在線分析儀表的應(yīng)用與管理

陳瑜 劉玉均

摘 ?要：工業(yè)在線分析儀通常是指在化工生產(chǎn)過程中對某一物質(zhì)的組分及物理（化學(xué)）性質(zhì)進(jìn)行測取的儀表。在現(xiàn)在的化工生產(chǎn)過程中，根據(jù)測取某工段物質(zhì)的成分及性質(zhì)（如氧含量、酸堿度、電導(dǎo)率等），從而通過自動或人為地去控制生產(chǎn)過程，以達(dá)到安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)量、降低成本、保證產(chǎn)品品質(zhì)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的目的。該文通過分類、原理、應(yīng)用及管理等相關(guān)內(nèi)容對分析儀表進(jìn)行闡述與分析，以供相關(guān)專業(yè)人士參考。

關(guān)鍵詞：在線分析儀表 ?分類 ?原理 ?應(yīng)用 ?管理

中圖分類號：TQ056 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0060-03

在石油、化工、制藥等的生產(chǎn)過程中，除了需要測取溫度、壓力、物位、流量等參數(shù)來控制生產(chǎn)過程，保證產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量外，還需要及時了解產(chǎn)品的組分含量、濃度等參數(shù)，這就需要用到分析儀表來測取相關(guān)參數(shù)。該文主要針對常規(guī)在線分析儀表進(jìn)行以下3個方面的重點分析。

1 ?分析儀表的分類及原理

1.1 在線分析儀表的分類

要使在線分析儀表在實際生產(chǎn)過程中更好地發(fā)揮其作用，有必要了解在線分析儀表的分類及其原理。

1.1.1 按使用目的分類

（1）生產(chǎn)過程監(jiān)控。此種分析儀主要用于測量設(shè)備或管道內(nèi)的物料組分，保證生產(chǎn)過程的正常運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

（2）裝置和人身安全檢測。此種分析儀主要用于測量環(huán)境氣體中可燃?xì)怏w或毒性氣體濃度，當(dāng)這種有害氣體達(dá)到危險極限時報警，以便操作人員采取措施。

1.1.2 按工作原理分類

按工作原理可分為紅外線分析儀、紫外線分析儀、工業(yè)色譜儀、工業(yè)質(zhì)譜儀、磁導(dǎo)式分析儀、熱導(dǎo)式分析儀、電化學(xué)式分析儀和光電式分析儀等。

1.2 常規(guī)在線分析儀表的基本原理

1.2.1 磁氧分析儀

其他氣體的磁化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氧的磁化率，磁氧分析儀便是一種基于此物理現(xiàn)象來測取樣氣中氧含量的分析儀表。磁化率想要直接測量那是非常復(fù)雜的，因而我們一般采取間接的方法來測取，即根據(jù)氧的熱磁現(xiàn)象（隨溫度的升高而磁化率減?。?，再通過傳感器把電信號送給變送器，然后經(jīng)變送器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號給顯示儀表或DCS。

1.2.2 氧化鋯氧分析儀

氧化鋯氧分析儀的基本工作原理為：當(dāng)待分析的樣氣通過氧化鋯管進(jìn)入傳感器的內(nèi)側(cè)，參比氣體（空氣）通過自然對流進(jìn)入傳感器的外側(cè)，當(dāng)鋯管內(nèi)外側(cè)的氧含量不同時，在氧化鋯管內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生氧濃差電勢，該氧濃差電勢經(jīng)顯示儀表轉(zhuǎn)化成與被測煙氣含氧量呈線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號，供測氧儀的儀表顯示和輸出。

1.2.3 紅外線氣體分析儀

不同波長的紅外線會被不同氣體選擇性吸收，某一吸收物質(zhì)的濃度越大對某一波長的紅外線衰減也越大。紅外線氣體分析儀便是基于此種現(xiàn)象制造而成的。即當(dāng)氧氣連續(xù)不斷地通入一臺制造好了的紅外線氣體分析儀中，其氣室長度、紅外線光源、待測成分、測量范圍已定，然后依據(jù)吸收物質(zhì)的濃度與紅外線衰減成正比就可測取氧氣的濃度了。

1.2.4 熱導(dǎo)式氣體分析儀

工業(yè)上一般都是采用間接的辦法來測取樣品的濃度，因為氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，其變化量更小。當(dāng)待測樣品氣體的濃度發(fā)生變化時，將引起熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化，通過熱導(dǎo)池，轉(zhuǎn)換成熱電絲電阻的變化，再用電橋來測定，從而間接得知待測樣品的濃度。利用這一原理制成的儀表稱為熱導(dǎo)式氣體分析儀。熱導(dǎo)式氣體分析儀是一種物理類的氣體分析儀表。

1.2.5 密度計

密度計測量原理為：當(dāng)被測流體流過振動管時，此振動管的橫向自由振動頻率將隨著被測流體密度的變化而改變。當(dāng)流體密度增大時，則振動頻率減小。反之，當(dāng)流體的密度減小時，振動頻率就增加。因此，利用測定振動管頻率的變化，就可以間接地測定被測流體的密度。

1.2.6 工業(yè)pH計

pH計是利用原電池的原理（電位測量法）工作的，原電池的兩個電極間的電動勢，既與電極本身的屬性有關(guān)，還與氫離子在溶液里的濃度有關(guān)。電動勢（原電池）和濃度（氫離子）之間存在對應(yīng)關(guān)系，即pH值等于氫離子濃度的負(fù)對數(shù)（pH=-lg[c（H+）]。然后通過變送器把不標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號傳送給顯示儀表或DCS。

1.2.7 工業(yè)電導(dǎo)儀

工業(yè)電導(dǎo)儀是基于電解質(zhì)分子在溶液中離解秤正負(fù)離子，以及溶液的導(dǎo)電力與離子的有效濃度成正比的原理進(jìn)行測量。

1.2.8 可燃和有毒氣體檢測報警儀

可燃、有毒氣體本身都具有相對應(yīng)的物理或化學(xué)性質(zhì)，氣體檢測報警儀就是借助于氣體的這些性質(zhì)，應(yīng)用光電技術(shù)把它變成可以被傳感器處理、放大、傳輸?shù)碾娦盘枴?/p>

可燃?xì)怏w報警儀用氣敏電阻作為測量元件。當(dāng)空氣中有可燃?xì)怏w時，氣敏元件電阻變化，造成電橋失去平衡，電橋輸出電信號，反映可燃?xì)怏w的濃度。

2 ?在線分析儀表的應(yīng)用及采樣系統(tǒng)

2.1 常規(guī)在線分析儀表的應(yīng)用

（1）氧化鋯分析廣泛應(yīng)用于對各種窯爐煙氣中氧含量的連續(xù)監(jiān)測。依據(jù)氧化鋯測取的參數(shù)，我們可以更好地調(diào)節(jié)空氣燃料比，以使燃料充分燃燒、降低成本，提高工藝穩(wěn)定性，減少對環(huán)境的污染。

為了保證氧化鋯氧分析儀的測量準(zhǔn)確，使用中需注意以下問題：需對樣氣進(jìn)行控壓處理;保證煙氣和參比氣都有一定的流速;確保氣路無泄漏;必須經(jīng)過物理過濾器;安裝部位應(yīng)水平;遠(yuǎn)離振動源等。

（2）紅外線氣體分析儀適用于化工、水泥、冶金、電廠等不同領(lǐng)域;根據(jù)我們對不同濃度、不同測量范圍、不同氣體等要求，而選取符合相應(yīng)要求的分析儀以達(dá)到高精度、高穩(wěn)定、高實效性連續(xù)監(jiān)測和記錄的要求。

為了保證儀器的正常工作，用戶必須定期對儀器及其取樣系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù);被測氣體的溫度不宜過高或過低，溫度范圍：-5℃～45℃;被測氣體中如有較多的油分或顆粒雜質(zhì)，應(yīng)在通入樣氣前除油和濾除雜質(zhì);正常使用時，機箱后面出口管線嚴(yán)禁堵塞等。

（3）熱導(dǎo)式氣體分析儀是測量（熱導(dǎo)率相差甚大的）兩種混合氣體中某一組分的有效方法。主要用于測量H2，也常用于測量CO2、SO2、Ar的含量，適用范圍較為廣泛。下面列舉部分典型的應(yīng)用場合：氨廠合成氣中H2含量測量; 加氫裝置中H2純度測量; 爐窖燃燒煙道氣中CO2含量測量; 硫酸及磷肥生產(chǎn)流程中SO2含量測量;空氣分離裝置中的Ar含量測量;電解水制氫、氧過程中純H2中O2和純O2中H2的測量;氯氣生產(chǎn)流程中C12中H2的測量;碳?xì)浠衔餁怏w中H2含量測量;氫冷發(fā)電機組中H2、CO2含量的監(jiān)測等。

熱導(dǎo)式分析儀注意事項：分析儀器必須預(yù)熱一段時間至熱穩(wěn)定;在實際應(yīng)用中需要校正標(biāo)準(zhǔn)氣中的背景氣體與被分析氣體的背景氣體熱導(dǎo)率一致;標(biāo)準(zhǔn)氣與被分析氣體的流速要一致;在標(biāo)定校準(zhǔn)時，需要多點校準(zhǔn)等。目前的熱導(dǎo)式氣體分析器在低量程方面還有許多不足，不能檢測微量成分，主要是因為傳感器的檢測靈敏度低，受背景氣體影響大。

（4）pH計廣泛應(yīng)用于實驗室、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)過程中采用pH計測取相應(yīng)的參數(shù)以便能更好地控制物料化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、確保生產(chǎn)安全。

為了保證pH計的測量準(zhǔn)確，使用中需注意以下問題：在測量前必須浸泡、校準(zhǔn);取下保護(hù)帽后敏感玻璃泡不能有任何損傷;不用時必須浸泡以保持電極的濕潤等。

（5）可燃和有毒氣體檢測報警儀在石油、石化、化工、焦化、冶金、煤氣、燃?xì)?、制藥、市政、污水處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時也滿足了測量氣體種類多樣化的要求，已成為工業(yè)安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)中必不可少的防護(hù)設(shè)備。

使用中需注意以下問題：因被測氣體的密度不同，探頭的安裝位置也應(yīng)不同;報警器的周圍不能有強電磁場以免對儀表工作有影響的;經(jīng)常性的校準(zhǔn)、標(biāo)定和檢測等。

2.2 樣品預(yù)處理系統(tǒng)

在化工生產(chǎn)過程中安裝好了的分析儀表能否提供準(zhǔn)確、及時的數(shù)據(jù)，一般不取決于儀表的選型或它本身，往往局限于樣品處理系統(tǒng)設(shè)計的好壞。過程分析系統(tǒng)與其他工業(yè)測量系統(tǒng)的一個差別在于分析系統(tǒng)一般都需要一套完整的處理樣品的系統(tǒng)。樣品處理系統(tǒng)包括試樣的提取、試樣的傳送、試樣的預(yù)處理和試樣的排放等。

2.2.1 試樣的提取

從生產(chǎn)過程中某一部位提取樣品是分析儀表在線檢測的第一步，簡稱取樣。取樣一般應(yīng)滿足以下要求：在離分析儀表較近及符合工藝要求的位置選取取樣點以確保試樣具備代表性;傳送過程盡量短以便保證數(shù)據(jù)的及時性;取樣點盡量選在清潔、干燥、溫度、壓力合適的地方，這樣可以減少對預(yù)處理系統(tǒng)的要求;取樣點盡量在安全、塵霧少、容易接近的地方，以便檢修;如果樣品容易凝結(jié)，應(yīng)采用伴熱保溫措施，但不能引起樣品組分的變化;取樣點不要選擇在容易產(chǎn)生相變的地方，也不要選在旁路管道上。

2.2.2 試樣的傳送

通過傳送線管將試樣輸送到分析儀表的入口的過程稱為試樣的傳送。樣品輸送時要對以下問題留意：輸送滯后時間要小;減少輸送管道的拐角;輸送系統(tǒng)不能泄露;輸送線管應(yīng)有一個坡度;試樣的傳送線管應(yīng)盡量選取φ6的管徑，以使得流速在相同的設(shè)計要求下變得更快。總之選擇最合適的樣品輸送系統(tǒng)以保傳輸?shù)膶嵭浴?/p>

2.2.3 試樣的預(yù)處理

樣品的預(yù)處理是對試樣進(jìn)行干燥、降溫、過濾等綜合處理，以便提供符合分析儀技術(shù)要求的合格樣品。為了除去氣體中的水分需要干燥劑;為了降低試樣的溫度需要冷卻器;為了除去試樣中的硫需要脫硫劑;為了穩(wěn)定輸送試樣的流速、壓力需要穩(wěn)壓調(diào)節(jié)裝置等。這些部件與輸送系統(tǒng)一樣，不能泄露，不能因預(yù)處理過程而改變樣品的組分。

2.2.4 試樣的排放

應(yīng)根據(jù)樣品的具體條件來選取如何排放樣品的途徑或措施。對于沒有價值、沒有危害性或危害很小的樣品可以直接排進(jìn)下水道或排空，但用于排空的管道要比較高點。對于價值比較高的樣品應(yīng)盡量讓其回流至工藝，如沒有回流點的情況下應(yīng)該采用樣品回收裝置。

3 ?在線分析儀表的管理

過程分析儀按各種不同的測量原理進(jìn)行工作，不但測量范圍、精度等級、響應(yīng)時間、價格不同，就是同種原理、同種測量范圍的過程分析儀，也會由于樣品的背景組分不同，而不一定能夠適用。并且分析儀在生產(chǎn)使用過程中也會出現(xiàn)各種未知問題，這就需要我們對其加強管理。

3.1 加強分析儀投運前的管理

（1）分析儀投運前的管理是指儀表設(shè)計、選型、采購、安裝等的管理，為保證儀表能夠長期、平穩(wěn)的運行，必須重視分析儀投運前的管理。

（2）主管分析儀的部門應(yīng)負(fù)責(zé)新建或技改項目中分析儀的設(shè)計審核，對分析儀的選型工作把好技術(shù)關(guān)，確保所采購的分析儀表安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟耐用。在設(shè)計和選型時應(yīng)符合儀表選型設(shè)計的相關(guān)規(guī)范，對不符合規(guī)范的應(yīng)重新設(shè)計選型。相關(guān)設(shè)計規(guī)范如：《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》（SH/T 3005—2016）。

（3）所采購的分析儀應(yīng)確保品牌、質(zhì)量過硬，并運行穩(wěn)定，在符合設(shè)計選型要求下使之性價比最高。

（4）按要求規(guī)范設(shè)計、選型、采購后，接下來就開始安裝了，分析儀表的安裝必須按設(shè)計要求及施工技術(shù)規(guī)程進(jìn)行并且便于維修，相關(guān)設(shè)計規(guī)范如：《石油化工儀表工程施工技術(shù)規(guī)程》（SH/T 3521-2013）。取樣點應(yīng)選在不易堵塞、壓力穩(wěn)定、反映靈敏、具有代表性且便于維修的地方。傳輸線管應(yīng)有一定的坡度。安置分析儀的小屋設(shè)計也應(yīng)符合設(shè)計要求和規(guī)范，如：《石油化工控制室和自動分析器室設(shè)計規(guī)范》（SH3006—1999）。

3.2 加強設(shè)備日常維護(hù)與校驗管理

（1）定期檢查在線分析儀表（包括運行狀況、樣品處理系統(tǒng)、分析小屋環(huán)境、安全設(shè)施等），確保達(dá)到在線分析儀表使用條件、技術(shù)要求等，如發(fā)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)異常或儀表故障時，儀表維護(hù)人員應(yīng)及時通知工藝并進(jìn)行處理，恢復(fù)正常后應(yīng)對該異?；蚬收系默F(xiàn)象、原因及時做好記錄并注明處理方法以供后續(xù)參考。

（2）大修期間要對在線分析儀表系統(tǒng)進(jìn)行全面、徹底的清潔工作。

（3）定期校準(zhǔn)在線分析儀表，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確無誤。在線分析儀表的校準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)程及相應(yīng)分析儀表說明書中的要求進(jìn)行。在線分析儀表校驗時所采用的標(biāo)準(zhǔn)樣品及標(biāo)準(zhǔn)氣應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程要求。校準(zhǔn)結(jié)束后，應(yīng)及時填寫校驗紀(jì)錄并存檔。

4 ?結(jié)語

隨著生產(chǎn)過程對先進(jìn)控制要求的不斷提高，在線分析儀表越來越廣泛地應(yīng)用于各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，它及時、準(zhǔn)確地提供分析數(shù)據(jù)為穩(wěn)定生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)保監(jiān)測起到了不可替代的作用。該文就常規(guī)在線分析儀表的原理、樣品的處理及其管理等做了簡單的闡述。希望通過該文的闡述與分析，能為在線分析儀表在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用與管理提供一定的參考價值。

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