CN104981661A - 具有本质安全输出的现场加热氧气探针 - Google Patents

Abstract

提供一种现场氧气分析仪(10)，该分析仪具有本质安全输出(68)和加热探针(12)。该探针能够延伸到过程气体源中并且具有被设置在其中的氧气传感器(34)以及加热器(38)。所述加热器(38)被构造为将氧气传感器(34)加热到足够操作氧气传感器(34)的温度。壳体被联接到探针并且具有第一腔室(36)和第二腔室(64)。所述第一腔室(36)是防爆等级的并且包括被联接到加热器(38)以激发加热器(38)的非本质安全电路(50)。所述第二腔室(64)只包含与本质安全说明一致的本质安全电路(72)。第一腔室(36)和第二腔室(64)彼此隔离开。非本质安全电路(50)经由能量限制隔离器(70)而被联接到本质安全电路(60)。

Description

具有本质安全输出的现场加热氧气探针

背景技术

工业过程工厂经常依赖于包括一个或多个燃烧过程的能量源。此种燃烧过程包括操作燃烧室或锅炉以产生来自于燃烧的能量，这些能量然后被用于过程。虽然燃烧提供较廉价的能量，但是它的使用通常被控制并且燃烧效率被试图最大化。因此，过程管理工厂的一个目的是通过维持最大的燃烧效率而降低从燃烧室和锅炉中排出的温室气体的产生。

现场废气分析仪通常被用于监测、优化和/或控制燃烧过程。典型地，这些分析仪采用氧化锆传感器以测量废气中的过量氧气。此种氧气传感器是已知的并且使用基于能斯脱方程的操作原理。该操作原理需要传感器元件被维持在较高操作温度下。典型地，使用由分析仪的电子器件所驱动的加热器而实现该高温。因为现场废气分析仪具有不移动的部件或者取样设备，因此形成了需要很少的维护的极其可靠的探针，因而现场废气分析仪是尤其有利的。

燃烧过程的一些操作员具有如下应用：该应用将有害气体添加到过程本身中或者被添加到分析仪的电子器件所安装的区域内的环境气体中。这些操作员担心元件加热器可能用作过程中的有害气体的点火源，或者电子器件可以向可能存在的有害过程气体或环境气体提供点火。由于这些担忧，这些用户必须购买具有昂贵的保护特征的分析仪。

当出现有害气体时，典型地有两种可以提供保护的方法：防爆外壳和/或本质安全电路。

当电子器件被容纳在防爆外壳中时，此种外壳可以防止气体进入到外壳的内部腔室中。另外，如果此种气体确实进入到外壳中并且导致了爆炸，那么火焰将不可能蔓延到外壳之外。防爆等级的一个示例是符合章节1和5的用于潜在爆炸空气的EExdIIB T6标准EN50015和EN50018的爆炸指令(ATEX)认证。

其他保护计划是使得电子器件本质安全。当电子器件是本质安全时，即使在故障条件下，它们本质上不会产生所需的温度或火花以产生爆炸。本质安全说明的一个示例是标题为“用在等级号为3610的I、II和III等级且1类的危险(分类)位置中的认证标准本质安全设备和附属设备”(APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS ANDASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I，II，AND III，DIVISION 1HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610)的1998年10月的工厂共同研究(Factory Mutual Research)颁布的标准。本质安全需求一般地规定此种低能级别，使得遵从性是简单的，且不可能用于包含诸如AC电路的高压、高电流和/或高瓦数的电路。

过去已经用于爆炸环境的一个特定装置是可从爱默生过程管理公司购得的商品名称为型号5081FG的双线式现场氧气分析仪售卖的装置。该装置使用氧化锆传感器以测量燃烧过程中的过量氧气。然而，分析仪不使用元件加热器而是使用较高过程温度以将氧化锆传感器元件加热到能斯脱方程所需要的用于操作的温度。分析仪的电子器件是本质安全的，并且可以被4-20mA信号线驱动。然而，型号5081FG已经证明对于测量有害位置中或有害位置附近的氧气而言是有用的，其用途可以被限定于如下的应用：该应用产生足够的过程热以将氧化锆传感器维持在必需的高温下。另外，当过程热需要被用于传感器操作时，不能得到有用的传感器数据直到过程已经充分加热了传感器。因此，系统启动期间测量氧气的能力已经针对具有本质安全输出的现场氧气探针而被限制。

提供具有本质安全输出的现场氧气探针将增加此种装置可以适用的用途，该本质安全输出在低温和/或系统启动期间能够工作。

发明内容

提供一种现场氧气分析仪，该分析仪具有本质安全输出和加热探针。该探针能够延伸到过程气体源中并且具有被设置在其中的氧气传感器以及加热器。所述加热器被构造为将氧气传感器加热到足够操作氧气传感器的温度。壳体被联接到探针并且具有第一腔室和第二腔室。所述第一腔室是防爆等级的并且包括被联接到加热器以激发加热器的非本质安全电路。所述第二腔室只包含与本质安全说明一致的本质安全电路。第一腔室和第二腔室彼此隔离开。非本质安全电路通过能量限制隔离器而被联接到本质安全电路。

附图说明

图1是现场氧气探针的示意图，本发明的具有该现场氧气探针的实施例是尤其有用的。

图2是根据本发明的一个实施例的现场加热氧气探针的示意立体图。

图3是根据本发明的一个实施例的具有本质安全输出的现场加热氧气探针的示意图。

具体实施方式

图1是在燃烧过程中操作的现场烟道氧气探针的示意图。此种装置10的一个示例是爱默生过程管理公司以商品名称型号6888售卖的现场废气氧气变送器。分析仪10包括探针组件12，该探针组件12被放置在烟囱14或烟道中并且测试燃烧气体中的氧气。

燃烧器16被可操作地联接到空气或氧气源18以及可燃燃料源20。各个源18和20优选地经由相应的阀门24、26被联接到燃烧器16从而向燃烧器16分配受控量的氧气和/或燃料，从而控制燃烧过程。分析仪10测量燃烧废气流中的氧气量并且向燃烧控制器22提供氧气等级的指示。控制器22控制阀24、26中的一个或两个从而提供闭环燃烧控制。分析仪10包括氧气传感器，该氧气传感器必须在高温下操作从而适当地起作用。此种氧气传感器的一个示例是基于氧化锆的氧气传感器，该传感器提供指示废气中的氧气浓度、含量或百分比的电信号。

氧化锆传感器在大约700℃的温度下操作并且因此分析仪10在探针组件12中包括被可操作地联接到AC电源29的电加热器(如图3所示)。探针12中的氧气传感器与在汽车中发现的氧气传感器的技术类似。此种传感器十分有效地用于允许控制系统将最优燃料维持到一定比例，从而实现高效的且低NOx的生产，并且也尽可能实现最小量的温室气体的排放。

图2是根据本发明的实施例的现场烟道加热氧气探针的示意立体图。探针组件12大致被构造为容纳传感器芯组件，该芯组件包括被布置成靠近端部32的扩散器。探针12中的测量元件在高温下是可操作的。探针12中的测量元件和加热器被电联接到电子器件壳体36中的分析仪电子器件(如图3所示)。分析仪电子器件被构造从测量元件获得测量值并且提供适当的信号调整从而提供代表烟道气体氧气的信号。

图3是根据本发明的一个实施例的具有本质安全输出的现场加热氧气探针的示意图。探针12包括定位成暴露到烟道气体或废气的传感器元件34。因为传感器元件34在高温下操作并且向控制器54提供氧气浓度的指示，因而加热器组件38被联接到高压电路50并且被布置成向传感器元件34供热，从而传感器元件34能够被维持在必需的高温下。在一个实施例中，传感器元件34包括氧化锆传感器并且必需的温度是大约700℃。控制器54也被联接到高压电路50，从而控制器54能够控制加热器组件38的激发从而将传感器元件34维持在必需的温度下。控制器54能够是任何适当的装置或者构件，但是在一个实施例中，是微处理器。

分析仪10经由防爆等级导管52被联接到AC源29。因为导管52是防爆等级的，所以其防止气体进入壳体36。此外，如果气体确实进入到壳体36中并且经由与高压电路50接触而被点燃或者与壳体36中的任何其他构件接触而被点燃，那么火焰不会溢出到壳体之外。在如图3所示的实施例职工，整个壳体36是防爆等级的。然而，在壳体36的本质安全部(腔室64，如下所述)不是防爆的情况下可以应用本发明的实施例。防爆布线馈通装置62经由本质安全边界或屏障66而将低压本质安全电路60联接到腔室64中的本质安全电路72。电路72可以是任何本质安全电路或构件。例如，电路72可以是简单的电路板，该电路板具有定制端子和保险丝以及一些基本的保护电路。然而，电路72也可以包括对于包含具有其自己的过程通信能力的本质安全变送器而言所必需的所有电路。此种过程通信能力包括根据如下的协议的通信：可寻址远程变送器高速通道协议FOUNDATION^TM现场总线协议或其他过程通信协议。

因为腔体56是防爆的，因而腔体56中的火焰或爆炸不能通过馈通装置62溢出，并且因此不会点燃或以其他方式破坏安全区域。信号线68允许装置10以能量限制的方式与一个或多个其他设备通信以与本质安全说明保持一致。本质安全电路60能够包括任何适当的可操作地与本质安全说明保持一致的电路。在一个实施例中，电路60可以包括用于产生能量限制信号的通信电路，该能量限制信号根据过程通信协议适于传输通过危险环境。

根据本发明的一个实施例，壳体36在其中具有一对腔体56、64。然而，如图3所示的实施例描述了彼此靠近的腔体56和64，但是本发明的多个实施例在腔体56和64彼此分开的情况下也是实用的。在腔体56和64彼此分开的实施例中，防爆布线馈通装置是防爆等级的导管。腔体56具有非本质安全区域57和本质安全区域58。腔体56容纳区域57中的高压电路50，以及用在分析仪10中的其他任何非本质安全电路。相反的，区域58和腔体64只容纳与本质安全说明一致的电路，诸如上述提及的电路。区域57和58通过虚线59而隔开。位于线59右侧的本质安全电路使用防爆布线馈通装置被供给到腔室64。通过馈通装置62的信号可以沿着电线被传送或者以其他任何适当的方式被传送，诸如光、光纤、磁、射频等。虽然虚线59体现了相同的印刷电路板上的非本质安全电路和本质安全电路之间的隔开，但是此种隔开也可以使用分开的印刷电路板而实现。此外，将非本质安全电路与本质安全电路分开的任何可接受技术都可以被使用。在该实施例中，信号在区域57中的电路50和区域58中的电路60之间传递的唯一方法是经过信号隔离器70。该隔离器70保证通过隔离器70的信号是能量限制的。在一个实施例中，隔离器70提供250伏的本质安全信号隔离，该本质安全信号隔离满足本质安全的需求以将本质安全电路与非本质安全电路隔开。

本发明的实施例因此提供一种现场氧气分析仪，该分析仪具有以下优点，即，在还提供本质安全布线的便利的同时，使用电加热器以将氧气传感器加热到用于有用的操作而所需的温度(典型的是600℃以上)。这允许用户采用从装置到分布式控制系统的更简单的本质安全布线技术。

虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将意识到在不脱离本发明的精神和范围的基础上可以对形式和细节做出修改。例如，虽然以及关于具有加热的氧气传感器的现场氧气分析仪描述了本发明，但是本发明的实施例也可以适用于任何需要此种动力的仪器或设备，从而仪器或设备的至少一部分不能符合本质安全要求，但是其中本质安全输出是期望的。

Claims (14)

1.一种现场氧气分析仪，包括：

探针，所述探针能够延伸到过程气体源中，所述探针具有被设置在其中的氧气传感器以及加热器，其中，加热器被构造为将氧气传感器加热到足够操作氧气传感器的温度；

壳体，所述壳体被联接到探针，所述壳体具有位于其中的第一腔室和第二腔室，所述第一腔室是防爆等级的并且包括被联接到加热器以激发加热器的非本质安全电路，所述第二腔室只包含与本质安全说明一致的本质安全电路；以及

其中，第一腔室和第二腔室通过防爆等级馈通装置而被联接在一起，其中，非本质安全电路经由能量限制隔离器而与本质安全电路隔开。

2.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，还包括防爆等级导管，所述防爆等级导管被构造为将非本质安全电路联接到电源。

3.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，整个壳体是防爆等级的。

4.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，非本质安全电路包括被能够操作地联接到氧气传感器的控制器，其中，所述控制器被构造为控制加热器以将氧气传感器加热到足够操作氧气传感器的温度。

5.根据权利要求4所述的现场氧气分析仪，其中，氧气传感器是氧化锆传感器，并且其中所述温度是600℃以上。

6.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，本质安全电路包括通信电路。

7.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，能量限制隔离器是至少250伏本质安全信号隔离器。

8.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，第二腔室被构造为被放置在本质安全边界的与第一腔室相反的一侧。

9.根据权利要求1所述的现场氧气分析仪，其中，第一腔室具有包含非本质安全电路的第一区域，和只包含本质安全电路的第二区域。

10.根据权利要求9所述的现场氧气分析仪，其中，能量限制隔离器被放置在第一区域的非本质安全电路和第二区域中的本质安全电路之间。

11.根据权利要求9所述的现场氧气分析仪，其中，第二腔室的本质安全电路通过防爆等级馈通装置而被连接到第一腔室的第二区域的本质安全电路。

12.根据权利要求9所述的现场氧气分析仪，其中，第一区域和第二区域被设置在单一的电路板上。

13.根据权利要求9所述的现场氧气分析仪，其中，第一区域和第二区域被设置在不同的电路板上。

14.根据权利要求9所述的现场氧气分析仪，其中，第一腔室和第二腔室被彼此分开。