CN104870979A

CN104870979A - 去除水分的气体检测系统

Info

Publication number: CN104870979A
Application number: CN201380064531.0A
Authority: CN
Inventors: 冯昌东; 亨里克·科兹洛
Original assignee: Rosemount Analytical Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-08-26
Also published as: WO2014106013A1; US20140182358A1

Abstract

提供了气体检测系统(100)。所述系统(100)包括采样气体入口(14)，配置为接收气体的采样；以及采样室(24)，可操作地耦接到所述采样气体入口(14)。所述采样室(24)具有布置在其中的至少一个气体传感器(40)。所述气体传感器(40)提供了对气体的采样中感兴趣的物质加以表示的气体传感器输出。控制器(28)耦接到所述至少一个过程气体传感器(40)，并且配置为基于气体传感器输出，提供与感兴趣的物质相关的信息。水分去除设备(102)布置为接收气体的采样并在所述采样到达所述至少一个气体传感器(40)之前从所述采样去除水分。

Description

去除水分的气体检测系统

背景技术

过程/环境气体分析器/检测器用于多种工业过程中以便提供分析措施从而允许过程改善产品质量、增加生产量、减小过程变化性、增加安全性并促进调节兼容性。用于过程与环境气体分析和有毒气体检测的分析仪器和系统用于多种工业，包括：化学加工、碳氢化合物加工、食物和饮料加工、金属采矿、沼气和生物技术、制药和医疗、废物和废水、纸浆和纸张、半导体、汽车、电力和纺织品。每个这种工业通常具有针对该工业独一无二的专门感兴趣的分析物质。然而，所有工业需要精确的分析仪器，以便有效地进行操作。

一种用于以上所列产业的在售过程气体分析器是由CA Irvine的Emerson Process Management’s Rosemount Analytical business unit提供的商业名称型号为X流过程气体分析器。X流过程气体分析器可以使用多种传感器，包括非色散的红外光、紫外光和可见光光度测定(NDIR/UV/VIS)；顺磁性和电化学氧(pO₂)；以及热导率(TCD)传感器技术，以及微量氧(微量O₂)和微量水分(微量H₂O)，用于一致的精确过程气体测量的。

微量的水分可以影响某种形式的过程气体测量。在这种情况下，通常将微量水分传感器用于测量在采样中存在的微量水分的量。然后，使用校准或其它适合校正，过程气体分析器基于由微量水分传感器测量到的微量水分的量来校正该过程气体测量。

发明内容

提供了一种气体检测系统。所述系统包括：采样气体入口，配置为接收气体的采样；以及采样室，可操作耦接到所述采样气体入口。所述采样室具有布置在其中的至少一个气体传感器。气体传感器提供了对气体的采样中的感兴趣的物质加以表示的气体传感器输出。控制器耦接到所述至少一个气体传感器，并且配置为基于气体传感器输出来提供与感兴趣的物质相关的信息。水分去除设备布置为接收气体的采样，并且在该采样到达所述至少一个气体传感器之前从所述采样去除水分。

附图说明

图1是本发明实施例特别有用的气体检测系统的图解视图。

图2是基于金属氧化物半导体的气体传感器的图解截面视图。

图3是根据本发明实施例的气体检测系统的图解视图。

图4是根据本发明实施例的气体检测系统的水分去除设备的图解视图。

图5是根据本发明另一实施例的气体检测系统的水分去除设备的图解视图。

具体实施方式

图1是本发明实施例特别有用的气体检测系统的图解视图。经过过程入侵(process intrusion)14将系统10可操作地耦接到过程管道12。过程管道12可以是过程气体流经的任何管道、管线或装置(fitting)。这样，管道12可以是工业堆、在加工厂中的管线或任何其它合适的管道。过程入侵14密封式地将系统10与管道12中的过程气体耦接。采样线16将来自入侵14的过程气体的一部分传送到分析器18。在一些示例中，对采样线16加热以便当将过程/环境气体的采样运输到分析器18时，仔细维持过程/环境气体的采样的温度。此外，通常优选的是将采样线16保持为相对较短，使得过程分析器被安装为相对靠近过程入侵14。

过程分析器18包括分析器外壳20、采样流调节元件22、采样室24、用户接口26和控制器28。控制器28通常包括微处理器，并执行软件以便控制多种流调节元件22。此外，控制器28耦接到布置在采样室24内部的一个或多个气体传感器，使得来自一个或多个气体传感器的测量允许控制器28提供对过程/环境气体的采样中一个或多个感兴趣的成分或感兴趣的物质的存在和/或一个或多个感兴趣的成分或感兴趣的物质的浓度加以表示的值。可以将这种输出提供在用户界面26上和/或通过任何适合通信协议(包括但不限于过程通信协议，诸如高速可寻址远程传感器协议、FOUNDATIONTM现场总线协议)或通过适合的数据通信协议(诸如，以太网、RS-232、RS-485等)将其传送给远程设备，如附图标记30所示。此外，还可以执行根据无线过程通信协议的通信，包括根据IEC62591的通信(WirelessHART)。

至少一部分过程气体传感器遭受到微量水分的存在。过去，可以通过使用微量水分传感器来量化微量水分并补偿微量水分在气体传感器输出上的效果，来实现这种效果。然而，通过相对微量水分等级进行校准和补偿来解决微量水分对过程/环境气体输出的影响无法解决这种水分可以对气体传感器造成的损坏或其它不利影响。然而，由于对过程/环境气体的采样的任何干扰或改变本身可能引起该采样无法正确反映气体，这种方法是可接受的。假定针对一些气体(例如，H₂S)的检测等级可以低至3ppm，非常易于不适当地影响采样气体成分，从而提供不准确的结果。

图2是基于金属氧化物半导体的气体传感器的图解截面视图。图2所示的基于金属氧化物半导体的气体传感器是可以用于H₂S检测和测量的传感器的示例。传感器40通常包括金属氧化物层42，布置在衬底48上的电极对44和46之间。此外，由于MOS传感器在高温下最有效，它们通常设置有加热器，诸如在衬底48的外部上的加热器50。通常，在没有感兴趣气体的情况下，在电极44和46之间测量到的阻抗是兆欧姆的量级。当感兴趣气体(诸如，H₂S)吸收在MOS层42上时，电极44和46之间的电阻明显减小。电阻减小与感兴趣气体的浓度相关。

图2所示类型的半导体金属氧化物气体传感器已经用于检测多种易燃或有毒的气体，诸如H₂S。这种类型的传感器使用多晶结构的感测材料(半导体金属氧化物)以及负电荷的表面氧化物的存在，所述负电荷表面氧化物控制肖特基(Schottky)势垒的高度，从而控制材料的电阻。然而，当将传感器暴露给某种还原气体时，将消耗表面氧化物，减少Schottky势垒和作为感测信号的电阻。由于感测原理，传感器经受到来自大气中的水蒸气的影响。如上所述，使用这种类型感测技术的气体分析器/检测器的制造商已经依靠信号补偿来解决在感测环境中水分的干扰。

图3是根据本发明实施例的气体检测系统的图解视图。系统100与参考图1所述的系统10部分类似，用相似的编号来表示相似的组件。系统100和系统10的主要差别在于系统100在采样室24的上游或在其中包括水分去除设备102。水分去除设备102可以布置在采样室24之前或在采样室24中，只要气体的采样在与任何气体传感器相互作用之前通过水分去除设备102。设计水分去除设备102，使得它除了去除不想要的微量水分之外，不对采样气体进行化学改变。水分去除设备102通常提供相对低温的惰性表面，引起采样气体中的水分从采样中冷凝出来。优选地，将低温表面的温度选择为略高于水在气体的采样工作压力下的凝固点。因此，如果工作压力是标准压力(14.696psi，1个大气压)，则低温表面的温度应略微高于32°F。此外，低温表面的材料可以选择为对感兴趣的物质表现为惰性的任何材料。此外，由于这种材料具有较高的热导率和比热(specific heat)，它们可以包括多种适合材料。相对的低温表面材料的适合示例包括聚四氟乙烯(PTFE)和金。可以根据现在已知的或将来研究的任何适合冷却技术来对相对低温温度表面进行冷却。具体地，可以使用已知压缩机/蒸发器热泵系统来进行冷却，以便从相对低温表面汲取热量并将其传送到其它地方。附加地或备选地，一个或多个已知珀耳帖设备可以用于向相对低温温度表面提供热电冷却。

图4是根据本发明实施例的气体检测系统的水分去除设备的图解视图。水分去除设备102具有外壳104，所述外壳具有入口106、出口108和排水口110。在图4所示的实施例中，热电制冷器112设置有可操作地耦接到气体分析器的导线114。电热制冷器112具有低温侧116和高温侧118。向电热制冷器112施加电流在低温侧116和高温侧118之间产生热通量。提供给制冷器112的电流的量控制由制冷器112产生的热通量的量。此外，一个或多个温度传感器可以耦接到低温侧116和/或高温侧118，使得气体分析器的控制器可以监测并控制制冷器112的操作。

当通过入口106进入外壳104的采样气体沿着表面116向下行进时，将遇到低温侧116。当温度下降时，存在于采样中的水蒸气凝结在低温侧116上。凝结的水在采样气体流和重力的帮助下从低温侧116下降，并从低温侧116滴落到排水口110。排水口110可以在分析期间积累水，然后在分析之后清理这种水，使得在分析/监测期间保持封闭的系统。采样气体流动超出下边缘120并开始沿着高温侧118攀升。然而，采样气体遇到强制采样气体通过出口108并最终到达采样室24的偏流器(图3所示)。然而如上所述，本发明的一些实施例包括将水分去除设备102定位在采样室24中。备选地，如果需要，则可以测量在分析/监测期间积累的水的量，并将其与采样气体流动信息相结合以便提供对存在于原始采样中的水分的指示。这种量可以是在一些分析环境中的感兴趣的量。此外，在使用微量水分传感器的情况下，可以将在分析/检测期间积累的水量与在原始采样中测量的微量水分含量进行比较，以便验证和/或校准所述微量水分传感器。

图5是根据本发明另一实施例的气体检测系统的水分去除设备的图解视图。水分去除设备202与水分去除设备102(图4所示)部分相似，使用相似的附图标记来表示相似的组件。水分去除设备202与水分去除设备102的不同之处在于导致变干后的采样气体攀升至热电制冷器112的实质上整个高温侧118。备选地，大量流动壁120在外壳104和热电制冷器112之间延伸与引起采样气体按照曲折或蛇形路径沿着低温侧116和高温侧118二者行进。这种流动路径在采样气体和热电制冷器112之间引起更明显的热相互作用。此外，在一些实施例中，流动路径沿着高温侧的长度与流动路径沿着低温侧的长度实质上相同。这样允许当采样气体沿着低温侧行进时采样气体恢复大部分的热量损失(如果并非恢复全部的热量损失)。这种热恢复有助于确保进入采样室并与一个或多个气体传感器相互作用的采样是原始采样气体的更准确表示。尽管可以将加热器仅用于将采样气体加热到它的原始温度，更有效地是使用热电制冷器的双侧。此外，在使用蒸发器/压缩器组合提供冷却的实施例中，采样气体可以在冷却和凝结期间靠近蒸发器线圈流动，以便进行热量恢复。

尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应认识到可以在形式和细节上进行多种改变，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种气体检测系统，包括：

采样气体入口，配置为接收气体的采样；

采样室，可操作地耦接到所述采样气体入口，所述采样室具有布置在其中的至少一个气体传感器，所述至少一个气体传感器提供了对气体样品中的感兴趣的物质加以表示的气体传感器输出；

控制器，耦接到所述至少一个过程气体传感器，并且配置为基于气体传感器输出来提供与感兴趣的物质相关的信息；以及

水分去除设备，布置为接收气体的采样，并且在所述采样到达所述至少一个气体传感器之前从所述采样去除水分。

2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中所述气体传感器是基于金属氧化物半导体的传感器。

3.根据权利要求2所述的气体检测系统，其中所述气体传感器是H₂S传感器。

4.根据权利要求2所述的气体检测系统，其中所述气体传感器具有多晶结构的感测材料，并且负电荷表面氧化物的存在控制了肖特基势垒的高度和感测材料的电阻。

5.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中所述水分去除设备具有保持在某温度的表面，其中所述温度选择为引起气体的采样中的水分凝结在所述表面上。

6.根据权利要求5所述的气体检测系统，其中所述表面是相对惰性的。

7.根据权利要求5所述的气体检测系统，其中所述表面是热电设备的低温表面。

8.根据权利要求7所述的气体检测系统，其中所述水分去除设备配置为引起气体的采样沿着热电设备的高温侧流动。

9.根据权利要求8所述的气体检测系统，其中流动路径沿着热电设备低温侧的长度与流动路径沿着所述热电设备的高温侧的长度实质上相同。

10.根据权利要求5所述的气体检测系统，其中通过压缩器/蒸发器热泵系统来冷却所述表面。

11.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中所述水分去除设备包括至少一个流动壁，所述流动壁配置为引起气体的采样按照曲折流动路径流动通过水分去除设备。

12.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中在所述水分去除设备上凝结的水量与针对气体的采样的微量水分值相关。

13.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中所述水分去除设备插入在采样气体入口和采样室之间。

14.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中所述水分去除设备位于所述采样室内部。

15.一种分析/检测气体的方法，所述方法包括：

获得气体的采样；

将所述气体与具有某温度的表面相接触，其中将所述温度选择为引起气体的采样中的水蒸气凝结在所述表面上以提供干燥的气体的采样；

将干燥的气体的采样传送到至少一个过程气体传感器以便获得气体传感器测量值；以及

基于气体传感器测量值，提供与所述气体相关的指示。