CN103597268B - 用于确定管道条件的方法以及一种顺序控制的采样泵 - Google Patents

用于确定管道条件的方法以及一种顺序控制的采样泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采样装置和方法。在采样方法中，样品通过流线管路（20）引入至泵（5），并从这里流向采样装置（12,13）。根据本发明，泵（5）由一个实际的泵（5）和位于其任一侧的电磁阀（4,6）组成，其中，以类似脉冲的泵送的这种工作方式来控制泵（5）。

Description

用于确定管道条件的方法以及一种顺序控制的采样泵
技术领域
本发明涉及如权利要求1所述的方法。
本发明还涉及一种顺序控制的采样泵。
本发明涉及连续工作气体采样。
本发明尤其适用于所发生的与二氧化碳测量相关的采样。
背景技术
传统地，该技术问题针对相当小的流量需要单独的所谓的增压泵以及实际的采样泵。普通的隔膜泵需要相对清洁的样品以便于可靠地运行。根据现有技术的泵磨损也非常快。所谓的软管泵在软管的形状发生变化时几个星期内就会改变流量。
对应流动面积的传统采样泵需要对样品进行良好的预处理。
现有技术中的一个问题是采样设置中的管道可能缓慢收缩，甚至堵塞，并且该收缩可能对测量准确性产生负面影响。采样通道尤其对收缩与堵塞敏感。
本发明意图消除上述现有技术的缺陷。
发明内容
本发明基于在管道中产生压力脉冲，并测量作为时间的函数的管道中的压力脉冲的回波。具体地说，将由压力脉冲产生的回波的变化评估为时间的函数。
本发明的一个优选实施例基于由借助于螺线管操作的隔膜泵、控制流量的电磁阀以及按期望的对泵和电磁阀的操作进行计时的程序构成的***。
优选地是，该***的性能由压力与含气传感器（或其他状态信息传感器）连续监控。***的操作顺序可通过使用软件来修改，并且其具有多种不同的记录气体样品的方法。该***可连接到远程监控上。
更具体地说，本发明的特征如权利要求1的特征部分内容所述。
根据本发明的设备的特征就其部分而言如权利要求10的特征部分内容所述。
使用本发明可获得相当多的益处。
通过本发明，可在甚至数周或数月的期间内从不同气流中收集气体样品，以这种方式收集的样品具有稳定性和可靠性。由于可远程监控，因此对于错误状况的维护操作可定向感知，并且由操作员（或者诸如公职人员）对该装备的监控也比较有效。
本发明尤其适用于处于下述条件的连续操作的气体采样：长时的免维护的运行时间、较短的传输时延、可能出现在气体中的混杂粒子以及设备所需的在采样速度和电气变量的可控性中的宽动态。下面要说明的采样泵作为增压泵和实际采样泵这两种泵来操作。在本发明中，从采样点到螺线管泵的平均流量在整个采样周期里保持不变。泵的出口侧的阀在每30次操作后将气体引导至旁路循环，或将气体引导至比如采样循环。因此，该操作可很容易在以由控制单元控制的大动态范围下改变。阀的设定与传统装备相比更不受杂质影响。高质量电磁阀可期望的使用寿命为109次操作，这保证了即使在每小时1000次的操作速率下也可以具有很长时间的免维护操作。使用本发明的设备可以实施，比如从废气通道中采样CO2以用于放射性碳方法。借助于本方法，工厂可验证化石的成分以及排污权交易中或其他用于遏制气候变化的机制中的生物起源的CO2排放。
该装备也适用于其他气体的长时间采样。
待说明的泵产生均匀品质的压力脉冲，该压力脉冲短期地在管道中导致相当高的流速。回流原理用于保持单独构建的传统采样管道网络的清洁。这种情况下，该原理体现于该方法本身。压力脉冲的形状可以被检测出并用于确定该泵的工作能力，并且用于比如远程读取进气道、气体存储通道或出气道中的堵塞。根据本发明的设备是可靠的，并且借助于与其连接的传感器该设备可即时检测可能的运行干扰，以使得工作中的中断保持比较短的时间。
附图说明
下面，根据附图并借助于实施例来说明本发明。
图1是显示了根据本发明的一种采样设备；
图2是显示了根据本发明的设备的流程图；
图3a-3c以图表形式显示了本发明的操作，其中：在左侧的图3a中，进口管处于正常的运行状态中，在右上侧的图3b中，第一吸附剂通道处于正常运行状态中，类似地，在右下侧的图3c中，第二吸附剂通道处于正常运行状态中，在左下侧上的读数值描述了正常运行状态；
图4a-4c以图表形式显示了本发明的操作，其中：图4a中吸附剂充满了第一吸附剂通道：压力曲线中的明显偏差以及读数值（12.2和334.2）表明所述的吸附剂通道的堵塞；
图5a-5c以图表形式显示了本发明的操作，其中：在左下侧的图5c中也可以看到在充满吸附剂的第二吸附剂通道中的高读数值（12.1和248.7），也可在第一吸附剂通道检测出变化；
图6a-6c以图表形式显示了本发明的操作：左侧的图6a表明在采样气体的进口管中存在堵塞，该堵塞的影响也可在右侧的图6b和6c中的压力曲线中看出，该读数值增加至>10。
具体实施方式
由图1可知，该采样***包括电磁阀体，其被转化为隔膜泵。电磁阀4和6分别位于流线管路20的两侧，用作泵5的阀。出口阀7和9将气流分至不同的通道中，例如，出口通道15或气体采样通道12和13中。该设备包括用于控制阀和泵5的控制单元1、用于测量CO2测量压力的线性放大器2以及用于控制元件1和2的控制计算器3。泵控制单元1还操作气体采样通道后方的电磁阀10和11，这可以例如在工厂不工作并且采样器不泵送出样品时防止样品的污染。例如可基于气体的流动或者通过利用对应于工厂电力的控制信号来控制该操作。通过改变泵送频率和增压/采样比率，可容易地调节采样。实际的泵操作发生在管道的气动谐振之外的范围中。正常旋转隔膜泵的阀基于泵出气体的压力差而打开。这种情况下，因为管道如上所述发生了谐振，因此与泵连接的管道的形状和压力显著影响该泵的输出。由脉冲控制的泵的每个工作阶段的压力变化可在下述操作开始之前均衡。随后，该操作更不受周围环境的干扰。用参考标记15来指示出口连接，用参考标记8来指示压力测量单元。压力测量单元具体说感知由诸如关闭和打开阀10、11引起的压力脉冲。这与雷达技术中的现象相同，在雷达技术中通过分析回声来感知周围环境。由泵5和阀10、11产生的脉冲与电脉冲的工作方式相同。导体网络的阻抗的每次变化都引起背反射，并且此单独压力测量单元（压力传感器8）使得这一系列的反射可见。反射延迟正比于阻抗变化与压力传感器8的距离，即：泵4、5、6周围的整个网络对压力测量装置而言成为可见的。
数学上表示为：
L=1/2.v.T，其中，
L=阻抗变化点到压力传感器的距离
v=气体或液体中压力脉冲的传播速度
T=从压力脉冲的传输到其反射的接收期间的延迟，系数1/2考虑了压力脉冲从泵到阻抗变化并返回的行程。
根据现有技术的静态压力测量不产生哪怕是很少数量的观测。
对应流动面积的传统采样泵需要良好的样品的预处理。
图2显示的是根据本发明的设备的流程图。该设备包括简单截流阀4、6、10和11以及两个三向阀7和9。修改的截流阀4、5和6用作泵。在每个泵送周期，由压力表8测量得到压力，以便于监控设备的运行。测量CO2值以便于保证泵的运行。可能的吸附剂12和13的填充通过采样线上的普通CO2传感器来确定。在图2中，用参考标记21来指示测量***针对气体（或液体）的进口管道，参考标记22指示出口测量***针对气体（或液体）的出口管道。
图3-图6显示了当泵从进口端上的废气通道吸入气体时以及当泵向吸附剂通道泵送所收集的气体时采样装置的压力测量中获取的压力变化曲线）。可以使用一个或几个吸附剂通道；在图3-6中显示了具备两种吸附剂。
图3a-6c也显示了6个读数值，这些值根据所测量的压力曲线而计算得到：将表明样品采集的初始状况的虚线曲线30与表明观测值时刻的实线曲线40的差异的具体值的总和作为这些数（最上面的两个数值与左侧图3a、4a、5a、6a中的吸入端曲线相关，接下来的两个数值与右上侧方3b、4b、5b、6b中的第一吸附剂通道相关，最下面的两个数值与右下侧图3c、4c、5c、6c中的第二吸附剂通道相关）。吸附剂通道由如图2中的元件12和13来表示，并且由元件8来进行压力测量。
实践中已观察到，当借助于图3a-6c中的曲线形成的读数值超出值10时，在管道中已经发生明显的变化，并可根据该变化发生在过程中的哪个部分来作为远程操作或一些其他维护操作对诸如吸附剂12或13的变化进行测量（例如，如果吸入端上存在由颗粒引起的堵塞，则压力冲向废气通道）。
在图3a中，进口管处于正常工作状态。根据图3b中显示的曲线，第一吸附剂通道处于正常工作状态，类似地，根据图3c中显示的曲线，第二吸附剂通道处于正常工作状态。因此，曲线30和40差不多位于彼此上方。由于最大值为5.7，因此左下方的读数值描述正常的工作状态。
由图4b可知，吸附剂已填充到第一吸附剂通道中：在压力曲线中可见明显的偏差，类似地，读数值（12.2以及334.2）表明所讨论的吸附剂通道中的堵塞。图4b和4c没有显示出已经超过极限值。
从图5c中的曲线可看出吸附剂已经填充至第二吸附剂通道，其也表现为左下方的高读数值（12.1和248.7）。基于图5b也可检测出第一吸附剂通道的变化，而图5a表示在极限值以下的情况。
采样气体吸入管中的堵塞可由图6a中的曲线看出。该堵塞的影响也可在右侧图6b和6c中的压力曲线中看出。在所有图中，第二读数值对的数值已增大到超过极限值10。
图3a-6c显示了作为时间的函数的泵周期的压力脉冲。在实际工作脉冲之前检测吸入侧的堵塞，即在该脉冲开始之前的时间中进行检测。
下面解释上述内容：
参考图2，依据以下原理形成泵送循环：
A.吸入阀4打开。
B.将泵5的隔膜泵压至上方位置。
C.吸入阀4关闭。
D.排出阀6打开。
E.在产生可见脉冲后，将泵5的隔膜泵压至下方位置。
F.排出阀6关闭。
压力传感器8或麦克风位于排出阀6后。
从此循环可看出在正常操作中，压力脉冲总被引导至泵5的出口侧的管道。根据编程，该脉冲被引导至出口或采集的一些特定样品。
从这些循环的每个中，可在工作脉冲后的时间里看到背射压力震动。
在此情况下，所谓的回声探测正常工作。然而，泵5的排出阀在回声到达前关闭，而由阻塞引起的工作脉冲的缓慢压力下降足以表明该事件。
在工作脉冲之前的时间现象为当泵的吸入阀打开时。随后，排出阀关闭，泵前方可能的阻塞会在之前的循环期间在进口管道产生真空。
此真空转移至泵的内部，并在排出阀打开时该真空脉冲可在压力传感器中感知。该泵的内部容量填充整个出口侧通道。
该事件链显示了设备中在泵5的吸入侧上的阻塞，但并没有利用背射信息。
定向到期望方向的压力脉冲可容易地用于泵5的环境分析。
通过监测背反射，可通过相同的设备获取有关该变化幅度的信息、基于反射到达时间的信息以及该变化相对于泵的距离的信息。
在本申请中，术语测量管道通常指连接泵4、5、6和吸附剂集合12、13（包括吸附剂集合12、13以及其他诸如阀的部件）的管道。该测量管道也可以包括测量***的其他部分，比如进气道21和排气道22。
在本申请中，术语建模指基于测量的计算模型的建立。

Claims (15)

1.一种采样方法，其中样品通过进气道(21)引入至泵(5)，并从这里通过测量管道流向采样装置(12,13)，其特征在于，压力脉冲产生于测量管道(20,21,22)中，并对测量管道(20,21,22)中压力脉冲的回波进行测量以及将由压力脉冲引起的回波的变化作为时间的函数进行估计，以确定测量管道(20,21,22)的条件。
2.如权利要求1所述的采样方法，其中样品通过流线管路(20)引入至泵(5)，并从这里流向采样装置(12,13)，其特征在于，所述泵(5)由实际的泵(5)和位于其任一侧的电磁阀(4,6)组成，其中，以脉冲式的泵送这种工作方式来控制所述泵(5)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过如下顺序形成泵送脉冲：
A.打开吸入阀(4)，
B.将泵(5)的泵隔膜移至上方位置，
C.关闭吸入阀(4)，
D.打开排出阀(6)，
E.在产生可视化脉冲后，将泵(5)的泵隔膜移至下方位置，
F.关闭排出阀(6)。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该方法中，将沿流动方向泵(4,5,6)后方的压力作为时间的函数测量，以在测量设备的管道(20,21,22)中产生冲激响应。
5.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
在测量开始当测量管道(20,21,22)清洁时产生参考值(30)，以在测量设备的测量管道(20,21,22)中产生冲激响应，
在测量时相对于参考冲激响应(30)对冲激响应(40)进行反复评估，以评价测量管道(20,21,22)以及样品收集器(12,13)的条件。
6.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在评价测量管道(20,21,22)的条件时，借助于元件(1,2,3)和(7,10,11)来在测量管道中的所期望的方向上产生压力脉冲。
7.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该方法中，至少使用一个三向阀(7,9)以将气流引导至不同的采样元件(12,13)。
8.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于回流原理来操作泵(4,5,6)。
9.如上述权利要求1或2所述的方法，其特征在于，泵送操作发生在管道的气动谐振的外部范围。
10.如上述权利要求1或2所述的方法，其中在一组含有液体或气体的通道(20)中测量压力(8)，其特征在于，反复执行对该压力的冲激响应的测量，并基于所测量的冲激响应信息对整个通道组(20,21,22)的状态进行建模。
11.一种采样设备，包括：
测量管道，其至少包括流线管路(20)，
与所述流线管路(20)连接的泵(5)，以及
经测量管道与泵(5)连接的采样装置(12,13)，其用于从流体中获取样品，
其特征在于，
泵(5)这样设置使得通过该泵可在测量管道中产生压力脉冲，以及
该设备还包括元件(1,2,3)，其用于测量压力脉冲的回波并将由压力脉冲引起的回波的形变作为时间的函数来进行估计，以确定测量管道的环境。
12.如权利要求11所述的采样设备，其特征在于，
泵(5)构造成包括实际的泵(5)和位于其任一侧的电磁阀(4,6)，以及
控制元件(3)，其用于以脉冲式的泵送这种工作方式控制泵(5)和阀(4,5,6)。
13.如权利要求11或12所述的采样设备，其特征在于，所述设备还包括压力测量装置(8)，其沿流动方向位于泵(4,5,6)的后方。
14.如权利要求11或12所述的采样设备，其特征在于，所述设备包括至少一个三向阀(7,9)，其用于将流体引导至不同的采样元件(12,13)。
15.如权利要求12所述的采样设备，其特征在于，该控制元件(3)包括用于确定脉冲式的泵送脉冲的冲激响应的装置和用于将在不同时间段处所确定的冲激响应进行互相比较的装置。
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