具有本质安全输出的现场加热氧气探针的制作方法
【专利说明】具有本质安全输出的现场加热氧气探针
【背景技术】
[0001] 工业过程工厂经常依赖于包括一个或多个燃烧过程的能量源。此种燃烧过程包括 操作燃烧室或锅炉以产生来自于燃烧的能量，这些能量然后被用于过程。虽然燃烧提供较 廉价的能量，但是它的使用通常被控制并且燃烧效率被试图最大化。因此，过程管理工厂的 一个目的是通过维持最大的燃烧效率而降低从燃烧室和锅炉中排出的温室气体的产生。
[0002] 现场废气分析仪通常被用于监测、优化和/或控制燃烧过程。典型地，这些分析仪 采用氧化锆传感器以测量废气中的过量氧气。此种氧气传感器是已知的并且使用基于能斯 脱方程的操作原理。该操作原理需要传感器元件被维持在较高操作温度下。典型地，使用 由分析仪的电子器件所驱动的加热器而实现该高温。因为现场废气分析仪具有不移动的部 件或者取样设备，因此形成了需要很少的维护的极其可靠的探针，因而现场废气分析仪是 尤其有利的。
[0003] 燃烧过程的一些操作员具有如下应用：该应用将有害气体添加到过程本身中或者 被添加到分析仪的电子器件所安装的区域内的环境气体中。这些操作员担心元件加热器可 能用作过程中的有害气体的点火源，或者电子器件可以向可能存在的有害过程气体或环境 气体提供点火。由于这些担忧，这些用户必须购买具有昂贵的保护特征的分析仪。
[0004] 当出现有害气体时，典型地有两种可以提供保护的方法：防爆外壳和/或本质安 全电路。
[0005] 当电子器件被容纳在防爆外壳中时，此种外壳可以防止气体进入到外壳的内部腔 室中。另外，如果此种气体确实进入到外壳中并且导致了爆炸，那么火焰将不可能蔓延到外 壳之外。防爆等级的一个示例是符合章节1和5的用于潜在爆炸空气的EExdIIB T6标准 EN50015和EN50018的爆炸指令（ATEX)认证。
[0006] 其他保护计划是使得电子器件本质安全。当电子器件是本质安全时，即使在 故障条件下，它们本质上不会产生所需的温度或火花以产生爆炸。本质安全说明的一 个示例是标题为"用在等级号为3610的I、II和III等级且1类的危险（分类）位置 中的认证标准本质安全设备和附属设备"（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 月的工厂共同研宄 (Factory Mutual Research)颁布的标准。本质安全需求一般地规定此种低能级别，使得遵 从性是简单的，且不可能用于包含诸如AC电路的高压、高电流和/或高瓦数的电路。
[0007] 过去已经用于爆炸环境的一个特定装置是可从爱默生过程管理公司购得的商品 名称为型号5081FG的双线式现场氧气分析仪售卖的装置。该装置使用氧化锆传感器以测 量燃烧过程中的过量氧气。然而，分析仪不使用元件加热器而是使用较高过程温度以将氧 化锆传感器元件加热到能斯脱方程所需要的用于操作的温度。分析仪的电子器件是本质安 全的，并且可以被4-20mA信号线驱动。然而，型号5081FG已经证明对于测量有害位置中或 有害位置附近的氧气而言是有用的，其用途可以被限定于如下的应用：该应用产生足够的 过程热以将氧化锆传感器维持在必需的高温下。另外，当过程热需要被用于传感器操作时， 不能得到有用的传感器数据直到过程已经充分加热了传感器。因此，系统启动期间测量氧 气的能力已经针对具有本质安全输出的现场氧气探针而被限制。
[0008] 提供具有本质安全输出的现场氧气探针将增加此种装置可以适用的用途，该本质 安全输出在低温和/或系统启动期间能够工作。
【发明内容】
[0009] 提供一种现场氧气分析仪，该分析仪具有本质安全输出和加热探针。该探针能够 延伸到过程气体源中并且具有被设置在其中的氧气传感器以及加热器。所述加热器被构造 为将氧气传感器加热到足够操作氧气传感器的温度。壳体被联接到探针并且具有第一腔室 和第二腔室。所述第一腔室是防爆等级的并且包括被联接到加热器以激发加热器的非本质 安全电路。所述第二腔室只包含与本质安全说明一致的本质安全电路。第一腔室和第二腔 室彼此隔离开。非本质安全电路通过能量限制隔离器而被联接到本质安全电路。
【附图说明】
[0010] 图1是现场氧气探针的示意图，本发明的具有该现场氧气探针的实施例是尤其有 用的。
[0011] 图2是根据本发明的一个实施例的现场加热氧气探针的示意立体图。
[0012] 图3是根据本发明的一个实施例的具有本质安全输出的现场加热氧气探针的示 意图。
【具体实施方式】
[0013] 图1是在燃烧过程中操作的现场烟道氧气探针的示意图。此种装置10的一个示 例是爱默生过程管理公司以商品名称型号6888售卖的现场废气氧气变送器。分析仪10包 括探针组件12,该探针组件12被放置在烟囡14或烟道中并且测试燃烧气体中的氧气。
[0014] 燃烧器16被可操作地联接到空气或氧气源18以及可燃燃料源20。各个源18和 20优选地经由相应的阀门24、26被联接到燃烧器16从而向燃烧器16分配受控量的氧气 和/或燃料，从而控制燃烧过程。分析仪10测量燃烧废气流中的氧气量并且向燃烧控制器 22提供氧气等级的指示。控制器22控制阀24、26中的一个或两个从而提供闭环燃烧控制。 分析仪10包括氧气传感器，该氧气传感器必须在高温下操作从而适当地起作用。此种氧气 传感器的一个示例是基于氧化锆的氧气传感器，该传感器提供指示废气中的氧气浓度、含 量或百分比的电信号。
[0015] 氧化锆传感器在大约700°C的温度下操作并且因此分析仪10在探针组件12中包 括被可操作地联接到AC电源29的电加热器（如图3所示）。探针12中的氧气传感器与在 汽车中发现的氧气传感器的技术类似。此种传感器十分有效地用于允许控制系统将最优燃 料维持到一定比例，从而实现高效的且低NOx的生产，并且也尽可能实现最小量的温室气 体的排放。
[0016] 图2是根据本发明的实施例的现场烟道加热氧气探针的示意立体图。探针组件12 大致被构造为容纳传感器芯组件，该芯组件包括被布置成靠近端部32的扩散器。探针12 中的测量元件在高温下是可操作的。探针12中的测量元件和加热器被电联接到电子器件 壳体36中的分析仪电子器件（如图3所示）。分析仪电子器件被构造从测量元件获得测量 值并且提供适当的信号调整从而提供代表烟道气体氧气的信号。
[0017] 图3是根据本发明的一个实施例的具有本质安全输出的现场加热氧气探针的示 意图。探针12包括定位成暴露到烟道气体或废气的传感器元件34。因为传感器元件34在 高温下操作并且向控制器54提供氧气浓度的指示，因而加热器组件38被联接到高压电路 50并且被布置成向传感器元件34供热，从而传感器元件34能够被维持在必需的高温下。 在一个实施例中，传感器元件34包括氧化锆传感器并且必需的温度是大约700°C。控制器 54也被联接到高压电路50,从而控制器54能够控制加热器组件38的激发从而将传感器元 件34维持在必需的温度下。控