刘 斌

（福陆（中国）工程建设有限公司，浙江杭州 310000）

工艺生产过程中分析仪的种类有很多，比如酸碱度（pH）分析仪、电导率分析仪、溶解氧分析仪、氧气分析仪、烟气分析仪、水分仪等，每种分析仪分析的组分不一样，并且所需要的环境也不一样，但是分析仪的共同点在于分析仪一般比较脆弱，对于环境的要求比较苛刻，每种分析仪有各自适用的环境，还有各自的禁忌，如果没有对其工作原理或者适用工况进行学习研究，无法得到想要测量的结果，甚至可能导致分析仪表的损坏，造成损失，甚至会引发连锁反应，产生严重的生产事故。

在工业生产或者化工装置中，酸碱度分析或者pH分析，在很多场合都有应用，无论是精细化工或者食品行业，还是电力行业与污水处理等都有非常广泛的应用，能够直接反映控制的效果，生产过程的稳定性、可行性，直观反映生产过程是否正常有效进行，在很多的过程中，酸碱分析扮演着重要的角色。

酸碱度（pH）的测量一般分为在线测量（In-line）和离线测量（On-line），根据不同的生产过程，为了能够满足生产工艺实际的工况，需要对实际的工艺过程进行分析从而选择合适的测量方案，既保证生产成本的降低，也能保证后期维护的方便，更能保证测量的可用性。

1 在线测量

在线测量，更直观的说法就是仪表直接安装在工艺管线上进行测量（如图1中左侧部分显示），这种安装相对比较简单，仪表直接安装在管道上即可。

图1 在线测量

上述仪表的测量方案有一定的条件限制：

1）受限于目前测量元件的限制，此种仪表不能安装在工艺介质压力很高的场合，一般情况下需要保证管道内压力在0.1MPa以下，可以选择上述仪表，但是如果管道压力较高的情况下，测量元件无法承受较高的压力，元件就会遭到无法逆转的损坏，导致无法使用。

2）如此选型还要考虑到流体介质温度的影响，温度同样是限制使用的条件，目前按照主流产品的规格，在100℃以下，仪表本身还能承受，如果温度高于100℃，仪表元件无法承受，仪表就会损坏无法使用。

2 方案设计

针对上面的情况，如果能够保证所测介质的温度能够满足仪表本身的使用温度，仅仅是压力超出了仪表的使用条件的限制，仅需要对介质进行降压，降到仪表所能承受的压力范围，更进一步，虽然每种仪表或者电极都有工厂推荐的最大使用条件，但是对于工业生产设计而言，不能仅满足仪表的最大使用工况就可以，为了能够让仪表使用寿命更长以及使用效果更好，在允许的范围内，要将仪表工作在一个最灵敏的条件下，所以可以将压力尽可能地降到一个较小的工况，这样仪表探头能够更加稳定。

通常情况下，会在工艺管线上设置一个旁路（如图1中右侧部分显示），然后在旁路上增加降压孔板，通过降压孔板，将工艺介质的压力降到所需的一个范围，保证仪表的正常运行。

注意：

1）流体介质温度不能高于测量仪表所推荐的一个温度范围。

2）需要考虑旁路的取样以及回样的位置，要综合考虑仪表的耐受压力和回样点的压力，降压孔板如果降压太多，就会导致经过仪表之后压力太低，无法返回到工艺系统中，导致无法实现。

上面的所阐述的仪表方案，典型的安装位置就是在泵出口，此处的压力一般相对较高，而泵入口的压力要低很多，所以经过降压孔板，介质能够返回到工艺系统中，并能满足仪表的正常测量需求。

经过上述的分析，在某些适当的场合下，可以选择直接在线安装的仪表，对于生产过程并不是安装完就没有问题了，还有后期的维护，一旦生产进入运行阶段，维护就变成一件不可忽视的事情。

所有的分析仪表都需要按照实际生产使用状况，进行定期的维护，上述所说的仪表选型，如何在生产过程不终止的情况下进行维护呢？此种可以选用带有隔离球阀的产品，仪表的电极安装在带有球阀的护套中，如果仪表出现问题，需要维护，就将电极从护套向上提，然后关闭球阀，从而对仪表进行维护 。

还有带有自动功能的护套，操作人员可以通过按钮控制电极的取出与插入，还能外接冲洗装置，对电极进行冲洗，极大减少了工作人员的工作量。此种安装方式 成本很高，应用也就相对较少，并且还需要外接仪表气源等，为自动装置提供动力，也是对现场的一种限制。

3 离线测量

离线测量就是指仪表不直接安装在工艺管线上直接进行测量，而是通过样品处理系统将样品先进行处理，将样品处理到仪表最适合的工作条件，能够延长仪表的使用寿命，更能够不受现场工艺操作的限制，能较好地解决生产工艺过程中的问题。

在上文中提到在线可以解决压力过高的问题，但是流体如果温度和压力同时超出了分析仪正常的操作环境，上文的方案就显得力不从心，而离线测量的方案就能很好地解决上述问题。

将样品预先处理的系统称之为预处理系统（Sample Condition System）。如图2所示。

图2 预处理系统

3.1 工艺介质

任何一种仪表的选型，对于工艺介质物理特性的研究是必不可少的，只有对介质的特性有一个深刻的了解才能针对介质特性选择适合的仪表。在pH测量仪表的选型中，如果工艺介质在输送的过程中可能会出现结晶或者结冰的可能，就需要考虑对其传输的管线进行保温伴热处理，使得管线内的介质温度高于介质结晶的温度或者高于介质的冰点，从而使分析仪表能够进行正常的工作。

对于仪表管线的伴热，通常会有两种方式可以选择：①蒸汽伴热；②电伴热。

蒸汽伴热需要装置内有蒸汽介质，并且在仪表附近设有蒸汽盘，能够为仪表提供源源不断的蒸汽。电伴热相对就简单很多，只需要电气专业为仪表伴热带提供电源即可。值得注意的是电伴热有伴热温度及温升的限制，需要根据实际情况而定。

3.2 操作工况

pH测量元件会受到温度和压力的限制，两者都需要在一定的范围内才能保证正常运行。因此图2所示，在预处理系统中加入了冷却装置，能够将工艺介质的温度降低到一个合理范围。根据提供的冷却水的温度和压力，计算冷却器的能力以及所需要的冷却水的消耗量，从而满足需求介质温度降低的需求。

关于压力的限制，上文中使用限流孔板作为一种降压的方式，在预处理系统中，采用自力式调节阀对介质压力进行调整，根据介质到仪表测量点的压力和后系统的压力以及通过阀门的流量计算阀门的CV（流通能力），设计选择适当流通能力的自力式调节阀，根据介质的特点选择阀门的材质，并考虑防腐蚀和泄漏等问题。

3.3 安全操作

上述已经解决了分析仪基本的选型安装问题，针对有些介质可能会有毒性，因此安全操作非常重要，有些场合比如介质中含有HCN介质，此种介质毒性非常大，一旦泄漏就会产生致命的后果，因此会在预处理的箱子里安装有毒气体检测器，实时检测预处理系统中的介质状态，如果发生泄漏，将报警信号会传输到DCS中实时监控，在预处理装置的外面也会设置有声光报警装置，一旦发生泄漏，报警器就会发出报警信号，提示操作人员注意险情发生，并对其进行处理。

这种方式缺点：

1）额外增加了一套预处理的系统，仪表成本肯定会有所上升。

2）增加了系统的故障点，因为预处理系统包含各种各样的元器件，包括阀门、过滤器、减压阀、管接头等装置，故障点明显增多。

3）滞后时间会相对增加，样品需经过管线流到仪表，势必会使整个分析的过程时间变长，如果有要求需要满足一定的分析时间，在预处理系统设计的时候还要考虑快速回路以及措施加速介质的流动，以降低分析回路的时间。

4 结语

针对pH分析仪在设计过程中所遇到的问题进行了比较全面的阐述，详细分析了可能会遇到的各种的工艺状况，针对每种具体工况给出了较为可行的设计方案，并且针对方案进行比较，列出优缺点，也方便设计人员在设计过程中遇到相似工况的时候，能够有一个可以参考的解决方案。方案设计需要考虑的因素很多，适合操作工况的设计就是最好的设计。