氣體探針的制作方法
【專利說明】氣體探針
[0001] 本申請是申請日為2006年12月8日、名稱為"氣體探針"的第200680052243. 3號 發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002] 本發(fā)明涉及一種用在化學處理容器、管道以及類似地方的改良的溫度計插孔或流 體采樣探針。
[0003] 在使用中必須從管道或大型容器動態(tài)地采集氣體樣本的氣體采樣探針（例如插 入型的）是眾所周知的，但由于待采樣流體的流動性質以及所需的探針長度的原因而存在 許多問題。
[0004] 有許多與用于天然氣管道的溫度計插孔探針和氣體采樣探針相關的問題。例如， 在設計這些探針時，為了滿足安裝機械的要求，可能會造成探針具有大的體積并且產生嚴 重的湍流；而這又不符合采樣要求。因此，這種探針通常存在下面的缺陷：它們具有大的內 部容積，這不符合"實時"分析和環(huán)保理念；它們易于采樣不準確（由于湍流）；以及由于渦 旋脫落（vortex shedding)引起的共振故障而可能導致的探針機械故障。下面更詳細地描 述這三個缺陷。
[0005] 首先，遵循公認的采樣天然氣的指南（諸如ISO 10715 :2001，該標準規(guī)定應從管 道的中1/3處采集樣本），產生了"長"采樣探針。探針不僅必須至少是管道直徑的1/3 (管 道的直徑尺寸通常是2英尺至4英尺/600毫米至1200毫米），而且長度必須足夠來通過分 支三通和凸緣，或者如果允許的話通過"螺紋支管臺（threadolet)"，來連接探針。（一般 地，分支凸緣是優(yōu)選的連接類型）。在很多情況下，由于對可伸縮及可隔離的探針的要求，大 大地或者甚至巨大地增加了氣體采樣探針的長度。在這種情況下，通過三通、閥以及凸緣的 組合來連接探針。
[0006] 其次，需要考慮渦旋脫落的現(xiàn)象以及渦旋脫落的頻率與探針的固有頻率可能會相 同的可能性。如果這兩個頻率相同，那么探針由于共振效應而發(fā)生故障（突然折斷）是非 ?？赡艿?。
[0007] 上述兩點的結合促進了略胖性質的探針設計。（通常，探針具有約25毫米（1英 寸）的外徑）。由于制造管和管子的方法，制造約1英寸（25毫米）外徑、小于1/2英寸 (12. 5毫米）內徑的管，這是不經濟的或不正常的。
[0008] 在氣體采樣探針的情況下，探針的"長"長度與"相對"大的內徑的結合在采樣探 針自身中產生很大的氣體滯留容積。該儲存的氣體通常被稱為"死腔"氣體，并且在來自管 道的真實氣體可以進入分析儀器之前必須被排出或以別的方式處理。在探針中儲存的氣體 或"死腔"氣體的體積由于壓力的作用進一步被增加。對于管道在大氣壓力以上工作的每 巴壓力，那么在探針中氣體的實際（或者正?；驑藴剩w積以該比值增加。例如，如果探針 的內部容積比如是〇. 25升并且管道工作的壓力是40巴，那么在探針內儲存的或"死氣體" 的實際（正?；驑藴剩w積將是大約0. 25X40 = 10升。對于氣體管道來說，經常工作在 80巴或更高的壓力下。
[0009]因此，存在設計一種具有足夠快的響應時間以匹配相關的分析系統(tǒng)的氣體采樣探 針的問題。在這種情況下，在管道中的真實氣體的代表性樣本可存在/引入與采樣探針連 接的分析儀器/樣本筒之前，大量的氣體必須被移出通道以外（被排出）。這種排氣方法可 能對環(huán)境非常有害。
[0010] 對于使用管子或管，替代方案可以是使用一個具有沿中心鉆有小孔的實心桿。但 是，沿著通常比如是0. 3至2. 0米的不銹鋼桿的長度，鉆出2、3、4、5毫米直徑的孔或更大 的孔，是不容易或成本不低的工作。另外，這種鉆孔的表面拋光的質量難于控制，這將本身 的問題帶給了天然氣的代表性采樣，特別是對于具有更高碳氫化合物和易反應組分的天然 氣。
[0011] 最后，將這種大突起件引入流動氣體中產生很大的湍流，該湍流同樣也可以立刻 改變氣體的組分?？赡苄纬商細浠衔镄∫旱?，類似于經常在飛機后面看到的白色霧化尾 跡（除了在飛機的情況下，它是水滴而不是碳氫化合）。這些小滴不僅改變氣相組分，而且 有可能立刻吸收諸如硫化氫的易反應組分。因而，針對氣體采樣空間中的點（實際上在采 樣探針的尖端或入口處管道中的點）上，需要進行各種努力來減少湍流。
[0012] 本發(fā)明的一個目的是減小氣體采樣探針的內部容積。本發(fā)明的另一個目的是最小 化或消除由使用這種探針引起的渦旋脫落。本發(fā)明的又一個目的是在采樣點最小化湍流。
[0013] 在一方面，本發(fā)明提供一種氣體采樣探針，包括一個具有入口端和出口端的細長 主管狀件以及一個容納在所述主管狀件內部的采樣管；所述采樣管從所述入口端延伸到所 述出口端；其中該采樣管的橫截面面積為0.1 mm2至30mm2。
[0014] 在另一方面，本發(fā)明提供一種氣體采樣探針，包括一個具有入口端和出口端的細 長主管狀件以及一個容納在所述主管狀件內部的采樣管；所述采樣管從所述入口端延伸到 所述出口端；其中該主體具有至少一個螺旋翼片，該螺旋翼片連接并纏繞到所述主管狀件 的外表面，或者被整體成形為該主管狀件的一部分。雖然不是關鍵性的，但翼片的厚度優(yōu)選 地在0. 00?至0. 2D的范圍內；其中D是主管狀件的直徑。翼片的深度優(yōu)選地在0. 0?至 0. 2?的范圍內；其中D是主管狀件的直徑。
[0015] 優(yōu)選地，氣體采樣探針包括一個容納在所述主管狀件內部的采樣管；所述采樣管 從所述入口端延伸到所述出口端；其中該采樣管的橫截面面積為〇. Irnm2至30_ 2。
[0016] 在上述兩個方面，優(yōu)選地該采樣管的內表面具有0. 8 μ以下的平均粗糙度（RA)的 表面粗糙度。優(yōu)選地，該采樣管的內表面由電拋光處理過，以減小表面粗糙度?？梢杂免g化 方法進一步處理該采樣管的內表面以減小表面活度，該鈍化方法例如硅基化學氣相沉積方 法，其中iee/?或者Sulf inert?涂層是具體的實例。氣體采樣探針也可以利用 不銹鋼來制造。
[0017] 優(yōu)選地，該氣體采樣探針還包括一個具有光滑彎曲外表面的端件，該端件位于入 口端并被構形為在該采樣管的外表面和該主管件的內表面之間提供密封；該彎曲外表面可 以主要對應于通過繞該采樣管和/或管狀件的中心軸線旋轉一個光滑曲線而形成的表面。 該彎曲外表面可以由部分的橢圓面、部分的懸鏈曲面、部分的劈錐曲面或部分的旋轉拋物 面形成。優(yōu)選地，該光滑外表面具有〇. 4 μ RA以下的表面粗糙度。可以用鈍化方法進一步處 理該光滑外表面以減小表面活度以及顆粒堆積，該鈍化方法諸如硅基化學氣相沉積方法， 其中-AC是一個具體的實例。
[0018] 在另一方面，本發(fā)明提供一種氣體采樣探針，包括一個具有入口端和出口端的細 長主管狀件；其中該主體具有至少一個螺旋翼片。該翼片可以連接并纏繞到所述主管狀件 的外表面，或者可以與該主管狀件整體成形。
[0019] 當然，添加該螺旋翼片消除了由于固有頻率因素增加厚度和質量的需要，但是翼 片本身是有結構的并且可以被考慮來減小由于速度等產生的順向負載而引起的應力，這本 身可能/可以減少氣體采樣探針的質量。優(yōu)選地該探針還包括一個容納在所述主管狀件內 部的采樣管；所述采樣管從所述入口端延伸到所述出口端。
[0020] 優(yōu)選地，該采樣探針具有一個半球狀入口端。該采樣探針的流體入口可以位于該 探針的入口端的表面上，其中表面條件是受控的。采樣管可以貫穿探針的整個長度。優(yōu)選 地，螺旋翼片被設置在探針的外部，該螺旋翼片在使用中位于流動氣流之內。
[0021] 優(yōu)選地，該采樣管的內孔進行特殊的表面處理，諸如電拋光和/或為了要求高的 分析條件而進行iee/?或者Sulfinert?的表面涂層。
[0022] 優(yōu)選地，具有受控表面條件的半球狀端用-AC表面涂層進行處 理。
[0023] 在另一方面，本發(fā)明提供一種氣體采樣探針，包括一個具有入口端和出口端的細 長主管狀件；其中該主體具有至少一個螺旋翼片。該翼片可以連接和纏繞到所述主管狀件 的外表面，或可以與該主管狀件整體成形。優(yōu)選地，該探針還包括一個容納在所述主管狀件 內的采樣管；所述采樣管從所述入口端延伸到所述出口端。
[0024] 優(yōu)選地，該氣體采樣探針包括一個容納在所述主管狀件內部的采樣管；所述采樣 管從所述入口端延伸到所述出口端；其中該采樣