一种用在过程分析装置中的导热管系统和一种用于维持分析装置中的部件的大致恒定温度的系统。

背景技术

分析装置和仪器被用在多个应用中以定量地和/或定性地分析感兴趣的样品。分析装置和仪器经常出现在实验室中并且有时被用在过程操作中。如在本文使用的那样，分析装置是能够接收感兴趣的样品并且提供对感兴趣的样品的一些方面的指示的任何装置、系统或设备。分析装置包括但不限于过程气体分析仪、NO/NOx分析仪、碳氢化合物分析仪、连续排放监视系统和过程气体色谱仪。

气体色谱仪(GC)依靠对色谱柱、探测器和支撑系统的温度的精确控制。一个或多个电热器被用于加热被控制的恒温器、腔室或局部加热区域或基板(在后文中称为恒温器)。此种加热器利用由恒温器中的或靠近恒温器的一个或多个温度传感器所提供的温度反馈通过闭合回路控制系统中的循环的开/关而进行操作。当外界环境条件稳定时，该技术水平的恒温器温度控制系统提供了对用于恒温器的温度设定点(典型地，+/-0.1℃或更小)的充分控制。然而，气体色谱仪普遍地在未防范周围环境的情况下安装过程气体色谱仪。此种被暴露的过程气体色谱仪经历从-40°到+60℃的环境温度改变，但是仍然期望其在跨越此种广泛的环境变化范围内表现出恒定的测量性能。

随着过程分析装置的技术进步，越来越需要在即使面对显著的环境温度波动时还提供更精确的分析输出。

发明内容

一种过程分析装置包括用于接收感兴趣样本的输入端以及被可操作地连接以接收感兴趣的样本的分析探测器。提供与感兴趣的样本有关的分析输出。多个导热管被热连接到所述分析探测器。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的过程气体色谱仪的一部分的示意图。

图2是根据本发明的实施例的过程气体色谱仪的连接到导热管的热导率探测器的透视示意图。

图3是根据本发明的实施例的采用多个导热管的导热管系统的分解示意图。

图4是根据本发明的实施例的被组装的导热管系统的透视图。

具体实施方式

气体色谱仪一般采用的恒温加热器可以控制由来自于恒温器中的温度传感器的一个或多个测量值所驱动的平均恒温器温度。这些传感器的示例包括热电偶、热电阻装置(RTD)和热敏电阻。一般地，使用单个的温度传感器。当恒温器由于外界环境温度变化而发生了热损失时，单点测量导致性能退化。典型地，随着恒温器损失热，在控制传感器向控制系统指示平均恒温器温度已经降低并且控制系统作出反应向加热器供能之前存在延迟时间。结果，在控制系统命令加热之前，一些恒温器表面或区域可能已经冷却到控制设定点之下，并且在控制系统感测到足够的热已经被增加到恒温器以达到设定点之前，恒温器的其他区域将达到比设定点高的温度。因此，由于环境的影响在当前的色谱仪恒温器中可以发生显著改变。

热导率探测器(TCD)一般地被用在气体色谱仪中并且用于测量流过探测器的气体的热导率的微小偏差。此种探测器对温度变化极其敏感；因此影响测量稳定性和精度。一般地，色谱仪恒温箱中的TCD的位置不是热对称的。由于恒温箱控制系统和加热器响应于外界变化，因而如上所述地在恒温箱中发生局部的温度变化。这些恒温箱变化允许在TCD安装件和/或TCD主体中产生热损失或热增益，因此导致TCD主体的局部温度发生变化。TCD自身的任何这种温度偏差导致测量值的变化。

本发明的实施例通过显著地改善对此种探测器的热控制而提供了过程分析装置中的温度敏感型探测器的改善的测量性能。本发明的实施例一般采用一个或多个导热管以向TCD主体提供额外的加热以抵消热损失和减小恒温器中的热变化的影响。

导热管一般地形成为由诸如铜等的较高热导率的金属构成的管道。管道一般地被排空并且然后被提供有工作流体，在此之后将管道密封。工作流体的示例包括水、乙醇和丙酮。工作流体被选择为使得当该工作流体接触到导热管的热侧(蒸发器)时其吸收热并且转变成蒸汽。该蒸汽然后流到冷侧，在此冷侧处蒸汽释放热能(冷却)并且凝结回到液体。液体然后经由毛细管作用或重力而返回到热侧，并且此过程重复进行。

导热管是已知的并且被用于将热从热区域(蒸发器)传导到冷区域(冷凝器)。导热管一般地被用于移除废热(例如，冷却微处理器)，或者将热量从远程加热器驱送到一装置中。导热管技术典型地提供的热导率为铜的热导率的100-200倍。导热管性能使得较大的热通量可以在发生较小温度偏差的情况下移动通过蒸发器和冷凝器之间。

本发明的实施例一般地采用的一个或多个导热管被设置成有效地将热导率探测器主体连接到温度受控恒温器的方式。导热管一般地是在其蒸发器和冷凝器之间提供高度的热连接的被动装置。本发明的一个实施例将导热管蒸发器定位成使得其延伸到被精确地控制的恒温箱中，并且导热管冷凝器被定位在热导率探测器自身上或在热导率探测器附近。这种装置供了非常稳定的热源以在不需要具有任何额外的控制系统以控制导热管操作的情况下，基于导热管蒸发器的温度向热导率探测器补充加热(或冷却)。导热管蒸发器理想地位于的恒温箱中的区域被确定为被最精确地热控制并且最不受外部热作用影响；典型地，该区域靠近用于恒温箱的热控制系统的温度传感器。因此，导热管的热源特别地稳定并且比被调节的补充加热器提供更精确的控制。该稳定的被动热源将热从恒温箱的最稳定区域抽送到热导率探测器主体。这又有助于补偿由外部影响所引起的热需求变化。从恒温箱的最恒温区域获得热以恒定的温度向热导率探测器主体提供补充加热，从而在实践中比恒温箱控制提供更少的实际偏差。这种装置消除了对补充加热器和控制器和/或额外的绝热体或热导率探测器隔离体的需求。该补充热的稳态源最小化热导率探测器主体的变化，并且因此在变化的环境中提供改进的测量性能。

图1是过程气体色谱仪10的一部分的透视示意图。图1示出了过程气体色谱仪10的上方的被热控制的部分的一部分。具体地，色谱仪10包括基板12，该基板12在一个实施例中由诸如从荷兰的SABIC创新塑料公司购得的以商标名称Ultem售卖的无定形热塑性聚醚酰亚胺树脂形成。多个多口流量阀14与多个多口分配配件16一起安装在基板12上。另外地，一个或多个用于过程气体色谱仪的适当的探测器，诸如热导率探测器34(如图2所示)，也被安装在基板12上或者靠近基板12。一个或多个色谱分离柱典型地被安装成靠近环保密封的盖20中的各个流量装置。在某些阀致动构造中隔断样品气体的流动的截止阀(未示出)被安装成靠近其他流量装置。

在盖20中，一个或多个加热器22维持整个组件10的精确热控制。例如，对于过程气体色谱仪，整个组件10典型地被维持在大约80℃±零点几℃。加热器22被连接到可以作为过程气体色谱仪10的部件或者与过程气体色谱仪10分离的控制器24。控制器24还可被连接到一个或多个温度传感器26从而确定盖20中的温度。控制器24基于被测量到的温度选择性地将能量施加到加热器22以在盖20中提供精确的热控制。该精确的热控制允许控制器24将感兴趣的样本的温度和分析探测器的温度维持在特定的温度。然而，如上所述，基于热流、时滞和控制策略可能发生小的热波动。

如图1所示，保护性金属罩28被设置在导热管30的周围。当盖20在由箭头32所示的方向上移动并且被安装或以其它方式固定到过程气体色谱仪10，加热器22大体上围绕柱体18、阀14和配件16。另外，安装到盖20或盖20中的温度传感器26被热连接到金属罩28。金属罩28具有较高的热导率并且确保导热管30与温度传感器26紧密地热接触。

图2是过程气体色谱仪的连接到导热管的热导率探测器的透视示意图。热导率探测器34包括安装在金属块体40中的一对热导率传感器36、38。传感器36、38感测参考气体的热导率以及流过块体40的感兴趣样本的热导率以提供对参考气体和感兴趣样本的热导率的指示。块体40可被认为是热块体，在所述热块体中，金属的高热导率快速有效地分配热从而热导率传感器36、38被维持在彼此相同的温度。传感器36、38在过程气体色谱仪中被连接到测量电路(未示出)从而热导率可以被处理以提供分析输出。导热管30包括两个冷凝端部42、44。端部42、44经过块体40，并且导热管30的靠近端部42、44的区域与块体40直接热接触。另外，如图2所示，传感器36、38和导热管30的经过块体40的部分的布置优选地是对称的，从而流过一个传感器36、38的热相对于流过另一传感器38、36的热是大致相同的。

导热管30优选地由具有高热导率的诸如铜或铝的金属形成的管道构成。另外，假定热控制的精确特性大约是80℃，优选地导热管的工作流体具有与此值接近的沸点。在标准气压下具有接近80℃的沸点的工作流体的一个适当示例是乙醇。然而，如果导热管内部的压力被充分地降低，则水也可能是用于80℃的控制点的适当的工作流体。至少在一些实施例中，还优选地如图1和2所示的整个组件也可以被上下颠倒地操作，从而导热管30的冷凝端部42、44位于连接到罩28的蒸发环路之上。以此，重力也有助于冷凝物从端部42、44向下返回到靠近罩28的蒸发环路部。

图3是根据本发明的实施例的采用多个导热管的导热管系统的分解示意图。在图3中示出的系统与在图2中示出的系统的不同之处在于前者使用多个分离的导热管。系统100包括具有第一相对侧和第二相对侧104、106的框架102。每侧104、106都可以包括尺寸被形成为可滑动地接收定位销110的狭槽108。在如图3所示的实施例中，每侧104、106还都包括从底端114向内延伸的安装凸片112。安装凸片112具有的开口允许诸如如图2所示的那些紧固件从其中通过以将框架102安装到金属块体40(如图2所示)。系统100还包括多个导热管116、118。在如图3所示的实施例中，各个导热管116、118是大致笔直的。

导热管116具有被构造为滑动通过压缩弹簧120以进入到热块体122中的第一端116a。与块体40类似，热块体122可由金属形成并且具有高热导率，从而端部116a和118a被维持在彼此大致相同的温度。在一个实施例中，通过在端部116a和可滑动地接收第一端116a的热块体122的内部的盲孔的内径之间采用热胶或热传递化合物，增加第一端116a和热块体122之间的热传导。此种热化合物的一个适当的示例是可从瑞士的Arctic公司购得的以商标名称AC-MX4售卖的产品。然而，可以使用具有大约80℃的操作温度的任何适当的热胶或热传递化合物。导热管116还包括被热连接到安装在热块体40中的热导率传感器上的第二端116b。

导热管118具有被构造为滑动通过压缩弹簧124以进入到热块体122中的第一端118a。在一个实施例中，通过在端部118a和接收第一端118a的热块体122的内部的盲孔的内径之间采用如上所述的合适的热胶，增加第一端116a和热块体122之间的热传导。导热管118还包括被热连接到安装在热块体40中的热导率传感器上的第二端118b。

在如图3所示的实施例中，导热管116和118基本上是彼此平行的并且被相对于接收相应的端部116b和118b的金属块体40基本竖直地安装。该布置在如下的方面是有利的：其允许热块体122轴向地滑动，同时盖20被旋拧到、压到和夹紧到或者以其它方式被固定到气体色谱仪。因此，随着盖20轴向地移位，向下推压块体122并且沿着导热管116和118滑动。然而，压缩弹簧120和124向上推压块体122，由此保证块体122和盖20之间的充分的热接触。

图4是根据本发明的实施例的被组装的导热管系统的透视图。在图4中，定位销已经经过块体122中的孔130并且延伸通过各个狭槽108。随着块体122上下移动，通过定位销110与狭槽108的顶端和底端的碰撞而限定该块体122的移动范围。另外，如果给定的导热管需要替换或维修，则能够通过简单地移除定位销110而拆卸整个组件。

参考图3和图4说明的实施例被认为改进了从金属盖壁到分析装置中的热探测器的热传导。该壳体的外部与电加热器接触，并且随着壳体被加热，内部又经由自然对流而被加热。使得此种分析装置中的热导率探测器稳定在需要的操作温度下需要消耗时间。认为本发明的实施例将增大热传导的效率，并且降低热导率探测器达到任何给定的操作温度并且稳定在该温度下所需的时间量。

虽然已经描述了特定的实施例，但是本发明的多个方面包括了变化例。例如，热传导系统可被设计为使用单个导热管。此外，还可以采用示出的两个导热管之外的额外的导热管。另外，可以改变推压块体122进入盖20中的弹簧或机械元件的类型。适当类型的弹簧包括拉伸弹簧、等拉力弹簧、带或其他任何适当的机械部件。另外，可根据需要采用各种类型的热传导材料。最后，导热管可被适当的热传导杆或管替代。

Claims (17)

1.一种过程分析装置，其包括：

输入端，所述输入端用于接收感兴趣的样本；

分析探测器，所述分析探测器被可操作地连接以接收感兴趣的样本并且提供与感兴趣的样本有关的分析输出；

多个导热管，所述多个导热管热连接到所述分析探测器，其中，每个导热管都包括热连接到热块体的第一端和热连接到所述分析探测器的第二端；和

至少一个弹簧，所述至少一个弹簧被设置成推压所述热块体抵靠在盖上。

2.根据权利要求1所述的过程分析装置，其中，所述过程分析装置是过程气体色谱仪。

3.根据权利要求1所述的过程分析装置，其中，所述多个导热管中的每一个导热管是大致笔直的并且彼此平行。

4.根据权利要求1所述的过程分析装置，其中，在所述过程分析装置的盖被固定时，所述热块体能够沿着所述导热管移动。

5.根据权利要求1所述的过程分析装置，其中，所述多个导热管中的一个导热管被构造为滑动通过所述至少一个弹簧中的一个弹簧。

6.根据权利要求1所述的过程分析装置，其中，每个导热管的第一端都使用热传导化合物来连接到所述热块体。

7.根据权利要求6所述的过程分析装置，其中，所述热传导化合物包括热胶。

8.一种用在过程分析装置中的导热管系统，所述导热管系统包括：

第一导热管；

第二导热管；

第一热块体；并且

其中，所述第一导热管和第二导热管中的每一个都具有第一端和第二端，其中，每个导热管的第一端被构造为接合所述第一热块体，并且其中，每个导热管的第二端接合热导率传感器。

9.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，所述热导率传感器被安装在第二热块体中。

10.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，用于接合所述第一热块体的接合件包括每个导热管之间的连接件，其中，所述连接件包括定位在每个导热管和所述第一热块体之间的热胶。

11.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，所述第一热块体还包括多个孔，并且其中，每个导热管的第一端和所述第一热块体之间的接合包括将每个导热管的第一端接收在所述第一热块体中的所述多个孔的一个孔中。

12.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，每个导热管的第一端都被进一步构造为滑动地通过压缩弹簧，从而所述压缩弹簧的一端与所述第一热块体接触。

13.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，所述第一导热管和第二导热管基本上彼此平行。

14.根据权利要求8所述的导热管系统，其中，所述第一导热管和第二导热管垂直于所述第一热块体的一侧。

15.一种用于维持分析装置中的部件的大致恒定温度的系统，所述系统包括：

框架，所述框架具有第一侧和第二侧，其中，所述第一侧与所述第二侧相对；

热块体，所述热块体被定位在所述框架的第一端处；

所述部件，所述部件被定位在所述框架的第二端处；和

多个导热管，每个导热管都被构造为将所述热块体接合在该导热管的第一端处，并且将所述部件接合在该导热管的第二端处。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一侧和所述第二侧中的每一个都进一步包括狭槽，该狭槽被构造为接收定位销，使得所述定位销至少从所述第一侧延伸到所述第二侧。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述热块体被推压以远离所述部件。