现场加热的过程探针的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]工业加工产业主要依赖包括一个或多个燃烧处理的能量源。这些燃烧处理包括运行火炉或锅炉以从燃烧中产生能量,这些能量随后被用于处理。虽然燃烧提供了相对低成本的能量,然而它的使用通常受到规制,并且总是力图最大化燃烧效率。因此,过程管理产业的一个目标是通过最大化现有的火炉和锅炉的燃烧效率来降低被燃烧的燃料的消耗,这本质上也最小化了温室气体的产生。
[0002]现场的或过程中的分析仪常常被用于监测、优化和/或控制燃烧过程。通常,这些分析仪采用被加热至相对高的温度并且直接在火炉或锅炉的燃烧区域上面或附近工作的传感器。现有的分析仪,例如可从俄亥俄州梭伦市的Rosemount Analytical公司(艾默生过程管理公司)购买的商品名称为Oxymitter或6888型02燃烧烟气变送器的产品,通常采用被加热至高于约736°摄氏度(1300°华氏度)温度的氧化锆传感器变送器。如果燃烧过程要经受熄火的环境,原燃料和空气将暴露于该传感器,由于它的高温,该传感器将成为引发爆炸可能的点火源。
[0003]一些过程分析仪被许可或官方认证用于危险区域的操作。这些认证包括由加拿大标准协会(CSA)、美国工厂互保研宄中心(Factory Mutual、FM)、ATEX等等提供的官方认证。通常地,被认证的用于危险区域的分析仪包括阻焰器,其被加到扩散器上期望扑灭或者抑制在加热的测量单元前面可能发生的爆炸,由此阻止了锅炉或燃烧区域内更大的燃料量被点燃。在过去,这些阻焰器已经经过检测和认证。然而,人们相信能够改进这种阻焰器。此外,阻焰器的使用可能在某种程度上阻碍进入测量单元,由此增加了测量延迟。无论如何,阻焰器的使用增加了系统的成本和复杂性。
[0004]一些现有的过程分析仪使用火焰探测器,以检测熄火并快速地和自动地停止燃料和/或空气流。此外,已经尝试基于熄火的检测自动在测量单元和烟道之间自动形成气体缓冲。虽然这些系统是有效的,但是他们增加了额外的硬件和复杂性,由此增加了系统成本。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种过程燃烧变送器。该变送器包括过程探针,所述过程探针可伸入过程燃烧排气流中。所述过程探针具有工作温度在过程燃烧燃料的闪点之上的测量单元。所述过程探针包括加热器,所述加热器被配置为将所述测量单元加热至工作温度。电子电路连接至所述测量单元和所述加热器。所述电子电路被配置为一旦过程燃烧热量足以将所述测量单元保持在工作温度时切断所述加热器的电源,并且之后将所述加热器保持在断电状态。
【附图说明】
[0006]图1为应用本发明的实施例尤其有用的现场燃烧过程分析仪的图解视图。
[0007]图2为根据本发明的实施例的过程分析氧变送器的图解分解视图。
[0008]图3为根据本发明的实施例的现场燃烧过程分析仪的图解视图。
[0009]图4为操作根据本发明的实施例的现场过程分析氧变送器的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0010]图1为应用本发明的实施例尤其有用的现场过程燃烧分析仪的图解视图。变送器10可以为包括上面列出的6888型02燃烧烟气变送器的任何合适的分析仪。变送器10包括探针组件12,其布置在烟囱或烟道14内,并且测量与在燃烧器16处发生的燃烧相关的至少一个参数。通常地,变送器10为氧变送器,然而变送器10也可是测量与燃烧过程相关的任何合适的参数的任何装置。燃烧器16可操作地耦接至空气或氧气源18和可燃燃料源20。每个源18和20优选地通过某种阀耦接至燃烧器,以将受控量的氧气和/或燃料传递至燃烧器16,以控制燃烧过程。变送器10测量在燃烧排气流中氧的含量,并且给燃烧控制器22提供氧气水平指示。控制器22控制一个或两个阀24、26,以提供闭环燃烧控制。变送器10包括氧传感器,其通常采用氧化锆传感器基板,以提供指示排气中的氧浓度、含量或百分比的电信号。氧化锆传感器在约700°摄氏度的温度下工作,并且变送器10包括在探针组件12内的电加热器,该电加热器可操作地连接至交流(AC)电源29。AC电源29可以为110或220V的AC电源,其为探针组件12内的一个或多个电加热元件提供电能,以将氧化锆传感器基板加热至合适的温度。
[0011]正如可以领会的,如果燃烧器16经受熄火的环境,原料燃料和空气可能继续分别从源20、18流出,这些材料会接触热的氧化锆传感器,这将可能提供不期望的点火源。为了应对熄火的情况,现有技术的方法通常包括火焰探测器28,其被布置为提供指示在燃烧器16处存在火焰30的信号。已经提供的该火焰探测器信号实现对熄火情况做出合适的响应。在过去,火焰探测器信号被用于关闭燃料阀和/或切断给分析仪的电源,由此断开给探针组件12内的加热器供电。在许多情况下,切断电源允许氧化锆传感器快速冷却至低于燃料燃点的温度,由此形成安全环境。
[0012]图2为根据本发明的实施例的现场过程燃烧分析仪的图解视图。探针组件12通常被配置为容纳包括邻近测量单元36布置的扩散器32的传感器核心组件。如上所述,测量单元36可在被升高的温度下操作,并且该升高的温度由电加热器组件38在启动期间提供。测量单元36和加热器组件38被电连接至变送器10的电子电路上。电子电路承载在壳体44的电路板42上。此外,温度传感器46也连接至板42上的电子电路。温度传感器46提供探针组件12的温度指示给电路。在一个实施例中,温度传感器46与布置在加热器组件38内或附近在通电过程中用于加热器38的热控制的温度传感器分开并且是该温度传感器以外的额外的温度传感器。以这种方式,温度传感器46能够提供过程热量的指示,该指示较少受到热组件38产生的热量影响。根据本发明的实施例,电子电路被配置为通过硬件、软件或它们的组合以确定如温度传感器46指示的探针组件12的温度是否已经达到加热器的关闭阀值,并且当达到该阀值时,将加热器电源锁定于或置于关闭状态,直至电子电路接收到复位信号。这样,过程热变成测量单元36的唯一的升温源。如果过程燃烧应该经受熄火的环境,火焰的减少将快速地允许测量单元36冷却,使得它不会成为未燃烧的燃料的不期望的点火源。这种被动保护特征能够在技术上和/或经济上不能使用火焰探测器的条件下提供加强的熄火的保护。此外,虽然本发明的实施例被设计为在熄火的情况/条件下使用,但他们通常在系统启动期间不会被采用。然而,相比稳定状态的熄火,系统启动通常是更受控的状态,因为在系统启动期间有技术人员或
操作人员在。
[0013]图3为根据本发明的实施例的现场燃烧过程分析仪的图解视图。变送器50包括探针组件52,探针组件52中包括有过程气体传感器,过程气体传感器在如果没有火焰、存在来自源18的空气或氧气的情况下在足以高以点燃来自源20的未燃烧的燃料的温度下工作。图3所示的燃烧过程分析仪不需要火焰探测器信号,因此可以从燃烧监测/控制系统中省略火焰探测器。根据本发明的实施例,一旦复位,变送器50将允许它的加热器一直工作到它确定来自火焰30的过程热足够保持在探针组件12内的测量单元36的合适的升温的时间。一旦过程热足够,加热器38关闭,并且随后保持在该状态直至变送器50被复位。复位可以为技术人员操作布置在变送器50上的复位按钮或控制装置的形式,或者通过过程通信环或其它合适的通信通道给变送器50发送合适的复位命令。该复位信号通常在燃烧过程启动时由技术人员提供,因此是在技术人员的监控下发生的。因此,本发明的实施例在不需要火焰探测器信号或长期连接例如为校准或净化气体的气源的情况下提供对熄火环境的防护。可以相信的是,由于简单和低成本,本发明的实施例能够用于比以前的系统更多的应用中。此外,本发明的一些实施例可以在不需要阻焰器的附加费用的情况下应用。
[0014]图4为操作根据本发明的实施例的现场过程分析的氧变送器的方法的流程图。方法80在框82处开始,其中现场变送器被初始化。该初始化可以包括变送器的初始加电,或者在变送器已经供电的情况下,或者通过当地或者通过合适的通信技术提供重置信号。一旦初始化,现场变送器将允许它的加热器通电,如框84所示。这允许测量单元快速地达到它的工作温度,使得能够提供有用的过程测量。在框86中,变送器开始提供例如在燃烧气体中的氧气含量的过程变量信息给例如为控制器22的过程控制器或其它合适的装置。在框88中,变送器确定过程热量是否足够保持测量单元的升温。如果过程热量不充分,该控制过程经由线90返回框86,并且该方法一直形成闭环到出现足够的过程热量。一旦出现足够的过程热量,该控制进入框92,其中加热器被锁定在关闭或断电状态。在一个实施例中,通过变送器52自动执行确定是否出现足够的过程热量。在该实例中,变送器50测量在探针52内部或附近的温度,并且将测量的温度与阀值对比。如果测量的温度例如达到或高于该阀值,加热器被断开并保持断开,直至变送器接收到复位信号。然而,本发明的实施例还包括加热器可被锁闭的其它技术。例如,变送器可以接收来自已经确定燃烧热量足够将测量单元保持在用于工作的合适的高温的燃烧控制器的“断开加热器”的信号。一旦加热器被锁闭,控制过程进入框94,其中,当加热器断电的同时,燃烧过程变送器继续提供关于过程燃烧气体的过程变量信息,例如氧气含量。
[0015]虽然已经参考优选实施例描述了本发明,本领域技术人员将会意识到在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节方面做出改变。
【主权项】
1.一种过程燃烧变送器,包括: 过程探针,所述过程探针可伸入过程燃烧排气流中,所述过程探针具有工作温度在过程燃烧燃料的闪点之上的测量单元,其中所述过程探针包括加热器,所述加热器被配置为将所述测量单元加热至工作温度;以及 电子电路,所述电子电路耦接至所述测量单元和所述加热器,所述电子电路被配置为一旦过程燃烧热量足以将所述测量单元保持在工作温度切断所述加热器的电源,并且随后将所述加热器保持在断电状态。2.根据权利要求1所述的过程燃烧变送器,其中所述测量单元包括氧传感器。3.根据权利要求2所述的过程燃烧变送器,其中所述氧传感器为工作温度在约700摄氏度或约700摄氏度以上的被加热的传感器。4.根据权利要求1所述的过程燃烧变送器,其中所述电子电路能够操作地耦接至被布置为提供所述过程探针的温度的指示的温度传感器。5.根据权利要求4所述的过程燃烧变送器,其中所述温度传感器布置在所述过程探针中。6.根据权利要求1所述的过程燃烧变送器,其中所述电子电路被配置为将所述加热器保持在断电状态直至接收到复位信号。7.根据权利要求6所述的过程燃烧变送器,其中在所述过程燃烧变送器本地产生所述复位信号。8.根据权利要求6所述的过程燃烧变送器,其中所述电子电路被配置为通过过程通信环路接收所述复位信号。9.一种操作现场过程燃烧变送器的方法,所述现场过程燃烧变送器具有工作温度在燃烧燃料的闪点之上的测量单元,所述方法包括: 初始化所述变送器以开始提供过程燃烧变量输出,并将所述测量单元加热至所述工作温度; 确定过程燃烧热量是否足以将所述测量单元保持在所述工作温度或所述工作温度之上; 当所述过程燃烧热量足以将所述测量单元保持在所述工作温度或所述工作温度之上时,将加热器置于断电状态,并且随后将所述加热器保持在断电状态。10.根据权利要求9所述的方法,其中确定过程燃烧热量是否足以将所述测量单元保持在所述工作温度或所述工作温度之上的步骤由所述过程燃烧变送器执行。11.根据权利要求9所述的方法,其中所述工作温度为约700摄氏度。12.根据权利要求9所述的方法,其中所述过程燃烧变量输出指示燃烧排气中的氧气含量。13.根据权利要求9所述的方法,其中初始化所述过程燃烧变送器包括对所述过程燃烧变送器进行复位的步骤。14.根据权利要求13所述的方法,其中本地对所述过程燃烧变送器进行所述复位。15.根据权利要求13所述的方法,其中通过过程通信通道对所述过程燃烧变送器进行所述复位。
【专利摘要】本发明提供了一种过程燃烧变送器(10)。该变送器(10)包括过程探针(12),所述过程探针可伸入过程燃烧排气流中。所述过程探针(12)具有工作温度在过程燃烧燃料的闪点之上的测量单元(36)。所述过程探针(12)包括加热器(38),所述加热器被配置为将所述测量单元(36)加热至工作温度。电子电路连接至所述测量单元(36)和所述加热器(38)。所述电子电路被配置为一旦过程燃烧热量足以将所述测量单元(36)保持在工作温度时切断所述加热器(38)的电源,并且之后将所述加热器(38)保持在断电状态。
【IPC分类】F23N5/02
【公开号】CN104903650
【申请号】CN201480004091
【发明人】詹姆斯·D·克雷默, 约瑟夫·C·尼默尔, 道格拉斯·E·西默斯
【申请人】罗斯蒙特分析公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月24日
【公告号】CA2903401A1, US20140295570, WO2014160635A1