如何使用調壓閥來減少分析系統中的延時
現場工程主管 Mike Strobel
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。
在分析取樣系統中，延時定義為新樣品行進到分析儀所需的時間。一篇單獨的博客文章解釋了時間延遲的原因以及如何高水平地縮短延時的技巧。但在這篇文章中，我們將重點介紹如何使用調壓閥控制時間延遲。調壓閥可控制壓力，而分析系統中的壓力與時間密切相關。在流量受控的氣體系統中，壓力越低，延時越短。
探索取樣系統培訓機會
分析儀器系統的任何主要部分都可能發生延時，包括工藝管路、取樣口和探針、現場工作站、輸送管路、樣品調整系統、樣流切換系統和分析儀。下圖是典型工藝分析儀取樣系統的示例。
延時是累積性的。延時包括流體從被監測的工藝到分析儀所需的總時間。您可以在此處了解有關如何測量時間延遲的更多信息。現在，我們將重點考慮現場工作站和調壓閥在減少延時方面發揮的重要作用。
到現場工作站之前
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。
大多數分析儀表系統內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。
在現場工作站
在工藝分析儀需要液體樣品的情況下，現場工作站中不使用調壓閥。最好把液體保持在高壓力以避免產生氣泡。對于氣體樣品，可使用現場工作站減小輸送管路或快速回路內的壓力。
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。現場工作站應盡可能靠近取樣口。降壓的時間越早越好。我們看看現場工作站中可能適用的三種調壓閥應用。調壓閥在每種應用中的配置都略有不同。
探究預設計分析子系統的益處
調壓閥應用 #1
在第一種應用中，目標是降低氣壓。壓降不會產生冷凝。因此，可以使用簡單的減壓型調壓閥。減壓型調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。在大多數分析調壓閥中，調壓閥上的手柄允許操作員通過壓縮或松開,驅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，活塞式調壓閥可能更合適。
調壓閥應用 #2
在第二種調壓閥應用中，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，從而可能凍結調壓閥。由于焦耳-湯姆遜效應，可能需要加熱調壓閥來保持氣體溫度高于露點。加熱調壓閥是一種系統流體流經加熱元件的減壓型調壓閥。加熱棒是需要的。
您可以計算加熱棒所需的能量（或瓦數），以便在合理的功率范圍內指定加熱筒。每種氣體都有一個焦耳-湯姆遜系數，可將此系數與壓降和流速一起帶入公式中，以計算所需的功率。
調壓閥應用 #3
在第三種調壓閥應用中，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，應使用汽化調壓閥。選擇汽化調壓閥可能是一件具有挑戰力的事情，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。汽化調壓閥的目標是立即將整個樣品蒸發為氣體，以確保蒸發的樣品代表液體工藝。
使用汽化調壓閥時，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，液體將經調壓閥流向分析儀。如果汽化器溫度過高，則上游液體樣品將被汽化。您可以在此處了解有關在取樣系統中管理汽化的更多信息。
最后，一定要正確設置汽化調壓閥，以免造成較長的延時。當液體轉變為氣體時，體積將劇烈膨脹。增加量取決于液體的分子重量。一般，調壓閥后蒸氣流量測值將是汽化調壓閥前液體流量的 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壓閥。不過，這個時間還必須加上探頭內的延時。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壓閥的慢速液體量。
做出正確的調壓閥選擇減少延遲
調壓閥是解決分析系統中延時的重要工具。氣體系統中的壓力越低，響應時間就越快。一般而言，氣體系統壓力越早降低越好。在液體蒸發的情況下，請考慮使用液體快速回路以保持汽化調壓閥之前的液體流動。現場工作站是復雜的分析儀器系統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，必須仔細研究系統中所有可能的延遲原因。
如果您的分析系統出現難以處理的延時問題，除了遵循上述有關調壓閥選擇的建議之外，您還可以從多個其他地方尋求幫助。我們提供多門由取樣專家教授的取樣系統培訓課程，我們提供根據優秀實踐設計的預設計分析子系統，我們的現場工程團隊也可以到現場幫助您確定并排除分析系統的問題。要了解更多信息或開始有關減少分析系統延遲的對話，請單擊下面的按鈕。