專利名稱：氣體取樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體取樣，尤其是工業(yè)氣體、尤其為了實(shí)施氣體成分的分析的氣體取樣。本發(fā)明尤其適用于特別是在化學(xué)或石油化學(xué)裝置、水泥廠、煉鋼廠、煅燒爐、或者氣體處理或生產(chǎn)裝置中濕熱氣體的分析。
背景技術(shù)：
取樣裝置一般包括用于氣體取樣的取樣頭和用于將所取的氣體樣品傳送到利用樣品的系統(tǒng)如氣體分析器的管道。一般，尤其是當(dāng)待取樣的氣體是熱的并包括高比例蒸汽形式的水時(shí)，為分析氣體成分的氣體取樣構(gòu)成關(guān)鍵步驟。在此背景下，對(duì)實(shí)施可靠分析確實(shí)敏感，且目前的取樣裝置需要經(jīng)常的維修作業(yè)。尤其是，從濕熱氣體中取樣產(chǎn)生冷凝問題。實(shí)際上，在具有高水蒸汽比率的熱氣體中所含的水的露點(diǎn)(也叫做水的“冷凝溫度”)可達(dá)到幾十甚至幾百攝氏溫度。結(jié)果是，在環(huán)境溫度下，這些氣體中所含的水蒸汽可以冷凝成小水滴，該小水滴沉積到壁上與氣體接觸。 如果所取樣的氣體包括能溶于水中的分子，則這些分子易于被捕集并溶于小水滴中。結(jié)果是被傳送到利用裝置的氣體的成分與所取樣的氣體的成分不相對(duì)應(yīng)。氣體取樣裝置因此可以影響所取樣的氣體的成分并因此如果利用所取樣的氣體樣品的系統(tǒng)是氣體分析器則影響所采取的測(cè)量的質(zhì)量。此外，在壁上所形成的小水滴可能引起腐蝕現(xiàn)象，而更多的是因?yàn)樾∷斡捎跉怏w分子溶于其中而可能具有酸性。氣體取樣裝置因此也可能影響其所在系統(tǒng)的運(yùn)行成本和運(yùn)行條件。某些氣體取樣裝置設(shè)計(jì)成使所取樣的氣體在取樣頭和管道二者中保持在比所取樣的氣體中所含的水蒸汽的露點(diǎn)更高的溫度下。因此，這些裝置中的某一些設(shè)計(jì)成能使所取樣的氣體的樣品保持在能達(dá)到100°C或200°C的溫度下。因此這些裝置尤其是由于管道必須加熱和必需存在溫度調(diào)節(jié)器的復(fù)雜性而具有高制造費(fèi)用及另外尤其是由于為保持裝置在較高溫度下所需能量而具有高運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用。此外，這些裝置意味著利用系統(tǒng)也設(shè)計(jì)成在相同溫度下運(yùn)行。其他一些取樣裝置包括被加熱的取樣頭和用于干燥所取的氣體樣品的裝置。這種干燥裝置提供膜或冷卻機(jī)構(gòu)。這些裝置由于存在干燥裝置在某些待取樣的氣體情況下可能需要經(jīng)常的維修作業(yè)也具有高的制造費(fèi)用和維修費(fèi)用。此外，這些裝置使所取的樣品變性， 因?yàn)樗鼈兏淖兞藰悠返某煞?。另一些取樣裝置用另一種氣體如無塵空氣稀釋所取的樣品。為此，這些裝置包括不必要被加熱的取樣頭、實(shí)施抽吸和稀釋氣體樣品的文丘里系統(tǒng)、未被加熱的管道和在壓力下以高流量供應(yīng)稀釋氣體的系統(tǒng)。這些裝置同樣具有使所取的樣品變性的缺點(diǎn)，因?yàn)槠涑煞钟捎谄湓诹硪环N氣體中的稀釋也被改變，而更多的是，因?yàn)橄♂寶怏w此外可能帶進(jìn)雜質(zhì)。此外，如果取樣裝置聯(lián)接到分析裝置上，則該分析裝置必須非常敏感到能檢測(cè)由于稀釋而產(chǎn)生的低含量氣態(tài)組分。
因此，理想情況是，能在沒有冷凝現(xiàn)象情況下獲得氣體樣品，但不使它們變性或不需要使它們保持在高溫下、干燥它們或稀釋它們。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)施例公開了一種氣體取樣的方法，該方法包括通過取樣頭從氣體取樣，并通過管道將所取樣的氣體傳送到使用取樣氣體的氣體利用裝置。按照實(shí)施例，該方法包括降低管道中所取樣的氣體的壓力，以便降低其中所取樣的氣體的露點(diǎn)，而降低所取樣的氣體的壓力通過安裝在取樣頭中的擴(kuò)散形噴管對(duì)氣體取樣以及通過將管道中所取樣的氣體抽吸穿過利用裝置來實(shí)施。按照實(shí)施例，降低所取樣的氣體的壓力如此實(shí)施，以便保持在管道中流動(dòng)的氣體的壓力低于一數(shù)值，使得在考慮到管道溫度的情況下管道中的氣體的溫度保持高于管道中氣體的露點(diǎn)。按照實(shí)施例，該方法包括將所取樣的氣體穿過經(jīng)過校準(zhǔn)的音速類型的擴(kuò)散形噴管的抽吸功率調(diào)節(jié)在一數(shù)值，使得在管道中流動(dòng)的所取樣的氣體的壓力保持低于擴(kuò)散形噴管上游所取樣的氣體的壓力的三分之一一考慮到在沒有調(diào)節(jié)的情況下抽吸功率的變動(dòng)。按照實(shí)施例，該方法包括調(diào)節(jié)所取樣的氣體的抽吸功率以保持管道中的壓力基本上恒定。按照實(shí)施例，該方法包括在降低壓力之前將所取樣的氣體過濾以便提取出所取樣的氣體中可能存在的固體顆粒。按照實(shí)施例，該方法包括將管道加熱以使管道的溫度保持高于所取樣的氣體的露
點(diǎn)ο實(shí)施例公開了一種用于氣體取樣的裝置，該裝置包括用于氣體取樣的取樣頭、用于利用所取樣的氣體的利用裝置和用于將由取樣頭所取樣的氣體傳送到利用裝置的管道。 按照實(shí)施例，該裝置包括用于降低管道中所取樣的氣體的壓力以便降低所取樣的氣體的露點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，用于降低壓力的機(jī)構(gòu)包括安裝在取樣頭中并與管道連通的擴(kuò)散形噴管和用于將管道中所取樣的氣體抽吸穿過利用裝置的抽吸裝置。按照實(shí)施例，用于降低所取樣的氣體的壓力的機(jī)構(gòu)如此設(shè)計(jì)，以便使管道中氣體的壓力保持低于一數(shù)值，使得在考慮管道溫度的情況下管道中氣體的溫度保持高于管道中氣體的露點(diǎn)。按照實(shí)施例，該擴(kuò)散形噴管是音速噴管。按照實(shí)施例，該抽吸裝置具有一抽吸功率，該抽吸功率高于一數(shù)值，使得在管道中流動(dòng)的所取樣的氣體的壓力保持低于擴(kuò)散形噴管上游所取樣的氣體的壓力的三分之一——考慮到在沒有抽吸裝置的調(diào)節(jié)的情況下抽吸功率的變動(dòng)。按照實(shí)施例，該裝置包括用于調(diào)節(jié)用于抽吸所取樣的氣體的抽吸裝置的抽吸功率以使管道中的壓力保持基本上恒定的機(jī)構(gòu)。按照實(shí)施例，取樣頭包括用于提取出所取樣的氣體中可能存在的固體顆粒的過濾器。按照實(shí)施例，該裝置包括用于使管道中的溫度增加到高于所取樣的氣體的露點(diǎn)的加熱機(jī)構(gòu)。
按照實(shí)施例，抽吸裝置包括通過管道聯(lián)接到利用裝置上的泵，以便抽吸管道中的氣體。實(shí)施例公開一種氣體分析系統(tǒng)，該氣體分析系統(tǒng)包括如上所述的取樣裝置，利用裝置包括基于光腔衰蕩光譜技術(shù)類型的低壓氣體分析器。


下面說明本發(fā)明的一些實(shí)施例，這些實(shí)施例與附圖有關(guān)但不限于附圖，其中圖1示意性地示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的氣體取樣裝置，該氣體取樣裝置連接到一氣體樣品利用裝置；圖2示意性地示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的氣體取樣裝置，該氣體取樣裝置連接到一氣體樣品利用裝置。
具體實(shí)施例方式圖1示出氣體取樣裝置，該氣體取樣裝置包括取樣頭1和管道2，管道2將取樣頭聯(lián)接到氣體樣品利用裝置E)(D上。裝置E)(D通過管道4聯(lián)接到抽吸裝置3如泵上，該管道4 通過裝置MD與管道2連通。因此，抽吸裝置抽吸取樣頭1所抽取的樣品氣體。抽吸裝置 3聯(lián)接到用于處理和/或抽出所抽取的樣品氣體的處理和/或抽出裝置PRCS上。取樣頭1包括氣體輸入口 10、過濾器11和擴(kuò)散形噴管12，該過濾器11用于濾出穿過輸入口 10進(jìn)入取樣頭1的氣體中可能存在的固體顆粒，而擴(kuò)散形噴管12如一段毛細(xì)管接收由過濾器11處理過的氣體，且其輸出口聯(lián)接到管道2上。抽吸裝置3和擴(kuò)散形噴管 12的組合能在管道2、4中和裝置E)(D中得到一比取樣頭1的輸入口 10處氣體的壓力低的壓力。抽吸裝置可以與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，以便使管道2和利用裝置E)(D中的壓力保持在給定值處。按照一個(gè)實(shí)施例，噴管12和抽吸裝置3的特點(diǎn)選擇成用于降低管道2、4和裝置 EXD中氣體壓力，以便降低由取樣頭1所取樣的氣體的露點(diǎn)。按照一個(gè)實(shí)施例，管道2、4和裝置E)(D中的壓力被保持在低于一值，使得管道2、4 和裝置MD的溫度保持高于管道2、4和裝置MD中的氣體的最高露點(diǎn)。在目標(biāo)應(yīng)用中，所取樣的氣體通常包括水蒸汽，因此所取樣的氣體的最高露點(diǎn)為水的露點(diǎn)。因此，管道2、4和裝置MD中的氣體不能冷凝。因此不必加熱管道2、4和裝置MD、 或稀釋氣體、或干燥氣體。因此，所取樣的氣體不變性。此外，由于所取樣的氣體的低壓(相對(duì)于大氣壓而言)，所以它們可以在管道2、4中快速地流動(dòng)。結(jié)果是，所取樣的氣體與各管道接觸不多。取樣頭1和包括管道2、4及抽吸裝置的用于運(yùn)送所取樣的氣體的裝置還具有比現(xiàn)有技術(shù)的那些裝置顯著地更簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果是取樣裝置具有比現(xiàn)有技術(shù)的取樣裝置顯著更低的制造成本、運(yùn)行成本和維修成本。噴管12是例如經(jīng)過校準(zhǔn)的音速型的噴管，該噴管當(dāng)滿足下列條件時(shí)保證恒定氣流P1-P2 > 2P2 (1)其中Pl是上游(假定噴管中氣流的方向)所取樣的氣體的壓力，P2是從噴管的下游所取樣的氣體的壓力。當(dāng)滿足條件(1)時(shí)，噴管內(nèi)最小的氣體通過區(qū)段的直的部分中氣體的流動(dòng)速度在這些氣體中達(dá)到聲速，換句話說，當(dāng)管道2中壓力低于噴管12下游壓力的三分之一時(shí)滿足條件(1)。因此，只要管道2中的壓力滿足條件(1)，它就與裝置3的抽吸功率無關(guān)。抽吸裝置3的抽吸功率可以如此調(diào)節(jié)，以便即使經(jīng)受與用于制造抽吸裝置的技術(shù)有關(guān)聯(lián)的變化，在沒有調(diào)節(jié)的情況下也總是滿足條件(1)。那樣，管道2、4中的氣流是恒定的，并能精確地確定，而不需要調(diào)整抽吸功率。若是純粹靜態(tài)的元件，噴頭12還具有不需要維修作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)——如果是由相對(duì)于能通過取樣頭1取樣的氣體而言是惰性的材料制成。應(yīng)該注意，氣體膨脹通常導(dǎo)致所取樣的氣體的冷卻。如果待取樣的氣體(亦即取樣頭1)的溫度高于管道2和利用裝置E)(D的環(huán)境溫度，則通過膨脹作用冷卻的氣體被取樣頭加熱。因此，由氣體膨脹作用所產(chǎn)生的溫降至少部分地通過取樣頭的環(huán)境溫度補(bǔ)償。如果待取樣的氣體是處于管道2和利用裝置E)(D的環(huán)境溫度，則露點(diǎn)低于環(huán)境溫度。因此待形成的壓降低，從而由氣體膨脹所產(chǎn)生的溫降也低。考慮到容許的抽吸功率或考慮到利用所取樣的氣體所需的最小壓力，可能發(fā)生管道中的壓力不能達(dá)到足夠低以避免所取樣的氣體冷凝的壓力。當(dāng)待取樣的氣體很熱和很濕時(shí)這種情況可能發(fā)生，因此氣體的露點(diǎn)很高，而管道2的環(huán)境溫度低。管道2和4及利用裝置E)(D因而可以與如隔熱的機(jī)構(gòu)或者加熱機(jī)構(gòu)聯(lián)接，以便使它們保持在高于所取樣的氣體的露點(diǎn)的溫度。因此，圖2示出一種取樣裝置，該取樣裝置與圖1的取樣裝置不同之處在于管道2 和4裝備有加熱機(jī)構(gòu)22，利用裝置E)(D包括所取樣的氣體在其中流動(dòng)的熱室21。應(yīng)該注意，加熱機(jī)構(gòu)22不能與在大氣壓下傳送所取樣的氣體的現(xiàn)有技術(shù)裝置中所需的加熱機(jī)構(gòu)相比，因?yàn)樗拥臍怏w的露點(diǎn)通過與抽吸裝置3結(jié)合的噴管12已以某種方式(可能是顯著的)降低。實(shí)際上，在某些應(yīng)用中，現(xiàn)有技術(shù)中所需的加熱機(jī)構(gòu)必須能夠使管道達(dá)到可達(dá)到200°C的溫度，而在圖2的取樣裝置可能是必須的加熱裝置22必須能夠使管道2、4達(dá)到12°C或的最高溫度。利用裝置E)(D包括例如氣體分析裝置和/或用于實(shí)施與其它氣體的混合的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，利用裝置MD包括一基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的低壓氣體分析器。這種分析器是例如在專利申請(qǐng)W09957542 (也以US6504145公布)和W02003/031949 (也以US7450240公布)中說明的。這種分析器包括所取樣的氣體在其中流動(dòng)的諧振光腔、激光源如激光二極管，該激光源供應(yīng)其波長(zhǎng)可調(diào)的激光束，該激光束被發(fā)送到諧振腔中。從諧振腔出來的光被光電探測(cè)器接收。而由光電探測(cè)所供應(yīng)的信號(hào)通過一信號(hào)分析電路進(jìn)行分析。激光束在可調(diào)的持續(xù)時(shí)間期間供應(yīng)給所述腔，使得在激光束的各發(fā)射周期之間，被束縛在所述腔中的光子隨著時(shí)間推移而經(jīng)受指數(shù)衰減。如果所述腔是空的，或者如果光子的波長(zhǎng)是在位于所述腔中的氣體吸收管的外部，束縛在所述腔中的光子的減少具有一定的時(shí)間常數(shù)，該時(shí)間常數(shù)主要取決于由形成所述腔的鏡面所引入的損失。如果所述腔中存在的氣體的吸收光譜于束縛在所述腔中的光子的波長(zhǎng)處包括吸收管，則該時(shí)間常數(shù)減小。該領(lǐng)域的技術(shù)人員很清楚，本發(fā)明可有許多不同的實(shí)施例。尤其是，本發(fā)明不限于包括擴(kuò)散形噴管和抽吸泵的用于降低壓力的裝置。因此，如果取樣裝置打算裝備在空間飛行器上，則泵可以用真空源如空間真空代替，例如如果待通過取樣頭取樣的氣體是在高于大氣壓的壓力下，則泵可以用低壓源(source de depression)代替。
權(quán)利要求
1.一種氣體取樣方法，包括通過取樣頭(1)從氣體取樣和通過管道將所取樣的氣體傳送到使用該取樣氣體(2)的氣體利用裝置(EXD)，其特征在于，該方法包括降低管道(2)中所取樣的氣體的壓力以便降低管道中所取樣的氣體的露點(diǎn)，降低所取樣的氣體的壓力通過經(jīng)由安裝在取樣頭(1)中的擴(kuò)散形噴管(12) 進(jìn)行氣體取樣和通過將管道(2)中所取樣的氣體抽吸穿過利用裝置(EXD)來實(shí)施。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，降低所取樣的氣體的壓力如此實(shí)施，以便保持在管道(2)中流動(dòng)的氣體的壓力低于一數(shù)值，使得在考慮管道溫度的情況下管道中氣體的溫度保持高于管道中氣體的露點(diǎn)。
3.按照權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，包括將所取樣的氣體穿過音速類型的經(jīng)過校準(zhǔn)的擴(kuò)散形噴管(12)的抽吸功率調(diào)節(jié)在一數(shù)值處以使在管道(2)中流動(dòng)的所取樣的氣體的壓力保持低于擴(kuò)散形噴管上游所取樣的氣體的壓力的三分之一，同時(shí)考慮在沒有調(diào)節(jié)的情況下抽吸功率的變動(dòng)。
4.按照權(quán)利要求1和2之一所述的方法，其特征在于，包括調(diào)節(jié)所取樣的氣體的抽吸功率，以便使管道(2)中壓力保持基本上恒定。
5.按照權(quán)利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，包括在降低壓力之前對(duì)所取樣的氣體進(jìn)行過濾以便提取出所取樣的氣體中存在的固體顆粒。
6.按照權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，包括加熱管道(2)以便保持管道的溫度高于所取樣的氣體的露點(diǎn)。
7.用于氣體取樣的裝置，包括用于氣體取樣的取樣頭(1)、用于利用所取樣的氣體的利用裝置(EXD)和用于將通過取樣頭取樣的氣體傳送到利用裝置的管道(2)，其特征在于，該用于氣體取樣的裝置包括用于降低管道(2)中所取樣的氣體的壓力以降低所取樣的氣體的露點(diǎn)的機(jī)構(gòu)(12、3)，該用于降低壓力的機(jī)構(gòu)包括安裝在取樣頭(1) 中并與管道(2)連通的擴(kuò)散形噴管(12)和用于將管道(2)中所取樣的氣體抽吸穿過利用裝置(EXD)的抽吸裝置(3)。
8.按照權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，用于降低所取樣的氣體(2)的壓力的機(jī)構(gòu)(12、3)如此設(shè)計(jì)，以保持管道(2)中氣體的壓力低于一數(shù)值，使得在考慮管道溫度的情況下管道中氣體的溫度保持高于管道中氣體的露點(diǎn)。
9.按權(quán)利要求7-8之一所述的裝置，其特征在于，擴(kuò)散形噴管(12)是音速噴管。
10.按照權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述抽吸裝置具有一抽吸功率，該抽吸功率高于一數(shù)值，使得在管道(2)中流動(dòng)的所取樣的氣體的壓力保持低于擴(kuò)散形噴管(12) 上游所取樣的氣體的壓力的三分之一，同時(shí)考慮在沒有調(diào)節(jié)抽吸裝置(3)的情況下抽吸功率的變動(dòng)。
11.按照權(quán)利要求7-10之一所述的裝置，特征在于，包括用于調(diào)節(jié)用于抽吸所取樣的氣體的抽吸裝置⑶的抽吸功率以使管道⑵中的壓力保持基本上恒定的機(jī)構(gòu)。
12.按照權(quán)利要求7-11之一所述的裝置，其特征在于，所述取樣頭(1)包括用于提取出所取樣的氣體中存在的固體顆粒的過濾器(U)。
13.按照權(quán)利要求7-12之一所述的裝置，特征在于，包括用于增加管道(2)中的溫度高于所取樣的氣體的露點(diǎn)的加熱機(jī)構(gòu)。
14.按照權(quán)利要求7-13之一所述的裝置，其特征在于，所述抽吸裝置包括泵(3)，該泵(3)通過管道(4)聯(lián)接到利用裝置(EXD)上，以便抽吸管道(2)中的氣體。
15.氣體分析系統(tǒng)，其特征在于，它包括權(quán)利要求7-14之一所述的取樣裝置，利用裝置 (EXD)包括基于光腔衰蕩光譜技術(shù)類型的低壓氣體分析器。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體取樣裝置，該氣體取樣裝置包括氣體取樣頭(1)；用于所取樣的氣體的利用裝置(EXD)；用于將通過取樣頭取樣的氣體輸送到利用裝置的管道(2)；和用于降低管道中所取樣的氣體的壓力以便降低所取樣的氣體的露點(diǎn)的機(jī)構(gòu)(12、3)，其中，壓力降低機(jī)構(gòu)包括設(shè)在取樣頭中并與管道連通的擴(kuò)散形噴管(12)以及在橫跨利用裝置的管道中所取樣的氣體的抽吸裝置(3)，本發(fā)明可用來分析充滿蒸汽的熱空氣。
文檔編號(hào)G01N1/22GK102224405SQ200980146797
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月24日
發(fā)明者L·羅尼格羅, P·朔萊 申請(qǐng)人:Ap2E公司