CN219016171U - 具有压力补偿的氧气分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种具有压力补偿的氧气分析仪包括可延伸到过程燃烧废气流中的过程探针,该过程探针具有氧气传感器测量单元。测量电路耦接到氧气传感器测量单元,并且被配置为基于氧气传感器测量单元的电特性来获得关于燃烧过程的氧气浓度的未校正指示。控制器可操作地耦接到测量电路,并且被配置为:获得过程压力的指示,并基于氧气浓度的未校正指示和过程压力的指示来选择性地提供校正后的氧气浓度输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种过程氧气分析仪。
背景技术
工业过程行业主要依赖于包括一种或多种燃烧过程的能源。这种燃烧过程包括操作熔炉或锅炉以从燃烧中产生能量,然后将其用于该过程。虽然燃烧提供了相对低成本的能量,但它的使用通常受管制并且寻求燃烧效率最大化。因此,过程管理行业的一个目标是通过最大化现有熔炉和锅炉的燃烧效率来减少温室气体的产生。
原位或过程中烟气分析仪通常用于监测、优化和控制燃烧过程。通常,这些分析仪采用被加热到相对较高温度并直接在熔炉或锅炉燃烧区上方或附近运行的传感器。原位烟气分析仪,例如可从罗斯蒙特公司(艾默生自动化解决方案的业务部门)获得的以商品名称Oxymitter或6888型原位烟气氧气变送器销售的原位烟气分析仪,通常采用被加热到高温的基于氧化锆的电化学氧气传感器。
实用新型内容
一种具有压力补偿的氧气分析仪包括:过程探针,能够延伸到过程燃烧废气流中,所述过程探针具有氧气传感器测量单元;测量电路,耦接到所述氧气传感器测量单元,并且被配置为基于所述氧气传感器测量单元的电特性来获得关于燃烧过程的氧气浓度的未校正指示;以及控制器,能够操作地耦接到所述测量电路,所述控制器被配置为:获得过程压力的指示,并基于所述氧气浓度的未校正指示和所述过程压力的指示来选择性地提供校正后的氧气浓度输出。
所述控制器被配置为:将所述过程压力与预定义阈值进行比较,并基于所述过程压力的指示是否超过所述预定义阈值来选择性地提供所述校正后的氧气浓度输出。
所述预定义阈值为0.5psi。
所述氧气分析仪还包括压力传感器,所述压力传感器能够操作地耦接到所述测量电路,并且被设置为测量所述过程压力并提供所述过程压力的指示。
所述压力传感器安装在所述氧气分析仪的探针中。
所述压力传感器安装在位于所述氧气传感器测量单元与扩散器之间的探针的端部中。
所述氧气分析仪还包括与所述控制器耦接的通信电路,所述通信电路被配置为根据过程工业标准通信协议进行通信。
所述控制器被配置为使用所述通信电路从远程设备获得所述过程压力的指示。
所述氧气分析仪还包括能够操作地耦接到所述控制器的用户界面UI/显示模块。
所述控制器被配置为经由所述UI/显示模块获得所述过程压力的指示。
所述控制器被配置为基于线性补偿因子来产生所述校正后的氧气浓度输出,所述线性补偿因子将所述氧气浓度的未校正指示的误差与过程压力相关。
所述氧气传感器测量单元包括氧化锆氧气传感器。
附图说明
图1是本实用新型的实施例特别适用于的原位分析仪的示意图。
图2是根据本实用新型实施例的过程分析氧气分析仪的示意分解图。
图3是根据本实用新型实施例的过程分析氧气分析仪的框图。
图4是示出了燃烧控制的气体浓度对氧气浓度的图。
图5是氧气浓度范围为2.0%至3.0%时氧气浓度误差对压力的影响的曲线图。
图6是氧气浓度范围为8.0%至11.0%时氧气浓度误差对压力的影响的曲线图。
图7是各种氧气浓度下氧气浓度误差对压力的影响的曲线图。
图8是根据本实用新型实施例的提供经压力补偿的氧气输出的方法的流程图。
具体实施方式
基于氧化锆的电化学氧气传感器广泛用于关于氧气测量的工业应用中。这种工业应用的很大一部分是用于对排放到大气中的烟气的氧气测量。在这种应用中,过程与环境之间的压差远小于12英寸水柱(0.43psi)。在这种环境中的原位氧气分析仪(如图1所示)将运行多年,控制燃烧之后的烟气中的氧气水平。由于不完美的燃料/空气均匀性以及燃料能量密度和燃料/气流变化,在实际燃烧中将很难实现具有最高效率和最低排放的计量点。对于燃气燃烧器,典型的烟气氧气过量浓度约为2%至3%,而对于锅炉和燃油燃烧器为3%至6%。过量氧气浓度在1%与6%之间,最佳工作点被认为是相似的。这个最佳工作点取决于锅炉负荷和燃烧率。函数发生器曲线通常是从测试数据开发而来的,以基于燃烧率指数、燃料或蒸汽流量分配理想的氧气微调控制点。
图1是使用原位分析仪的燃烧过程的示意图。变送器10可以是任何合适的分析仪,包括上面列出的6888型烟气氧气变送器。变送器10包括探针组件12,该探针组件12设置在烟气道或烟道14内并测量与燃烧器16处发生的燃烧相关的至少一个参数(例如,氧气浓度)。通常,变送器10是氧气变送器,但也可以是测量与燃烧过程相关的任何合适参数的任何设备。燃烧器16可操作地耦接到空气或氧气源18和可燃燃料源20。源18和20中的每一个优选地通过某种阀门耦接到燃烧器,以将受控氧气量和/或燃料量输送到燃烧器16,以便控制燃烧过程。变送器10测量燃烧废气流中的氧气量并向燃烧控制器22提供对氧气水平的指示,该燃烧控制器22控制阀门24、26中的一个或两个以提供闭环燃烧控制。变送器10包括氧气传感器,以提供指示烟气中的氧气浓度、含量或百分比的电信号,该氧气传感器通常采用氧化锆传感器。
当原位氧气分析仪的压差增加到超过12英寸水柱(0.43psi)时,传感器信号和信息变得不那么准确和可靠。传感器对参考电极上(例如,使用空气)的具有固定分压的不同氧气浓度的响应可以使用下面阐述的众所周知的能斯特方程进行计算:
在上面阐述的方程中,C是与参考/过程侧温度变化和氧气探针中的热结相关的常数,R是通用气体常数,T是开氏过程温度,F是法拉第常数。
不幸的是,在许多燃烧应用中,过程中的压力变化可能影响氧气调节和控制,从而在测量中带来显著(例如,在0.7%与2.55%之间)的氧气读数误差。根据下文阐述的实施例,压力传感器设置在测量单元附近以便测量作用在测量单元上的过程压力。然后将该过程压力测量值提供给控制器或其他合适的计算电路,以基于过程压力调整和/或补偿氧气传感器输出。
图2是根据本实用新型实施例的原位过程燃烧氧气分析仪的示意图。探针组件12通常被配置为容纳传感器芯组件,该传感器芯组件包括设置在测量单元36近旁的扩散器32。测量单元36和加热器组件38与外壳44中的电子板42上所包含的电子电路电耦接。变送器10还包括多个气体入口46和48以分别接收参考空气和校准气体。
如图2所示,变送器10包括压力传感器50,该压力传感器50与位于测量单元36和扩散器32之间的腔室或区域52流体地耦接。在图2所示的实施例中,压力传感器50被设置为在正常操作期间测量过程压力。压力传感器50可以是任何合适类型的压力传感器,包括可偏转膜片、基于电容的压力传感器、可偏转膜片应变计、基于电阻的压力传感器、或任何其他合适类型的压力传感器。然而,压力传感器应该被配置为暴露于在烟气环境中操作的相对较低的压力和相对较高的温度。
虽然上述实施例提供了氧气传感器测量单元和紧邻的压力传感器,使得压力传感器提供接近测量单元的过程压力的指示,但本文描述的实施例也可以从诸如过程压力变送器的外部设备接收过程压力测量信息,并使用接收到的过程压力信息来提供经补偿的氧气传感器输出。
图3是根据本实用新型实施例的过程分析氧气变送器10的电子板42的框图。图3指示电子板42的附加组件。具体地,位于电子板42上的电子电路包括与通信电路62和测量电路64耦接的控制器60。控制器60还耦接到UI/显示模块66。控制器60可以是运行一系列指令以执行一个或多个控制功能的任何合适设备。在一个实施例中,控制器60是微处理器。
通信模块62耦接到控制器60并允许控制器60根据有线过程工业标准通信协议与诸如燃烧控制器22(图1所示)的一个或多个过程设备进行通信。这种协议的示例包括高速通道可寻址远程换能器协议和FOUNDATIONTM现场总线协议。附加地或备选地,通信模块62可以是允许控制器60根据诸如IEC 62591的无线过程通信协议进行通信的无线通信模块。在其中控制器60使用经由另一过程可变变送器(即,压力变送器)接收的过程压力信息的实施例中,通信模块62向控制器60提供这种通信以便允许控制器60获得过程压力信息。
在一个实施例中,测量电路64包括模数转换器,该模数转换器被配置为测量与其连接的传感器的电特性。如图所示,测量电路64耦接到氧气传感器36以便获得未校正的氧气传感器信号。此外,测量电路64还耦接到压力传感器50以测量压力传感器50的指示过程压力的电特性(例如电容),并将这种电特性的数字指示提供给控制器60。测量电路64还可以根据需要包括合适的放大、滤波和/或线性化电路。
控制器60接收指示未校正的氧气传感器信号和过程压力的信息,并使用过程压力与氧气传感器信号误差之间的已知关系来基于所测量的过程压力校正该未校正的氧气传感器信号。注意,在其中从诸如过程压力变送器的外部源接收过程压力信息或通过用户经由UI/显示模块66输入过程压力信息的实施例中,可以省略压力传感器。
图4是示出了燃烧控制的气体浓度对氧气浓度的图。图4是函数发生器曲线的示例,该函数发生器曲线通常是从测试数据开发而来的,以基于燃烧率指数、燃料或蒸汽流量分配理想的氧气微调控制点。如上所述,在许多燃烧应用中,过程中的压力变化可能不期望地影响氧气传感器信号。
图5是示出了在2.0%至2.7%氧气浓度下过程压力对氧气传感器读数的影响的图。如图所示,对于较高水平的氧气浓度(即,2.65%)和相对较高的压力(例如,5PSI),误差可能会变得很大。
图6是示出了在较高氧气浓度(8.0%至10.75%)下压力对氧气传感器分析仪读数的影响的图。在该示例中,相对较高的氧气百分比浓度提供了比图5所示的较低(例如,约2%)浓度下的误差小的误差。
图7是示出了范围为0psi至5psi的各种压力下各种氧气浓度(2%、3%、4%和5%)的图。过程压力对氧气传感器读数的影响约为1.38mV/psi。存在某些过程,其中该过程在压力下运行并且仍然需要准确的氧气测量。过去,采用一些压力平衡系统来抵消压力不平衡的影响。然而,由于需要获得危险场所的批准,这种方法并不受欢迎。根据本文的实施例,对于加压过程(即,大于0.5psi),控制器60根据图7所示的关系对未校正的氧气传感器测量值应用压力补偿。使用标准氧气单元通过实验获得了图7所示的压力引起的误差。这种相关性对于其他基于氧化锆的氧气分析仪将是相似的,但由于结构差异,可能不完全匹配。因此,可能需要进行一些实验,以便将压力对给定的基于氧化锆的氧气传感器的影响联系起来。然而,一旦获得这种关系,就可以简单地将诸如图7中所示的线性关系(即,1.38mV/psi)的关系输入到控制器中(例如,在系统的制造期间或在用系统测试/校准特定传感器时),以便提供经补偿的氧气传感器输出。此外,对于小于选定阈值(即,0.5psi)的过程压力,控制器60可以使用未校正的氧气传感器信号和能斯特方程来简单地提供未补偿的输出。因此,根据本文所述的至少一个实施例,氧气分析仪10的控制器60可以接收对过程压力的指示(使用设置在测量单元附近的本地压力传感器或使用过程通信)并确定过程压力是否超过阈值(即,0.5psi)以便确定是否应用基于压力的补偿。如上所述,在一些实施例中,甚至可以使用用户界面模块/显示器66将过程压力测量值输入到氧气分析仪中。
虽然用于本文所述实施例的压力可以是连续更新的压力值,但并非必须如此。这是因为氧气传感器的T90响应时间通常在几分钟而不是几秒钟。因此,压力可以只是一次性输入,并且仅在每次校准氧气分析仪时被更新。
图8是根据本实用新型实施例的提供经压力补偿的氧气输出的方法的流程图。方法200开始于框202,在其处,获得过程压力。可以从设置在氧气分析仪(例如,如图2所示)的探针中的如附图标记204所指示的压力传感器获得过程压力。附加地或替代地,也可以从其他源获得过程压力。例如,过程压力可以使用过程通信206从远程过程设备获得和/或由用户经由诸如UI/显示模块66(如图3所示)的合适用户界面被输入到氧气分析仪中。接下来,在框210处,从位于过程中或过程附近的氧气传感器获得未校正的氧气传感器测量值。在框212处,将在框202处所获得的过程压力与预定义阈值(即,0.5psi)进行比较,以确定过程压力是否处于或高于预定义阈值。如果不是,则控制转到框214,在其处,简单地使用未校正的氧气传感器信号以使用上面阐述的能斯特方程提供氧气浓度输出。
如果在框212处确定过程压力处于或高于预定义阈值,则控制转到框216,在其处,将基于压力的补偿应用于未校正的氧气传感器信号。该补偿可以将与过程压力成比例的补偿值添加到未校正的氧气传感器信号。在一个示例中,补偿值是通过将过程压力乘以如附图标记218所指示的线性补偿值(例如,1.38mV/psi)而获得的电压值。在其他实施例中,过程压力(以及其他变量)与补偿值之间的更复杂的关系可以使用如附图标记220所指示的曲线拟合来进行建模。此外,为了降低计算复杂度,这种关系还可以使用如附图标记222所指示的查找表来进行建模。然后,在框214处,控制器使用校正后的氧气传感器信号来提供氧气浓度输出。该方法如附图标记224所示进行重复。注意,迭代可以返回到框202以基本实时地获得过程压力。然而,由于过程压力不需要像氧气传感器测量值那样频繁地更新,因此在一定数量的周期内或在迭代获得更新后的过程压力之前的时间内,迭代可以返回到框210。
虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述,但本领域技术人员将会认识到,在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下,可以在形式和细节上做出修改。
Claims (12)
1.一种具有压力补偿的氧气分析仪,其特征在于,包括:
过程探针,能够延伸到过程燃烧废气流中,所述过程探针具有氧气传感器测量单元;
测量电路,耦接到所述氧气传感器测量单元,并且被配置为基于所述氧气传感器测量单元的电特性来获得关于燃烧过程的氧气浓度的未校正指示;以及
控制器,能够操作地耦接到所述测量电路,所述控制器被配置为:获得过程压力的指示,并基于所述氧气浓度的未校正指示和所述过程压力的指示来选择性地提供校正后的氧气浓度输出。
2.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,所述控制器被配置为:将所述过程压力与预定义阈值进行比较,并基于所述过程压力的指示是否超过所述预定义阈值来选择性地提供所述校正后的氧气浓度输出。
3.根据权利要求2所述的氧气分析仪,其特征在于,所述预定义阈值为0.5psi。
4.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,还包括压力传感器,所述压力传感器能够操作地耦接到所述测量电路,并且被设置为测量所述过程压力并提供所述过程压力的指示。
5.根据权利要求4所述的氧气分析仪,其特征在于,所述压力传感器安装在所述氧气分析仪的探针中。
6.根据权利要求5所述的氧气分析仪,其特征在于,所述压力传感器安装在位于所述氧气传感器测量单元与扩散器之间的探针的端部中。
7.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,还包括与所述控制器耦接的通信电路,所述通信电路被配置为根据过程工业标准通信协议进行通信。
8.根据权利要求7所述的氧气分析仪,其特征在于,所述控制器被配置为使用所述通信电路从远程设备获得所述过程压力的指示。
9.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,还包括能够操作地耦接到所述控制器的用户界面UI/显示模块。
10.根据权利要求9所述的氧气分析仪,其特征在于,所述控制器被配置为经由所述UI/显示模块获得所述过程压力的指示。
11.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,所述控制器被配置为基于线性补偿因子来产生所述校正后的氧气浓度输出,所述线性补偿因子将所述氧气浓度的未校正指示的误差与过程压力相关。
12.根据权利要求1所述的氧气分析仪,其特征在于,所述氧气传感器测量单元包括氧化锆氧气传感器。
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GR01 | Patent grant | ||
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