CN114839250A - 氧感测探针/分析仪 - Google Patents

Abstract

提供一种探针气体分析系统。该探针气体分析系统包括被构造成暴露于过程气体源(14)的探针主体(104)。该探针气体分析系统还包括具有传感器单元(200)的传感器单元组件，传感器单元(200)具有感应侧(210)和参考侧(208)。感应侧(210)被设置成接触过程气体源(14)并且产生指示检测到的在参考侧(208)与感应侧(210)之间氧浓度差的信号。该探针气体分析系统还包括将传感器单元组件(200)联接至探针主体(104)的基本永久密封件(206)，其中基本永久密封件(206)将参考侧(208)与感应侧(210)分离开。

Description

氧感测探针/分析仪

本申请为专利申请案(国际申请日2016年5月6日，申请号201680025603.4，发明名称为“氧感测探针/分析仪”)的分案申请。

背景技术

工业生产过程通常依赖于诸如燃烧产生蒸汽或原料液体热量的能源。一些燃烧过程涉及熔炉或锅炉的操作。虽然燃烧提供了相对低成本的能源，但是通常在这一过程中寻求燃烧效率最大化，因为所产生的排出该系统的烟气可能会受限于有关有害气体排放的规定。因此，燃烧过程管理行业的一个目标是使现有的熔炉和锅炉的燃烧效率最大化，从而从本质上减少温室气体或其他有害副产物的产生。可以通过维持来自燃烧过程的废气或烟气中氧气的理想水平来确保燃烧副产物的氧化，从而优化燃烧效率。

原位分析仪或进程内分析仪通常用于监测、优化和/或控制正在进行的燃烧过程。通常，这种分析仪采用被配置为加热并承受较高温度、并且在熔炉或锅炉燃烧区上方或附近直接操作的传感器。已知的过程燃烧分析仪通常使用氧化锆传感器，该氧化锆传感器被设置在直接插入烟气流中的探针的一端。当废气或烟气流入传感器时，它通过过滤器(通常称为扩散器)扩散到传感器附近。没有使用泵或其它引流(flow inducing)装置来将样品流引导至传感器，相反，气体通过扩散器过滤器而被动扩散。传感器提供与存在于气体中的氧含量相关的电信号。当扩散器允许扩散通过时，它还保护传感器免于与空气中固体或微粒的物理接触。

发明内容

提供一种探针气体分析系统。该探针气体分析系统包括被构造成暴露于过程气体源的探针主体。该探针气体分析系统还包括具有传感器单元的传感器单元组件，该传感器单元具有感应侧和参考侧。感应侧被设置成接触过程气体源，并且产生指示检测到的在参考侧和感应侧之间的氧浓度差的信号。该探针气体分析系统还包括将传感器单元组件联接至探针主体的基本永久的密封件，其中，该基本永久的密封件将参考侧与感应侧分开。

附图说明

图1是本发明的实施例特别适用的原位过程氧分析仪/变送器的示意图。

图2是本发明的实施例特别适用的燃烧氧变送器的示意性立体图。

图3是根据本发明的一个实施例的被焊接到传感器单元的探针主体的远端的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的用于将探针主体焊接到传感器单元的一个示例性方法的流程图。

具体实施方式

一些氧测量系统使用氧化锆传感器单元。氧化锆传感器单元通过检测传感器两侧(感应侧和参考侧)之间的氧浓度差来发挥作用。具有已知氧浓度的参考气体通常用于传感器的参考侧。对于某些应用，环境空气用作参考气体。传感器的另一侧处于需要进行氧测量的环境。该环境可以是例如燃烧系统的烟气或废气流。基于参考气体的已知浓度和参考侧与传感器侧之间的检测差值，可以计算被测环境中的氧含量。

传统的氧探针使用垫圈作为传感器的感应侧与参考侧之间的密封件。然而，垫圈具有一些已知的缺陷，当被用于氧感测探针时，成本增加并且存在故障风险。例如，垫圈可能起初泄漏和/或随着时间的推移而发生泄漏。由于垫圈相关泄漏的风险，依赖于垫圈基密封件的氧探针可能需要频繁的质量测试来检测在氧测量中由任何泄漏所引起的偏差，因为泄漏的垫圈可能导致错误的氧浓度差值测量，这是由于参考气体从参考侧泄漏至传感器的感应侧，反之亦然。

在至少一些装置中，垫圈还需要精度规格，这可能会增加初始安装和随时间推移更换或修理的总成本。即使市场上可用的最好的垫圈也不足以在传感器的使用寿命期间完全消除泄漏的风险。另外，当探针在实际处理(其中在处理侧与参考侧之间存在压差，这增加了垫圈基密封件中的泄漏发生的风险)中操作时，泄漏被放大。因此，即使是具有初始有效垫圈密封件的仪器也可能受到泄漏率对测量精度的限制。于是，使用垫圈作为密封件限制甚至阻止了这种探针在高精度应用中使用的能力。

存在于氧传感器探针结构中的垫圈基密封件的另外的限制是在生产环境中测试泄漏的过程可能是昂贵、复杂并且耗时的。因此，期望在传感器的感应侧与参考侧之间构造没有垫圈的氧化锆传感器单元，但是却具有足够的密封以确保泄漏风险降低。与市场上一些目前的垫圈基探针模型相比，还希望氧化锆传感器单元构造成本更低、制造更简单并且质量测试更简单。

本文公开的一些实施例通常解决了泄漏的问题、简化了制造/测试过程、并且降低了氧感测探针的成本。此外，至少一些公开的实施例可以被配置为支持精密测量应用，否则，使用传统的垫圈密封技术是不可能支持这些精密测量应用的。本发明的实施例通常提供氧传感器和传感器探针主体之间的焊接联接。与用垫圈密封相比，将传感器单元组件焊接或以其他方式永久密封至探针主体使得传感器的感应侧与参考侧之间的开口完全密封。焊接密封件减少了垫圈密封件常见的泄漏可能性。因此，本文公开的至少一些实施例消除了垫圈及其相关扭矩规格的要求，降低了设备的总成本，同时允许这种传感器单元、特别是氧化锆传感器单元用于新的精密测量应用。

图1是本发明的实施例特别适用的原位过程氧分析仪/变送器的示意图。变送器10可以是例如获自俄亥俄州索隆的罗斯蒙特分析公司(Emerson Process ManagementCompany)的6888型氧变送器。在一个实施例中，变送器10包括基本上设置在燃烧过程的烟囱或烟道14内的探针组件12。在一个实施例中，变送器10被配置成测量由燃烧器16处发生的燃烧产生的或与之相关的烟气中的氧浓度。在一个实施例中，燃烧器16被可操作地联接至空气源或其他氧气源18以及燃烧燃料源20。在一个实施例中，由于变送器10被配置为暴露于燃烧区域，其被构造成承受高温。

在一个实施例中，氧气源18和燃料源20中的每一个被可控制地联接至燃烧器16，并且被配置为允许操作者或过程控制者控制正在进行的燃烧过程。在一个实施例中，变送器10被配置成测量燃烧废气流中的氧浓度，并向燃烧控制器22提供指示。在一个实施例中，控制器22例如响应于指示的氧浓度来控制阀24和26中的一个或两个，从而提供闭环燃烧控制系统。在一个实施例中，控制器22可以响应于烟气中检测到的氧浓度而自主地运作，从而控制阀24和26中的一个或两个。在另一个实施例中，控制器22半自主地运作，或者需要操作者的至少一些手动控制。在一个实施例中，所指示的氧浓度是绝对浓度，例如以百分数表示。在另一个实施例中，所指示的氧浓度表示为相对浓度，例如相对于已知参考气体氧浓度的差值。

图2是本发明的实施例特别适用的燃烧氧变送器的示意性立体图。在一个实施例中，变送器100包括壳体102、探针104和电子器件106。在一个实施例中，探针104包括远端108，其中在一个实施例中远端108可以安装有扩散器110。在一个实施例中，扩散器110包括被配置为允许至少一些气体扩散通过其中、但是以其他方式保护探针104内的部件的物理装置。具体地，扩散器110保护图2中以虚线示出的测量单元或传感器112。

在一个实施例中，壳体102包括腔室114，在一个实施例中，腔室114的尺寸被设置成容纳电子器件106。另外，在一个实施例中，壳体102可以包括被构造成接收并且配合端帽116的外螺纹的内螺纹。在一个实施例中，内螺纹和外螺纹的组合形成气密密封，该气密密封被构造成保护电子器件106。此外，在一个实施例中，壳体102包括穿过其中的孔或洞，以允许电子器件106与传感器112之间的电互相连接。

在一个实施例中，传感器112被焊接至探针104的远端108。传感器112与远端108的联接的一个实施例在下文所讨论的图3中更详细地示出。将传感器112焊接至探针104的远端108例如提供了优于先前结构的多种优点。例如，将传感器112焊接至远端108的制造过程可能产生更低的制造成本并且减少组装所需要的部件，上述两者均可以简化制造过程和整体传感器成本。此外，将传感器112焊接至探针104的远端108还降低了起始生产变送器100的制造商以及需要更换部件的变送器100的终端用户对于精密部件的需求。焊接仅仅是用于在传感器112的感应侧与参考侧之间提供永久屏障的机构的一个示例，而在其他实施例中也可以使用其他适当的永久密封机构，例如钎焊。

在传感器112被直接焊接至探针104的远端108的实施例中，垫圈可以从该设计中完全去除。使用垫圈存在的另一个问题是所需的扭矩规格。在变送器设计中减少或消除垫圈的使用也可能消除对扭矩规格的需求。此外，与使用垫圈密封件的常规变送器相比，焊接不需要制造商安装所需的特定部件，从而降低制造和组装焊接变送器100的复杂性。

将传感器112焊接至探针104的远端108还可以降低终端用户所需要的成本和精力。例如，将传感器112焊接至探针104的远端108可以减少用于检测探针的参考侧与感应侧之间泄漏的复杂的泄漏测试技术的需求，这通常需要首先验证垫圈基密封件没有制造相关的泄漏。另外，使用焊接作为永久密封技术明显降低了传感器通过制造商测试但是对于实地使用者来说并不合格的可能性。此外，焊接基密封件的使用可以允许终端用户将探针104用于更高精度的测量应用。这可能允许在氧化锆传感器以前无法实现的新的高精度应用中使用氧化锆传感器单元。此外，焊接减少了对参考气体连续气流的需要，这允许在更多应用中使用环境空气作为参考气体。

在一个实施例中，探针104被配置为在烟道(例如烟道14)内延伸。在一个实施例中，探针104可以包括被配置为毗邻凸缘120定位的近端118。凸缘120用于将变送器100安装或以其他方式固定到烟道14的侧壁上。在一个实施例中，变送器100可以由凸缘120与烟道壁的联接而被完全支撑。

电子器件106被配置为提供加热器控制和信号调节，在一个实施例中，产生表示烟气氧的线性4-20mA信号。电子器件106可以包括微处理器或其他合适的电路，用于测量来自氧传感器的信号并且计算和提供氧浓度输出。然而，在一些实施例中，变送器100可以简单地是没有电子器件的“直接替换”探针，由此被配置为分别向感测单元和热电偶发送原始毫伏信号，以提供表示氧浓度和电池温度的指示。

在使用“直接替换”探针的实施例中，探针被联接至合适的分析仪。一个这样合适的分析仪可以是获自罗斯蒙特分析公司的Xi操作员界面。Xi操作员界面在Nema 4x(IP 66)机箱内提供背光显示、信号调节和加热器控制。Xi操作员界面的电子器件还提供诸如自动校准、在还原条件下的化学计量指示、以及用于在近乎环境水平测量的可编程参考特征等功能。因此，Xi操作员界面包括根据本发明的实施例进行扩散器诊断的合适的处理能力。因此，在变送器包括直接替换探针的应用中，本发明的实施例仍然可以被实施。

图3是根据本发明的一个实施例的被焊接至传感器单元的探针主体的远端的示意图。在一个实施例中，传感器单元组件200在焊接密封件206处被永久地密封至探针主体104的远端108。在一个实施例中，焊接密封件206完全包围传感器单元组件200与探针主体104之间的界面，由此在感应侧210与参考侧208之间产生稳固的(robust)密封。在一个实施例中，焊接密封件206将探针主体104联接至传感器单元组件200，从而使得变送器100被配置为承受燃烧区域温度。在另一个实施例中，可以在传感器单元组件200与探针104之间使用其它联接机构来产生永久密封。

在一个实施例中，传感器单元组件200包括安装在管204内的传感器单元202。在一个实施例中，传感器单元202被电耦合至电子器件106，并且提供关于参考侧208与感应侧210之间氧浓度差的指示。由于参考侧208的氧含量是已知的，所以差值测量可以直接与感应侧210处的氧浓度相关。此外，由于组件200被焊接至探针主体104，所以在感应侧210与参考侧208之间的泄漏风险减小。

图4是根据本发明的一个实施例的用于将探针主体焊接至传感器单元的一个示例性方法的流程图。方法400从制备传感器单元组件(框410)开始。在一个实施例中，制备传感器单元组件包括获得所需的传感器单元。传感器单元组件可以例如根据已知的制造工艺来制备。在一个实施例中，准备传感器单元组件包括获得先前制造的或现成的传感器单元组件。在一个实施例中，传感器单元组件包括氧化锆传感器组件。

在框420中，制备探针主体。在一个实施例中，制备探针主体包括制备用于测量和传输氧浓度测量指示或其它过程变量所必需的所有电子连接件(connection)。

在框430中，探针主体被密封至传感器单元组件。在一个实施例中，密封包括将探针主体焊接至传感器单元组件，如框432所示。在一个实施例中，焊接包括连续焊接，其在传感器单元组件与探针主体之间提供完整的密封，从而使得密封侧从参考侧被密封。然而，虽然本公开内容将焊接描述为用于在探针主体与传感器单元组件之间提供完整的联接和密封的一种方法，但是可以设想，可以使用其他永久密封机构(例如钎焊)、或另一种被构造为承受燃烧温度同时在该组件的参考侧与传感器侧之间提供完整密封的其他永久工艺，如框434所示。在一个实施例中，密封包括在探针主体与传感器单元之间提供完整且基本上永久的密封，从而使得参考侧与探针的感应侧完全密封。

在一些实施例中，制造过程还可以包括例如在变送器被销售或提供给终端用户之前或者被安装在过程环境中的情况下进行如框440所示的符合性测试(compliance test)。在一个实施例中，符合性测试可以包括如框442所示的泄漏测试，以检测传感器单元的参考侧与感应侧之间的任何泄漏。在一个实施例中，符合性测试包括被配置为检测参考气体浓度测量的参考测试443，从而使得探针内参考气体规格可以提供给未来的操作者。在另一个实施例中，也可以在探针主体、传感器组件或组装的变送器上进行其他基于符合性的测试。在一个实施例中，框440中的符合性测试由终端用户在第一次使用之前进行。

据信，本文所描述的一些或全部实施例可以提供许多优点。例如，一些实施例可以降低制造成本或整体零件数量。

本发明的实施例可以允许需要在比先前用基于垫圈的方法进行的更高精度测量的应用中使用。这可能允许在新的高精度应用中使用基于氧化锆的测量。

Claims (9)

1.一种探针气体分析系统，包括：

探针主体，所述探针主体被构造成暴露于过程气体的源；

具有传感器单元的传感器单元组件，所述传感器单元具有感应侧和参考侧，其中，所述感应侧被设置在管内，配置成接触所述过程气体的源并且产生指示检测到的所述参考侧与所述感应侧之间氧浓度差的信号，其中所述管设置在所述探针主体内；

基本永久密封件，所述基本永久密封件将所述传感器单元组件联接至所述探针主体，其中，所述基本永久密封件将所述参考侧与所述感应侧分开，所述基本永久密封件是焊缝；

其中，所述探针主体包括远端，并且其中，所述传感器单元组件在所述远端处被联接至所述探针主体；

其中，所述管包括内部部分，所述内部部分设置成接触所述过程气体的源，其中所述管配置成将所述过程气体的源与参考气体分开；和

其中，所述传感器单元组件在所述焊缝处被永久地焊接至所述探针主体的远端，所述焊缝完全包围所述传感器单元组件与所述探针主体之间的界面，由此在所述感应侧与所述参考侧之间产生密封。

2.根据权利要求1所述的探针气体分析系统，其中，所述传感器单元包括氧化锆传感器单元。

3.根据权利要求1所述的探针气体分析系统，其中，所述参考侧被设置成接触环境空气源。

4.根据权利要求1所述的探针气体分析系统，其中，所述过程气体包括燃烧废气流。

5.一种变送器，包括：

探针主体，所述探针主体包括远端；

传感器单元组件，所述传感器单元组件包括：

传感器单元；

被配置为暴露于参考气体的参考侧；

被配置为暴露于过程气体的感应侧，其中所述感应侧设置在管内，所述管设置在所述探针主体内；并且

其中，所述传感器单元被配置为感测所述过程气体与所述参考气体之间的氧浓度差；

其中，所述探针主体的远端被焊接至所述传感器单元组件，从而使得所述参考侧与所述传感器单元的感应侧隔绝；

其中，所述管包括内部部分，所述内部部分设置成接触所述过程气体的源，其中所述管配置成将所述过程气体的源与参考气体分开；和

其中，所述传感器单元组件在焊缝处被永久地焊接至所述探针主体的远端，所述焊缝完全包围所述传感器单元组件与所述探针主体之间的界面，由此在所述感应侧与所述参考侧之间产生密封。

6.根据权利要求5所述的变送器，其中，所述传感器单元组件包括氧化锆传感器单元。

7.一种制造变送器的方法，包括：

提供被配置为暴露于过程气体的源的探针主体，其中所述探针主体包括远端，所述探针主体具有设置在其中的管；

提供其中设置有传感器单元的传感器单元组件，所述传感器单元具有感应侧和参考侧，所述感应侧设置在所述管内；

将所述探针主体的远端焊接至所述传感器单元组件以将所述传感器单元的参考侧与所述传感器单元的感应侧隔绝；

其中所述管包括内部部分，所述内部部分配置成接触所述过程气体的源，其中所述管配置成将所述过程气体的源与参考气体分开；和

其中，所述传感器单元组件在焊缝处被永久地焊接至所述探针主体的远端，所述焊缝完全包围所述传感器单元组件与所述探针主体之间的界面，由此在所述感应侧与所述参考侧之间产生密封。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：

进行符合性测试。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述符合性测试包括泄漏测试。

Images