CN110967435B - 流体分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流体分析仪，其中具有电加热器(8)的流体分析仪包括本质安全栅(19)，其提供从电源(13)到电负载(20)的电压和电流，并且包括电压限制器(22)和可靠电流限制电阻器(23)，用于将提供的电压和电流限制到各自的本质安全级别。电压限制器(22)被布置在防火/防爆的或加压/吹扫的外壳(28)中，并且电流限制电阻器(23)借助于连接线(29)连接到电压限制器(22)，并被布置在外壳(31)中的防火/防爆的或加压/吹扫的外壳(28)的外侧，该外壳(31)被设计成提供防止接触和进入的保护且并不防火/防爆或加压/吹扫。电流限制电阻器(23)被设计成构成电加热器(8)。
Description
技术领域
本发明涉及流体分析仪。
背景技术
流体分析仪通常具有流体分析区段，用于容纳待分析的流体(或流体样本)以及用于测量其物理和/或化学性质。此类性质尤其包括热导率、波长特定的光吸收，或例如，在氧气、磁化率的情况下，可通过合适的传感器或检测器直接测量。还可间接测量一些性质，诸如光学吸收，其在非分散红外(NDIR)气体测量中通常由光气动探测器检测。色谱设备通常用于将复杂的流体混合物分离成它们各自的组分，使得可以精确地测量各个组分。流体分析区段由电子区段控制，该电子区段还用于处理从流体分析区段获得的测量值，以便基于此生成分析测量数据。此种分析测量数据可包括流体的各个组分的浓度。
流体分析区段(或其部分)通常配备有电加热器。在气体分析中，例如，可提供流体分析区段中的气体携带部分的加热，以防止气体中含有的水分的冷凝。还存在包括传感器的分析仪，诸如基于半导体金属氧化物的气体传感器，其需要被加热以便能够执行有意义的测量。在气相色谱仪中，通常需要加热分离柱以获得所需的分离性质，或待分析的样本是需要在进入分离柱之前蒸发的液体。由于常规气体分析方法通常是温度敏感的，所以至少可以通过加热分析仪或分析区段来降低外部温度的影响，从而获得可重复的、稳定的测量结果。
流体分析仪，特别是气体分析仪，通常位于可存在爆炸性气体的恶劣环境中。因此，必须采取安全预防措施以防止气体点燃。为此，分析仪或其受影响的部分可布置在加压外壳中，该外壳使用过压以防止爆炸性气体进入。可通过连续吹扫来维持过压，这可能是昂贵的。在防火(或防爆)外壳保护中，防止外壳内部发生的爆炸扩散并点燃外壳周围的爆炸性气体。然而，这导致壳体非常坚固且昂贵。
单独或组合的吹扫外壳和防爆设备/外壳还可能导致严重的热问题。一方面，仅通过对流不能充分地去除来自外壳内的电气设备的大量的热。另一方面，风扇冷却是不可能的，因为任何将冷却空气带入外壳的尝试反而会将爆炸性气体带入外壳并导致危险情况。
如果如上所述，流体分析仪配备有电加热器，则热问题会恶化。这特别适用于气相色谱仪，其包括含有一个或多个色谱柱和检测器的烘箱。该烘箱的部件容易超过该区域内存在的气体的点燃温度，然后必须包含在防爆壳体中，这使其难以维修，或者其必须由不间断的空气源吹扫，而不间断的空气源并非总是现成的。
另一种爆炸防护技术是本质安全保护，其应用于电气设备和布线，以在正常或异常条件下将电能和热能限制到不足以点燃危险区域中爆炸性气体的水平。各种认证机构提出了各种本质安全标准，这些认证机构包括国际电工委员会(IEC)IEC 60079-11、美国工厂互保研究中心(FM)3610、美国保险商实验室(UL)UL913等。在许多情况下，危险区域中的本质安全设备必须连接到位于非危险区域中或位于适用于危险区域的外壳中的非本质安全设备。在这些情况下，本质安全设备和非本质安全设备通过本质安全栅连接，该本质安全栅通常位于危险区域和非危险区域的边界或危险区域中的防爆或吹扫外壳内。
为了从非本质安全设备(电源)向本质安全设备(电负载)提供电压和电流，本质安全栅通常包括电压限制器(例如齐纳二极管或撬棒电路)和电流限制电阻器，用于将提供的电压和电流两者限制到各自本质安全水平。
US 2004/0080890 A1公开了一种安全栅，其具有安全区域中的电压限制器和危险区域中的电流限制电阻器。电流限制电阻器被布置在“合适的受保护外壳”中，并经由具有适当保护(诸如防爆包层)的电源线连接到电压限制器。
虽然所有其他爆炸防护方法都需要合适的外壳、导管和密封件，但本质安全设备可以简单地现场直接连接而不会出现爆炸问题。在大多数情况下，用户可以在不移除系统电源的情况下断开或连接设备。因此，针对气相色谱仪的烘箱的实例，对于上述问题的简单解决方案似乎是使用本质安全栅来为烤箱提供功率。然而，根据最大功率传递定理，当电负载的电阻器等于电源的内部电阻时，电负载将从电源接收最大功率。因此，当最大化功率利用时，电流限制电阻器将消耗与电负载相同的功率(即热)，这将迅速成为包含本质安全栅的设备的热问题。在所提到的气相色谱仪的情况下，提供这样的加热器系统是没有意义的，该加热系统可将电子器件外壳加热到与其控制的烘箱相同或更高的温度。
发明内容
因此，本发明的目的是针对在危险区域中使用的电加热流体分析仪提供改善的加热构思。
根据本发明，该目的通过本发明的流体分析仪实现。
因此，本发明的主题是一种流体分析仪，包括：
-流体分析区段，其适于容纳流体并测量流体的物理和/或化学性质，流体分析区段配备有电加热器，以及
-电子区段，其适于控制流体分析区段和处理由流体分析区段递送的测量值中的至少一个，以便基于此产生分析测量数据，以及
-本质安全栅，其适于提供从电源到电负载的电压和电流，并且包括电压限制器和可靠电流限制电阻器，用于将提供的电压和电流限制到各自的本质安全水平，其中
-电压限制器布置在防火/防爆的或加压/吹扫的外壳中，
-电流限制电阻器借助于连接线连接到电压限制器，并被布置在设计成提供防止进入的保护且并不防火/防爆或加压/吹扫的外壳中的、防火/防爆的或加压/吹扫的外壳的外侧，并且
-电流限制电阻器被设计成构成电加热器。
与电流限制电阻器相比，电压限制器在正常操作中产生的热非常少，因此在防火/防爆的或加压/吹扫的外壳中不会引起热问题。由于电流限制电阻器与外壳物理分离，因此不会给外壳中的电子器件增加热，从而有助于提高环境温度能力。相反，在流体分析仪的流体分析区段配备有电加热器的情况下，可有利地使用由电流限制电阻器产生的热。为此，电流限制电阻器可被设计成构成电加热器。
因此，本发明的想法是脱离单独的安全栅和负载的传统构思，并且使用栅的电流限制电阻器作为附加电负载，其与电负载串联并且可以产生可用于危险区域中的流体分析仪的热量。因此，电流限制电阻器(其为电加热器)代表总电负载的一定比例，该比例可达到100％。在后一种情况下，没有除电流限制电阻器之外的其他电负载，并且连接到电流限制电阻器的电负载被简化为将电流限制电阻器连接到地或返回路径的短路。
在更一般的情况下，流体分析区段的电气部件和/或电子区段的电气组件中的至少一个连接到本质安全栅以构成电负载。此类电气部件可包括一个或多个另一电加热器，这些电加热器单独地或一起串联连接到由电流限制电阻器形成的电加热器。
如上已经提及的，气相色谱仪的流体分析区段通常包括可操作以分离样本气体的组分的分离装置(例如一个或多个色谱柱)和可操作以检测从分离装置的输出中洗脱的分离的组分的检测器装置(例如热导率检测器)。分离装置和(如果合适的话)检测器装置可放置在具有内部电加热的本质安全的烘箱中。在这种情况下，本质安全栅可用于向烘箱提供电力，其中电加热器(由电流限制电阻器形成)设置在烘箱的外侧，并且烘箱的内部加热构成负载(在传统意义上)。因此，电加热器或电流限制电阻器用作辅助加热装置，其消除了对烘箱的内部(或主要)加热的大部分环境温度影响，并允许将最终的柱和检测器温度控制到非常稳定的值。
如果可以满足安全要求，则可将烘箱本身作为电流限制电阻器加热。
在所有情况下，重要的是由电流限制电阻器形成的电加热器和它与安全屏障的电压限制器之间的连接线二者均被配置成根据本质安全标准是可靠的。限制电阻器必须是薄膜电阻器或绕线电阻器，或可只是电阻金属导体，例如金属丝，以便被认为是可靠的。必须遵守物理分离(爬电和间隙)要求以便满足安全标准。间隙是两个导电部件之间在空气中的最短距离。爬电距离是指沿两个导电部件之间的固体绝缘材料表面的最短距离。任何布线必须通过最小封装厚度的固体绝缘或通过空气的最小间隔距离来绝缘。用户必须无法接触布线，即必须有一定的进入防护(IP)级别。IP代码、国际防护等级认证、IEC标准60529，有时被解释为进入防护标记，对机械壳和电气外壳提供的对进入(诸如手和手指等身体部位)、灰尘、意外接触和水的防护程度进行分类和评级。上述内容适用于由电流限制电阻器形成的电加热器及其与电压限制器之间的连接线两者。
关于线形电流限制电阻器，金属丝可具有中空芯而不是实心芯，使得用于加热的表面积增加，同时保持合适的最小电阻。这也防止线表面超过设备安装的危险区域的温度分类等级(T代码)。这解决了所有可燃气体都具有不需要任何火花就点燃的温度的事实。设备不允许超过此温度。中空管的增加的表面积呈现相同的热，但是在比相同电阻的实心线更低的表面温度下。金属丝还可由温度稳定的合金制成，诸如康铜或锰铜，或由钢制成，特别是不锈钢，因为它具有高电阻率。中空金属丝可用于输送和加热待分析的流体，或可适于容纳色谱分离柱。
为了达到最大功率利用率，可选择电负载，使得其电阻等于电流限制电阻器的电阻。这将允许一半的能量进入电加热器或电流限制电阻器，另一半用于其他本质安全设备，这些本质安全设备是整个流体分析仪的一部分。
由于发热电流限制电阻器位于电压限制器所在的外壳的外侧，因此可以使用许多并联的本质安全电路(包括电流限制电阻器和连接到其的相应负载)，只要它们遵守本质安全标准的规则，特别地，只要确保并联本质安全电路之间的适当分离。因此，本质安全栅可适于通过相应的附加连接线和电流限制电阻器从电源向一个或多个附加电负载提供电压和一个或多个附加电流。取决于是否需要以及需要多少有用的热，可将附加电流限制电阻器中的没有一个、一些或全部设计和布置成形成附加电加热器。
不需要多个线路馈通来将电流从外壳中的电压限制器传递到外部的电流限制电阻器，线路馈通中的每个必须是防火的。相反，单根电缆可从电压限制器引入到接线盒中，电缆从该接线盒分开到电流线。任何不用于产生和传递有用热的电流限制电阻器均可位于接线盒中。
附图说明
现在将通过实例并参考附图来描述本发明，其中
图1是具有流体分析区段和电子区段的流体分析仪的简化示意性框图，
图2是气相色谱仪的流体分析区段的实施方式，
图3是向电负载提供电压和电流的本质安全栅的实施方式，
图4是本质安全栅的实施方式，其中电负载是气相色谱仪的烘箱，以及
图5是本质安全栅的实施方式，其向许多并联的本质安全电路提供电压和电流。
在附图中，具有相同或相似功能的相同或相似的部分或部件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1是流体分析仪1的简化示意性框图，其包括流体分析区段2和电子区段3。流体分析区段2具有流体入口4，用于容纳流体(气体或液体)5的流或样本，以及至少一个传感器或检测器6，用于测量流体5的物理和/或化学性质。此类性质尤其可包括例如氧气的热导率、波长特定光学吸收、化学发光、UV荧光或磁化率。为了分析复杂的流体混合物，流体分析区段2可包括用于将流体混合物分离成其组分的色谱设备，然后可以单独测量组分。在已经测量之后，流体5通过流体出口7离开流体分析区段2。
由于上面已经讨论过的各种原因，流体分析区段2(或其部分)配备有电加热器8，并且如果需要的话，配备有一个或多个另外的或附加的电加热器9。
流体分析区段2由电子区段3经由控制线10控制。电子区段3还用于处理从流体分析区段2获得的测量值11，以便基于此生成和输出分析测量数据12。此种分析测量数据可包括流体混合物5中的选定浓度的成分。流体分析区段2和电子区段3从电源13接收电功率。流体分析区段2可经由电子区段3直接或间接地供电，如图所示。
应当注意的是，流体分析区段2和电子区段3之间的区别是功能上的而不是结构上的，这意味着流体分析区段2的电气部件和电子区段3的电气组件不一定放在流体分析仪1的严格分离的区域。
图2示意性地示出了气相色谱仪的流体分析区段2的实施方式。将气体混合物5的样本供应到计量单元14，用于将指定剂量的气体样本注射到载气流15中，诸如氢气、氮气或氦气。载气15携带样本通过分离装置16，诸如一个或若干分离柱，其中发生气体混合物5的组分的分离。从分离装置16连续洗脱的气体组分被至少一个检测器6(例如，热导检测器)检测和定量识别。分离装置16和(如果适用的话)计量单元14和/或检测器6位于烘箱17中，烘箱具有由另外的电加热器9构成的内部(或主要)加热。电加热器8用作辅助加热装置并被放置在烘箱17的外侧18上，例如在外底板上或外底板中。
图3示例性地描绘了本质安全栅19，其适于从电源13向电负载20提供电压和电流。电负载20可为流体分析区段2的电气部件和/或电子区段3的电气组件中的任一个，其不受例如吹扫或防爆外壳的保护，并且需要被评级为本质安全的以在危险区域21中使用。在图2的气相色谱仪的情况下，此类电气部件可包括，例如，用于例如调节载气15的流量的电磁阀、热导检测器6及其用于检测从分离装置16或电加热烘箱17洗脱的气体组分的电子器件。本质安全栅19包括电压限制器22和电流限制电阻器23用于将提供的电压和电流限制到各自本质安全水平。电压限制器22通常包括并联(即冗余)齐纳二极管或撬棒电路24、电阻器25和保险丝26。齐纳二极管或撬棒电路24用于钳位过电压，使得在过电压的情况下，保险丝26将由于电流过大而熔断。
电压限制器22和(任选地)其他电气或电子设备27可位于非危险区域中，或如此处所示，位于适用于危险区域21的吹扫或防爆外壳28中。尽管是本质安全栅19的功能部分，但是电流限制电阻器23被布置在外壳28的外侧并且借助于连接线29连接到电压限制器22。
在所示的实例中为绕线电阻器的电流限制电阻器23和连接线29必须被设计成根据本质安全标准是可靠的。因此，任何布线必须通过例如0.5mm至1mm的固体绝缘、0.5mm至2mm的封装厚度或通过空气的6mm的间隔距离(根据系统的电压给出的尺寸)绝缘。绕线电阻器23可需要类似的分离。此外，用户必须无法接触布线的电阻区段。为此，连接线29和限制电阻器23可被外壳30、31包围，外壳提供一定的进入防护(IP)等级，诸如IP45，但既不需要防火/防爆或加压/吹扫，也不是防火/防爆或加压/吹扫的。连接线29可以具有不同的安装距离，并且可以可接受的实践和适用于所使用的国家和危险区域等级的代码(区或地区)进行安装。例如，这可为北美(地区)的金属导管和浇注密封件，以及在欧洲和全球其他使用区的位置的具有经批准的增加安全装置的绝缘金属丝和电缆密封套。
与先前的安全概念相反，电流限制电阻器23用作附加的电负载，其与待供电的电负载20串联并且形成电加热器8，从而为危险区域21中的流体分析仪1产生有用的热。为了达到最大化功率利用，可选择电负载20，使得其电阻等于电流限制电阻器23的电阻。在这种情况下，一半的能量将由电加热器8或电流限制电阻器23转换为有用的热，而另一半用于流体分析仪1的其他本质安全的部件或组件20。与电流限制电阻器23相比，电压限制器22产生非常少的热，因此在防火/防爆或加压/吹扫外壳28中不会产生热问题。如果使用撬棍电路代替齐纳栅，则尤其如此，其在正常操作中几乎不消耗功率并且在激活时仅消耗非常少的功率。由于电流限制电阻器23与外壳28物理分离，因此它不会向外壳28中的电子器件添加热，从而有助于提高环境温度能力。
由于通过电加热器8或电流限制电阻器23的可用能量完全是本质安全的，所以负载20或任何其他负载可在任何时间使用可拆卸连接器32连接到电流限制电阻器23或从电流限制电阻器断开，而不用担心危险区域的情况。所提供的能量可完全转化为有用的热。在这种情况下，可使用另外的或附加的电加热器9(参见图1和图2)作为电负载20。另选地，可使用短路33将电流限制电阻器23连接到地面(或功率返回)，使得可用的加热器功率中的全部都被递送到电加热器8或电流限制电阻器23。
绕线电阻器8、23的线34可由钢或温度稳定的合金制成，并且可具有中空芯而不是实心芯，使得用于加热的表面积增加。
图4示出了本质安全栅19的实施方式，其中电负载20包括气相色谱仪的烘箱17，或更确切地说，其内部加热由另外的电加热器9(参见图2)和气相色谱仪的，特别是流体分析区段2的任选的另外的电气部件35、36、37构成。本质安全部件可包括气体压力控制器35、加热控制器36和检测器电子器件37。
图5展示了新安全概念的灵活性。由于吹扫或防爆外壳28仅包含本质安全栅19的电压限制部分，因此电流容量可以使得可以使用许多并联的本质安全电路，只要它们遵循本质安全标准的规则，即只要确保适当的分离。在所示的实例中，本质安全栅19通过相应的附加连接线43、44、45、46、47和电流限制电阻器48、49、50、51、52从电源13向附加的电负载38、39、40、41、42提供电压和附加电流。除了限流电阻器23之外，附加限流电阻器48、49、50也被设计和布置成形成附加电加热器。
为了避免外壳28中的多个防爆线路馈通，单个电缆53可从电压限制器22通过单个馈通54引入到接线盒55中，电缆53从该接线盒55分开到连接线29、43至47。不用于产生和传递有用的热的任何电流限制电阻器51、52可位于接线盒55中，使得它们与外壳28物理分离，并且不向其中的电子器件添加热。接线盒55既不防火/防爆也不加压/吹扫，但提供进入防护。
Claims (13)
1.一种流体分析仪(1)，包括：
流体分析区段(2)，所述流体分析区段适于容纳流体(5)并测量所述流体的物理和/或化学性质，所述流体分析区段(2)配备有第一电加热器(8)，以及
电子区段(3)，所述电子区段适于控制所述流体分析区段(2)和处理由所述流体分析区段(2)递送的测量值(11)中的至少一个，以便基于此产生分析测量数据(12)，以及
本质安全栅(19)，所述本质安全栅适于从电源(13)向电负载(20)提供电压和电流，并且包括电压限制器(22)和可靠电流限制电阻器(23)，用于将提供的所述电压和电流限制到各自的本质安全级别，其中
所述电压限制器(22)被布置在防火及防爆的或加压及吹扫的外壳(28)中，
所述电流限制电阻器(23)借助于连接线(29)连接到所述电压限制器(22)，并被布置在设计成提供防止进入的保护且并不是防火及防爆或不是加压及吹扫的外壳(31)内的、所述防火及防爆的或加压及吹扫的外壳(28)的外侧，并且
所述电流限制电阻器(23)被设计成构成所述第一电加热器(8)。
2.根据权利要求1所述的流体分析仪(1)，其中，所述电流限制电阻器(23、8)是线型或绕线型，并且由钢制成。
3.根据权利要求2所述的流体分析仪(1)，其中，所述电流限制电阻器(23、8)由不锈钢或合金制成。
4.根据权利要求2所述的流体分析仪(1)，其中，所述电流限制电阻器(23、8)是空心线型。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的流体分析仪(1)，其中，所述电负载是短路(33)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的流体分析仪(1)，其中，所述流体分析区段(2)的至少一个电气部件和/或所述电子区段(3)的电气组件连接到所述本质安全栅(19)以构成所述电负载(20)。
7.根据权利要求6所述的流体分析仪(1)，其中，所述电流限制电阻器(23、8)的电阻等于所述电负载(20)的电阻。
8.根据权利要求6所述的流体分析仪(1)，其中，所述流体分析区段(2)的所述电气部件中的至少一个是布置在所述流体分析区段(2)中的第二电加热器(9)。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的流体分析仪(1)，其中，所述流体分析仪(1)是气相色谱仪，所述气相色谱仪的所述流体分析区段(2)包括：
分离装置(16)，所述分离装置可操作以分离样本气体的组分，
检测器装置(6)，所述检测器装置可操作以检测从所述分离装置(16)的输出中洗脱的分离组分，以及
本质安全烘箱(17)，具有第二电加热器并且其中放置有所述分离装置(16)，其中
所述第一电加热器(8)被设置在所述烘箱(17)的外侧(18)上，并且
所述烘箱(17)的内部加热由所述第二电加热器(9)构成。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的流体分析仪(1)，其中，所述本质安全栅(19)适于将电压和一个或多个另外的电流从所述电源(13)提供到一个或多个附加电负载(38、39、40、41、42)，并且包括一个或多个附加电流限制电阻器(48、49、50、51、52)，用于将相应的附加电流限制到本质安全水平，所述一个或多个附加电流限制电阻器(48、49、50、51、52)借助于相应的附加连接线(43、44、45、46、47)连接到所述电压限制器(22)。
11.根据权利要求10所述的流体分析仪(1)，其中，所述附加电流限制电阻器中的至少一个被设计和布置成形成附加电加热器。
12.根据权利要求10所述的流体分析仪(1)，其中，单个电缆(53)从所述电压限制器(22)引入到接线盒(55)中，以分开到所述连接线(29)和一个或多个所述附加连接线(43、44、45、46、47)。
13.根据权利要求12所述的流体分析仪(1)，其中，没有形成附加电加热器的所述附加电流限制电阻器中的至少一个位于所述接线盒(55)中。
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