具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場加熱氧氣探針的制作方法
【專利說明】具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場加熱氧氣探針
【背景技術(shù)】
[0001] 工業(yè)過程工廠經(jīng)常依賴于包括一個或多個燃燒過程的能量源。此種燃燒過程包括 操作燃燒室或鍋爐以產(chǎn)生來自于燃燒的能量，這些能量然后被用于過程。雖然燃燒提供較 廉價的能量，但是它的使用通常被控制并且燃燒效率被試圖最大化。因此，過程管理工廠的 一個目的是通過維持最大的燃燒效率而降低從燃燒室和鍋爐中排出的溫室氣體的產(chǎn)生。
[0002] 現(xiàn)場廢氣分析儀通常被用于監(jiān)測、優(yōu)化和/或控制燃燒過程。典型地，這些分析儀 采用氧化鋯傳感器以測量廢氣中的過量氧氣。此種氧氣傳感器是已知的并且使用基于能斯 脫方程的操作原理。該操作原理需要傳感器元件被維持在較高操作溫度下。典型地，使用 由分析儀的電子器件所驅(qū)動的加熱器而實現(xiàn)該高溫。因為現(xiàn)場廢氣分析儀具有不移動的部 件或者取樣設(shè)備，因此形成了需要很少的維護的極其可靠的探針，因而現(xiàn)場廢氣分析儀是 尤其有利的。
[0003] 燃燒過程的一些操作員具有如下應(yīng)用：該應(yīng)用將有害氣體添加到過程本身中或者 被添加到分析儀的電子器件所安裝的區(qū)域內(nèi)的環(huán)境氣體中。這些操作員擔心元件加熱器可 能用作過程中的有害氣體的點火源，或者電子器件可以向可能存在的有害過程氣體或環(huán)境 氣體提供點火。由于這些擔憂，這些用戶必須購買具有昂貴的保護特征的分析儀。
[0004] 當出現(xiàn)有害氣體時，典型地有兩種可以提供保護的方法：防爆外殼和/或本質(zhì)安 全電路。
[0005] 當電子器件被容納在防爆外殼中時，此種外殼可以防止氣體進入到外殼的內(nèi)部腔 室中。另外，如果此種氣體確實進入到外殼中并且導致了爆炸，那么火焰將不可能蔓延到外 殼之外。防爆等級的一個示例是符合章節(jié)1和5的用于潛在爆炸空氣的EExdIIB T6標準 EN50015和EN50018的爆炸指令（ATEX)認證。
[0006] 其他保護計劃是使得電子器件本質(zhì)安全。當電子器件是本質(zhì)安全時，即使在 故障條件下，它們本質(zhì)上不會產(chǎn)生所需的溫度或火花以產(chǎn)生爆炸。本質(zhì)安全說明的一 個示例是標題為"用在等級號為3610的I、II和III等級且1類的危險（分類）位置 中的認證標準本質(zhì)安全設(shè)備和附屬設(shè)備"（APPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I，II，AND III，DIVISION I HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610)的 1998 年 10 月的工廠共同研宄 (Factory Mutual Research)頒布的標準。本質(zhì)安全需求一般地規(guī)定此種低能級別，使得遵 從性是簡單的，且不可能用于包含諸如AC電路的高壓、高電流和/或高瓦數(shù)的電路。
[0007] 過去已經(jīng)用于爆炸環(huán)境的一個特定裝置是可從愛默生過程管理公司購得的商品 名稱為型號5081FG的雙線式現(xiàn)場氧氣分析儀售賣的裝置。該裝置使用氧化鋯傳感器以測 量燃燒過程中的過量氧氣。然而，分析儀不使用元件加熱器而是使用較高過程溫度以將氧 化鋯傳感器元件加熱到能斯脫方程所需要的用于操作的溫度。分析儀的電子器件是本質(zhì)安 全的，并且可以被4-20mA信號線驅(qū)動。然而，型號5081FG已經(jīng)證明對于測量有害位置中或 有害位置附近的氧氣而言是有用的，其用途可以被限定于如下的應(yīng)用：該應(yīng)用產(chǎn)生足夠的 過程熱以將氧化鋯傳感器維持在必需的高溫下。另外，當過程熱需要被用于傳感器操作時， 不能得到有用的傳感器數(shù)據(jù)直到過程已經(jīng)充分加熱了傳感器。因此，系統(tǒng)啟動期間測量氧 氣的能力已經(jīng)針對具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場氧氣探針而被限制。
[0008] 提供具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場氧氣探針將增加此種裝置可以適用的用途，該本質(zhì) 安全輸出在低溫和/或系統(tǒng)啟動期間能夠工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 提供一種現(xiàn)場氧氣分析儀，該分析儀具有本質(zhì)安全輸出和加熱探針。該探針能夠 延伸到過程氣體源中并且具有被設(shè)置在其中的氧氣傳感器以及加熱器。所述加熱器被構(gòu)造 為將氧氣傳感器加熱到足夠操作氧氣傳感器的溫度。殼體被聯(lián)接到探針并且具有第一腔室 和第二腔室。所述第一腔室是防爆等級的并且包括被聯(lián)接到加熱器以激發(fā)加熱器的非本質(zhì) 安全電路。所述第二腔室只包含與本質(zhì)安全說明一致的本質(zhì)安全電路。第一腔室和第二腔 室彼此隔離開。非本質(zhì)安全電路通過能量限制隔離器而被聯(lián)接到本質(zhì)安全電路。
【附圖說明】
[0010] 圖1是現(xiàn)場氧氣探針的示意圖，本發(fā)明的具有該現(xiàn)場氧氣探針的實施例是尤其有 用的。
[0011] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的現(xiàn)場加熱氧氣探針的示意立體圖。
[0012] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場加熱氧氣探針的示 意圖。
【具體實施方式】
[0013] 圖1是在燃燒過程中操作的現(xiàn)場煙道氧氣探針的示意圖。此種裝置10的一個示 例是愛默生過程管理公司以商品名稱型號6888售賣的現(xiàn)場廢氣氧氣變送器。分析儀10包 括探針組件12,該探針組件12被放置在煙囡14或煙道中并且測試燃燒氣體中的氧氣。
[0014] 燃燒器16被可操作地聯(lián)接到空氣或氧氣源18以及可燃燃料源20。各個源18和 20優(yōu)選地經(jīng)由相應(yīng)的閥門24、26被聯(lián)接到燃燒器16從而向燃燒器16分配受控量的氧氣 和/或燃料，從而控制燃燒過程。分析儀10測量燃燒廢氣流中的氧氣量并且向燃燒控制器 22提供氧氣等級的指示?？刂破?2控制閥24、26中的一個或兩個從而提供閉環(huán)燃燒控制。 分析儀10包括氧氣傳感器，該氧氣傳感器必須在高溫下操作從而適當?shù)仄鹱饔?。此種氧氣 傳感器的一個示例是基于氧化鋯的氧氣傳感器，該傳感器提供指示廢氣中的氧氣濃度、含 量或百分比的電信號。
[0015] 氧化鋯傳感器在大約700°C的溫度下操作并且因此分析儀10在探針組件12中包 括被可操作地聯(lián)接到AC電源29的電加熱器（如圖3所示）。探針12中的氧氣傳感器與在 汽車中發(fā)現(xiàn)的氧氣傳感器的技術(shù)類似。此種傳感器十分有效地用于允許控制系統(tǒng)將最優(yōu)燃 料維持到一定比例，從而實現(xiàn)高效的且低NOx的生產(chǎn)，并且也盡可能實現(xiàn)最小量的溫室氣 體的排放。
[0016] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的現(xiàn)場煙道加熱氧氣探針的示意立體圖。探針組件12 大致被構(gòu)造為容納傳感器芯組件，該芯組件包括被布置成靠近端部32的擴散器。探針12 中的測量元件在高溫下是可操作的。探針12中的測量元件和加熱器被電聯(lián)接到電子器件 殼體36中的分析儀電子器件（如圖3所示）。分析儀電子器件被構(gòu)造從測量元件獲得測量 值并且提供適當?shù)男盘栒{(diào)整從而提供代表煙道氣體氧氣的信號。
[0017] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的具有本質(zhì)安全輸出的現(xiàn)場加熱氧氣探針的示 意圖。探針12包括定位成暴露到煙道氣體或廢氣的傳感器元件34。因為傳感器元件34在 高溫下操作并且向控制器54提供氧氣濃度的指示，因而加熱器組件38被聯(lián)接到高壓電路 50并且被布置成向傳感器元件34供熱，從而傳感器元件34能夠被維持在必需的高溫下。 在一個實施例中，傳感器元件34包括氧化鋯傳感器并且必需的溫度是大約700°C。控制器 54也被聯(lián)接到高壓電路50,從而控制器54能夠控制加熱器組件38的激發(fā)從而將傳感器元 件34維持在必需的溫度下?？?