在線分析儀表的應用與管理

陳瑜 劉玉均

摘 ?要：工業在線分析儀通常是指在化工生產過程中對某一物質的組分及物理（化學）性質進行測取的儀表。在現在的化工生產過程中，根據測取某工段物質的成分及性質（如氧含量、酸堿度、電導率等），從而通過自動或人為地去控制生產過程，以達到安全生產、提高產量、降低成本、保證產品品質、保護環境、節能減排的目的。該文通過分類、原理、應用及管理等相關內容對分析儀表進行闡述與分析，以供相關專業人士參考。

關鍵詞：在線分析儀表 ?分類 ?原理 ?應用 ?管理

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

在石油、化工、制藥等的生產過程中，除了需要測取溫度、壓力、物位、流量等參數來控制生產過程，保證產品產量與質量外，還需要及時了解產品的組分含量、濃度等參數，這就需要用到分析儀表來測取相關參數。該文主要針對常規在線分析儀表進行以下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過程中更好地發揮其作用，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）生產過程監控。此種分析儀主要用于測量設備或管道內的物料組分，保證生產過程的正常運行，提高產品質量和產量。

（2）裝置和人身安全檢測。此種分析儀主要用于測量環境氣體中可燃氣體或毒性氣體濃度，當這種有害氣體達到危險極限時報警，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、工業色譜儀、工業質譜儀、磁導式分析儀、熱導式分析儀、電化學式分析儀和光電式分析儀等。

1.2 常規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遠小于氧的磁化率，磁氧分析儀便是一種基于此物理現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雜的，因而我們一般采取間接的方法來測取，即根據氧的熱磁現象（隨溫度的升高而磁化率減小），再通過傳感器把電信號送給變送器，然后經變送器輸出標準信號給顯示儀表或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：當待分析的樣氣通過氧化鋯管進入傳感器的內側，參比氣體（空氣）通過自然對流進入傳感器的外側，當鋯管內外側的氧含量不同時，在氧化鋯管內外側產生氧濃差電勢，該氧濃差電勢經顯示儀表轉化成與被測煙氣含氧量呈線性關系的標準信號，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象制造而成的。即當氧氣連續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，然后依據吸收物質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 熱導式氣體分析儀

工業上一般都是采用間接的辦法來測取樣品的濃度，因為氣體的熱傳導系數很小，其變化量更小。當待測樣品氣體的濃度發生變化時，將引起熱傳導系數的變化，通過熱導池，轉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式氣體分析儀。熱導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。當流體密度增大時，則振動頻率減小。反之，當流體的密度減小時，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，還與氫離子在溶液里的濃度有關。電動勢（原電池）和濃度（氫離子）之間存在對應關系，即pH值等于氫離子濃度的負對數（pH=-lg[c（H+）]。然后通過變送器把不標準的電流信號轉換為標準電流信號傳送給顯示儀表或DCS。

1.2.7 工業電導儀

工業電導儀是基于電解質分子在溶液中離解秤正負離子，以及溶液的導電力與離子的有效濃度成正比的原理進行測量。

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的物理或化學性質，氣體檢測報警儀就是借助于氣體的這些性質，應用光電技術把它變成可以被傳感器處理、放大、傳輸的電信號。

可燃氣體報警儀用氣敏電阻作為測量元件。當空氣中有可燃氣體時，氣敏元件電阻變化，造成電橋失去平衡，電橋輸出電信號，反映可燃氣體的濃度。

2 ?在線分析儀表的應用及采樣系統

2.1 常規在線分析儀表的應用

（1）氧化鋯分析廣泛應用于對各種窯爐煙氣中氧含量的連續監測。依據氧化鋯測取的參數，我們可以更好地調節空氣燃料比，以使燃料充分燃燒、降低成本，提高工藝穩定性，減少對環境的污染。

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

（2）紅外線氣體分析儀適用于化工、水泥、冶金、電廠等不同領域;根據我們對不同濃度、不同測量范圍、不同氣體等要求，而選取符合相應要求的分析儀以達到高精度、高穩定、高實效性連續監測和記錄的要求。

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進行維護;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，應在通入樣氣前除油和濾除雜質;正常使用時，機箱后面出口管線嚴禁堵塞等。

（3）熱導式氣體分析儀是測量（熱導率相差甚大的）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;氯氣生產流程中C12中H2的測量;碳氫化合物氣體中H2含量測量;氫冷發電機組中H2、CO2含量的監測等。

熱導式分析儀注意事項：分析儀器必須預熱一段時間至熱穩定;在實際應用中需要校正標準氣中的背景氣體與被分析氣體的背景氣體熱導率一致;標準氣與被分析氣體的流速要一致;在標定校準時，需要多點校準等。目前的熱導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計廣泛應用于實驗室、工業生產、農業、環保等領域。工業生產過程中采用pH計測取相應的參數以便能更好地控制物料化學反應，進而提高生產效率、保證產品質量、降低生產成本、確保生產安全。

為了保證pH計的測量準確，使用中需注意以下問題：在測量前必須浸泡、校準;取下保護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、燃氣、制藥、市政、污水處理等領域得到廣泛的應用，同時也滿足了測量氣體種類多樣化的要求，已成為工業安全生產及環境保護中必不可少的防護設備。

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;經常性的校準、標定和檢測等。

2.2 樣品預處理系統

在化工生產過程中安裝好了的分析儀表能否提供準確、及時的數據，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設計的好壞。過程分析系統與其他工業測量系統的一個差別在于分析系統一般都需要一套完整的處理樣品的系統。樣品處理系統包括試樣的提取、試樣的傳送、試樣的預處理和試樣的排放等。

2.2.1 試樣的提取

從生產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據的及時性;取樣點盡量選在清潔、干燥、溫度、壓力合適的地方，這樣可以減少對預處理系統的要求;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，應采用伴熱保溫措施，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;輸送系統不能泄露;輸送線管應有一個坡度;試樣的傳送線管應盡量選取φ6的管徑，以使得流速在相同的設計要求下變得更快。總之選擇最合適的樣品輸送系統以保傳輸的實效性。

2.2.3 試樣的預處理

樣品的預處理是對試樣進行干燥、降溫、過濾等綜合處理，以便提供符合分析儀技術要求的合格樣品。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;為了穩定輸送試樣的流速、壓力需要穩壓調節裝置等。這些部件與輸送系統一樣，不能泄露，不能因預處理過程而改變樣品的組分。

2.2.4 試樣的排放

應根據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盡量讓其回流至工藝，如沒有回流點的情況下應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行工作，不但測量范圍、精度等級、響應時間、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。并且分析儀在生產使用過程中也會出現各種未知問題，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計、選型、采購、安裝等的管理，為保證儀表能夠長期、平穩的運行，必須重視分析儀投運前的管理。

（2）主管分析儀的部門應負責新建或技改項目中分析儀的設計審核，對分析儀的選型工作把好技術關，確保所采購的分析儀表安全可靠、技術先進、經濟耐用。在設計和選型時應符合儀表選型設計的相關規范，對不符合規范的應重新設計選型。相關設計規范如：《石油化工自動化儀表選型設計規范》（SH/T 3005—2016）。

（3）所采購的分析儀應確保品牌、質量過硬，并運行穩定，在符合設計選型要求下使之性價比最高。

（4）按要求規范設計、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計要求及施工技術規程進行并且便于維修，相關設計規范如：《石油化工儀表工程施工技術規程》（SH/T 3521-2013）。取樣點應選在不易堵塞、壓力穩定、反映靈敏、具有代表性且便于維修的地方。傳輸線管應有一定的坡度。安置分析儀的小屋設計也應符合設計要求和規范，如：《石油化工控制室和自動分析器室設計規范》（SH3006—1999）。

3.2 加強設備日常維護與校驗管理

（1）定期檢查在線分析儀表（包括運行狀況、樣品處理系統、分析小屋環境、安全設施等），確保達到在線分析儀表使用條件、技術要求等，如發現儀表數據異常或儀表故障時，儀表維護人員應及時通知工藝并進行處理，恢復正常后應對該異常或故障的現象、原因及時做好記錄并注明處理方法以供后續參考。

（2）大修期間要對在線分析儀表系統進行全面、徹底的清潔工作。

（3）定期校準在線分析儀表，確保分析結果準確無誤。在線分析儀表的校準應根據相關規程及相應分析儀表說明書中的要求進行。在線分析儀表校驗時所采用的標準樣品及標準氣應符合相關規程要求。校準結束后，應及時填寫校驗紀錄并存檔。

4 ?結語

隨著生產過程對先進控制要求的不斷提高，在線分析儀表越來越廣泛地應用于各個生產環節中，它及時、準確地提供分析數據為穩定生產、優化生產作業、提高產品質量、環保監測起到了不可替代的作用。該文就常規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中的應用與管理提供一定的參考價值。

參考文獻

[1] 任麗靜.化工自動化控制儀表作業[M].徐州：中國礦業大學出版社，2013.

[2] 中國石油化工集團公司，中國石油化工股份有限公司.石油化工設備維護檢修規程 第七冊[M].北京：中國石化出版社，2004.

[3] 王松漢.石油化工設計手冊（第四卷）[M].北京：化學工業出版社，2001.