如何使用調(diào)壓閥來(lái)減少分析系統(tǒng)中的延時(shí)
現(xiàn)場(chǎng)工程主管 Mike Strobel
工藝測(cè)量是即時(shí)的，但分析儀響應(yīng)卻不可能是即時(shí)的。從取樣口到分析儀始終存在延時(shí)。遺憾的是，這一延遲往往被低估或誤解。
在分析取樣系統(tǒng)中，延時(shí)定義為新樣品行進(jìn)到分析儀所需的時(shí)間。一篇單獨(dú)的博客文章解釋了時(shí)間延遲的原因以及如何高水平地縮短延時(shí)的技巧。但在這篇文章中，我們將重點(diǎn)介紹如何使用調(diào)壓閥控制時(shí)間延遲。調(diào)壓閥可控制壓力，而分析系統(tǒng)中的壓力與時(shí)間密切相關(guān)。在流量受控的氣體系統(tǒng)中，壓力越低，延時(shí)越短。
探索取樣系統(tǒng)培訓(xùn)機(jī)會(huì)
分析儀器系統(tǒng)的任何主要部分都可能發(fā)生延時(shí)，包括工藝管路、取樣口和探針、現(xiàn)場(chǎng)工作站、輸送管路、樣品調(diào)整系統(tǒng)、樣流切換系統(tǒng)和分析儀。下圖是典型工藝分析儀取樣系統(tǒng)的示例。
延時(shí)是累積性的。延時(shí)包括流體從被監(jiān)測(cè)的工藝到分析儀所需的總時(shí)間。您可以在此處了解有關(guān)如何測(cè)量時(shí)間延遲的更多信息。現(xiàn)在，我們將重點(diǎn)考慮現(xiàn)場(chǎng)工作站和調(diào)壓閥在減少延時(shí)方面發(fā)揮的重要作用。
到現(xiàn)場(chǎng)工作站之前
若要盡可能地縮短延時(shí)，應(yīng)從取樣口位置著手。應(yīng)當(dāng)將取樣口放置在盡可能靠近工藝分析儀的位置，而且還應(yīng)位于桶、罐、死角、滯流管路或者冗余或陳舊設(shè)備等工藝延時(shí)源的上游。
當(dāng)取樣液體時(shí)，取樣口處的壓力應(yīng)足以使樣品能夠在不使用泵的情況下，流過(guò)輸送管路或快速回路，泵不僅是一種昂貴的元件，而且還帶來(lái)了額外的性能變化。
許多情況下，您可能無(wú)法指定取樣口位置。您可能不得不使用原有取樣口的位置，而且往往只能使用原有分析儀的安裝位置。當(dāng)取樣口與分析儀之間的距離較大時(shí)，建議使用快速回路加快將流體輸送到分析儀的速度并將未使用的部分返回到工藝中。
大多數(shù)分析儀表系統(tǒng)內(nèi)都存在的另一個(gè)延時(shí)源是探頭。探頭的容積越大，延時(shí)就越嚴(yán)重。探頭的長(zhǎng)度和寬度都將影響容積。若您想要盡可能地降低延時(shí)，請(qǐng)選擇低容積的探頭。
在現(xiàn)場(chǎng)工作站
在工藝分析儀需要液體樣品的情況下，現(xiàn)場(chǎng)工作站中不使用調(diào)壓閥。最好把液體保持在高壓力以避免產(chǎn)生氣泡。對(duì)于氣體樣品，可使用現(xiàn)場(chǎng)工作站減小輸送管路或快速回路內(nèi)的壓力。
延時(shí)的縮短幅度與絕對(duì)壓力的降低幅度成正比。壓力降低一半時(shí)，延時(shí)將縮短一半。現(xiàn)場(chǎng)工作站應(yīng)盡可能靠近取樣口。降壓的時(shí)間越早越好。我們看看現(xiàn)場(chǎng)工作站中可能適用的三種調(diào)壓閥應(yīng)用。調(diào)壓閥在每種應(yīng)用中的配置都略有不同。
探究預(yù)設(shè)計(jì)分析子系統(tǒng)的益處
調(diào)壓閥應(yīng)用 #1
在第一種應(yīng)用中，目標(biāo)是降低氣壓。壓降不會(huì)產(chǎn)生冷凝。因此，可以使用簡(jiǎn)單的減壓型調(diào)壓閥。減壓型調(diào)壓閥在出口處保持恒定壓力。傳感元件（通常為隔膜或活塞）響應(yīng)于下游壓力而移動(dòng)，從而允許控制元件（通常為錐形提升閥）改變氣體通過(guò)的孔口流動(dòng)面積。當(dāng)傳感元件響應(yīng)于較高壓力而被向上推動(dòng)時(shí)，控制元件移動(dòng)靠近調(diào)壓閥座，并且孔口面積逐漸減小。隨著傳感元件在較低的壓力下向下移動(dòng)，孔口逐漸增大。在大多數(shù)分析調(diào)壓閥中，調(diào)壓閥上的手柄允許操作員通過(guò)壓縮或松開(kāi),驅(qū)動(dòng)傳感元件相對(duì)于出口壓力而運(yùn)動(dòng)的固定彈簧來(lái)設(shè)定出口壓力。
金屬隔膜特別適用于進(jìn)口壓力不會(huì)急劇變化或看重化學(xué)兼容性的應(yīng)用。然而，在壓力可能不一致或激增的應(yīng)用中，活塞式調(diào)壓閥可能更合適。
調(diào)壓閥應(yīng)用 #2
在第二種調(diào)壓閥應(yīng)用中，預(yù)計(jì)壓降會(huì)導(dǎo)致冷凝。在壓力降低的情況下，幾乎所有氣體都會(huì)損失能量（這被稱為焦耳湯姆遜效應(yīng)），從而導(dǎo)致冷卻。如果氣體接近其露點(diǎn)，則這種冷卻會(huì)導(dǎo)致冷凝。在某些情況下，熱損失可能大到足以導(dǎo)致冷凝，從而可能凍結(jié)調(diào)壓閥。由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，可能需要加熱調(diào)壓閥來(lái)保持氣體溫度高于露點(diǎn)。加熱調(diào)壓閥是一種系統(tǒng)流體流經(jīng)加熱元件的減壓型調(diào)壓閥。加熱棒是需要的。
您可以計(jì)算加熱棒所需的能量（或瓦數(shù)），以便在合理的功率范圍內(nèi)指定加熱筒。每種氣體都有一個(gè)焦耳-湯姆遜系數(shù)，可將此系數(shù)與壓降和流速一起帶入公式中，以計(jì)算所需的功率。
調(diào)壓閥應(yīng)用 #3
在第三種調(diào)壓閥應(yīng)用中，在使用氣相色譜儀或其它分析儀分析液體之前必須變成氣體。在這種情況下，應(yīng)使用汽化調(diào)壓閥。選擇汽化調(diào)壓閥可能是一件具有挑戰(zhàn)力的事情，但如果合理選型并正確安裝，則可以成為制備液體樣品的可靠方法。汽化調(diào)壓閥的目標(biāo)是立即將整個(gè)樣品蒸發(fā)為氣體，以確保蒸發(fā)的樣品代表液體工藝。
使用汽化調(diào)壓閥時(shí)，必須密切注意溫度和蒸氣流量。如果流量過(guò)大，則樣品將僅部分氣化，液體將經(jīng)調(diào)壓閥流向分析儀。如果汽化器溫度過(guò)高，則上游液體樣品將被汽化。您可以在此處了解有關(guān)在取樣系統(tǒng)中管理汽化的更多信息。
最后，一定要正確設(shè)置汽化調(diào)壓閥，以免造成較長(zhǎng)的延時(shí)。當(dāng)液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí)，體積將劇烈膨脹。增加量取決于液體的分子重量。一般，調(diào)壓閥后蒸氣流量測(cè)值將是汽化調(diào)壓閥前液體流量的 300 倍。
例如，當(dāng)蒸氣流量為 600 cm3/分鐘時(shí)，液體流量可能還不到 2 cm3/分鐘。在這種情況下，液體將需要 25 分鐘才能流過(guò)一段 3 米（約 10 英尺）的 6 mm (1/4 in.) 卡套管。為了縮短這段時(shí)間，我們必須減小調(diào)壓閥前的卡套管容積。例如，使用長(zhǎng)度僅為 30.5 cm（1 英尺）的 3.2 mm（1/8 英寸）卡套管時(shí)，液體只需 30 秒時(shí)間就能夠到達(dá)調(diào)壓閥。不過(guò)，這個(gè)時(shí)間還必須加上探頭內(nèi)的延時(shí)。探頭越細(xì)，響應(yīng)越快。
可用于加快響應(yīng)的另一種方法是借助液體快速回路將汽化器移至更靠近分析儀的位置。在下圖中，調(diào)壓閥位于快速回路過(guò)濾器后面，同時(shí)使用另一個(gè)液體慢速旁通回路，以確保汽化調(diào)壓閥之前良好的液體流動(dòng)。這種設(shè)計(jì)的目的是盡可能地減少抵達(dá)蒸氣調(diào)壓閥的慢速液體量。
做出正確的調(diào)壓閥選擇減少延遲
調(diào)壓閥是解決分析系統(tǒng)中延時(shí)的重要工具。氣體系統(tǒng)中的壓力越低，響應(yīng)時(shí)間就越快。一般而言，氣體系統(tǒng)壓力越早降低越好。在液體蒸發(fā)的情況下，請(qǐng)考慮使用液體快速回路以保持汽化調(diào)壓閥之前的液體流動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)工作站是復(fù)雜的分析儀器系統(tǒng)中可以顯著降低延時(shí)的位置之一，但延時(shí)方法必須始終是全面的。為降低延時(shí)，必須仔細(xì)研究系統(tǒng)中所有可能的延遲原因。
如果您的分析系統(tǒng)出現(xiàn)難以處理的延時(shí)問(wèn)題，除了遵循上述有關(guān)調(diào)壓閥選擇的建議之外，您還可以從多個(gè)其他地方尋求幫助。我們提供多門由取樣專家教授的取樣系統(tǒng)培訓(xùn)課程，我們提供根據(jù)優(yōu)秀實(shí)踐設(shè)計(jì)的預(yù)設(shè)計(jì)分析子系統(tǒng)，我們的現(xiàn)場(chǎng)工程團(tuán)隊(duì)也可以到現(xiàn)場(chǎng)幫助您確定并排除分析系統(tǒng)的問(wèn)題。要了解更多信息或開(kāi)始有關(guān)減少分析系統(tǒng)延遲的對(duì)話，請(qǐng)單擊下面的按鈕。