專利名稱：：質(zhì)量速度和面積加權(quán)平均的流體組分取樣器和質(zhì)量流量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是用于獲得具有均勻或不均勻流體組分、速度和溫度曲線的管道中的流體組分和質(zhì)量流動速率的實時精確測量值的取樣方法和裝置。本發(fā)明包含對所有流體的取樣，所述流體包含氣體、氣溶膠、微粒、液體和其組合。
背景技術(shù)：
：在運行中獲得具有均勻或不均勻氣體速度、組分、溫度曲線、漩渦和渦流的管道中的氣溶膠和氣體的實時精確測量值的問題是普通的問題。簡單地將單點氣體取樣探針插入具有未知特征的管道中僅對一個位置中的流體組分進行取樣，所述位置并不代表管道中的整個流動場。最大的誤差一般歸因于燃燒應(yīng)用(例如，在大型燃煤鍋爐中)中可容易地變化五倍的速度、變化三倍的組分和變化50%的溫度。在此實例中，過量氧氣和一氧化碳的測量值是控制燃燒和改進發(fā)電廠效率的關(guān)鍵參數(shù)。來自所有過程的微粒的排放的測量值對于污染控制非常重要。本發(fā)明還可用于測量微粒。申請者知道以下參考，其涉及對管道中流動的流體的取樣和測量。專利案號發(fā)明人2,523,721Russell等人2,614,423Carbons4,115,229Capons4,290,315Gronberg6,164,142Dimeff6,642,720Maylotte等人6,843,104Busch6,862,915Staphanos等人2003/018,586Orieskie等人Russell等人揭示--種在將氣態(tài)燃料傳送到加熱腔室之前對其進行分析的設(shè)備。在受控條件下收集樣本并使其燃燒。分析燃燒產(chǎn)物。Carbone揭示測量穿過管道的越過管道的橫截面積的流體流。沖擊壓力與靜態(tài)壓力之間的平均總差分致動一測量和記錄計量機構(gòu)。Capone揭示一種用于分析爆炸性混合物的氣體分析器。校正回路流動線路用于將樣本帶動經(jīng)過氣體感測元件，并回到普通的入口-出口腔室。Groberg揭示一種用于確定管道中的差分壓力和體積流體流的設(shè)備。存在一種具備用于感測壓力的一系列端口的管回路。Dimeff揭示一種空氣流動測量裝置，其給空氣流提供受限的孔，并測量壓力降以確定流動速率。Maylotte等人揭示一種用于測量氣體流的選定特性的無線傳感器組合件。Busch揭示一種用于測量流動的氣體混合物中的氣態(tài)組成的系統(tǒng)。在檢測個別氣體組成的傳感器檢測氣體混合物之前，流中的混合裝置使氣體混合物均勻。Staphanoes等人揭示一種用于測量排出氣流中的氣體組成的濃度的燃燒氣體分析器。Orieskie等人揭示一種具有自平均孔板的過程流動裝置。由差分壓力過程測量流的體積速率。所有這些參考都沒有揭示一種使用將流體樣本流引導(dǎo)到歧管的一個或一個以上取樣噴嘴，在所述歧管中可根據(jù)特性與管道中的流體相同的較小的流體樣本流來分析管道流體的流動速率和組分的方法，也沒有揭示一種彼此獨立地收集樣本流，并收集代表探針中的每個噴嘴或孔處的流體組分和管道質(zhì)量流動速率的乘積的樣本的方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種多點自平均的質(zhì)量速度和流動面積加權(quán)的取樣方法，以用于測量管道中的流體組分和管道中的質(zhì)量流動速率。根據(jù)本發(fā)明的教示，揭示一種用于測量具有均勻或不均勻的組分、速度和溫度曲線的管道中的流體及微粒組分和流動速率的取樣裝置。所述取樣裝置具有取樣回路，所述取樣回路具有安裝在所述管道的壁上的至少一個探針，且至少一個噴嘴安裝在所述至少一個探針上并從所述至少一個探針向外延伸。至少一個取樣噴嘴在所述管道內(nèi)經(jīng)定向而面向所述流中，其中所述管道中的壓力迫使樣本通過所述至少一個噴嘴，進入連接到所述至少一個取樣噴嘴的樣本收集歧管。提供一種構(gòu)件以將所述樣本收集歧管內(nèi)的靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)為等于所述管道內(nèi)的靜態(tài)壓力。組分測量腔室連接到所述樣本收集歧管。流體組分分析器連接到所述組分測量腔室，其中針對每個所需組成來分析樣本，進而提供代表管道中的流的流體組分。質(zhì)量流量計連接到所述組分測量腔室，其中測量所述組分測量腔室中的流動速率。此外，所述質(zhì)量流量計通過靜態(tài)壓力端口連接到所述管道。流動速率乘以每個所需組成的所述流體組分的乘積提供質(zhì)量速度加權(quán)的流體組分。此外，根據(jù)本發(fā)明的教示，揭示一種用于測量具有均勻或不均勻的組分、速度和溫度曲線的管道中的流體組分和流動速率的取樣裝置。所述取樣裝置具有多個取樣噴嘴，其越過所述管道的橫截面積而設(shè)置。每個取樣噴嘴與樣本收集歧管連通。壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件與樣本收集歧管連通。組分測量腔室連接到所述樣本收集歧管。氣體分析器連接到所述組分測量腔室。用于測量流動速率的構(gòu)件連接到所述樣本收集歧管。以此方式，來自管道的流體在取樣噴嘴中被收集，并被引導(dǎo)到樣本收集歧管中。所述樣本收集歧管中的靜態(tài)壓力被調(diào)節(jié)為等于所述管道中的靜態(tài)壓力。分析所述組分測量腔室中的流體的組分和流動速率。此外，根據(jù)本發(fā)明的教示，揭示一種用于獲得在管道中流動的流體的樣本的方法，所述流體具有均勻或不均勻的流體組分、速度和溫度曲線。至少一個探針安裝在所述管道中。至少一個取樣噴嘴安裝在所述至少一個探針上，并從所述探針向外延伸。所述至少一個取樣噴嘴放置在所述管道中，在取樣點處面向所述流中，進而在所述至少一個取樣噴嘴內(nèi)產(chǎn)生具有質(zhì)量速度的流體流。所述流體流與管道中在取樣點處的質(zhì)量速度成線性比例。流體流被引導(dǎo)到樣本收集歧管中，其中形成處于靜態(tài)壓力下的樣本流，其氣體組分特性與管道中的流體相同。所述樣本收集歧管中的靜態(tài)壓力被調(diào)節(jié)為等于所述管道中的靜態(tài)壓力。從所述樣本收集歧管將流體流引導(dǎo)到組分測量腔室中。使用氣體分析器測量所述組分測量腔室中的流體的組分。使用質(zhì)量流動速率計測量所述組分測量腔室中的流體的流動速率。來自流動速率計的流體通過靜態(tài)壓力點被引導(dǎo)回到管道中。通過閱讀結(jié)合所附圖式獲得的以下說明書，將明白本發(fā)明的這些和其它目的。圖1是本發(fā)明的樣本回路的圖。圖2是取樣探針的俯視圖。圖3是沿著圖2的線3-3截取的橫截面圖。圖4是沿著圖3的線4-4截取的橫截面圖。圖5是展示本發(fā)明的操作特征的圖表。圖6是展示斜度和偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的圖表。具體實施例方式操作原理圖1展示用于單個取樣探針組合件的取樣回路的優(yōu)選實施例的簡化圖。需要若干此類探針組合件來用于大型管道。每個探針具有位于管道10中的相等流動面積的質(zhì)心處的樣本噴嘴。由速度、溫度和流體組分曲線的不均勻特性的嚴(yán)重性來確定樣本噴嘴和探針的數(shù)目。取樣探針12由一個或一個以上樣本噴嘴14組成，所述一個或一個以上樣本噴嘴14連接到樣本噴嘴收集歧管16，其中取樣的流混合并流動通過微粒分析器38(如果需要的話)、微粒過濾器18(如果需要的話)、流體組分測量腔室20、流體分析器32、34、任何其它測量裝置、質(zhì)量流量計22和真空泵24或等效裝置。樣本噴嘴收集歧管16具有與內(nèi)壁齊平安裝的靜態(tài)壓力端口26。平均管道靜態(tài)壓力端口28位于取樣探針的外壁的表面上。優(yōu)選實施例利用交叉流動中圓形管上的壓力分布，如此，管道靜態(tài)壓力在圓形圓柱體上的流動停滯點的兩側(cè)上以約35。的角度發(fā)生。管道靜態(tài)壓力端口28用于獲得平均的管道靜態(tài)壓力。此方法在輸送管中存在漩渦和非軸向流體速度分量的情況下提供非常良好的平均靜態(tài)壓力。在圖2中展示用于兩噴嘴取樣系統(tǒng)的取樣探針12的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡化圖?；靖拍钍鞘褂霉艿乐械牧黧w的動態(tài)壓力來迫使質(zhì)量速度成比例的樣本流入每個噴嘴中。在樣本噴嘴收集歧管16中將來自每個噴嘴的樣本流收集在一起，并進行混合，且接著流入圖1中所描繪的樣本回路。以下術(shù)語適用于圖2。M=MA+MB=探針、噴嘴A和B的總質(zhì)量流MA=pAVA2XA二通過噴嘴A的質(zhì)量流MB=pBVB2XA-通過噴嘴B的質(zhì)量流VA2是噴嘴A處的樣本噴嘴速度VB2是噴嘴B處的樣本噴嘴速度AN=每個流的噴嘴的面積=Tid2/4(1=樣本噴嘴內(nèi)部直徑D=樣本收集歧管的I.D.D〉〉d9=圓形圓柱體上的來自停滯點的靜態(tài)壓力端口角度p八二噴嘴A處的流體密度pB二噴嘴B處的流體密度Ca,Cb二噴嘴A、B處的流體濃度TA,TB二噴嘴A、B處的流體溫度PSA1=噴嘴A處的管道煙囪壓力PSB1=噴嘴B處的管道煙囪壓力&32=噴嘴A入口處的壓力PsBr噴嘴B入口處的壓力PSM=樣本噴嘴收集歧管的靜態(tài)壓力gc=32.15ft/sec2圖3是兩噴嘴樣本探針的圖式(包含所有變量的定義)。應(yīng)用伯努利方程，流體流線在噴嘴A處的總壓力為方程1:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>驅(qū)動樣本流進入樣本噴嘴和樣本歧管的有效壓力差為:方程2:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>如果Va2二0，那么不可發(fā)生流動，且裝置充當(dāng)全壓管(PitotTube)，并響應(yīng)于樣本噴嘴收集歧管16中的平均壓力。為了進行取樣，需要噴嘴速度VA2與局部管道質(zhì)量速度Va!成比例。穿過噴嘴并進入樣本噴嘴收集歧管16的樣本流取決于樣本噴嘴收集歧管靜態(tài)壓力(PSM)的壓力。因此，應(yīng)用以下方程方禾<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>v42當(dāng)樣本回路"短路"時，出現(xiàn)最大的樣本流動速率。如果迫使PSA2—PSM等于0，那么顯然VA1=VA2且系統(tǒng)是自驅(qū)動成線性比例的取樣器；然而，存在由樣本噴嘴引起的壓力降。方程中展示此壓力降A(chǔ)Pn:方程4:2&其中CD是噴嘴壓力降系數(shù)。必須通過從方程3的右手側(cè)減去此壓力降，來說明此壓力降，如下所示:方程5:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>如果我們設(shè)定psa2—PSM=0<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>方程6:方程6證實所述方法可提供與局部管道速度直接成比例的樣本噴嘴速度。因此，如果將樣本噴嘴收集歧管中的靜態(tài)壓力維持為等于管道靜態(tài)壓力，那么樣本噴嘴速度VA2將與局部管道速度(VA1)成比例。實際上，例如，對于氣體，Va2是Vm的約90%。由摩擦、彎曲、接頭、閥、微粒過濾器、氣體組分分析器、質(zhì)量流量計引起額外的樣本回路壓力降，且將很大程度上影響本發(fā)明的性能，因為樣本噴嘴歧管靜態(tài)壓力將上升高于管道靜態(tài)壓力，且促使樣本速率降低；且噴嘴速度將不與局部管道速度成比例，因此，不符合所需的平均流體濃度或總的輸送管質(zhì)量流動速率。對此問題的解決方案以及本發(fā)明的本質(zhì)是使用真空泵24或其它合適的裝置來抵消任何樣本回路壓力降，以便獲得方程6中給出的相同結(jié)果。所述其它裝置可以是噴射器、風(fēng)扇、吹風(fēng)機或所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它裝置。通過符合標(biāo)準(zhǔn)，每個噴嘴的算子將獨立于其它噴嘴，這是對于質(zhì)量速度加權(quán)的組分測量的必需條件。此情形通過使用主動控制系統(tǒng)30來實現(xiàn)，其中差分壓力變送器42測量樣本噴嘴收集歧管靜態(tài)壓力端口26與管道靜態(tài)壓力端口28之間的差值，并控制真空泵24(或其它裝置)來增加或降低樣本噴嘴收集歧管靜態(tài)壓力，借此抵消樣本回路中的任何壓力降。通過使用方程5且并入任何額外的樣本回路壓力降A(chǔ)P，可展示本發(fā)明解決了壓力降干擾問題方程7:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>AP:PSM-PSA，樣本噴嘴收集靜態(tài)壓力歧管與管道靜態(tài)壓力之間的差值，如先前所定義。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>接著2&2&使得:方程8:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>這給出與方程5相同的結(jié)果，其核實主動靜態(tài)壓力控制器特征對于獲得真實質(zhì)量速度加權(quán)的流體組分和質(zhì)量流動速率測量值來說是必要的，且是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。操作特征圖5展示本發(fā)明的操作特征?？v坐標(biāo)PsA2—PsM是噴嘴A的入口處的壓力與樣本收集歧管靜態(tài)壓力(PSM)之間的差值。橫坐標(biāo)(VA2)是樣本噴嘴中的速度。圖5是先前描述的方程8的圖。本發(fā)明有四個操作模式1)質(zhì)量速度成比例的取樣模式2)欠取樣模式3)過取樣模式4)全壓管速度模式A)質(zhì)量速度成比例的取樣模式此模式使用主動控制系統(tǒng)，借助真空泵24或其它裝置將樣本歧管靜態(tài)壓力維持為等于管道靜態(tài)壓力。此模式的操作點在圖5上標(biāo)記為A。這確保在樣本噴嘴14之間沒有流循環(huán)，且各個樣本流彼此獨立。流體組分在每個樣本噴嘴處經(jīng)質(zhì)量速度加權(quán)，且樣本噴嘴收集歧管16中收集的所有樣本輸入的混合物代表所有流體組成的真實質(zhì)量速度和管道流面積加權(quán)的樣本。對于氣體來說，樣本噴嘴中的速度是局部管道速度的約90%，且總的樣本流是理想的樣本流的約卯％?？梢詫嶒灧绞酱_定速度比，使得知道此比值、管道的流面積、樣本流速率和總的樣本噴嘴面積，可在整個操作范圍上精確獲得管道的總的質(zhì)量流動速率。由于噴嘴設(shè)計的緣故(圖6)，優(yōu)選實施例中的樣本噴嘴對漩渦和非軸向輸送管速度分量并不敏感。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>此優(yōu)選實施例的本質(zhì)特征在于，假設(shè)樣本歧管靜態(tài)壓力和管道靜態(tài)壓力彼此相等，那么由流體組分分析器32、34、微粒過濾器18、樣本質(zhì)量流量計22和樣本回路10中的任何其它壓力降引起裝置產(chǎn)生的壓力降可得以消除。這是針對干凈或較臟流體的所有情形的優(yōu)選實施例。B)欠取樣模式在圖5上標(biāo)記為B的操作范圍位于圖5上標(biāo)記為D的全壓管速度模式與圖5上標(biāo)記為A的質(zhì)量速度成比例取樣模式之間。樣本噴嘴收集歧管靜態(tài)壓力高于管道靜態(tài)壓力，使得樣本速率與質(zhì)量速度成比例模式相比是較低且不正確的。將不會正確地對管道的較低速度區(qū)域進行取樣，且在噴嘴之間將出現(xiàn)流循環(huán)，使得來自每個噴嘴的樣本流不再彼此獨立，而其彼此獨立是本發(fā)明的必需條件。樣本回路中的壓力降影響此模式。此模式僅可用于其中樣本回路壓力降非常小且隨時間恒定的特定應(yīng)用。C)過取樣模式在此模式中，樣本歧管靜態(tài)壓力遠小于管道靜態(tài)壓力，使得由于真空泵24或其它裝置的緣故而實現(xiàn)較大的樣本流動速率。存在特殊的條件，其中主動控制系統(tǒng)可在圖5上標(biāo)記為C的平均等動力的條件下(噴嘴速度等于局部管道速度)操作樣本系統(tǒng)，但不是所有的樣本噴嘴都是等動力的，而且也不彼此獨立。樣本未經(jīng)質(zhì)量加權(quán)。D)全壓管速度模式此模式在圖5上被標(biāo)記為D。樣本噴嘴收集歧管16被關(guān)閉，所以樣本流動速率為零。此模式操作如同平均差分壓力減去管道靜態(tài)壓力的多點全壓管。由于樣本噴嘴之間的內(nèi)部循環(huán)，這些裝置不給出精確的平均速度讀數(shù)，除非速度曲線非常均勻。此模式不是取樣模式，且包含在本揭示案中僅用以展示本發(fā)明方法和裝置的完整操作特征。質(zhì)量流測量方法可根據(jù)適當(dāng)?shù)匚挥诠艿乐胁⑹褂脙?yōu)選實施例的一個或一個以上取樣組合件的質(zhì)量流動速率來確定管道的總的質(zhì)量流動速率。樣本噴嘴速度與管道速度的比值是樣本噴嘴壓力降系數(shù)(Cd)的函數(shù)，如方程6中所示。針對圖3的兩噴嘴取樣實例所描繪的一個取樣組合件的管道的總的質(zhì)量流是方程9:Z~糾MT-總的樣本質(zhì)量流動速率CD二是以實驗方式確定的噴嘴壓力降系數(shù)MA-通過噴嘴A的質(zhì)量流動速率Me二通過噴嘴B的質(zhì)量流動速率A^管道的流面積AN=每個噴嘴的面積非軸向管道速度的影響已測試若干噴嘴設(shè)計以找出用以產(chǎn)生最大樣本流動速率以獲得最低的噴嘴壓力降并具有良好的斜度和偏轉(zhuǎn)特性的最佳形狀。理想的響應(yīng)是噴嘴對于速度向量的斜度角和偏轉(zhuǎn)角具有"余弦"響應(yīng)。已測試許多噴嘴形狀，包含圓形入口、尖邊緣噴嘴入口、內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)呈錐形的噴嘴入口，以及在探針中而不是在噴嘴中的孔。優(yōu)選實施例是在突出進入流動流中的噴嘴尖端處具有圓形入口的恒定直徑噴嘴。優(yōu)選實施例是具有較高的樣本噴嘴速度和斜度及偏轉(zhuǎn)特征與污垢積聚之間的良好折衷。當(dāng)使用突出的噴嘴時，已發(fā)現(xiàn)通過使噴嘴尖端從探針表面延伸一個或兩個直徑，可獲得更佳的斜度和偏轉(zhuǎn)性能。這歸因于以下事實圓管探針結(jié)構(gòu)周圍的壓力分布隨著角度非?？焖俚刈兓?，且當(dāng)使用具有延伸尖端的噴嘴時，其受探針結(jié)構(gòu)影響較少。圖6展示與理想余弦響應(yīng)相比的優(yōu)選實施例的斜度和偏轉(zhuǎn)響應(yīng)數(shù)據(jù)。這個響應(yīng)比本發(fā)明者所知的大多數(shù)其它流體取樣裝置好得多。唯一精確的取樣模式是上文所述的質(zhì)量速度成比例的取樣模式，但本發(fā)明包含其它操作模式。其在每個噴嘴處產(chǎn)生獨立的樣本速率，補償樣本回路中的所有壓力降，具有良好的離軸速度響應(yīng)特征，且在較廣范圍的流體速度、流體組分、溫度、壓力和較臟流體中針對平均的流體組分和管道質(zhì)量流動速率以氣動方式執(zhí)行和提供數(shù)學(xué)上正確的流體組分方程。優(yōu)選實施例的描述圖1展示展示本發(fā)明的系統(tǒng)的圖。本發(fā)明是質(zhì)量速度加權(quán)的取樣探針，且用于獲得用于分析器的真實代表性的樣本。根據(jù)正確定義真實濃度平均值的以下方程，本發(fā)明以氣動方式執(zhí)行質(zhì)量速度和面積平均。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中Ci是流體成分/的管道中的質(zhì)量速度和面積平均濃度，6c,;0是流體密度，76c,是流體速度，且C6c，jO;是成分/的濃度。如圖1中所示，安裝探針12，其垂直延伸進入其中將進行測量的管道、通風(fēng)孔、輸送管或煙閨10。優(yōu)選的是，多個探針12用于對導(dǎo)管面積有效地取樣。每個探針12位于管道內(nèi)的相等流動面積位置的質(zhì)心處。至少一個，且優(yōu)選為多個取樣噴嘴14安裝在每個探針12上。所述噴嘴從探針向外延伸。取樣噴嘴14經(jīng)定向以使得流體在管道內(nèi)的流動被引導(dǎo)到噴嘴中的開口中。此開口與樣本噴嘴收集歧管16連通。由管道中的速度、溫度和流體濃度曲線的不均勻特性的程度確定探針12和取樣噴嘴14的數(shù)目。優(yōu)選的是，多個探針和噴嘴布置在管道的橫截面積上。因此，在管道內(nèi)面向流的相等面積處放置至少一個取樣噴嘴14，每個面積具有與管道中的流體的局部質(zhì)量速度成線性比例的質(zhì)量速度，使得來自所有噴嘴的所得的流動速率代表管道中的氣溶膠和氣體的真實代表性樣本。此樣本流過微粒分析器38(如果使用的話)、微粒過濾器18(如果使用的話)、流體組分測量腔室20、管線內(nèi)質(zhì)量流量計22，通過真空泵24(或其它合適的裝置)，且排回到管道10，因此完成樣本回路。樣本回路的質(zhì)量速率與正被測量的管道的面積的質(zhì)量流動速率成比例?？墒褂靡粋€或一個以上此類多點取樣探針組合件，以獲得整個管道的平均流體濃度和質(zhì)量流動速率。每個取樣探針的質(zhì)量流動速率和濃度流體組成的乘積的和除以取樣探針組合件的數(shù)目，提供了正被測量的每個組成的質(zhì)量速度加權(quán)的平均濃度。所有系統(tǒng)的平均質(zhì)量流動速率乘以管道的總面積乘以與局部管道速度相比的噴嘴速度，提供了管道中的精確且可重復(fù)的質(zhì)量流動速率，如先前在本揭示案的操作原理部分中所描述。眾所周知，管道中的彎管、障礙物和面積變化引起漩渦、渦流和非軸向流體速度向量。優(yōu)選實施例的取樣噴嘴14的形狀提供對管道中的速度的斜度角和偏轉(zhuǎn)角的良好響應(yīng)(與圖6中的理想余弦響應(yīng)相比)。本發(fā)明的重要應(yīng)用是用于測量并控制礦物燃料發(fā)電廠中的燃燒過程。需要對過量氧氣和一氧化碳的精確測量以優(yōu)化效率。眾所周知，飛塵在燃煤發(fā)電廠中是一個主要問題。對于此類較臟的應(yīng)用，優(yōu)選實施例包含樣本回路中的微粒過濾器18。所述過濾器在樣本流體進入流體組分測量腔室20和質(zhì)量流量計22之前清潔所述樣本流體。通過主動靜態(tài)壓力控制30實施例消除所有樣本回路壓力降。通過與樣本噴嘴收集歧管16串聯(lián)放置并位于微粒過濾器18上游的微粒分析器38測量管道10中的微粒的濃度。在需要時，可通過在微粒過濾器18的上游或下游放置與樣本噴嘴收集歧管16串聯(lián)的適當(dāng)分析器來實現(xiàn)對任何其它流體特性的檢測。主動靜態(tài)壓力控制系統(tǒng)30使用差分壓力變送器42來測量樣本噴嘴收集歧管壓力端口26與管道靜態(tài)壓力端口28之間的差值，并控制真空泵24(或其它合適的裝置)以使此差值等于零。主動靜態(tài)壓力控制系統(tǒng)30構(gòu)成本發(fā)明的實質(zhì)部分。圖4展示取樣探針和管道靜態(tài)壓力端口的橫截面。質(zhì)量流量計22位于圖1中所示的樣本回路處。優(yōu)選實施例是具有低壓力降和高流動減弱性能的管線內(nèi)熱質(zhì)量流量計。圖1中所示的本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例是用于較臟流體應(yīng)用的空氣凈化清潔控制器36。其使用壓縮空氣"吹出"罐，所述壓縮空氣流過加熱器(如果需要的話)，以清潔微粒過濾器18、樣本噴嘴收集歧管16、樣本噴嘴14、樣本噴嘴歧管靜態(tài)壓力端口26和管道靜態(tài)壓力端口28。具有收集的污垢的清潔空氣被排到管道。在探針12的末端上安裝有閥40，其在啟動清潔循環(huán)時打開，且允許積聚的污垢離開進入管道10。控制閥44用于將凈化空氣引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)慕M件中，并將經(jīng)凈化的空氣排放到管道。優(yōu)選實施例利用流體分析器測量腔室20，其實質(zhì)上是一個管子，其中樣本氣體在一端流進，且在另一端流出，進入質(zhì)量流量計22。流體組分分析器32、34是原位儀器，其通常被插入管道中。還可以使用提取性氣體分析，其類似于通過直接從樣本回路中提取樣本而進行的用于USEPACEM煙囪監(jiān)控器的氣體分析。顯然，在不脫離本發(fā)明的基本精神的情況下可作出許多修改。因此，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以不同于本文明確描述的方式實施本發(fā)明。權(quán)利要求1.一種取樣裝置，其用于在管道中測量具有均勻或不均勻組分、速度和溫度曲線的流體和微粒組分以及流動速率，所述取樣裝置包括取樣回路，其具有安裝在所述管道的壁上的至少一個探針，且至少一個噴嘴安裝在所述至少一個探針上并從所述至少一個探針向外延伸，在所述管道中存在靜態(tài)壓力，所述至少一個取樣噴嘴在所述管道內(nèi)經(jīng)定向而面向所述流中，其中所述管道中的所述靜態(tài)壓力迫使樣本通過所述至少一個噴嘴，進入連接到所述至少一個取樣噴嘴的樣本收集歧管中，在所述樣本收集歧管內(nèi)存在靜態(tài)壓力，將所述樣本收集歧管內(nèi)的所述靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)為等于所述管道內(nèi)的所述靜態(tài)壓力的構(gòu)件，組分測量腔室，其連接到所述樣本收集歧管，流體組分分析器連接到所述組分測量腔室，其中針對每個所需組成來分析樣本，進而提供代表所述管道中的所述流的流體組分，質(zhì)量流量計，其連接到所述組分測量腔室，其中測量所述組分測量腔室中的所述流動速率，所述質(zhì)量流量計進一步通過靜態(tài)壓力端口連接到所述管道，使得所述流動速率乘以每個所需組成的所述流體組分的乘積提供質(zhì)量速度加權(quán)的流體組分。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其中所述所需組成是氧氣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其中所述所需組成是一氧化碳。4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的取樣裝置，其進一步具有自動清潔系統(tǒng)，所述自動清潔系統(tǒng)設(shè)置在所述樣本收集歧管中以用于清潔微粒物質(zhì)，所述自動清潔系統(tǒng)清潔所述至少一個取樣噴嘴、所述樣本收集歧管和所述質(zhì)量流動速率變送器，并通過所述靜態(tài)壓力端口將所述微粒物質(zhì)排放到所述管道中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其中所述所需組成是從由美國環(huán)境保護局識別的流體污染物中選出的流體污染物。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其中所述樣本收集歧管內(nèi)的用以調(diào)節(jié)所述壓力的所述構(gòu)件是從由真空泵、噴射器、風(fēng)扇和吹風(fēng)機組成的群組中選出。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的取樣裝置，其中氣溶膠/粒子分析器和微粒過濾器連接在所述組分測量腔室與所述組分測量腔室之間，其中可分析氣溶膠和粒子，并可從所述取樣回路中移除微粒。8.—種取樣裝置，其用于在管道中測量具有不均勻組分、速度和溫度曲線的流體組分和流動速率，所述取樣裝置包括多個取樣噴嘴，其越過所述管道的橫截面積而設(shè)置，每個取樣噴嘴與樣本收集歧管連通，壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件，其與所述樣本收集歧管連通，組分測量腔室連接到所述樣本收集歧管，氣體分析器，其連接到所述組分測量腔室，用于測量流動速率的構(gòu)件，其連接到所述樣本收集歧管，其中，來自所述管道的流體收集在所述取樣噴嘴中且被引導(dǎo)到所述樣本收集歧管中，所述樣本收集歧管中的靜態(tài)壓力被調(diào)節(jié)為等于所述管道中的靜態(tài)壓力，分析所述組分測量腔室中的所述流體的組分和流動速率。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中所述多個噴嘴安裝在至少一個取樣探針上，每個噴嘴從所述至少一個探針向外延伸，進入所述管道中的即將到來的流體中。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中每個噴嘴具有一直徑，且所述噴嘴從所述至少一個探針向外延伸一長度，所述長度是所述噴嘴的所述直徑的一到兩倍。11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中所述壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件是真空源。12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中所述壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件是風(fēng)扇。13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中所述壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件是噴射器。14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的取樣裝置，其中控制構(gòu)件連接到所述壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件。15.—種用于取得在管道中流動的流體的樣本的方法，所述流體具有一流體組分、速度和溫度曲線，所述方法包括以下步驟提供安裝在所述管道中的至少一個探針，提供安裝在所述至少一個探針上并從所述探針向外延伸的至少一個取樣噴嘴，將所述至少一個取樣噴嘴放置在所述管道中，在取樣點處面向所述流中，進而在所述至少一個取樣噴嘴內(nèi)產(chǎn)生具有一質(zhì)量速度的流體流，所述流體流與所述管道中的所述取樣點處的質(zhì)量速度成線性比例，將所述流體流引導(dǎo)到樣本收集歧管中，其中處于靜態(tài)壓力的樣本流形成為具有與所述管道中的所述流體相同的氣體組分特性，所述管道中的所述流體處于靜態(tài)壓力，將所述樣本收集歧管內(nèi)的所述靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)為等于所述管道中的所述靜態(tài)壓力，將來自所述樣本收集歧管的所述流體流引導(dǎo)到組分測量腔室中，使用氣體分析器測量所述組分測量腔室中的所述流體的所述組分，使用質(zhì)量流動速率計測量所述組分測量腔室中的所述流體的所述流動速率，以及將來自所述流動速率計的所述流體通過靜態(tài)壓力點引導(dǎo)回所述管道中。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進一步包括以下步驟提供過濾器，并將所述過濾器連接在所述取樣噴嘴與所述取樣收集歧管之間，測量所述管道中的所述靜態(tài)壓力，測量所述取樣收集歧管中的所述靜態(tài)壓力，提供流動控制線路和控制閥，調(diào)節(jié)所述樣本收集歧管中的所述靜態(tài)壓力，以獲得所述管道中的所述靜態(tài)壓力與所述取樣收集歧管中的所述靜態(tài)壓力之間的零差值。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其由以下方程表達-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>射PSM是第一噴嘴的管道壓力，PSA2是第二噴嘴的管道壓力，pVA1是所述第一噴嘴處的管道質(zhì)量速度，pVA2是所述第二噴嘴處的管道質(zhì)量速度，gc是引力常數(shù)Cd是阻力系數(shù)。18.—種取樣裝置，其用于在管道中測量具有均勻或不均勻組分、速度和溫度曲線的流體和微粒組分以及流動速率，所述取樣裝置包括取樣回路，其具有安裝在所述管道的壁上的至少一個探針，且所述至少一個探針中形成至少一個孔，所述至少一個孔在所述管道內(nèi)經(jīng)定向而面向所述流中，其中所述管道中的壓力迫使樣本通過所述至少一個孔，進入連接到所述至少一個孔的樣本收集歧管，在所述管道內(nèi)存在第一靜態(tài)壓力，且在所述樣本收集歧管內(nèi)存在第二靜態(tài)壓力，將所述樣本收集歧管內(nèi)的所述靜態(tài)壓力調(diào)節(jié)為等于所述管道內(nèi)的所述靜態(tài)壓力的構(gòu)件，組分測量腔室，其連接到所述樣本收集歧管，流體組分分析器連接到所述組分測量腔室，其中針對每個所需組成來分析樣本，進而提供代表所述管道中的所述流的流體組分，質(zhì)量流量計，其連接到所述組分測量腔室，其中測量所述組分測量腔室中的所述流動速率，所述質(zhì)量流量計進一步通過靜態(tài)壓力端口連接到所述管道，使得所述流動速率乘以每個所需組成的所述流體組分的乘積提供質(zhì)量速度加權(quán)的流體組分。全文摘要一種用于與具有至少一個取樣噴嘴或樣本孔的流體管道一起使用的取樣裝置和方法。將收集到的樣本引導(dǎo)到歧管，在所述歧管處進行分析并測量流動速率。將取樣的流體返回到所述管道。靜態(tài)壓力控制系統(tǒng)使用真空泵或其它裝置來使所述樣本噴嘴收集歧管的靜態(tài)壓力與所述管道的靜態(tài)壓力均衡，以達成質(zhì)量速度和面積加權(quán)的平均的流體組分和質(zhì)量流動速率。文檔編號G01F1/34GK101238357SQ200680022098公開日2008年8月6日申請日期2006年6月21日優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日發(fā)明者杰爾姆·L·庫爾茨申請人:洛斯羅布萊斯廣告公司