如何使用調(diào)壓閥來減少分析系統(tǒng)中的延時？

工藝測量是即時的，但分析儀響應卻不可能是即時的。從取樣口到分析儀始終存在延時。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，延時定義為新樣品行進到分析儀所需的時間。

時間延遲的原因？如何縮短延時？

樣品系統(tǒng)內(nèi)的延時是導致工藝分析儀結(jié)果不正確的常見原因。工藝測量是即時的，而分析儀響應則不然。從取樣口到分析儀，始終存在延時。如下圖所示，分析儀表 (AI) 系統(tǒng)的以下部分可能存在延時：工藝管路、取樣口和探頭、野外站、輸送管路、樣品調(diào)整系統(tǒng)、流切換系統(tǒng)及分析儀。

重要的是要了解延時是累積性的。時延包括流體從工藝管路到分析儀所用的總時間，其中包括最終分析所需的時間。例如，假設氣相色譜儀分析樣品需要用五分鐘時間，那么，就必須在樣品調(diào)整系統(tǒng)時延和流切換系統(tǒng)延時以及輸送管路、現(xiàn)場站、取樣口和探頭的延時基礎上加上這五分鐘。然后，在上述時間的基礎上還必須加上從流體被監(jiān)測的工藝裝置行進到取樣口所需的時間。這才是從被監(jiān)測的工藝裝置到計算的分析儀所需的總時間。

遺憾的是，這段延時往往被低估，或者未被計算在內(nèi)或誤解。在許多情況下，分析儀專家和技術(shù)員往往忽視這種延時，而將注意力集中在如何讓樣品適合分析儀上。分析儀專家可能假設分析測量是即時的。然而，取樣系統(tǒng)通常無法達到一分鐘響應時間的行業(yè)標準，從而為延時創(chuàng)造了充足的機會。即使對于長周期時間，也應當盡量縮短延時。不過，超出行業(yè)標準的延時也未必帶來問題。工藝工程師必須根據(jù)工藝動態(tài)確定可接受的延時。

當延時超出系統(tǒng)設計師的預期時間時就會成為問題。時延估算不準或假設錯誤會導致工藝控制不良。了解延時的原因并學習在合理的誤差范圍內(nèi)計算或估算時延可以減少時延并提高整體系統(tǒng)響應能力。

合理布置工藝管路、取樣口、快速回路和輸送管路，高效實現(xiàn)

為降低時延，通常情況下應該將取樣口放在靠近分析儀的位置，盡管這并非始終可行。取樣口應位于桶、罐、死角、滯流管路、冗余設備、陳舊設備（應淘汰此類設備以改善流動性）等延時源的上游。  在某些情況下，由于先前提及的因素，無法在工藝分析儀附近取樣口位置。如果取樣口與分析儀之間的距離較遠，建議使用快速回路以提高流體輸送到分析儀的速度。如果設計合理，快速回路中的流速會比通過分析儀管路的流速快得多。

減小壓力以降低時延

對于氣體樣品，可使用現(xiàn)場工作站減小輸送管路或快速回路中的壓力。在相同的流速下，輸送管路中的延時與絕對壓力的減小成正比地降低。壓力減小一半時，延時隨之降低一半?，F(xiàn)場工作站應盡可能靠近取樣口。降壓的時間越早越好。

而對于液體樣品，不宜采用調(diào)節(jié)的現(xiàn)場工作站。應該將液體保持在高壓力下以避免形成氣泡。當液體樣品需轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w后再進行分析時，可以在現(xiàn)場工作站使用汽化調(diào)壓閥。然而，這將導致相當長的時延。當液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時，體積將劇烈膨脹。膨脹率取決于液體的分子重量。

一般，調(diào)壓閥后蒸氣流量測值將是汽化調(diào)壓閥前液體流量的 >300 倍。例如，當蒸氣流量為 500 cm3/min 時，液體流量可能低于 2 cm3/min。因此，液體需要 25 分鐘才能流過 10 英尺四分之一英寸的卡套管。為了縮短這段時間，我們必須減小調(diào)壓閥前的卡套管容積。例如，使用長度僅為一英尺八分之一英寸的卡套管時，液體只需 30 秒時間就能夠到達調(diào)壓閥。  不過，這個時間還必須加上探頭內(nèi)的延時。探頭越細，響應越快。.

獲得更快響應的另一種方法是將汽化調(diào)壓閥安裝在盡可能靠近分析儀的位置。將調(diào)壓閥安裝在快速回路過濾器之后，同時使用另一個液體快速回路，以確保汽化調(diào)壓閥之前的正向流動。這種設計的目的是盡可能地減少抵達調(diào)壓閥的慢速液體量。

樣流切換

為了盡可能地避免延時，樣流切換組件必須快速運行，并且在將新流輸送到分析儀的同時快速沖洗干凈舊樣品。 雙關(guān)斷雙排放 (DBB) 閥構(gòu)造目前采用傳統(tǒng)元件或小型模塊式設計，能夠提供死角小且無閥門泄漏造成的交叉流污染的樣流切換。 

傳統(tǒng)的 DBB 采用串聯(lián)式 DBB 構(gòu)造，如下圖所示。串聯(lián)式 DBB 通過使用第二個截止閥而非 T 形連接件來消除死角。

采用 DBB 串聯(lián)構(gòu)造時，需要考慮流路問題，因為此構(gòu)造可能導致壓力降和流速變慢?？梢酝ㄟ^查閱產(chǎn)品的 Cv（流阻指標）來估算壓力降。Cv 越低，壓力降越大，從而導致流速降低。

在 DBB 串聯(lián)構(gòu)造中，主樣流（樣流 1）不會導致過大的壓力降，但是樣流 2、樣流 3 等則會導致越來越大的壓力降和越來越長的流道，從而使得抵達出口的行程時間逐漸延長。結(jié)果造成不同流的抵達時間不同，因此難以為所有流設定統(tǒng)一的沖洗時間。

采用一體式流動回路的 DBB 構(gòu)造（如下圖所示）具有 DBB 串聯(lián)構(gòu)造的所有優(yōu)勢，同時又能夠確保所有樣流的壓降較小且始終穩(wěn)定。各樣流的 Cv 以及得益于此的各樣流抵達時間均是相同的。請注意，Cv 為 0.3 的元件產(chǎn)生的壓降是 Cv 為 0.1 的元件的三分之一。

樣品調(diào)整系統(tǒng)

樣品調(diào)整系統(tǒng)通過過濾樣品以確保樣品處于正確的相并調(diào)整其壓力、流量和溫度，以制備供分析之用的樣品。為了在較小的空間限制下做到這些，本系統(tǒng)采用了許多相對較小的元件，包括壓力表、調(diào)壓閥、變截面流量計、流量控制器、單向閥、控制閥、球閥等。通常，小型模塊式元件也可應用于狹窄空間的緊湊型解決方案。頂部安裝式元件是根據(jù)全新取樣/傳感器計劃 (NeSSI) 而遵循 ANSI/ISA 76.00.02 標準所制造的。與流切換閥一樣，內(nèi)部容積還不及壓力降重要。在選擇元件時，應比較制造商提供的 Cv。

樣品調(diào)整系統(tǒng)使用的過濾器、汽液分離罐、凝聚過濾器等其它元件可能會使進入的新樣品與舊樣品混合，因此也會導致顯著的延時。通過沖洗干凈過濾器或脫離罐來改善延時，以便清除 95% 的舊樣品。遺憾的是，這需要三倍于元件的容積進行沖洗。它假定前提是入口與出口相鄰，如下圖所示。

請考慮一個其入口和出口設計如圖所示的過濾器。如果流速為 100 cm3/min 且過濾器容積為 100 cm3，則需要三分鐘才能確保沖洗掉 95% 的舊樣品。因此，為了確保樣品準確，在計算這種 AI 系統(tǒng)的延時必須加上三分鐘。這些計算公式也適用于工藝管路內(nèi)的混合容積。

分析儀

通常，氣相色譜儀需要 5 到 10 分鐘的時間來分析樣品。紅外線和紫外線分析儀的速度則快得多，在數(shù)秒內(nèi)就能完成分析。分析儀專家、技術(shù)人員或工程師必須了解分析儀處理樣品所需的時間。  必須在上文所述的從取樣口到分析儀的總延時估算值的基礎上加上這段時間。

使用所述工具計算出的總延時應該是一個處于合理誤差范圍內(nèi)的估算值。請記住，重要的是從被監(jiān)測工藝到分析儀所需的總時間，構(gòu)成這一延遲的所有元件都必須加和到這個總時間內(nèi)。

如何使用調(diào)壓閥控制時間延遲？

調(diào)壓閥可控制壓力，而分析系統(tǒng)中的壓力與時間密切相關(guān)。在流量受控的氣體系統(tǒng)中，壓力越低，延時越短。

分析儀器系統(tǒng)的任何主要部分都可能發(fā)生延時，包括工藝管路、取樣口和探針、現(xiàn)場工作站、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。

延時是累積性的。延時包括流體從被監(jiān)測的工藝到分析儀所需的總時間。現(xiàn)在，我們將重點考慮現(xiàn)場工作站和調(diào)壓閥在減少延時方面發(fā)揮的重要作用。

到現(xiàn)場工作站之前

若要盡可能地縮短延時，應從取樣口位置著手。應當將取樣口放置在盡可能靠近工藝分析儀的位置，而且還應位于桶、罐、死角、滯流管路或者冗余或陳舊設備等工藝延時源的上游。

當取樣液體時，取樣口處的壓力應足以使樣品能夠在不使用泵的情況下，流過輸送管路或快速回路，泵不僅是一種昂貴的元件，而且還帶來了額外的性能變化。

許多情況下，您可能無法取樣口位置。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。當取樣口與分析儀之間的距離較大時，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)都存在的另一個延時源是探頭。探頭的容積越大，延時就越嚴重。探頭的長度和寬度都將影響容積。若您想要盡可能地降低延時，請選擇低容積的探頭。

在現(xiàn)場工作站

在工藝分析儀需要液體樣品的情況下，現(xiàn)場工作站中不使用調(diào)壓閥。最好把液體保持在高壓力以避免產(chǎn)生氣泡。對于氣體樣品，可使用現(xiàn)場工作站減小輸送管路或快速回路內(nèi)的壓力。

延時的縮短幅度與絕對壓力的降低幅度成正比。壓力降低一半時，延時將縮短一半?，F(xiàn)場工作站應盡可能靠近取樣口。降壓的時間越早越好。我們看看現(xiàn)場工作站中可能適用的三種調(diào)壓閥應用。調(diào)壓閥在每種應用中的配置都略有不同。

調(diào)壓閥應用 #1

在第一種應用中，目標是降低氣壓。壓降不會產(chǎn)生冷凝。因此，可以使用簡單的減壓型調(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）響應于下游壓力而移動，從而允許控制元件（通常為錐形提升閥）改變氣體通過的孔口流動面積。當傳感元件響應于較高壓力而被向上推動時，控制元件移動靠近調(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，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壓縮或松開,驅(qū)動傳感元件相對于出口壓力而運動的固定彈簧來設定出口壓力。

金屬隔膜特別適用于進口壓力不會急劇變化或看重化學兼容性的應用。然而，在壓力可能不一致或激增的應用中，活塞式調(diào)壓閥可能更合適。

調(diào)壓閥應用 #2

在第二種調(diào)壓閥應用中，預計壓降會導致冷凝。在壓力降低的情況下，幾乎所有氣體都會損失能量（這被稱為焦耳湯姆遜效應），從而導致冷卻。如果氣體接近其露點，則這種冷卻會導致冷凝。在某些情況下，熱損失可能大到足以導致冷凝，從而可能凍結(jié)調(diào)壓閥。由于焦耳-湯姆遜效應，可能需要加熱調(diào)壓閥來保持氣體溫度高于露點。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)加熱筒。每種氣體都有一個焦耳-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，以計算所需的功率。

調(diào)壓閥應用 #3

在第三種調(diào)壓閥應用中，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)壓閥的目標是立即將整個樣品蒸發(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，必須密切注意溫度和蒸氣流量。如果流量過大，則樣品將僅部分氣化，液體將經(jīng)調(diào)壓閥流向分析儀。如果汽化器溫度過高，則上游液體樣品將被汽化。

最后，一定要正確設置汽化調(diào)壓閥，以免造成較長的延時。當液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時，體積將劇烈膨脹。增加量取決于液體的分子重量。一般，調(diào)壓閥后蒸氣流量測值將是汽化調(diào)壓閥前液體流量的 300 倍。

例如，當蒸氣流量為 600 cm3/分鐘時，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 分鐘才能流過一段 3 米（約 10 英尺）的 6 mm (1/4 in.) 卡套管。為了縮短這段時間，我們必須減小調(diào)壓閥前的卡套管容積。例如，使用長度僅為 30.5 cm（1 英尺）的 3.2 mm（1/8 英寸）卡套管時，液體只需 30 秒時間就能夠到達調(diào)壓閥。不過，這個時間還必須加上探頭內(nèi)的延時。探頭越細，響應越快。

可用于加快響應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濾器后面，同時使用另一個液體慢速旁通回路，以確保汽化調(diào)壓閥之前良好的液體流動。這種設計的目的是盡可能地減少抵達蒸氣調(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)中延時的重要工具。氣體系統(tǒng)中的壓力越低，響應時間就越快。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?，F(xiàn)場工作站是復雜的分析儀器系統(tǒng)中可以顯著降低延時的位置之一，但延時方法必須始終是全面的。為降低延時，必須仔細研究系統(tǒng)中所有可能的延遲原因。