氣體分析儀器成套

(原重慶川儀九廠)

1989年9月，分析儀器行業(yè)在山東長島召開協(xié)會和學會會議，機械部儀表局朱良漪總工程師出席并主持會議。第二天為大會發(fā)言，朱總要我們川儀九廠(四川分析儀器廠)說說氣體分析儀器成套，王成德廠長把此任務(wù)交給了我。我在會上匯報了川儀九廠開展氣體分析儀器成套的有關(guān)情況，此內(nèi)容后來刊登在1990年第四期“分析儀器”雜志上。

時間真快，一晃就要30年了。今天，想在那次發(fā)言的基礎(chǔ)上，再來說說氣體分析儀器成套。

所謂氣體分析儀器成套，實際上就是氣體分析儀器的應(yīng)用技術(shù)。一臺氣體分析儀器，比如磁力機械式氧分析器，各行各業(yè)都有應(yīng)用。如工業(yè)氣體行業(yè)用來分析氧氣純度等；各種爐子里用來分析爐內(nèi)氣氛；煙道中用來分析燃燒效力；生物工程中用來分析生命條件等等。而這些使用場合，環(huán)境條件各不相同，工況與氣樣條件更是錯綜復(fù)雜，各不相同(如溫度，壓力，氣容量，露點，粉塵，背景成份……)。這些差異，儀器本身是無法都能適應(yīng)的。并且，氣體分析儀器有一個不同于其它儀器的最大特點：那就是被分析氣樣，是儀器必不可少的組成部份，也就是說，必須有正常的被分析氣樣，儀器才能正常工作，一旦沒了氣樣或者氣樣超越了儀器的設(shè)計條件，儀器就會失常。因此，如果不把不同場合的氣樣處理好，儀器就不可能正常工作。所以，氣體分析儀器成套，其中一項最主要的內(nèi)容，就是氣樣處理。處理氣樣的裝置，稱作為“預(yù)處理系統(tǒng)”。這些裝置，是硬件，氣路上如取樣頭，過濾器，冷凝器，加熱器，分離器，蓄能器，泵，各種閥件，流量計等等，以及自動控制這些組部件動作的電子部件。這些硬件如何組合得更好，則要精心設(shè)計。而設(shè)計的依據(jù)，就是現(xiàn)場條件。

川儀九廠有幸接受過德國H&B公司的“成套”技術(shù)培訓，記得培訓中印象最深的一件事是頭一天老師發(fā)給我們的一張表格。老師一再強調(diào)，這張表里的內(nèi)容，是這個成套項目的基礎(chǔ)。表中的數(shù)據(jù)越詳細，越準確，結(jié)果就會越好。這是一張項目調(diào)查表，內(nèi)容十分全面，包括項目名稱，所屬行業(yè)，取樣點在工藝流程中的位子及其氣樣成份和工況條件，環(huán)境條件(包括氣候)，用戶要求等上百項，一張A3紙上正反兩面都布滿了。老師說，這張調(diào)查表，作為技術(shù)協(xié)議的內(nèi)容，經(jīng)雙方確認后，要作為合同的附件，由此可見它的重要性了。

是不是冗長了呢？不，必不可少！

舉個例子：比如其中有：“氣樣管道走向？是否經(jīng)過室外？，當?shù)刈罡吆妥畹蜌鉁兀俊钡冗@些看起來對儀器并不重要的問題，如果未寫明，若沒有采取措施，結(jié)果就會出問題。據(jù)說江西一家水泥廠，八十年代初從日本進口的一套氣體分析儀器裝置，安裝中將一段氣樣管道經(jīng)過室外(沒有加保溫套)并先到地面后再向上穿墻進到室內(nèi)的電子冷凝器除水；該廠地處山區(qū)，冬天，特別是晚上，氣溫低于0℃，結(jié)果用得好好的情況下，一夜間失常了。原因是氣樣中的水在“U”形的管道中結(jié)成了冰，管道堵塞了，氣樣沒了，儀器就無法工作了。所以，不允許任何疏忽。

前面已說過，氣樣與氣體分析儀器的正常工作悉悉相關(guān)，是儀器正常工作的必要條件。所以，氣體分析儀器成套的最重要內(nèi)容就是氣樣處理。以得到一個符合儀器工作條件的、穩(wěn)定的、不失真的氣樣。

氣樣預(yù)處理的內(nèi)容一是熱工參數(shù)處理，如溫度，壓力，流量等；二是氣路流轉(zhuǎn)處理，如開啟、關(guān)閉、反吹、旁路、換向、稀釋、濃縮、輪流進樣、排氣、排液、校儀器零點、終點等等；三是成份處理，即氣樣的組成，也稱背景氣體，當然包括粉塵，水份等。

氣樣的苛刻條件是高溫(低溫)、高壓(低壓甚至是負壓)、高灰粉、高水份、干擾組份、腐蝕性、結(jié)晶、粘附物等等。

熱工參數(shù)處理如高溫、低溫可用冷卻或加熱，如金屬盤管，水冷，風冷，電子冷凝器，加熱器等；高壓、低壓則可用閥件減壓，泵增壓(但要提醒的是，為不污染氣樣，必須用膜式泵)。這些都比較容易實現(xiàn)。一般儀器上都已帶有流量顯示(轉(zhuǎn)子流量計，也有熱敏電子流量計等)，不過，流量計放在測量元件之前或之后是有講究的。

氣路處理提高了分析過程中的自動化程度，也比較容易實現(xiàn)。

成份處理是氣樣預(yù)處理中最難的工作：

粉塵與水分比較麻煩，特別是二者同時存在時，有句成語叫“拖泥帶水”，很難對付；原則是必須先除粉塵，不允許它進入管道；再除水，若水份含量很高，需先經(jīng)旋風分離后再用電子冷凝器冷至2℃；另外一種方法是利用分壓平衡原理，氣樣通過特種材料制成的隔套式脫水管，脫水管內(nèi)通過被處理氣樣，管外(隔套管)通壓縮空氣，因壓縮空氣的露點一般在負40℃，二者的水分壓相差很大，氣樣中的水會從脫水管壁析出到壓縮空氣中，從而把氣樣中的水份帶走。它結(jié)構(gòu)簡單，效果很好，市場上已有商品供應(yīng)。

對付腐蝕性氣體可選用不銹鋼、四氟乙烯等耐腐蝕材料，但更重要的措施是保持氣樣干燥，即要除去水份。但不腐蝕是不可能的，特別在高溫下，很難避免。

干擾組份也很難處理。干擾組份與儀器的工作原理有關(guān)，如熱導(dǎo)儀器，要求背景氣體組份不能多，最好是二組份。如有第三種組份并且其含量是變化的，則要考慮到它的存在對測量結(jié)果的影響；又如紅外線儀器，則具有相近吸收波長的組份會影響測量結(jié)果。如果影響很大時，必須采取措施：如濾波，或者干脆除去干擾組份等；不能除掉的則要根據(jù)其含量，對測量結(jié)果進行修正。另外，若除去了某些干擾組份以后，被測組份在氣樣中的百分含量會有改變，故必須修正，不能失真。當然，這些說起來很容易，但要真正完全做到它，很有難度，因為這些問題，往往不是靜態(tài)的，而是無規(guī)則變化的。

結(jié)晶會造成管道堵塞(包括有些氣樣中含有焦油等粘狀物)。如高溫下，硫磺是蒸汽，低于127℃時，就會結(jié)晶析出，成了固體，當然會堵塞管道；再如當氨與二氧化碳同時存在，且溫度低于60℃時，就會生成碳酸氫銨(NH4HCO3)，又是固體！在這種情況下只有保持高溫下測量，但這在結(jié)構(gòu)上是很復(fù)雜和困難的。同樣，焦油則會逐漸粘附在取樣過濾器和管壁上，堵塞氣路，這些雜物，是絕對不允許進入儀器的。

如氣樣中存在有毒氣體，則要考慮氣樣分析排放后的安全處理；或者，考慮不采樣，插入分析探頭或氣樣分析后回流入工藝管道等辦法。

由此可見，氣樣預(yù)處理，不可能是萬能的。所以，氣樣處理，十分重要，卻又十分困難。但為了實現(xiàn)分析目的，又必須努力去克服，事在人為，要想辦法克服困難。

除了氣樣處理，訊號處理也是“成套”中的重要內(nèi)容。它是該系統(tǒng)自身自動化水平的標志。通常包括氣路故障報警：如氣路堵塞、氣樣濕度過大等；氣路自動變換：如多路輪流取樣、反吹掃、稀釋、濃縮等程序控制；自動校零點、終點；自動排氣、排液；輸出訊號自動顯示、保持及轉(zhuǎn)換；上下限自動報警；大氣壓力變化自動補償；系統(tǒng)故障自診斷及顯示；成套系統(tǒng)溫度控制；成套系統(tǒng)自身防爆報警等。它們是用戶十分感興趣的內(nèi)容,也容易實現(xiàn)。

取樣是氣樣處理的第一步。在壓力，溫度，氣容量等都很正常的情況下，很簡單，裝一個取樣閥門，用管道接出來就行了。但往往取樣點的條件十分復(fù)雜，如高溫，負壓，高粉塵，高水份，等等。如煙道，各種爐子，不但條件差，況且腔體很大，為了樣品有代表性，還要求從中心點取樣，為此，就要用一個伸到內(nèi)部的取樣頭。

取樣頭，顧名思義就是取氣樣的一個探頭，為了除去粉塵，用一段金屬管加一個過濾器不就可以解決了嗎？事實并非簡單。記得1985冬，我們剛從德國培訓回來，國內(nèi)某水泥研究院來廠談項目。說起了他們已經(jīng)出口南亞某國的一套裝置，插入水泥窯的取樣頭用的是一根Φ30×2mm壁厚的鋼管，封堵軸向后，在徑向打了100個Φ1mm的小孔。這當然能取樣，但不能長久，因為水泥窯氣樣中的粉塵不光是大于Φ1mm的顆粒，更多的是微米級的小灰粉，要不了幾分鐘，就會堵塞管道，破壞儀器了。

所以，取樣頭是大有講究的，比如：為了氣樣有代表性，取樣點不能在腔室壁附近，最好要大于腔室直徑的1/3處，因此要有合適的插入長度；不同溫度下取樣管要用不同材質(zhì)，以免高溫下變形彎曲；正確選擇過濾器的材質(zhì)、密度及耐溫性能；選擇合適的安裝傾斜度；選擇過濾器的朝向及增加適當?shù)谋Ｗo裝置等等。這些措施，都是為了防堵，使取樣頭能長期工作。但是，不堵是不可能的，所以，必須在堵死之前，就要排堵，最簡單的方法就是定時反吹，但是，反吹也是很有講究的，如吹什么氣，怎么吹等等，總之，取樣頭十分重要，它是保證儀器正常工作的第一關(guān)口。

所以，一個重要的結(jié)論是：過程氣體分析儀器運行的好壞，不僅與儀器的設(shè)計和制造質(zhì)量有關(guān)，在更大程度上還取決于現(xiàn)場工況條件的優(yōu)劣，取決于完善、合理的氣樣處理。所以，取樣預(yù)處理系統(tǒng)是過程氣體分析儀器正常工作必不可少的組成部分，對儀器運行的正常與否起著決定性的作用。“成套”的重要性，就是針對現(xiàn)場條件，量身定制一套取樣予處理系統(tǒng)，使被分析氣樣符合儀器對氣樣的要求，從而使儀器正常工作。

應(yīng)該說，氣樣預(yù)處理，是氣體分析儀器應(yīng)用技術(shù)的的核心。但氣體分析儀器成套不僅僅是氣樣預(yù)處理。“成套”，既有“技術(shù)性”，也有“經(jīng)營性”，因此，一個完整的氣體分析儀器成套系統(tǒng)，應(yīng)包括下列內(nèi)容和工作程序：

一、技術(shù)協(xié)議。根據(jù)現(xiàn)場條件，雙方達成共識的書面文件，并作為合同的附件。

二、簽訂合同。

三、一份技術(shù)設(shè)計。根據(jù)技術(shù)協(xié)議，成套廠對該項目作出一份技術(shù)設(shè)計，內(nèi)容包括：

1.技術(shù)設(shè)計說明；

2.選用儀器清單(型號、規(guī)格、數(shù)量、廠商等)。測量各種氣體，可以選擇不同工作原理的儀器。比如測量氧，可用熱導(dǎo)，熱化學，磁性，電化學，激光等。選擇的依據(jù)要看量程范圍，氣樣組成(背景氣)，工況等原始條件，還要看性能與價格。成套廠可向用戶推薦、商討。認可后寫入技術(shù)協(xié)議。

3.每個分析點的氣路流程圖(即展示了氣樣預(yù)處理系統(tǒng))；

4.安裝示意圖(總圖和分柜圖，氣路端子圖，詳細到能指導(dǎo)現(xiàn)場安裝施工)；

5.電氣控制原理圖和接線圖(詳細到接線端子)；

6.標準氣清單(零點氣和終點氣；成份，氣瓶容量，數(shù)量)；

7.附件清單；

8.技術(shù)資料清單。

對于大型的、復(fù)雜的項目，技術(shù)設(shè)計完成后，應(yīng)請設(shè)計院，用戶及有關(guān)專家進行技術(shù)會審。集思廣益，使技術(shù)方案更加完善。

四、在成套廠內(nèi)進行裝配調(diào)試。即完成：1.儀器及各部件定位；2.成套系統(tǒng)內(nèi)的氣路、電路連接并提供從外部接入的氣路接管端子(尾氣外接)、電路接線端子；3.功能測試。

此時，用戶可派有關(guān)人員參加，以便熟悉系統(tǒng)，有利于將來使用維護。

結(jié)構(gòu)形式有安裝架或儀器柜，或者是分析小屋，這決定于用戶的選擇和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。比如，有些用戶喜歡架裝，它敞開，便于操作維護和觀察，價廉；但缺點是分散，零亂，不防灰。柜裝則整齊，美觀，利索，但維修時不及架裝方便。成本也較架裝高些。分析小屋一般用于大型項目，現(xiàn)場就地安裝，多臺儀器，還可包括空調(diào)，辦公桌椅等內(nèi)容。

調(diào)試內(nèi)容是“功能”測試：即通電、通氣后，檢查氣路、電路的正確性；氣路的密封性；應(yīng)有動作、位子的正確性；操作、維護的方便性等；同時必須用標準氣校對儀器零點和終點。各種動作正常，符合技術(shù)設(shè)計中規(guī)定的要求，即為合格。至于穩(wěn)定性，因為儀器和各配套組部件均為合格產(chǎn)品，有關(guān)制造廠已經(jīng)過出廠檢驗合格，故不再重復(fù)。現(xiàn)場投運后，可以驗正。

五、一份正確、完整、詳細的裝箱清單。有總裝箱單，分件裝箱單。每箱都必須有“三號”(即箱號，位號，內(nèi)裝儀器編號)，一目了然，正確無誤。附件和資料可分箱包裝，都要有詳細清單。

六、現(xiàn)場安裝。一般由用戶根據(jù)裝箱清單開箱驗收無誤后，按技術(shù)設(shè)計要求進行安裝。對于大型項目，可在合同中提出要求，屆時，用戶可邀成套廠來人一起開箱驗收，并由成套廠指導(dǎo)安裝。

“成套供貨”以后，現(xiàn)場安裝就變得十分簡單：1.要一個安放空間(運輸中，為安全，有些儀器要拆下來單獨包裝，故儀器要復(fù)位入柜)；2.接入氣樣管(一般用Φ6×1mm不銹鋼管，插入氣路端子上統(tǒng)一規(guī)格的接頭后，扳緊即可)；3.接出尾氣排放管；4.連接標準氣管；5.接入電源(有些項目還要求同時供不停電電源)；6.接出信號線(4～20mA，無源)。完事了！可以投運了！就這么簡單。對于用取樣頭的項目，安裝比較復(fù)雜，如開孔，傾角，管道走向，是否保溫，相應(yīng)措施等。若氣樣中有有毒氣體，則有專門設(shè)計和相應(yīng)措施，必須按技術(shù)設(shè)計中的要求去做，不能馬虎。

順便說說：在氣體分析儀器單機買賣的年代，儀器都是由安裝公司或用戶自己安裝的，產(chǎn)品的各個生產(chǎn)廠家也許在產(chǎn)品上也帶了一些氣樣預(yù)處理部件，但不一定適合現(xiàn)場條件，而安裝部門則不可能考慮氣樣預(yù)處理。各廠的儀器在結(jié)構(gòu)上也各自為政：如氣樣管道粗細、接頭形式規(guī)格尺寸；連接螺釘螺母規(guī)格；電源、信號線插頭、插座等都各不相同。到了現(xiàn)場安裝時，困難重重。結(jié)果是，弄上去就算完事。因為不是專業(yè)，會留下不少后患，如堵、漏等經(jīng)常發(fā)生。我們就在現(xiàn)場見到過，用幾米甚至幾十米長的橡膠管套在微量氧分析儀器的進氣接頭上，氣樣是引入了，可要知道，空氣中有21%的氧，與氣樣中10-6級的氧分壓相差如此之大，橡膠管的密度小，會導(dǎo)致嚴重滲透(不是漏)，儀器當然無法正常工作了。所以，在此認真提醒：凡是測量微量氧、微量氮、微量水這些成份時，因為環(huán)境中大量存在這些物質(zhì)，任何疏忽，都會帶來無法予料的后果。

七、現(xiàn)場調(diào)試投運。待現(xiàn)場正式開工時，成套廠派員到現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，與用戶的使用、維護人員一起調(diào)試投運。由于先期已做了大量工作，所以一般都是十分順利的。可以達到方便、準確，開表率100%。

八、技術(shù)培訓。成套廠廠內(nèi)裝配調(diào)試時，一般用戶已派員來廠實踐過，但人員有限。技術(shù)服務(wù)到現(xiàn)場，可以有更多人員參加。用戶可組織有關(guān)人員聽取講課，操作示范，接受技術(shù)培訓。目的是讓用戶有更多的人員掌握技術(shù)，用好儀器。成套廠是樂意為之的。

九、現(xiàn)場投運驗收報告。由成套廠根據(jù)現(xiàn)場投運情況，實事求是寫出報告，并由用戶認可后簽字。驗收報告后，項目告一段落，但并不是結(jié)束：用戶精心使用，認真維護，有情況及時反饋；成套廠則定時訪問，收集意見，做好服務(wù)工作；并要保證備品備件的及時供應(yīng)。

還有一種做法可以推廣，那就是雙方簽訂維護保養(yǎng)合同，用戶花一點費用，經(jīng)濟上合情合理，成套廠每年一次或幾次，到現(xiàn)場對系統(tǒng)進行全面檢查，“治未病”；而當質(zhì)保期內(nèi)發(fā)生故障時，則可隨叫隨到。

十、成套廠設(shè)立項目檔案，歸檔。

這就是一個成套項目的全過程。

成套，為氣體分析儀器的應(yīng)用拓寬了市場，在氣體分析儀器發(fā)展的道路上，無疑是重要的一步。

記得1972年參加機械部儀表局組織的國內(nèi)氣體分析儀器使用情況調(diào)查，20多人，分6組，全國6大區(qū)，近20天，最后回到北京匯總，結(jié)論是氣體分析儀器開表率大多低于15 %。今天的使用情況，雖然沒有詳細的調(diào)查資料，但氣體分析儀器確實已普遍使用了，很多生產(chǎn)流程中，開表率都能達到100 %。儀器分析已替代了手工分析。這說明，氣體分析儀器的設(shè)計和制造質(zhì)量提高了，但更重要的因素應(yīng)該是氣體分析儀器的成套應(yīng)用。

記得上世紀80年代以前，氣體分析儀器都是單機訂貨的，而到了90年代，各大設(shè)計院在項目設(shè)計書中，在氣體分析儀器匯總清單的備注欄內(nèi)，都明確寫上了“成套訂貨”，這說明，氣體分析儀器成套已得到了認可。

川儀九廠氣體分析儀器成套部已經(jīng)走過30多年了，這30年，開拓創(chuàng)新；這30年，飛速發(fā)展；這30年，茁壯成長；這30年，培養(yǎng)了一批人才；這30年，創(chuàng)出了一條新路。但這30年，還是剛剛起步，因為技術(shù)發(fā)展，永無止境，任重道遠。愿川儀九廠再接再勵，在實踐中奮發(fā)圖強，與時俱進，為分析儀器行業(yè)，為祖國的自動化工業(yè)，作出新貢獻。