取样和分析系统及方法

专利名称：取样和分析系统及方法
本申请是91年11月27日提交的美国专利申请800,788的部分继续申请。
有关申请的相互参照1990年4月9日提交的美国专利申请号506,391与本发明的一般领域有关。
发明的背景1.发明的领域本发明涉及流程分析领域，特别是设计成为分析器(例如近红外分析仪)提供稳定的样品(例如汽油)的取样系统，大类为250、小类为343或341。2.先有技术描述美国专利4,575,488和3,961,898都使用一种联机分析仪器，该仪器带有一个位于上游的消泡器，用来分离在相继样品之间故意加入的气泡。
授予Maggard等人的美国专利4,963,745用红外吸收法测定了研究法、马达法和泵法辛烷值。
发明概述1.发明的一般说明一种设计成向近红外(NIR)分析仪提供稳定的汽油样品物流的NIR取样系统。优选的结构元件包括一个穿过倒转聚结器移动的控温物流，借此从顶部物流除掉气泡。还采用高压来减小脱气。原型燃料是本发明的一个重要特点，可以将其注入以便校正仪器，在样品分析之前和/或之后验证或改进准确度。2.本发明的实用性本发明可用于优选的NIR光学纤维探头和其它的NIR探头，但是也可以用于盐板、石英刮器、透射池和重金属氟化物光学纤维材料，例如锆的氟化物，本发明也适用于其它分析方法，例如比色法和红外法，以及傅里哀变换红外(FTIR)。以使用傅里哀变换近红外。本发明也可使用多变量分光光度计，可以利用某些其它的主要参考方法，例如爆震引擎、GC PIANO等，建立光谱数据与一种物理或化学性质之间的关联式，对这种光度计进行校正。关于近红外、中红外、FT-NIR和FT-IR分光光度计的多变量分光光度校正法的细节，可以在美国专利4,963,745(Maggard)和5,243,546(Maggard)以及其中引用的文献中查到。
这些方法主要涉及获得光谱数据和利用诸如多项式解法(PLS)、主分量回归或多线性回归等统计方法在光谱数据和用某些其它的分析参考方法得到的样品的物理或化学性质数据之间建立关联式。
附图的简要说明

图1是本发明一种优选的样品调节系统的示意图。
图2是一个典型的汽油掺混系统，其中示出了各个部件，特别是通往分析器25的管线30，该管线30也示于图1中。
图3是台架和封闭箱的正视图，该图画出了本发明部件的合适位置，还在图3A中画出了侧视图。
图4是台架和开口箱的正视图，它画出了内部元件的合适位置。
图5是图4的内箱的细节。
图6是NIR样品组合件和与光学纤维电缆的连接细节。
图7是实际辛烷值(ASTM/2699/2700)与用近红外辛烷值法测得的辛烷值的相关曲线，下面的直线仅仅单点相关，而上面的直线在两个点相关，因此包括了整个范围。
优选实施方案的描述在优选的实施方案中，本发明的装置包括以下主要部件供样装置20，它包括一个内吸探头，一个控制阀，和用来从要分析的物流中抽取样品的直径相当小(保留量小)的导管装置。
任选的吹洗装置50，其中包括一个朝内供气(优选氮气)源、阀门和压力计，用来使整个系统能被吹洗，以便从系统中清除液体，便于维修。
用于从样品中除掉颗粒物的任选使用的样品过滤装置，该装置最好是包含一个自净的连续过滤装置，例如Collins ProductsCompany(Livingston，Texas)制造的II型“Swirlklean”，并且有合适的压力计，流量指示器、阀门及导管。
样品温度控制装置90，其中包括一个入口温度指示器，温度控制器，例如Filtrine Manufacturing Company(Harrisville，New Hampshire)制造的PC-50AXP-1LH，用于将样品温度控制在优选的温度范围，以室温范围为宜，最好是约18-25℃(65-75°F)，另外还包括合适的排放阀、出口温度指示器、压力指示器等。
脱气装置110，其中包括一个聚结器，例如Balston Inc.(Lexington，Massachusetts)制造的45S6型Balston脱气装置，以及合适的流量指示器，用于分配流过分析探头装置130或回到样品返回装置150的流量。(或者是，温度控制装置90内的加热可以在脱气之前，而温度控制装置90内的冷却可以在脱气之后。)NIR Systems Division of Perstorp Analytical，Inc.(SilverSprings，Maryland)制造的OL-5050型分析探头装置130，其中包括一个用来引入分析探头的小室，该探头优选是近红外光学纤维探头，还包括压力指示装置，回压调节阀等。
任选使用、但是最好是使用的样品返回装置150，其中包括将来自脱气装置和样品过滤装置的两股物流收集到一个集管中的装置，该集管随后又将物料送至供样装置20最初取样的物流中，但是是在压力较低的位置处。
原型燃料供应装置85，它最好是含有许多标准化的烃A和B等，它们经过几个不同的实验室分析，或者与这样分析的(按ASTM D2885)“金色原型燃料”相当。更优选的是，使用两种或多种辛烷值(或十六烷值)不同的燃料作为原型燃料A、B等。自动阀86定期开启，以便将原型A和B顺序地注入NIR分析仪探头131中(此时自动阀84关闭)，用计算机进行计算，结果自动记录，然后任选地在必要时对校正进行调节。
根据本发明，用探头观察一个控温和控压、无颗粒状物、干净和脱气的样品。使用小直径的导管，优选直径小于1英寸，小于半英寸更好，最好是小于1/4英寸，因为能快速流过整个样品调节系统，所以保证了以最小的保留量及时地输送样品。
图2表示样品调节系统的配置。样品调节系统与“线上”或“联机”分析器25一起安装，这在授予S.M.Maggard并转让给本发明受让人的美国专利4,963,745中也有说明。
实施例1(根据图1、3和4的发明)参看图1，供样装置20包括引出探头29，它从主工艺管道的中点附近取样，经过样品截止阀34将样品送入管线30，该管线还示于图2中。管线30继续穿过包含氮源、氮气控制阀54、样品截止阀56、压力指示器58的吹洗气供应装置50，进入样品过滤装置70，该过滤装置包括一个“Swirlklean”过滤器72(如上所述)，其容量约为1加仑/分。在这一样品过滤装置72之后，样品流过一个旁通过滤器72，用装在滤液一边的小孔膜除去液体中的固体，与高速旁通管一起提供连续的自净作用。在此过滤器72已除去大于1μm、最好是0.45um的粒子之后，样品流过压力指示器74，继续流至样品控温装置90，而颗粒物则经由管线76在底部除掉，该管线连接到流量指示器78、流量控制阀80和工艺截止阀82。
随着滤过的液流84流入样品温度控制器90，液流流过截止阀92和温度指示器94进入样品温度控制器96，该控制器是FiltrineManufacturing Co.制造的PC 50AXP-1LH型预填充样品加热/冷却器，使用高速单通流动结构用来加热/冷却液体，通行能力约为5升/分，设定的调定点约为24℃(75°F)，液流经过截止阀98、压力指示器102和温度指示器104流出，该温度指示器装有合适的排出阀以便维修。
从样品温度控制装置90流入脱气装置110的液流继续流入脱气器112、一个带有可更换的过滤元件以便除掉液体中高固体含量的不锈钢过滤器，以旁路液流114的形式流出，该液流中含有夹带到进入脱气装置的液流中的大部分或所有气泡，液流流过流量指示器118、针形流量控制阀120、截止阀122，进入样品返回装置150。
因为汽油操作中的可燃性和爆炸的危险，所有的流量计最好是铠装的，不要用玻璃或塑料。特别优选用带有磁性随动件作为流量指示的金属制转子流量计。从脱气器112流出的另一液流是脱去气泡的液流116，它流过压力指示器124、流量控制阀126、流量指示器128和分析探头室131。由NIR Systems制造的NIR探头室131是一个7.62cm×7.62cm×5.08cm(3英寸×3英寸×2英寸)的304号不锈钢块体，上面装有1.27cm(1/2英寸)的316号不锈钢Swagloc管作为样品进口和出口，还有一个1.91cm(3/4英寸)316号不锈钢Swagloc管与光学纤维台座相连。分析探头室131中包括一个供近红外或其它分析仪器用的常规的光学纤维探头或其它探头，它使得清洁、控温、无颗粒和脱过气泡的液流可以流过探头，以便对要测定的分析性质进行准确一致的测量。液流继续流过压力指示器132、回压调节阀134、截止阀136，进入有压力指示器139和截止阀142(直接装在主工艺管道上)的样品返回集管138，在供样装置20的稍微下游某处于低于供样装置处的压力下返回到工艺管道中。
原型燃料注入系统85包括自动阀86和原型燃料源A和B，A和B中的燃料能交替地被注入到供料管线中，代替经由自动阀84(在注入原型燃料时关闭)从样品源32抽取的样品。原型燃料是仔细测定了辛烷值的合适燃料(按照ASTM2699和/或2700分析，优选由几个不同的实验室分析，取平均值)。通过向系统内定期地注入原型燃料，可以对系统的校正进行验证和标定，以实现严格准确。也可以通过反复注入原型燃料来检验稳定性。最好是，准备两种或多种不同的原型燃料，以便能够在注入原型燃料A之后顺序地注入原型燃料B，这就提供了如图7中所示的两个不同辛烷值的点。应该指出，下面的关联直线显示了只用单独一种原型确定的单点关联式，上面的关联直线显示了用两种或多种要注入的原型燃料确定的在整个范围内所有点上的关联关系，这比一点关联曲线有很大改进，因为它确定了关联曲线，从而在整个辛烷值范围内与用ASTM标准爆震引擎法得到数值相关联。更为优选的是，分析三种或更多的原型燃料，于是关联曲线不必是直线，虽然根据大量的工业应用已发现直线常常是很好的近似。
在本工作之前还不了解，可以利用关于精确鉴定的烃类(例如在ASTM D2885中提到的原型燃料或纯烃化合物)的少至两个或更多读数，调节从几十到几百个化学或物理性质已知的样品与它们的相应光谱数据关联中得到的多变量校正公式。
所采用的调节是在美国专利5,243,546实施例3中提到的所谓斜率与偏差调节法。
参看图3，这是本发明对于可燃烃类操作地区规格II部2类的一个优选商业实施方案，其中画出了不锈钢箱300，它在温度计302上显示内部温度，该温度由空调器/加热器304控制，连接导管306用来将RS232连接(直接或间接)到一台显示由NIR测得的辛烷值和其它变量的个人计算机(PC，未出画)。外部电源经导线管308进入箱内。(通过安装一个在空调、箱内吹洗装置或其它关键部件出故障时的失效保险自动关机系统，此系统可以容易地升级成I部1类。)Z-形吹洗气压力调节器310和312按照国家电力规则(National Electrical Code)1类2部的要求分别对电子箱400和灯源箱402调节清吹气压力和进入箱内的流量。旁路流量计118和128如图1所示地测量流量。脱气器112也如图1中示意表示地消除气泡。样品温度控制器90中包含着图1内该数字下列出的部件。
图4画出了箱300，它的门开启，露出了内部的NIR仪器箱400(更进一步的细节示于图5)和通过光学纤维参考光缆404和光学纤维样品光缆406照明的灯402。输助电源408从电学上保护此系统并备有一个内压调节器加不中断电路。辅助电源408向变压器410提供稳定的110伏电压，变压器410又向NIR仪器提供200伏电源，向灯402提供辅助的12伏电源。灯室402还包括一个电磁控制的快门，它交替地通过参考光学纤维光缆404和样品光学纤维光缆406照明。
光缆406和404分别由机械加工的金属块准直台座428和426固定，它们将光束固定地引入到单色器中，单色器将光色散成不同的光谱级数及不同的波长。于是，单色器432先接收样品光学纤维光束434，然后接收参考光学纤维光束436。样品纤维光学光束由光缆传送给样品，然后经光缆406反射回来，再进入单色器432。这种仪器安排称为“后色散透反射测量”。(这种取样系统当然可以用其它类型的NIR、红外、比色或其它仪器系统操作。)。
级数分类滤光器438还含有一组新的波长标准，起确定级数的作用，其中由衍射管发出的各种波长聚焦在探测器440上，该探测器向传输放大器442输出一个电信号，它穿过各个电子回路到达封罩444和446，由那里到达母板450，它向个人计算机和/或工艺控制计算机(未画出)输出信号。此信号最好是符合RS 232的标准以便与其它设备兼容。
探头室130(DL-6500或OL-5000型)和相连的NIR分析仪由NIR Systems制造(Silver Springs，Mary-Land)。Perkin-Elmer公司制造的PLONIR分析系统也适合用于本发明。
实施例II(采用FTIR的发明)装置与实施例I相似，但是用一个Analect FTIR代替NIR分光光度计，它在分析汽油和柴油燃料的辛烷值和十六烷值方面分别具有良好的准确度，并且在类似于图2所示的受控掺混系统中准确地发挥作用。
实施例III(采用二极管阵列近红外分光光度计的发明)装置与实施例I相似，但是用一个Perkin-Elmer红外分光光度计代替NIR分光光度计，它在分析汽油和柴油燃料辛烷值和十六烷值方面分别具有良好的准确度，在类似于图2所示的受控掺混系统中准确地发挥作用。
实施例IV(使用质谱仪的发明)装置与实施例I相似，但是用一台Hewlett-Packard质谱仪代替NIR分光光度计，它在分析汽油和柴油燃料辛烷值和十六烷值方面分别具有良好的准确度，在类似于图2所示的受控掺混系统中准确地发挥作用。
实施例V(使用RAMEN光度计的发明)装置与实施例1相似，但是用RAMEN光度计代替NIR分光光度计，它在分析汽油和柴油燃料的辛烷和十六烷值方面分别具有良好的准确度，在类似于图2所示的受控掺混系统中准确地发挥作用。
实施例VI(使用气相色谱-质谱仪的发明)装置与实施例1相似，但是用一台色质联用仪代替NIR分光光度计，它在分析汽油和柴油燃料的辛烷和十六烷值方面分别具有良好的准确度，在类似于图2所示的受控掺混系统中准确地发挥作用。
改型所讨论的具体构成、方法或实施方案只是用来作为本说明书所公开的本发明的示例说明。根据本说明书的说明，本领域技术人员显然容易对这些构成、方法或实施方案作出变动，因此，这些变动都将作为这里所公开的本发明的一部分包括在内。例如，脱泡器和温度控制装置的次序并非关键，虽然最好是脱泡器位于温度控制器的下游。另外，在注入原型燃料方面可以使用共同未决的美国专利申请698,411(6379AUS)的技术，使用由已知数量的纯烃组分的混合物作为至少一种原型燃料，这些组分具有从校正过的NIR仪器得到的结果计算出的辛烷值，从而可以将这些组分的预先确定的辛烷值与所校正的系统的分析值相比较。
在以上说明书中所作的引证是用来形成在本文中特地引用作为参考的专利或文献，包括在这些文献中引用的任何专利或其它文献在内。
权利要求
1.一种用光谱吸收法测定液体烃类混合物的至少一种性质的系统，其中包括A.一个可连接操作以便测定上述性质的多变量分光光度计；B.至少两种参考液体烃源，它们的所述性质具有不同的已知数值，并与下述装置相连通；C.原型注入装置，用于自动地或定期地将多种参考液烃混合物注入所述的多变量分光光度计中，以便在所述性质的一定范围内校正该系统。
2.权利要求1的一种系统，其中的分光光度计包括红外分光光度计。
3.权利要求1的一种系统，其中的原型注入装置包括用来将预定性质不同的多个参考燃料注入的装置。
4.权利要求1的一种系统，其中的分光光度计包括傅里叶变换分光光度计。
5.权利要求1的一种系统，其中的分光光度计包括近红外分光光度计。
6.权利要求3的一种系统，其中的至少一种所述原型包括已知的纯烃按已知数量构成的混合物。
7.权利要求3的一种系统，其中所述的烃包括燃料，所述的预定性质包括辛烷值、十六烷值、芳族含量、烯烃含量、苯含量或氧化物含量。
8.权利要求1的一种系统，其中该系统基本上封闭在有吹洗装置的密封室里，分光光度计包括近红外分光光度计。
9.权利要求1的一种系统，其中还包括以流体连通的以下元件的组合A.供样装置(20)；位于依次连接的以下装置的上游B.样品过滤装置(70)；和C.样品温度控制装置(96)；和D.脱气装置(110)；它们全处在以下装置的上游E.分析探头固定装置(130)；连接到以下装置的上游F.样品返回装置(150)。
10.权利要求9的一种系统，其中脱气装置110包括一个脱气器112，它向分析探头室130供入脱过气的液流，并输出一个第二液流114，该液流中含有要取样的输入气流中夹带的基本上所有气泡，此第二液流绕着分析探头台座旁路通过，回到取样的液流中。
11.在一个用近红外吸收法分析烃类混合物的系统中，所作的改进包括组合形成以流体连通的以下元件A.位于上游的供样装置；B.样品控温装置；和C.脱气装置；二者均在以下装置的上游D.分析探头台座装置，其中包括适合后色散透反射测量的光学纤维探头，它可以与红外分光光度计连接操作；E.原型注入装置，用来将具有预定性质的至少两种烃类混合物之一自动地和定期地注入该系统中，以便为该系统在一定范围内的校正提供参考标准。F.多个混合物源，它们具有不同的预定性质，并可连接操作，以便向原型注入装置供料。
12.权利要求11的一种系统，其中包括一个分析液体燃料以确定辛烷值的联机系统。
13.权利要求11的一种系统，其中的烃是一种液体燃料，所述的性质包括辛烷值或十六烷值。
14.权利要求9的一种系统，其中的分析探头台座包含一个光学纤维探头。
15.权利要求14的一种系统，其中的光学纤维探头是色散后透反射测量装置。
16.权利要求1的一种系统，其中的分光光度计包括傅里叶变换近红外分光光度计。
17.权利要求1的一种系统，其中的所述性质是一种化学性质。
18.权利要求1的一种系统，其中的所述性质是一种物理性质。
全文摘要
一种设计用来向NIR分析仪提供稳定的汽油样品流的NIR取样系统。优选的结构元件包括一个穿过倒转聚结器移动的温度受控的液流，借此通过顶部物流将气泡除掉。还用高压来减少脱气。可以注入两种或多种原型燃料以便在一定范围内校正该仪器，并在样品分析之前和/或之后验证准确度。
文档编号G01N21/00GK1147854SQ94194696
公开日1997年4月16日 申请日期1994年4月13日 优先权日1993年9月7日
发明者S·M·迈加德, J·H·希金博特姆, J·H·瓦尔克 申请人:埃什兰石油公司