在线分析仪表的应用与管理

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摘 要：工业在线分析仪通常是指在化工生产过程中对某一物质的组分及物理（化学）性质进行测取的仪表。在现在的化工生产过程中，根据测取某工段物质的成分及性质（如氧含量、酸碱度、电导率等），从而通过自动或人为地去控制生产过程，以达到安全生产、提高产量、降低成本、保证产品品质、保护环境、节能减排的目的。该文通过分类、原理、应用及管理等相关内容对分析仪表进行阐述与分析，以供相关专业人士参考。
关键词：在线分析仪表 分类 原理 应用 管理
中图分类号：TQ056  文献标识码：A      文章编号：1672-3791（2019）05（a）-0060-03
在石油、化工、制藥等的生产过程中，除了需要测取温度、压力、物位、流量等参数来控制生产过程，保证产品产量与质量外，还需要及时了解产品的组分含量、浓度等参数，这就需要用到分析仪表来测取相关参数。该文主要针对常规在线分析仪表进行以下3个方面的重点分析。
1 分析仪表的分类及原理
1.1 在线分析仪表的分类
要使在线分析仪表在实际生产过程中更好地发挥其作用，有必要了解在线分析仪表的分类及其原理。
1.1.1 按使用目的分类
（1）生产过程监控。此种分析仪主要用于测量设备或管道内的物料组分，保证生产过程的正常运行，提高产品质量和产量。
（2）装置和人身安全检测。此种分析仪主要用于测量环境气体中可燃气体或毒性气体浓度，当这种有害气体达到危险极限时报警，以便操作人员采取措施。
1.1.2 按工作原理分类
按工作原理可分为红外线分析仪、紫外线分析仪、工业色谱仪、工业质谱仪、磁导式分析仪、热导式分析仪、电化学式分析仪和光电式分析仪等。
1.2 常规在线分析仪表的基本原理
1.2.1 磁氧分析仪
其他气体的磁化率远远小于氧的磁化率，磁氧分析仪便是一种基于此物理现象来测取样气中氧含量的分析仪表。磁化率想要直接测量那是非常复杂的，因而我们一般采取间接的方法来测取，即根据氧的热磁现象（随温度的升高而磁化率减小），再通过传感器把电信号送给变送器，然后经变送器输出标准信号给显示仪表或DCS。
1.2.2 氧化锆氧分析仪
氧化锆氧分析仪的基本工作原理为：当待分析的样气通过氧化锆管进入传感器的内侧，参比气体（空气）通过自然对流进入传感器的外侧，当锆管内外侧的氧含量不同时，在氧化锆管内外侧产生氧浓差电势，该氧浓差电势经显示仪表转化成与被测烟气含氧量呈线性关系的标准信号，供测氧仪的仪表显示和输出。
1.2.3 红外线气体分析仪
不同波长的红外线会被不同气体选择性吸收，某一吸收物质的浓度越大对某一波长的红外线衰减也越大。红外线气体分析仪便是基于此种现象制造而成的。即当氧气连续不断地通入一台制造好了的红外线气体分析仪中，其气室长度、红外线光源、待测成分、测量范围已定，然后依据吸收物质的浓度与红外线衰减成正比就可测取氧气的浓度了。
1.2.4 热导式气体分析仪
工业上一般都是采用间接的办法来测取样品的浓度，因为气体的热传导系数很小，其变化量更小。当待测样品气体的浓度发生变化时，将引起热传导系数的变化，通过热导池，转换成热电丝电阻的变化，再用电桥来测定，从而间接得知待测样品的浓度。利用这一原理制成的仪表称为热导式气体分析仪。热导式气体分析仪是一种物理类的气体分析仪表。
1.2.5 密度计
密度计测量原理为：当被测流体流过振动管时，此振动管的横向自由振动频率将随着被测流体密度的变化而改变。当流体密度增大时，则振动频率减小。反之，当流体的密度减小时，振动频率就增加。因此，利用测定振动管频率的变化，就可以间接地测定被测流体的密度。
1.2.6 工业pH计
pH计是利用原电池的原理（电位测量法）工作的，原电池的两个电极间的电动势，既与电极本身的属性有关，还与氢离子在溶液里的浓度有关。电动势（原电池）和浓度（氢离子）之间存在对应关系，即pH值等于氢离子浓度的负对数（pH=-lg[c（H+）]。然后通过变送器把不标准的电流信号转换为标准电流信号传送给显示仪表或DCS。
1.2.7 工业电导仪
工业电导仪是基于电解质分子在溶液中离解秤正负离子，以及溶液的导电力与离子的有效浓度成正比的原理进行测量。
1.2.8 可燃和有毒气体检测报警仪
可燃、有毒气体本身都具有相对应的物理或化学性质，气体检测报警仪就是借助于气体的这些性质，应用光电技术把它变成可以被传感器处理、放大、传输的电信号。
可燃气体报警仪用气敏电阻作为测量元件。当空气中有可燃气体时，气敏元件电阻变化，造成电桥失去平衡，电桥输出电信号，反映可燃气体的浓度。
2 在线分析仪表的应用及采样系统
2.1 常规在线分析仪表的应用
（1）氧化锆分析广泛应用于对各种窑炉烟气中氧含量的连续监测。依据氧化锆测取的参数，我们可以更好地调节空气燃料比，以使燃料充分燃烧、降低成本，提高工艺稳定性，减少对环境的污染。
为了保证氧化锆氧分析仪的测量准确，使用中需注意以下问题：需对样气进行控压处理;保证烟气和参比气都有一定的流速;确保气路无泄漏;必须经过物理过滤器;安装部位应水平;远离振动源等。
（2）红外线气体分析仪适用于化工、水泥、冶金、电厂等不同领域;根据我们对不同浓度、不同测量范围、不同气体等要求，而选取符合相应要求的分析仪以达到高精度、高稳定、高实效性连续监测和记录的要求。
为了保证仪器的正常工作，用户必须定期对仪器及其取样系统进行维护;被测气体的温度不宜过高或过低，温度范围：-5℃～45℃;被测气体中如有较多的油分或颗粒杂质，应在通入样气前除油和滤除杂质;正常使用时，机箱后面出口管线严禁堵塞等。
（3）热导式气体分析仪是测量（热导率相差甚大的）两种混合气体中某一组分的有效方法。主要用于测量H2，也常用于测量CO2、SO2、Ar的含量，适用范围较为广泛。下面列举部分典型的应用场合：氨厂合成气中H2含量测量; 加氢装置中H2纯度测量; 炉窖燃烧烟道气中CO2含量测量; 硫酸及磷肥生产流程中SO2含量测量;空气分离装置中的Ar含量测量;电解水制氢、氧过程中纯H2中O2和纯O2中H2的测量;氯气生产流程中C12中H2的测量;碳氢化合物气体中H2含量测量;氢冷发电机组中H2、CO2含量的监测等。
热导式分析仪注意事项：分析仪器必须预热一段时间至热稳定;在实际应用中需要校正标准气中的背景气体与被分析气体的背景气体热导率一致;标准气与被分析气体的流速要一致;在标定校准时，需要多点校准等。目前的热导式气体分析器在低量程方面还有许多不足，不能检测微量成分，主要是因为传感器的检测灵敏度低，受背景气体影响大。
（4）pH计广泛应用于实验室、工业生产、农业、环保等领域。工业生产过程中采用pH计测取相应的参数以便能更好地控制物料化学反应，进而提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、确保生产安全。
为了保证pH计的测量准确，使用中需注意以下问题：在测量前必须浸泡、校准;取下保护帽后敏感玻璃泡不能有任何损伤;不用时必须浸泡以保持电极的湿润等。
（5）可燃和有毒气体检测报警仪在石油、石化、化工、焦化、冶金、煤气、燃气、制药、市政、污水处理等领域得到广泛的应用，同时也满足了测量气体种类多样化的要求，已成为工业安全生产及环境保护中必不可少的防护设备。
使用中需注意以下问题：因被测气体的密度不同，探头的安装位置也应不同;报警器的周围不能有强电磁场以免对仪表工作有影响的;经常性的校准、标定和检测等。
2.2 样品预处理系统
在化工生产过程中安装好了的分析仪表能否提供準确、及时的数据，一般不取决于仪表的选型或它本身，往往局限于样品处理系统设计的好坏。过程分析系统与其他工业测量系统的一个差别在于分析系统一般都需要一套完整的处理样品的系统。样品处理系统包括试样的提取、试样的传送、试样的预处理和试样的排放等。
2.2.1 试样的提取
从生产过程中某一部位提取样品是分析仪表在线检测的第一步，简称取样。取样一般应满足以下要求：在离分析仪表较近及符合工艺要求的位置选取取样点以确保试样具备代表性;传送过程尽量短以便保证数据的及时性;取样点尽量选在清洁、干燥、温度、压力合适的地方，这样可以减少对预处理系统的要求;取样点尽量在安全、尘雾少、容易接近的地方，以便检修;如果样品容易凝结，应采用伴热保温措施，但不能引起样品组分的变化;取样点不要选择在容易产生相变的地方，也不要选在旁路管道上。
2.2.2 试样的传送
通过传送线管将试样输送到分析仪表的入口的过程称为试样的传送。样品输送时要对以下问题留意：输送滞后时间要小;减少输送管道的拐角;输送系统不能泄露;输送线管应有一个坡度;试样的传送线管应尽量选取φ6的管径，以使得流速在相同的设计要求下变得更快。总之选择最合适的样品输送系统以保传输的实效性。
2.2.3 试样的预处理
样品的预处理是对试样进行干燥、降温、过滤等综合处理，以便提供符合分析仪技术要求的合格样品。为了除去气体中的水分需要干燥剂;为了降低试样的温度需要冷却器;为了除去试样中的硫需要脱硫剂;为了稳定输送试样的流速、压力需要稳压调节装置等。这些部件与输送系统一样，不能泄露，不能因预处理过程而改变样品的组分。
2.2.4 试样的排放
应根据样品的具体条件来选取如何排放样品的途径或措施。对于没有价值、没有危害性或危害很小的样品可以直接排进下水道或排空，但用于排空的管道要比较高点。对于价值比较高的样品应尽量让其回流至工艺，如没有回流点的情况下应该采用样品回收装置。
3 在线分析仪表的管理
过程分析仪按各种不同的测量原理进行工作，不但测量范围、精度等级、响应时间、价格不同，就是同种原理、同种测量范围的过程分析仪，也会由于样品的背景组分不同，而不一定能够适用。并且分析仪在生产使用过程中也会出现各种未知问题，这就需要我们对其加强管理。
3.1 加强分析仪投运前的管理
（1）分析仪投运前的管理是指仪表设计、选型、采购、安装等的管理，为保证仪表能够长期、平稳的运行，必须重视分析仪投运前的管理。
（2）主管分析仪的部门应负责新建或技改项目中分析仪的设计审核，对分析仪的选型工作把好技术关，确保所采购的分析仪表安全可靠、技术先进、经济耐用。在设计和选型时应符合仪表选型设计的相关规范，对不符合规范的应重新设计选型。相关设计规范如：《石油化工自动化仪表选型设计规范》（SH/T 3005—2016）。
（3）所采购的分析仪应确保品牌、质量过硬，并运行稳定，在符合设计选型要求下使之性价比最高。
（4）按要求规范设计、选型、采购后，接下来就开始安装了，分析仪表的安装必须按设计要求及施工技术规程进行并且便于维修，相关设计规范如：《石油化工仪表工程施工技术规程》（SH/T 3521-2013）。取样点应选在不易堵塞、压力稳定、反映灵敏、具有代表性且便于维修的地方。传输线管应有一定的坡度。安置分析仪的小屋设计也应符合设计要求和规范，如：《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》（SH3006—1999）。
3.2 加强设备日常维护与校验管理
（1）定期检查在线分析仪表（包括运行状况、样品处理系统、分析小屋环境、安全设施等），确保达到在线分析仪表使用条件、技术要求等，如发现仪表数据异常或仪表故障时，仪表维护人员应及时通知工艺并进行处理，恢复正常后应对该异常或故障的现象、原因及时做好记录并注明处理方法以供后续参考。
（2）大修期间要对在线分析仪表系统进行全面、彻底的清洁工作。
（3）定期校准在线分析仪表，确保分析结果准确无误。在线分析仪表的校准应根据相关规程及相应分析仪表说明书中的要求进行。在线分析仪表校验时所采用的标准样品及标准气应符合相关规程要求。校准结束后，应及时填写校验纪录并存档。
4 结语
随着生产过程对先进控制要求的不断提高，在线分析仪表越来越广泛地应用于各个生产环节中，它及时、准确地提供分析数据为稳定生产、优化生产作业、提高产品质量、环保监测起到了不可替代的作用。该文就常规在线分析仪表的原理、样品的处理及其管理等做了简单的阐述。希望通过该文的阐述与分析，能为在线分析仪表在化工生产中的应用与管理提供一定的参考价值。
参考文献
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