CN86106172A - 气流中气体探测器 - Google Patents

Abstract

一种在流动之气体流中分析气体之装备。该装备包括配置于流路中之分析装置，可分析容于其中之气体。而大致围绕该分析装置周围则为多孔体与加热装置之组合。借该组合既可容许欲分析气体之穿透，同时亦可一面将其保持于定常之温度，不受气体流温度波动之影响，一面防止气体流其移动之波动，造成分析装置失准。

Description

概括性地说，本发明是关于一般气体探测器的制造，特别地则是关于可在气流中放置的高精度可燃气体探测器的制造。

过去已制成用于测量高浓度气体例如一氧化碳和氢气的可燃气体探测器。这些探测器的操作，是依靠测量可燃气体和氧气在探测器催化反应时产生的温度差来达到。通常是设置两对立的温度测量装置，而使该装置的输出并非是个别探测器的温度的函数，而是探测器催化部位和参考部位之间温度差的函数。热电偶、电阻温度计、热变电阻器和其他温度探测装置可用为该个别的探测器。

在已知工艺方法中，传统是由烟道流体抽取样本并测量其浓度，而完成对烟道取样的目的。但进行这种取样被认为有某些问题，即排气可能是有害的甚至是有毒的，因此在分析过程中乃有对设备操作人员造成伤害的可能性。甚至于，由于排气管外的外界条件，在多种情况下，其温度可能会低于样本气体的露点，于是可能会在气体取样管路中发生凝结现象，凝结物与样本中的尘土与煤灰等微粒结合，即沉积于取样管路中。初期将造成限流，最后却堵塞取样管路，使系统无法操作。

美国专利3，960，500号中指明了这问题，并提出一种解决问题的方法。该方法提供了一个闭路的取样与分析的系统，并将分析后的样本回流至取得样本的相同区域。根据其参考实例，是在排气管道上气密地装上样本探棒与回流管而达到其功能。由样本探棒自管道中抽取样本，并将该样本输送至分析器总成，借助该分析器总成设立指示气体中一成分的浓度的控制信号，该分析器之后务必连接一抽吸器，籍该抽吸器由该分析器中抽出业经分析之样本，并将之送至回流管线，经回流管线将样本气体排回管道中，使其与管道中之排气同流排弃。

虽然该美国专利第3，960，500号所公开和索权之发明比起习知取样装备确有其优越之处，但很显然地该发明在组装上则既复杂、麻烦而且昂贵，进而并由于该系统与结构有一精心构思的进出口管线，相信该精密之气体通道除非装有分离用之滤器，否则必将很容易为含有高度粒子之气体所堵塞。除此之外，若取样总成系使用催化燃烧探测器，则必须以电阻加热器加热，防止在取样总成之任一处发生样本之凝结，并使气体样本保持于可在不同催化表面进行催化氧化之温度。

在本发明之前，相关技术未揭示过直接将可燃气体探测器安置于流动的气流中者。对习知之设计而言，在此部位测试，将即刻遭受否决，因为燃烧过程中烟道之气体流速的波动以及戏剧性的温度变化，势将造成气体探测器之温度差，而使探测无效。

因此本发明之一项目的，系在提供一种气体探测装备，该装备可由移动之气体流中准确且敏锐地测取存有的特定可燃产物。

本发明之另一目的系在提供一种气体探测装备，该装备可置于排气烟囱或其他燃烧环境中，而不影响探测的准确性。

兹以附图说明如下，相信本发明上述之目的及其优点当可由此得一具体而深入之了解。

如附图所示，其中：

第一图为本发明置于烟道气流中用以探测可燃成分之总图。

第二图为第一图所示探测装备之部分剖视图。

第三图为本发明另一实施例之部分剖视图。

本发明系对一种可于移动气流中分析气体之装备，该装备包含一安置于管道中之分析装置，籍该装置可分析存于其中之气体，大致环绕于该分析装置周围的是多孔体与加热装置的组合，该组合可容许欲分析气体之穿透，但却可一面保持定常之温度，使其不受气体流波动之影响，一方面防止气体流移动之波动，避免造成分析装置不准确。本发明之探测元件示如图2中元件1、2及图3中元件16与17。如前所述，该探测元件于可燃烧气体在探测器中与氧发生催化反应时测取其发生之温度差而行操作者，元件1与16其特征在于涂覆有一层高表面积之氧化催化剂，而对立元件2与17则涂覆有一层不活性材料，该活性催化剂涂层可催化可燃烧气体诸如CO与H₂放热氧化，而不活性涂层则对其保持惰性。由催化促进之氧化反应其所释放之热会造成探测装备催化温度与参考温度间之温度差。涂布催化涂层之特殊方法及催化涂层本身，诸如第八族金属-铂、钯、铱、铑，以及其等之组合，于美国专利4，355，056中均有所谈及与公开，请一并参照。温度探测元件可由诸如美国专利4，355.056号所述之热偶汇接点构成，或亦可由形成于铝板上之薄膜白金电阻器构成，该形成于铝板上之薄膜白金电阻器有许多不同之商业的来源，包括美国新泽西洲南普茉思菲尔德市的德卡萨公司（Degussa Corp.）和纽约洲昆斯镇（Queen Village）的赫罗-伏克公司（Heraeus-Voekort）该等电阻元件尺寸大约3毫米×10毫米×0.5毫米及在室温下大约为1.000欧姆之电阻的物理性质。

如前所述，该气体分析用之催化与非催化元件系置于烟囱40之中，直接处于诸如锅炉排气烟囱之流动气体流41内，该等烟囱有很大之波动速度，且气体温度亦随周围温度及锅炉负荷而变动，只有实施本发明才能不受烟气体流速与温度之影响而获得稳定之信号。此不但系由于提供了加热装置而保持分析器于大约定常之温度，不受气体流温度之影响，而且是提供了一个位置近于分析装置之多孔体而促成的。该多孔体之特征为：

（1）可允许气体流之穿透，因此气体可与分析装置接触，并为分析装置所分析;

（2）可阻止气体流移动之波动对分析器构成实质之影响，它使分析器不准确;

（3）可保持分析装置于定常之温度。

理想的是，该加热器与该多孔体可构成一单一元件，其较佳实施例绘如图2所示。更具体地说，多孔体4可包含各种对测量反应无催化活性且具有充分之多孔性以实行所期望功能之材料。若欲于本发明籍于催化元件1表面催化氧化CO使之变成CO²而量测CO之浓度时，多孔体4务必是不能催化任何移除CO反应或与CO或O₂氧化而干扰测量者。多孔体4还必须能抵抗在气体流41中予期可能碰上的温度时的毁坏。用以构成多孔体之适当材料为陶瓷，诸如矾土、硅石、锆石、富铝红柱石、堇青石、氧化镁、氧化铍，以及泛围广之其他陶瓷。理想的的必须是热可传导的。据以上的公开内容，对熟知此项技艺之人士是显而易知的。除此之外，诸如钢铁、不锈钢或铝等金属，只要将它制成多孔体亦可使用。多孔体之平均圆孔直径分布甚广，大约可为0.1至1.000微米之间，而以1至500微米间为宜，最理想的是10至200微米间者。元件4亦呈现5至80%之广泛的空隙容积，较适宜之空隙容积在20至70%之间，最适宜的则在40至60%之间。

接着参照图2所示之较佳实施例，该加热装置可由埋设于多孔体4内螺旋状电阻丝5所构成，该电阻丝举例言之则可由镍铬所构成，可在通过电流时产生热能。另外，该加热丝亦也绕置于多孔体之外表面，事实上亦可选用电阻丝以外之加热装置，举例言之，可将薄膜电阻加热器铺置于多孔陶瓷之内表面或外表面。另外亦可于多孔陶瓷结构中，埋设诸如金属粒子或炭等于施加电流时可产生热能之导电材料。无论是埋设或非非埋设于多孔体4中，唯一对加热元件之组成有意义的限制是对量测反应不可出现任何催化活性。举一例以言之，当使用铂催化剂将CO氧化成CO²而测量CO时，若以铂、钯、铑及其他多种具有催化活性之金属来组成加热器绕线时，势将于CO到达催化电阻元件前与其反应，而将其全部或部分移除。此等加热装置，如电阻丝时，依其所处之环境则可考虑事先于其上涂布一层不活性材料。

任何可维持分析装置近测温度均匀之适当装置均可确保可氧化材料之催化反应均匀，如图2所示之较佳实施例，导线7可埋设于多孔体4内作为热偶，其导线通过基台10、管11，经由法兰12而设于烟囱40外侧之接线箱8中。该热偶可与业界熟知之温度控制器相连接，用以调节加热器之功率并保持其于定常之温度。加热器之导线6可类似地平行于连结热偶之导线7，另外，接线箱8可经由导线23而与电子分析器相电气连接，如前所述，该电子分析器由多种热敏装置所构成。为解释之便，请参考美国专利4，325，912和4，305，724号，该专利中均公布了可相应于温度差之变化而产生信号的网路。

加热器所需维持之温度，大部分系取决于所欲分析之气体的本质，较安全说法是，为燃烧过程中监视其烟道气，温度不宜低于60℃，否则状冒着分析器表面出现水及酸雾等凝结物之危险，当使用铂催化剂分析CO浓度时，通常操作温度则在大约150℃至500℃之间，或以大约在300℃以上为宜。

虽然在图2中多孔体系以元件4构成理想的基本圆柱形，但亦可构成其他多种之形状，唯一之重要设计准则是，多孔体必须是能容许气体流之穿透，使气体能与分析装置接触并为其分析，但欲须能防止气体流移动之波动对分析装置构成实质之影响使分析不准确。如图3所示为本发明之另一实施例，其中该多孔体包含一个箱形之结构，完全将分析装置16及17封闭，箱形之壁中至少14或14A为多孔质的，该分析装置完全为该箱形结构所封闭，该箱形结构则设有侧壁15，侧壁15不须为多孔质的。如前所述之实施例，多孔组件14可由任何无反应之多孔材料，较理想的如一种具有平均孔径大约为10至200微米、空隙容积大约40至60%之α-铝矾土陶瓷等所组成。

进一步之较佳实施例，本发明并可包括有一实质为多孔质之过滤装置9基本上是将多孔体4包封，该多孔质之过滤器特征在于能够将气体中所含有之固体粒状物质大体上予以过滤，避免其与多孔体4接触，如此乃令气体流可以通过，使气体与分析装置接触并为其所分析，却可排阻粒状物质与分析装置接触，且该外部过滤器亦有在高速之环境中缓冲气体流速之作用，因此，当气体流速较低时，该外部过滤器亦可免除。

外部过滤器对燃煤燃烧之应用特别有用，因其烟道气中存有大量的灰。其组成可用于多孔体4，其孔度可在0至1，000微米间，以1至400微米间为宜，而以10至200微米间为最理想。前述有关不活性多孔体4之限制条件亦同样适用于外部过滤器9。

进一步之较佳实施例，本发明并可考虑包括有一入口管13A，用以将空气输送至分析装置近处。如前所述，本分析器目的在检测气体流中可燃烧物质之浓度，因此设若氧气不足，燃烧势将受限，而使操作者得到错误的检测读数。为保氧气充足，入口管13A乃延伸至法兰12外通至外界，入口管13A可通入每分钟10cc之空气至围绕催化表面1之空间，空气之流量可籍多种业者既知之装置控制之，包括可使用定压之空气经过一固定之流孔。

除此之外，管13B亦可安装在气体流中用作校正装置。举例言之，可于流动气体中不含可燃烧物质时，将分析器调整于零位;而当气体中含有可燃烧物质，如CO通过管13B时，则可调整于满刻度或满幅度，亦可于缺氧之环境中利用管13B通入助燃空气。

依本说明书，熟知此项技艺之人士可轻易地予以变化和改进。此等变化和改进由于系可合理地进行推想，故于些乃不予赘述，唯其等自应为下列之权利要求所涵盖。

Claims (18)

1、一种在流动之气体中分析气体之装备，其特征是包括：

A.配置于该流路中之分析装置，可分析容于其中之气体含量；

B.一近置于该分析装置之多孔体与加热装置之组合，该组合(i)、基本上可允许气体之穿透而使气体可与分析装置接触，并为分析装置所分析；(ii)基本上可防止该气体流移动时之波动，使免于实质上影响该分析装置，使分析不准确；(iii)同时并可保持分析装置于基本上是定常之温度，使之不受气体流温度波动之影响。

2、根据权利要求1的装备，其特征是上述多孔体结构成一完全将上述分析装置包封的圆筒形。

3、根据权利要求1的装备，其特征是上述多孔体含一完全将上述分析装置封闭之箱形结构，该箱形结构中至少有一面壁呈多孔质的。

4、根据权利要求1的装备，其特征是上述加热装置包含一电阻丝，配置于基本上接近上述多孔体处。

5、根据权利要求1的装备，其特征是上述加热装置包含一电阻丝，配置于上述多孔体内部。

6、根据权利要求1的装备，其特征是上述加热包含一电阻丝，配置于上述多孔体表面。

7、根据权利要求1的装备，其特征是上述加热装置包含一导电材料，配置于上述多孔体内部，而可于施加电流时增加多孔体之温度。

8、根据权利要求1的装备，其特征是上述多孔体包含一种α-铝矾土陶瓷。

9、根据权利要求1的装备，其特征是上述多孔体拥有平均孔径大约在10至200微米之间，空隙容积则在大约40至60%之间。

10、根据权利要求1的装备，其特征是还包括一监视及控制上述加热装置温度的装置。

11、根据权利要求10的装备，其特征是上述温度监视装置包含一热电偶。

12、根据权利要求1的装备，其特征是还包括一多孔过滤器，该过滤器大体上将多孔体包封，且进一步地具有以下特征，即：能于上述之气体流中基本上过滤固体粒状物质，使之免于与多孔体接触，同时并允许气体流穿透，使气体可与分析装置接触，并为分析装置所分析。

13、根据权利要求12的装备，其特征是上述多孔过滤器拥有平均大约10至200微米之孔径。

14、根据权利要求1的装备，其特征是上述分析装置包含一气体分析器，其可相应于气体流中气体之特定浓度而提供一电气信号。

15、根据权利要求14的装备，其特征是上述气体分析器包括两个表面，第一个表面是一个催化剂接触面，使须测定其气体流中气体浓度之气体氧化，第二表面测对气体流中所含气体既无催化性亦无反应性。

16、根据权利要求15的装备，其特征是上述催化剂含有由铂、钯、铱及铑所组成之组合中选出的第八族金属。

17、根据权利要求1的装备，其特征是还包括一入口管，用于由气体流外界将气体导入至分析装置附近。

18、根据权利要求1的装备，其特征是上述多孔体系呈热可传导的。

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