ПОНИЖАЮЩИЙ КОНЦЕНТРАЦИЮ ПРОБООТБОРНИК И СПОСОБ ОТБОРА И ПОНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВОЙ ПРОБЫ Российский патент 2011 года по МПК G01N1/22 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к слежению и мониторингу выбросов, создаваемых различными процессами сгорания, такими, которые происходят, например в реакторах тепловых электростанций или двигателях автомобилей. Изобретение относится к понижающему концентрацию пробоотборнику для отбора газовой пробы, находящейся при температуре, существенно более высокой, чем нормальная температура, из пространства выборки. Изобретение также относится к способу отбора пробы вышеупомянутого вида из пространства выборки и понижения ее концентрации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В ОБЛАСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Количество и качество газов и частиц, освобождающихся в процессах сгорания, анализируются различными путями как из-за правил охраны окружающей среды, так и в целях регулирования этих процессов. С точки зрения анализа с процессами сгорания связаны некоторые опознавательные характеристики, из которых одной из наиболее важных является температура. Например, внутренняя температура вытяжной трубы электростанции около реактора может быть более тысячи градусов Цельсия. Кроме того, в трубе могут протекать множество различных частиц и даже сильно коррозионные вещества. Введение сложной чувствительной электронной измерительной аппаратуры в такие условия практически невозможно из-за стойкости материалов, не говоря о том, что частицы и другие материалы очень быстро собираются на всех поверхностях и засоряют устройства. Обычно анализ частиц и газов основывается на взятии пробы и ее транспортировке, как правило, в охлажденном и разбавленном виде для проведения анализа вне процесса, применительно к которому проводятся измерения.

При взятии пробы очень важно, чтобы проба охлаждалась и "гасилась" как можно скорее после ее взятия из процесса. В результате различных химических и физических явлений молекулы и частицы пробы, которые должны свободно выводиться из процесса, например, вдоль простой стальной трубки, имеют тенденцию изменяться, когда температура падает, и газ получает возможность входить в свободный контакт с постепенно охлаждающимися стенками трубы. Здесь термин "гашение" в целом относится к остановке химических и физических процессов, таких как эти. Гашение достигается путем смешивания пробы, например, с охлажденным азотом или с каким-либо другим инертным газом. В то же время пробу разбавляют, чтобы она подходила для анализа.

Для взятия пробы, где проба вводится из выборочного пространства в пробоотборник и разбавляется как можно ближе к выборочному пространству, перед тем как ввести ее дальше в анализатор, известно несколько решений. Типичный пробоотборник в качестве наиболее удаленной части содержит наконечник, который выступает в выборочное пространство и через который поток пробы вводится в пробоотборник. Наконечник может быть простым, возможно, в виде металлической трубки, согнутой с приобретением криволинейной формы. За наконечником пробоотборник обычно имеет часть для понижения концентрации, содержащую канал для пробы, образованный пористой стенкой, причем канал для пробы окружен пространством для разбавляющего газа, образованным непроницаемой стенкой. Разбавляющий газ вводится в пространство для разбавляющего газа при поддержании в этом пространстве давления, более высокого, чем в канале для пробы. Разность давлений заставляет разбавляющий газ течь через пористую стенку в пространство для пробы, таким образом разбавляя и охлаждая пробу. На периферии пространства для разбавляющего газа может также быть расположено пространство для охлаждающего агента для регулировки температуры разбавляющего газа по желанию.

Эти конструкции имеют один очень важный недостаток. Разбавляющий газ, который холоднее, чем проба, и, в особенности, стенки канала для пробы и пространства для разбавителя, прикрепленные своими концами к наконечнику, охлаждают металлическую трубку наконечника вблизи отверстия, расположенного на стороне понижающей концентрацию части. Внутренняя поверхность металлической трубки, которая холоднее, чем проба, действует как эффективная подложка для конденсации газов и накопления частиц. Материал, остающийся на такой более холодной поверхности, означает потери составляющих, которые нужно исследовать в пробе, результатом чего является ошибка анализа. С другой стороны, материал, который был аккумулирован на холодной поверхности, может в некоторый более поздний момент при более высокой температуре вновь отделиться, таким образом, вызывая искаженные результаты при анализе пробы. Описанное явление тем сильнее, чем выше разница температур между выборочным пространством и разбавляющим газом. Заполненное жидкостью пространство для охлаждающего агента, возможно, включенное в пробоотборник и окружающее пространство для разбавляющего газа, увеличивает описанное охлаждение еще больше. В типичных решениях ситуация также частично ухудшается разбавляющим газом, который ударяется о поток пробы перпендикулярно сбоку, причем завихрение потока пробы, вызванное разбавляющим газом, добавляет к возможностям горячего газа пробы вступление в контакт, в начале понижающей концентрацию части, со стенкой канала для пробы, которая холоднее, чем проба. В этом случае существует риск конденсации веществ из пробы, помимо наконечника, также в стенке канала для пробы.

Одно известное решение, аналогичное описанному выше, представлено в патентной публикации США №6021678 А. Основные проблемы здесь те же, что в других известных решениях. В этом решении также разбавляющий газ, например, вводится перпендикулярно сбоку в канал для пробы, служащий в качестве продолжения наконечника и имеющий внутренний диаметр одинакового с ним размера. Таким образом, неизбежно существует завихрение в начале канала для пробы. Так как в этом случае невозможно эффективно предотвратить вступление пробы в контакт со стенкой холодного канала для пробы, в указанной публикации описано, как в устройстве предпочтительно разбавляющий газ, который нужно ввести в пространство для разбавляющего газа, поддерживается при более высокой температуре, чем температура конденсации. Вопреки тому, что обычно стараются сделать, здесь не пытаются охладить пробу быстро после взятия из выборочного пространства, а сохраняют ее при высокой температуре. Это легко ведет к проблемам с изменениями в пробе, как описано выше. Однако в нескольких решениях охлаждение является необходимым перед анализом, так что решение только откладывает проблемы, связанные с охлаждением, не решая их. Нагревание разбавляющего газа также делает оборудование более сложным.

Из патентной публикации США 2005/0236040 известно решение, в котором канал для пробы, проходящий в разбавитель, окружен концентрическим, наподобие рубашки, защитным газовым каналом, в который вводится горячий инертный газ. Таким образом, проба вводится в указанную часть так, что она окружена горячим защитным газом. Для того чтобы поток пробы и стенка канала для пробы поддерживались при температуре выборочного пространства на всем пути к разбавителю, защитный газовый канал должен начинаться уже на стороне выборочного пространства. Создание устройства с защитным газовым каналом со всеми необходимыми клапанами и нагревателями является очень сложным и дорогим решением. Кроме того, чем выше температура выборочного пространства, тем труднее на практике поддерживать высокую температуру пробы и защитного газа на всем пути от выборочного пространства к разбавителю.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения состоит в том, чтобы смягчить недостатки, упомянутые выше. Одна конкретная цель изобретения состоит в создании нового понижающего концентрацию пробоотборника, простого по конструкции и эффективно предотвращающего потери материала пробы. Также цель изобретения состоит в создании нового способа отбора и разбавления газовой пробы, который также эффективно предотвращает потери материала пробы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предложенный понижающий концентрацию пробоотборник характеризуется признаками, представленными в п.1 формулы изобретения. Предложенный способ, в свою очередь, характеризуется признаками, представленными в п.8 формулы изобретения.

Предложенный понижающий концентрацию пробоотборник для отбора из выборочного пространства газовой пробы, находящейся при температуре более высокой, чем нормальная температура, содержит, прежде всего, трубку для взятия пробы, имеющую первый конец для направления потока пробы в указанную трубку, а также второй конец. Нормальная температура означает базовую температуру 20°С (293 К), известную, например, в газовой промышленности. Газовая проба относится обычно к пробам, состоящим из газов, которые могут, однако, содержать как частицы, так и капли жидкости. Выборочное пространство может быть, например, трубой реактора электростанции или каналом для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, пробоотборник включает разбавляющее приспособление для приема потока пробы из указанного второго конца трубки для взятия пробы и для разбавления пробы до требуемой концентрации.

Разбавляющее приспособление включает трубчатую, газопроницаемую первую рубашку, образующую канал для пробы, в который выходит второй конец трубки для взятия пробы. Разбавляющее приспособление также включает вторую трубчатую рубашку, непроницаемую для газа, которая окружает первую рубашку и образует между собой и первой рубашкой пространство для разбавляющего газа, который вводится через первую рубашку в канал для пробы. Вторая рубашка прикреплена к трубке для взятия пробы своим концом, расположенным на стороне этой трубки, в первом соединительном месте. Газопроницаемая рубашка может состоять, например, из металла, обработанного методом спекания или другим методом для получения пористой структуры. При введении в пространство для разбавляющего газа нужного разбавляющего газа, например азота, и, в то же время поддерживая в пространстве для разбавляющего газа давление, которое выше, чем давление в канале для пробы, разбавляющий газ вынужден течь через пористую стенку в канал для пробы и смешиваться с пробой. Помимо разбавляющего действия инертный разбавляющий газ, существенно более холодный, чем проба, охлаждает и "гасит" пробу, т.е. прекращает химические и физические процессы, которые изменяют состав пробы.

Подобно известным устройствам этот пробоотборник может предпочтительно быть так установлен, что разбавляющее приспособление на конце, расположенном на стороне трубки для взятия пробы, проходит в выборочное пространство. Таким образом, тепло может переходить из выборочного пространства в пространство для разбавляющего газа, в результате чего нагревается разбавляющий газ. Таким образом, при нагревании первоначально холодного разбавляющего газа вблизи того конца пространства для разбавляющего газа, который расположен на стороне трубки для взятия проб, охлаждение второго конца трубки для взятия проб, который расположен на стороне разбавляющего приспособления, уменьшается до некоторой степени, и, таким образом, потери материала пробы также уменьшаются. При использовании тепловой энергии, содержащейся в выборочном пространстве, для нагревания пробоотборник не нуждается в сложном нагревательном средстве, что вызвало бы дополнительные расходы.

Согласно изобретению внешний диаметр второго конца трубки для взятия пробы меньше, чем внутренний диаметр первой рубашки, и указанный второй конец трубки для взятия пробы проходит в первую рубашку на второе расстояние от первого соединительного места для направления разбавляющего газа с образованием по существу ламинарного защитного потока, расположенного продольно по отношению к каналу для пробы и окружающего поток пробы. Здесь и далее термин "расстояние" используется для обозначения расстояния в продольном направлении канала для пробы. Так как внешний диаметр трубки для взятия пробы меньше, чем внутренний диаметр канала для пробы, между той частью трубки для взятия пробы, которая проходит в канал для пробы, и первой рубашкой, которая образует канал для пробы, остается свободное пространство. Благодаря влиянию стенки трубки для взятия пробы разбавляющий газ, который входит в это свободное пространство через газопроницаемую первую рубашку и который подогрет тепловой энергией, переданной из выборочного пространства, направляется так, что он окружает поток пробы, выходящий из трубки для взятия пробы в канал для пробы, так что он образует, по существу, ламинарный поток, расположенный параллельно потоку пробы. Таким образом, в разбавляющем приспособлении согласно изобретению поток пробы вводится в канал для пробы внутри защитного потока с более высокой температурой, чем начальная температура разбавляющего газа, и он не входит в контакт со стенкой канала для пробы в начале разбавляющего приспособления. Сначала поток пробы смешивается с подогретым разбавляющим газом, прежде чем встретиться с холодным разбавляющим газом. Использование ламинарного защитного потока эффективно устраняет завихрение потока пробы прямо в начале канала для пробы, которое заставило бы пробу вступать в контакт с холодной поверхностью первой рубашки. Кроме того, конструкция может быть выполнена так, что холодная первая рубашка не находится в непосредственном контакте с трубкой для взятия пробы, а крепится к ней через вторую рубашку, нагретую от выборочного пространства. Это, со своей стороны, эффективно уменьшает охлаждение стенки трубки для взятия пробы.

В одном предпочтительном варианте изобретения разбавляющее приспособление также содержит третью газонепроницаемую рубашку, окружающую вторую рубашку и образующую между второй рубашкой и третьей рубашкой пространство для охлаждающего агента, предназначенное для охлаждения разбавляющего газа охлаждающим агентом, который должен вводиться в пространство для охлаждающего агента, причем этим агентом может быть жидкость или газ. Своим концом, расположенным на стороне трубки для взятия пробы, третья рубашка прикреплена ко второй рубашке во втором соединительном месте. Соединение для передачи тепла между выборочным пространством и пространством для разбавляющего газа, которое должно быть выполнено с обеспечением вхождения в выборочное пространство, выполнено в этом варианте выполнения так, что второе соединительное место между третьей рубашкой, образующей пространство для охлаждающего агента, и второй рубашкой, окружающей пространство для разбавляющего газа, расположено на первом расстоянии, которое предпочтительно имеет, по меньшей мере, такой же размер, что и указанное второе расстояние, от первого соединительного места между второй рубашкой и трубкой для взятия пробы. В то время как в известных пробоотборниках пространство для охлаждающего агента обычно проходит на всю длину пространства для разбавляющего газа, в этом варианте выполнения вторая рубашка и пространство для разбавляющего газа, образованное рубашкой, выступают из внутренней области третьей рубашки на расстояние, соответствующее указанному первому расстоянию. Свободная часть этой второй рубашки, не окруженная третьей рубашкой и пространством для охлаждающего агента, находится в прямом контакте с выборочным пространством. В этом случае тепло может эффективно переходить из выборочного пространства во вторую рубашку и далее в разбавляющий газ в пространстве для разбавляющего газа.

Передача тепла может быть увеличена, например, посредством теплопередающих ребер, прикрепленных ко второй рубашке и добавленных к металлической поверхности, находящейся в связи с выборочным пространством. Также можно использовать, например, металлические стержни или подобные теплопередающие элементы, которые проходят из выборочного пространства через вторую рубашку в пространство для разбавляющего газа и хорошо проводят тепло. Когда первое расстояние имеет, по меньшей мере, размер второго расстояния, теплопередающее соединение проходит в разбавляющую часть, по меньшей мере, до трубки для взятия пробы. Это сделано для того, чтобы обеспечить нагревание разбавляющего газа на достаточно длинном расстоянии, чтобы предотвратить охлаждение части, проходящей в канал для пробы всей трубки для взятия пробы.

В одном предпочтительном варианте изобретения трубка для взятия пробы вблизи второго конца снабжена дросселирующим средством, чтобы увеличить скорость потока пробы. Термин «дросселирующее средство» используется для обозначения сужения внутреннего диаметра трубки для взятия пробы. Ускорение потока пробы обеспечивает то, что проба вводится с достаточной скоростью непосредственно внутрь канала для пробы в виде ламинарного потока, окруженного указанным защитным потоком, так что проба не остается вращающейся в горловине трубки для взятия пробы.

В одном варианте изобретения предупреждение образования холодных поверхностей, которые действуют как подложки для аккумулирования материала пробы, усиливается тем фактом, что трубка для взятия пробы имеет тепловой изолятор, расположенный вблизи второго конца и проходящий на некоторое расстояние от первого соединительного места с обеих его сторон. Тот факт, что тепловой изолятор проходит по указанному первому соединительному месту с обеих его сторон, является важным, потому что обычно металлическая вторая рубашка, которая хорошо проводит тепло, действует как эффективный теплоотвод, охлаждающий трубку для взятия пробы.

Кроме того, пробоотборник может естественно также содержать, например, насос для всасывания потока пробы в пробоотборник, а также различные другие каналы и клапаны для подачи разбавляющего газа и охлаждающего агента в пространство для разбавляющего газа и пространство для охлаждающего агента. Пробоотборник может, кроме того, содержать средства крепления, предназначенные для крепления пробоотборника к стене выборочного пространства. При анализе процесса в начальной фазе процесса сгорания, когда все выборочное пространство еще не прогрелось до своей конечной температуры и нагревание разбавляющего газа не находится в самой эффективной точке, могут быть также нагревательные средства вблизи трубки для взятия пробы и соединительного места разбавляющего приспособления для нагревания разбавляющего газа и/или трубки для взятия пробы. Нагревательный хомут, устроенный по окружности трубки для взятия пробы или по окружности первой рубашки, может действовать как нагревательное средство этого типа.

Материал трубки для взятия пробы, которая входит непосредственно в выборочное пространство, содержащее горячий газ пробы, должен состоять из нескольких металлических смесей, которые остаются неизменными предпочтительно даже при температурах 1200-1400°С, так что из них не выделяется никакое вещество. Таким образом, трубка для взятия пробы предпочтительно изготовляется, например, из аустенитной нержавеющей стали, которая выдерживает высокие температуры. Одна предпочтительная сталь этого типа содержит 0,08% углерода, 21% хрома, 11% никеля, а также кремний, азот и церий. В промышленном виде эта сталь известна под фирменным наименованием Sandvik 253 МА. Кроме трубки для взятия пробы, из соответствующего материала, который подходит для высоких температур, предпочтительно выполняются также части разбавляющего приспособления.

Специалисту будет понятно, что размеры частей пробоотборника зависят, в первую очередь, от интенсивности и скорости потока, необходимых для анализатора, а также от требуемого коэффициента разбавления пробы. С другой стороны, на размеры также влияет разница температур между выборочным пространством и разбавляющим газом. При поиске подходящих размеров можно использовать, например, моделирование. В одном предпочтительном варианте изобретения внешний диаметр второго конца трубки для взятия пробы составляет около 10 мм, внутренний диаметр газопроницаемой первой рубашки составляет около 15-20 мм, указанное первое расстояние составляет около 20 мм и второе расстояние между вторым концом трубки для взятия пробы и первым соединительным местом составляет около 10-15 мм. При практических испытаниях было установлено, что такие размеры значительно уменьшают потери материала пробы по сравнению с известными пробоотборниками.

В предложенном способе отбора из выборочного пространства газовой пробы, находящейся при температуре, существенно более высокой, чем нормальная температура, и разбавления пробы поток пробы забирают в трубку для взятия пробы и вводят из этой трубки в канал для пробы, образованный первой газопроницаемой рубашкой. В этом способе также разбавляющий газ вводят в пространство для разбавляющего газа, образованное второй рубашкой, окружающей указанную первую рубашку и прикрепленной своим концом к трубке для взятия пробы, и от нее далее, через указанную газопроницаемую первую рубашку, в указанный канал для пробы. Предпочтительно в качестве разбавляющего газа используют некоторый инертный газ, находящийся при температуре, существенно более высокой, чем нормальная температура, причем газ, будучи смешан с пробой, дает возможность быстро охладить пробу и остановить процессы обмена, влияющие на ее состав. Разбавляющим газом может быть, например азот.

Кроме того, в этом способе тепло передают от выборочного пространства в пространство для разбавляющего газа для подогрева разбавляющего газа, который вступает в контакт с трубкой для взятия пробы. Передача тепла может быть осуществлена так, что на заданном протяжении вторую рубашку на конце, находящемся на стороне трубки для взятия пробы, размещают в прямом контакте с выборочным пространством. Нагревание разбавляющего газа вблизи конца пространства для разбавляющего газа уменьшает охлаждение трубки для взятия пробы и, таким образом, уменьшает накопление материала пробы на холодной поверхности. Когда для нагревания используется тепловая энергия выборочного пространства, не требуется подачи тепловой энергии извне, что делает решение очень простым и выгодным.

Согласно изобретению в этом способе из подогретого разбавляющего газа создают по существу ламинарный защитный поток, расположенный параллельно потоку пробы и окружающий поток пробы, который выпускается из трубки для взятия пробы в канал для пробы. Направление подогретого разбавляющего газа может быть осуществлено, например, путем введения конца трубки для взятия пробы, который меньше, чем канал для пробы, в канал для пробы на протяжении заданного расстояния. Введение потока пробы в канал для пробы, под защитой потока разбавляющего газа, образованного из подогретого разбавляющего газа, значительно уменьшает как охлаждение второго конца трубки для взятия пробы, т.е. конца, который расположен на одной стороне с разбавляющим приспособлением, так и завихрение потока пробы в начале разбавляющего приспособления, которое привело бы к тому, что поток пробы вступал бы в контакт со стенкой канала для пробы, которая холоднее, чем проба. Это минимизирует конденсацию материалов и частиц пробы на стенках трубки для взятия пробы и канала для пробы.

В одном варианте выполнения изобретения поток пробы ускоряют в трубке для взятия пробы вблизи ее конца, который расположен на стороне разбавляющего приспособления. Это обеспечивает быстрое введение потока пробы в канал для пробы внутри разбавляющего приспособления, что, в свою очередь, предотвращает завихрение потока пробы в начале канала для пробы.

В одном варианте выполнения изобретения предупреждение создания холодных поверхностей, кроме того, усиливают тем, что предотвращают передачу тепла от трубки для взятия пробы во вторую рубашку, присоединенную к ней. Это может быть осуществлено, например, посредством теплового изолятора, расположенного в трубке для взятия пробы и проходящего в ее конце, который находится на стороне разбавляющего приспособления, за указанное первое соединительное место.

Изобретение обеспечивает значительные усовершенствования по сравнению с известными пробоотборниками и известными способами взятия проб. Изобретение обеспечивает возможность взятия проб из процессов, протекающих при очень высоких температурах, таких как более чем 1000°С, с существенно меньшими потерями материала по сравнению с известными решениями. Предложенные решения являются также очень простыми, они не требуют внешних средств подачи тепла для подогрева разбавляющего газа.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ

В следующей части изобретение объяснено подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, где

фиг.1 иллюстрирует конструкцию типичного известного пробоотборника;

фиг.2 иллюстрирует конструкцию предложенного пробоотборника;

фиг.3 иллюстрирует результаты измерений пробоотборников, показанных

на фиг.1 и 2, и

фиг.4 иллюстрирует предложенный способ.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Чтобы обеспечить сравнение, соответствующие части пробоотборников 100, 101 на фиг.1 (уровень техники) и фиг.2 (изобретение) обозначены одинаковыми номерами позиций. Пробоотборники 100, 101, представленные на чертежах в разрезе, установлены так, что они проходят в выборочное пространство 2 и по ним протекает газовая проба. Следующее объяснение касается обоих пробоотборников 100, 101 в соответствующих случаях. Пробоотборник 100, 101 включает трубку 3 для взятия пробы, имеющую первый конец 4, выходящий в выборочное пространство 2, и второй конец 5. Вблизи первого конца 4 трубка 3 согнута так, что она параллельна газовому потоку выборочного пространства, чтобы облегчить введение пробы в эту трубку. Пробоотборник 100, 101 также содержит разбавляющее приспособление 6, предназначенное для приема потока пробы из трубки 3 и для разбавления пробы. Разбавляющее приспособление 6 имеет трубчатую пористую первую рубашку 7, внутри которой находится канал 8 для пробы, в который выходит второй конец трубки для взятия пробы. Первая рубашка окружена по существу концентрической трубчатой второй рубашкой 9, непроницаемой для газа и ограничивающей пространство 10 для разбавляющего газа, которое окружает канал для пробы. Вторая рубашка 9, в свою очередь, окружена по существу концентрической трубчатой третьей рубашкой 12, непроницаемой для газа, внутри которой находится пространство 13 для охлаждающего агента, окружающее вторую рубашку. Вторая рубашка непроницаемо прикреплена к трубке для взятия пробы в первом соединительном месте 11, а третья рубашка прикреплена ко второй рубашке во втором соединительном месте 14. В пробоотборнике 100, показанном на фиг.1, на его конце, первая рубашка 7 прикреплена к трубке 3, а в пробоотборнике 101, показанном на фиг.2, - ко второй рубашке 9. На фиг.1 и 2 соединительное средство между пробоотборниками 100, 101 и стенкой 17 выборочного пространства, а также каналы, клапаны и насосы, необходимые в заполнении пространств 10, 13 для разбавляющего газа и охлаждающего агента, не показаны, так как они известны специалистам и имеют второстепенную важность по отношению к основному содержанию изобретения. Насос, возможно необходимый для всасывания потока пробы в пробоотборник, также не показан.

Основные особенности работы пробоотборников 100, 101 описаны вкратце ниже. Когда горячая проба вводится как непрерывный поток, например, путем всасывания с использованием насоса, в трубку 3 через ее первый конец 4 и далее в канал 8 для пробы, инертный разбавляющий газ, такой как азот, который существенно холоднее, чем проба, вводится в то же самое время в пространство 10 для разбавляющего газа. Путем поддержания в пространстве 10 давления, более высокого, чем давление в канале 8, разбавляющий газ вынужден течь через первую пористую рубашку 7 в канал 8 для пробы и смешиваться с потоком пробы. Таким образом, путем быстрого смешивания пробы с холодным инертным разбавляющим газом, кроме того, путем регулировки необходимой концентрации, достигается окончание химических и физических процессов, которые изменяют пробу. Это обеспечивает то, что разбавленная и охлажденная проба, которая будет окончательно введена в анализатор, соответствует условиями выборочного пространства, по отношению к его составу. Пробоотборник 100, показанный на фиг.1, имеет, однако, очень значительный недостаток, который ухудшает надежность результатов. Выборочное пространство может иметь температуру в сотни и даже свыше тысячи градусов Цельсия. Естественно, трубка 3, расположенная в выборочном пространстве, имеет тенденцию нагреваться до этой температуры выборочного пространства. Однако разбавляющий газ, а также вторая рубашка, прикрепленная к трубке для взятия пробы в первом соединительном месте и окружающая разбавляющий газ, которые оба холоднее, чем проба, вызывают то, что трубка для взятия пробы имеет тенденцию охлаждаться около второго конца 5. Охлаждающий эффект также усиливается пространством 13 для охлаждающего агента, окружающим пространство 10 для разбавляющего газа, а также третьей рубашкой 12, окружающей пространство для охлаждающего агента и хорошо проводящей тепло. Внутренняя поверхность трубки для взятия пробы, которая холоднее, чем проба, действует как подложка для аккумулирования и конденсации частиц и газов пробы. Кроме того, в результате завихрения, вызванного разбавляющим газом, который течет в пробу непосредственно сбоку, проба может вступать в контакт с холодной первой рубашкой 7 в начале канала для пробы. Материал, который аккумулируется на холодных поверхностях, искажает результаты анализа разбавленной пробы.

В предложенном пробоотборнике, показанном на фиг.2, второе соединительное место 14 между третьей рубашкой 12 и второй рубашкой 9 в продольном направлении канала 8 для пробы расположено на первом расстоянии s1 от первого соединительного места 11 между второй рубашкой 9 и трубкой 3 для взятия пробы. Таким образом, вторая рубашка 9, окружающая пространство 10 для разбавляющего газа, находится в прямом контакте с выборочным пространством 2 на протяжении, соответствующем указанному первому расстоянию. В этом случае вдоль указанной длины, тепло передается из выборочного пространства 2 через вторую рубашку 9 в разбавляющий газ, находящийся в пространстве 10. Естественно, нагревание разбавляющего газа и второй рубашки уменьшает охлаждение трубки 3. Кроме того, внешний диаметр d1 трубки для взятия пробы на ее втором конце 5 меньше, чем внутренний диаметр d2 первой рубашки 7, которая образует канал 8 для пробы, и трубка для взятия пробы проходит в первую рубашку 7 на второе расстояние s2 от первого соединительного места 11. Благодаря влиянию трубки 3 для взятия пробы подогретый разбавляющий газ, текущий из пространства 10 для разбавляющего газа в пространство, находящееся между второй рубашкой 9 и частью трубки 3 для взятия пробы, которая проходит во вторую рубашку, направляется с образованием защитного потока, расположенного параллельно каналу 8 для пробы и окружающего поток пробы, выпускаемый из трубки 3. Этот защитный поток предотвращает в начале канала 8 для пробы вступление пробы в контакт с внутренней поверхностью первой рубашки 7, которая холоднее, чем проба. Чтобы обеспечить это, второй конец 5 трубки 3 снабжен дросселирующим средством 15, в котором скорость потока пробы возрастает, прежде чем попасть в канал 8 для пробы. Поскольку независимо от нагревания температура разбавляющего газа, который течет в канал 8 для пробы, вблизи того его конца, который расположен на стороне трубки 3, а также температура второй рубашки 9 могут быть несколько ниже, чем температура пробы, второй конец 5 трубки для взятия пробы, показанный на чертеже, снабжен тепловым изолятором 16, который проходит от второго конца трубки для взятия пробы, мимо первого соединительного места 11 между трубкой 3 и второй рубашкой 9, для предотвращения охлаждения внутренней поверхности трубки для взятия пробы. Трубка 3, относящаяся к пробоотборнику 101, показанному на фиг.2, и рубашки разбавляющего приспособления 6 выполнены из нержавеющей стали Sandvik 253 МА, которая выдерживает высокие температуры. Внешний диаметр d1 второго конца 5 трубки 3 составляет около 10 мм, внутренний диаметр d2 газопроницаемой первой рубашки составляет около 15 мм, первое расстояние s1 составляет около 20 мм и второе расстояние s2 между вторым концом 5 трубки для взятия пробы и первого соединительного места 11 составляет около 10 мм. Однако эти размеры не являются единственно функциональными размерами, а могут изменяться, например, в зависимости от интенсивности потока, требуемого для анализатора, и требуемого коэффициента разбавления.

Графики на фиг.3 иллюстрируют преимущества, которые могут быть приобретены при использовании предложенного пробоотборника по сравнению с известными устройствами. Графики представляют измерения, выполненные одним и тем же анализатором частиц на базе выхлопных газов двигателя автобуса. При одном измерении использовали промышленный пробоотборник, напоминающий в общих чертах пробоотборник, показанный на фиг.1, а при другом измерении использовали предложенный пробоотборник, который по существу похож на пробоотборник, показанный на фиг.2. Двигатель был типа DH-10 Euro Volvo. Температура выхлопных газов была около 300°С. В качестве разбавляющего газа использовали воздух при температуре около 25°С. Горизонтальная ось координатной системы представляет размер частиц, а вертикальная ось - количество частиц, обнаруженных измерительным устройством Dekati ELPI. Количество и распределение частиц были измерены с интервалами в секунду и на основании этих результатов были получены средние значения за 10 секунд, показанные на графике. Например, при использовании промышленного пробоотборника были определены частицы, имеющие диаметр меньше чем 0,04 мкм, которые составили меньше чем 4% от той величины, которая была обнаружена при использовании пробоотборника согласно изобретению. Как известно, образование "холодных" поверхностей на пробоотборнике тем легче, чем больше разница температур между пробой и разбавляющим газом; разница в числе частиц с более высокой температурой пробы может быть даже больше. При увеличении размера частиц относительная разница становится меньше, что находится в согласии с фактом, что аккумуляция частиц на холодных поверхностях, как известно, будет тем легче, чем меньше частицы. Графики на фиг.3 являются ясным указанием на значительное улучшение, которого можно достигнуть при помощи предложенного пробоотборника, в отборе и разбавлении газовых проб с высокими температурами.

Предложенный способ, проиллюстрированный на фиг.4, не состоит из последовательных фаз, следующих друг за другом, а является постоянной процедурой, где все фазы, представленные на чертеже, продолжаются по существу одновременно в течение всего времени, когда отбирается проба. Что касается пробы и, с одной стороны, также разбавляющего газа, различные фазы, однако, следуют друг за другом в соответствии с блок-схемой на фиг.4. Прежде всего, в указанном способе поток пробы собирают в трубку для отбора пробы и направляют далее в канал для пробы, образованный пористой рубашкой. С другой стороны, в этом способе разбавляющий газ вводят в пространство для разбавляющего газа, окружающее канал для пробы. Также тепло передают от выборочного пространства в пространство для разбавляющего газа для подогревания разбавляющего газа вблизи второго конца, расположенного на стороне трубки для взятия пробы. Из пространства для разбавляющего газа разбавляющий газ вводят через указанную пористую рубашку в канал для пробы. Из подогретого разбавляющего газа создают ламинарный защитный поток, окружающий поток пробы, выпускаемый из трубки для взятия пробы в канал для пробы. И наконец, пробу, которая была введена в канал для пробы внутри защитного потока, смешивают с холодным разбавляющим газом в канале для пробы. Способ дает возможность эффективно разбавлять и охлаждать пробу без того, чтобы она в значительной степени оседала на поверхностях оборудования для взятия пробы, что исказило бы результат анализа.

Следует заметить, что изобретение не ограничивается только примерами вариантов, приведенными выше, и специалисту будет понятно, что возможны многие модификации в пределах объема изобретения, определенного формулой изобретения.

Группа изобретений относится к понижающему концентрацию пробоотборнику, предназначенному для отбора из выборочного пространства газовой пробы, имеющей температуру, по существу превышающую нормальную температуру, и способу отбора пробы из указанного выборочного пространства. Пробоотборник содержит трубку для взятия пробы, имеющую первый конец, через который поток пробы вводится в указанную трубку, и второй конец. Пробоотборник включает разбавляющее приспособление, предназначенное для приема потока пробы из второго конца трубки для взятия пробы и для разбавления пробы. При этом разбавляющее приспособление содержит трубчатую газопроницаемую первую рубашку, образующую канал для пробы, в который выходит второй конец трубки для взятия пробы, и трубчатую газонепроницаемую вторую рубашку, окружающую первую рубашку и образующую между собой и первой рубашкой пространство для разбавляющего газа, вводимого через первую рубашку в канал для пробы. Причем вторая рубашка присоединена своим концом, расположенным на стороне трубки для взятия пробы, к трубке для взятия пробы в первом соединительном месте. При этом внешний диаметр второго конца трубки для взятия пробы меньше, чем внутренний диаметр первой рубашки, а второй конец трубки для взятия пробы выступает в первую рубашку на второе расстояние от первого соединительного места с обеспечением направления разбавляющего газа с образованием по существу ламинарного защитного потока, расположенного продольно по отношению к каналу для пробы и окружающего поток пробы. Способ включает отбор потока пробы в трубку для взятия пробы, направление потока пробы из указанной трубки в канал для пробы, образованный газопроницаемой первой рубашкой. Затем осуществляют введение разбавляющего газа в пространство для разбавляющего газа, образованное второй рубашкой, окружающей первую рубашку и присоединенной своим концом к трубке для взятия пробы, и затем из этого пространства через первую рубашку в канал для пробы. После осуществляют передачу тепла от выборочного пространства в пространство для разбавляющего газа для подогревания разбавляющего газа, который контактирует с трубкой для взятия пробы. Причем из подогретого разбавляющего газа создают по существу ламинарный защитный поток, который окружает поток пробы, выпускаемый из трубки для взятия пробы в канал для пробы, и расположен продольно по отношению к каналу для пробы. Достигаемый при этом технический результат заключается в эффективном предотвращении потерь материала пробы. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Понижающий концентрацию пробоотборник (101), предназначенный для отбора из выборочного пространства (2) газовой пробы, имеющей температуру, по существу, превышающую нормальную температуру, содержащий:
- трубку (3) для взятия пробы, имеющую первый конец (4), через который поток пробы вводится в указанную трубку, и второй конец (5), и
- разбавляющее приспособление (6), предназначенное для приема потока пробы из второго конца (5) трубки для взятия пробы и для разбавления пробы, содержащее:
- трубчатую газопроницаемую первую рубашку (7), образующую канал (8) для пробы, в который выходит второй конец (5) трубки для взятия пробы, и
- трубчатую газонепроницаемую вторую рубашку (9), окружающую первую рубашку (7) и образующую между собой и первой рубашкой пространство (10) для разбавляющего газа, вводимого через первую рубашку в канал для пробы, причем вторая рубашка присоединена своим концом, расположенным на стороне трубки (3) для взятия пробы, к трубке для взятия пробы в первом соединительном месте (11),
отличающийся тем, что
- внешний диаметр (dl) второго конца (5) трубки для взятия пробы меньше, чем внутренний диаметр (62) первой рубашки (7), и
- второй конец (5) трубки для взятия пробы выступает в первую рубашку (7) на второе расстояние (s2) от первого соединительного места (11) с обеспечением направления разбавляющего газа с образованием, по существу, ламинарного защитного потока, расположенного продольно по отношению к каналу для пробы и окружающего поток пробы.

2. Понижающий концентрацию пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что разбавляющее приспособление (6) содержит газонепроницаемую третью рубашку (12), окружающую вторую рубашку (9) и образующую между собой и второй рубашкой пространство (13) для охлаждающего агента, предназначенное для охлаждения разбавляющего газа охлаждающим агентом, вводимым в пространство для охлаждающего агента, причем третья рубашка присоединена своим концом, расположенным на стороне трубки (3) для взятия пробы, ко второй рубашке (9) во втором соединительном месте (14), которое расположено на первом расстоянии (s1) от первого соединительного места (11) в продольном направлении канала (8) для пробы, и первое расстояние предпочтительно имеет, по меньшей мере, размер второго расстояния (s2) для обеспечения соединения с передачей тепла между выборочным пространством (2) и пространством (10) для разбавляющего газа.

3. Понижающий концентрацию пробоотборник (101) по п.1, отличающийся тем, что трубка (3) для взятия пробы вблизи своего второго конца (5) имеет дросселирующее средство (15) для увеличения скорости потока пробы.

4. Понижающий концентрацию пробоотборник (101) по п.1, отличающийся тем, что трубка (3) для взятия пробы содержит тепловой изолятор (16), расположенный вблизи второго конца (5) так, что он проходит на некоторое расстояние от первого соединительного места (11) с обеих его сторон и предназначен для уменьшения охлаждения внутренней поверхности трубки (3) для взятия пробы.

5. Понижающий концентрацию пробоотборник (101) по п.1, отличающийся тем, что трубка (3) для взятия пробы выполнена из термостойкой аустенитной нержавеющей стали.

6. Понижающий концентрацию пробоотборник (101) по п.5, отличающийся тем, что указанная сталь содержит 0,08% углерода, 21% хрома и 11% никеля, а также кремний, азот и церий.

7. Пробоотборник (101) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что внешний диаметр (dl) второго конца (5) трубки для взятия пробы составляет примерно 10 мм, внутренний диаметр (d2) первой рубашки (7) составляет примерно 15-20 мм, первое расстояние (s1) составляет примерно 20 мм, и второе расстояние (s2) составляет примерно 10-15 мм.

8. Способ отбора из выборочного пространства (2) и разбавления газовой пробы, имеющей температуру, по существу, превышающую нормальную температуру, включающий:
- отбор потока пробы в трубку (3) для взятия пробы,
- направление потока пробы из указанной трубки (3) в канал (8) для пробы, образованный газопроницаемой первой рубашкой (7),
- введение разбавляющего газа в пространство (10) для разбавляющего газа, образованное второй рубашкой (9), окружающей первую рубашку и присоединенной своим концом к трубке для взятия пробы, и затем из этого пространства через первую рубашку в канал для пробы, и
- передачу тепла от выборочного пространства (2) в пространство (10) для разбавляющего газа для подогревания разбавляющего газа, который контактирует с трубкой (3) для взятия пробы,
отличающийся тем, что из подогретого разбавляющего газа создают, по существу, ламинарный защитный поток, который окружает поток пробы, выпускаемый из трубки (3) для взятия пробы в канал (8) для пробы, и расположен продольно по отношению к каналу для пробы.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что поток пробы ускоряют в трубке (3) для взятия пробы вблизи ее конца (5), расположенного со стороны канала для пробы.

10. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что уменьшают передачу тепла от трубки (3) для взятия пробы ко второй рубашке (9), присоединенной к ней.