1   采樣探頭的技術(shù)定位

在線分析系統(tǒng)（OAS）的技術(shù)結(jié)構(gòu)可以分為如下五個結(jié)構(gòu)層次：（1）傳感器和在線分析儀；（2）樣品處理核心部件（即功能部件）和樣品處理系統(tǒng)；（3）在線氣體分析系統(tǒng)（即OAS）；（4）大型分析系統(tǒng)，即在線分析系統(tǒng)的集成（習(xí)慣稱為分析小屋）；（5）混合OAS的工程應(yīng)用技術(shù)，他們之間的關(guān)系如圖1所示^【2】：

圖1  OAS的層次結(jié)構(gòu)圖

從整個“OAS層次結(jié)構(gòu)圖”可見，采樣探頭在OAS這個大系統(tǒng)中屬于“功能部件”這個次級子系統(tǒng)。采樣探頭在不改變樣氣組成及化學(xué)性質(zhì)的前提下，實現(xiàn)無堵塞自動連續(xù)采樣，并采用物理方法實現(xiàn)煙塵分離和過濾粉塵，為樣氣傳輸及后級樣氣處理創(chuàng)造良好條件。

采樣探頭雖屬次級子技術(shù)系統(tǒng)，但在技術(shù)鏈條上則處于最前極，其技術(shù)水平及質(zhì)量直接決定著樣氣處理系統(tǒng)，甚至是在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用的成敗。

2   采樣探頭是開放性的復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)

2.1  典型采樣探頭的基本組成

圖2  采樣探頭的基本組成

2.2  采樣探頭的開放性

根據(jù)系統(tǒng)學(xué)理論很容易認(rèn)識到：采樣探頭和它的外部環(huán)境（樣氣條件、環(huán)境條件、應(yīng)用條件等）存在復(fù)雜的、動態(tài)的、長期的物質(zhì)交換、能量交換和信息交換。

采樣探頭的這種開放性，也就決定著在線分析系統(tǒng)和在線分析儀的開放性。

2.3  采樣探頭的主要外部條件

外部條件決定著采樣探頭的正確選型、優(yōu)化設(shè)計以及工程應(yīng)用技術(shù)（含技巧）。

（1） 樣氣條件：主要包含樣氣溫度，樣氣壓力，樣氣組份（測量組份、干擾組份、背景組份），樣氣主要污染物等。

（2） 環(huán)境條件：主要包含環(huán)境溫度，環(huán)境濕度，環(huán)境污染及風(fēng)速等條件，防爆、防電磁干擾等安全性要求，海拔高度等。

（3） 應(yīng)用條件：主要包含采樣點及采樣口，安裝平臺及安裝方式，與主機柜間距離，電源、水源、空氣源供給等。

以上三類條件必須由有經(jīng)驗的專業(yè)人員通過現(xiàn)場深入調(diào)研獲得。為保障工程應(yīng)用的一次成功，不可有任何疏忽和遺漏，最好能夠定量表達(dá)，書面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)移信息。

采樣探頭以及樣氣處理系統(tǒng)設(shè)計的最大困難是樣氣條件及環(huán)境條件不可能提前按主觀期望預(yù)設(shè)，而且嚴(yán)重缺乏均一性。哪怕某一細(xì)分工程領(lǐng)域也是如此，例如環(huán)保工程的CEMS。

3   采樣探頭優(yōu)化設(shè)計的方法論

3.1  優(yōu)化設(shè)計的方法論

既然將采樣探頭看作是開放性的復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)，復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的五原則，也必然適用于采樣探頭的優(yōu)化設(shè)計，那就是要不斷追求TRIZ（萃智）那樣的最終理想解^【3】。

（1） 很好保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點；

（2） 較徹底地消除了原系統(tǒng)的不足和技術(shù)缺陷；

（3） 新系統(tǒng)沒有變得更復(fù)雜和成本更高；

（4） 沒有引入新的技術(shù)缺陷和不存在潛在的技術(shù)風(fēng)險；

（5） 整個系統(tǒng)更能長壽命的協(xié)調(diào)運行。

3.2  優(yōu)化設(shè)計的重點努力方向

對于樣氣處理系統(tǒng)而言，優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)重點、難點和閃點應(yīng)該是除塵、除水、抗（廣義）干擾，采樣探頭優(yōu)化設(shè)計的重點無疑也是“除塵、除水、抗（廣義）干擾”，這就是他的技術(shù)本質(zhì)。我們應(yīng)該把采樣探頭的優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)化成一個整體優(yōu)化問題，也就是采樣探頭的一次優(yōu)化設(shè)計，要全面甚至是解決全部問題，使其成為技術(shù)高度成熟的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

3.3  優(yōu)化設(shè)計的務(wù)實操作

（1） 最好有專業(yè)技術(shù)團隊的良好合作，最徹底實現(xiàn)在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用的全部要求，達(dá)到本行業(yè)，至少是本企業(yè)的最高水平。

（2） 以新的技術(shù)構(gòu)思引導(dǎo)，以“升級換代新產(chǎn)品”的形式，務(wù)實力行地優(yōu)化設(shè)計采樣探頭，效率最高，質(zhì)量最好，水平最有保障。

4   采樣探頭工程應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的典型實例

4.1  CYA-CP101采樣探頭

CYA-CP101采樣探頭是升級換代CEMS產(chǎn)品 CYA-863N的核心部件，屬中低溫通用采樣探頭。以深化設(shè)計理念融合了多項創(chuàng)新技術(shù)，如0.3μm的疏水高精度過濾器、PTC自限溫陶瓷加熱器、配合以PLC脈沖式程控反吹程序以及全防護小型化設(shè)計等，確保采樣探頭的高可靠、免維護、長壽命等高端品質(zhì)與性能^【4】。

CYA-CP101采樣探頭技術(shù)特性如下：PTC陶瓷加熱溫度（160℃±5℃，自限溫）；過濾元件（碳化硅高精度納米疏水過濾器，φ50×φ20×135，過濾精度高達(dá)0.3μm 99%，氣流阻力在1L/min時＜100Pa）；主要材料（316L不銹鋼，采樣管采用鈦合金）；探頭過濾器（外）另設(shè)計PLC自控的脈沖式吹掃，確保探頭無堵塞連續(xù)運行。

CYA-CP101采樣探頭適用于中低溫（50℃～650℃）、＜1g/m³的低煙塵（一般為煙氣除塵后）、中低濕度（濕度條件不超過20%）的樣氣條件。CYA-CP101采樣探頭在上述樣氣條件的現(xiàn)場應(yīng)用，可延長維護周期（例如3～6個月），甚至是免維護。

CYA-CP101采樣探頭已經(jīng)取得了實用新型專利。

4.2  CYA-CP102高溫采樣探頭

垃圾焚燒廠排放的煙氣成分比較復(fù)雜，環(huán)保監(jiān)測的項目也比較多，并且包含一些極易溶的成分（如HF、HCl等），這就要求在樣氣處理環(huán)節(jié)不能采用普通快速冷凝的樣氣處理系統(tǒng)。特地研發(fā)了全程加熱樣氣處理系統(tǒng)配合高溫分析儀表的CEMS。CYA-CP102高溫采樣探頭就是針對全程加熱樣氣處理系統(tǒng)設(shè)計的。

CYA-CP102高溫采樣探頭的設(shè)計沿用了CYA-CP101采樣探頭的設(shè)計理念，并與CYA-CP101采樣探頭技術(shù)特性基本一致，技術(shù)要素有很強的通用性，只是加熱溫度提高到230℃±5℃。

4.3  CYA-CP103全程加熱采樣探頭

在某些垃圾焚燒廠，由于工藝的特殊性，其排放的煙氣中含有大量的煙塵和水分，采用CYA-CP102高溫采樣探頭采樣，煙氣會在出了煙囪以后進入采樣探頭的加熱部分之前的安裝法蘭段急速降溫，導(dǎo)致煙氣中的水分大量析出，與煙塵混合后在采樣管處結(jié)垢，堵塞采樣管，引發(fā)系統(tǒng)取樣中斷的故障。

CYA-CP103全程加熱采樣探頭不僅在煙囪外面的過濾器部位有加熱元件，并且采樣管也處于加熱狀態(tài)，這樣就可以保證煙氣在從煙囪抽取到采樣探頭的整個過程中一直處于加熱狀態(tài)，全部維持在合理的溫度，不會出現(xiàn)由于煙溫下降而導(dǎo)致的水份析出，也就跟除了潛在的技術(shù)風(fēng)險。

CYA-CP103全程加熱采樣探頭的技術(shù)特性與CYA-CP102基本一致，只是多了采樣管部分的加熱，加熱溫度為180℃±5℃，可控溫。

4.4  CYA-CP104蒸汽加熱采樣探頭

為滿足有嚴(yán)格防爆要求現(xiàn)場的需求，CYA-CP104蒸汽加熱采樣探頭放棄了傳統(tǒng)的電加熱模式，改為電廠、化工廠都有的蒸汽作為熱源對探頭加熱。這就低成本的解決了安裝場所要求防爆的這一主要技術(shù)難題。

CYA-CP104蒸汽加熱采樣探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要技術(shù)要素都和CYA-CP101、CYA-CP102、CYA-CP103基本一致，有很強的通用性，這就完成了采樣探頭的系列化研制。

4.5 CYA-CP201稀釋采樣探頭

CYA-CP201稀釋采樣探頭是針對稀釋法在線連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（CEMS）研制開發(fā)的煙道外安裝的稀釋采樣探頭。

CYA-CP201稀釋采樣探頭在研制開發(fā)過程中，融合了CYA-CP101采樣探頭的自限溫加熱技術(shù)、高效過濾技術(shù)、錐形內(nèi)腔技術(shù)及先進元件；繼承了公司原有CYA-200EDP/E全程加熱稀釋采樣探頭的真空稀釋取樣技術(shù)；參考了國外公司煙道外安裝稀釋采樣探頭的設(shè)計理念，重新設(shè)計稀釋采樣探頭的核心部件——稀釋采樣組件的結(jié)構(gòu)，增添了新的旁路抽取部分，使得CYA-CP201稀釋采樣探頭不僅僅具有在稀釋法CEMS中起到過濾粉塵、樣氣的連續(xù)稀釋抽取、整套系統(tǒng)稀釋比的標(biāo)定等功能；并且還具有現(xiàn)場安裝、維護便利、采樣測量更加具有實時性和有效性等特點。

CYA-CP201稀釋采樣探頭的加熱穩(wěn)定（175℃以上，自限溫，并且波動很?。?；稀釋比穩(wěn)定（現(xiàn)場使用3個月，稀釋比基本沒有變化）；現(xiàn)場適用性強（無論是脫硫場合還是脫硝場合均可穩(wěn)定運行）；維護周期長（3個月不維護不影響正常采樣）；

CYA-CP201稀釋采樣探頭采用杯狀碳化硅高精度納米疏水過濾器，φ40×φ24×80，過濾精度高達(dá)0.3μm 99%，氣流阻力在1L/min時僅為110Pa。

依據(jù)CYA-CP201稀釋采樣探頭為藍(lán)本的“旁路內(nèi)置式煙道外稀釋采樣探頭”已經(jīng)取得實用新型專利和發(fā)明專利。

4.6  CYA-CP302 脫硝專用采樣探頭

在電廠的脫硝SCR裝置處于整個工藝流程的鍋爐后的除塵前，SCR進出口測點的煙氣溫度高（基本在350℃以上）、煙塵含量大（大概2g/m³左右）、煙氣流速快（一般在10m/s以上）、但濕度不高（基本在12%以下）。

CYA-CP302脫硝專用采樣探頭的獨特設(shè)計在于將過濾元件設(shè)計在煙道內(nèi)，利用煙氣本身的溫度實現(xiàn)對過濾元件的加熱，利用煙氣的流速對過濾器有吹掃，省去了反吹設(shè)置（如有需要，只需設(shè)置以手動反吹裝置即可）。CYA-CP302脫硝專用采樣探頭具有原位安裝，直接抽取，無堵塞連續(xù)采樣，少維護，長壽命周期等特殊技術(shù)優(yōu)勢。適用于高溫（350℃～650℃）、中度粉塵（2g/m³～10 g/m³）的樣氣條件，是煙氣脫硝SCR進出口樣氣處理裝置的優(yōu)選技術(shù)方案。

CYA-CP302脫硝專用采樣探頭的加熱溫度（200℃，需控溫）；過濾元件（碳化硅高精度納米疏水過濾器，φ50×φ20×135），過濾精度高達(dá)0.3μm 99%，氣流阻力在1L/min時＜100Pa）。

以CYA-CP302脫硝專用采樣探頭作為采樣探頭的CYA-CMN01“抽取式旁路測量裝置”已取得實用新型專利。

5   回顧與討論

（1） 采樣探頭優(yōu)化設(shè)計是提高在線分析系統(tǒng)質(zhì)量和工程應(yīng)用水平的客觀需要。

（2） 行業(yè)性保守思維慣性和對“樣氣處理系統(tǒng)功能部件”人士的膚淺是采樣探頭優(yōu)化設(shè)計的最大障礙。

（3） 本行業(yè)國產(chǎn)采樣探頭（特別是本文介紹的系列采樣探頭）已有的先進技術(shù)，即使和重點外企產(chǎn)品相比也毫不遜色，具有行業(yè)推廣價值。

（4） 重慶凌卡分析儀器有限公司的超微孔SiC高精度、低阻力探頭過濾器是采用先進表面過濾技術(shù)（Surface）的先進過濾元件，兩年中使用約400件，尚無一例過濾器堵塞報告，實屬過濾除塵效果最好又全無堵塞故障風(fēng)險的長壽命優(yōu)秀產(chǎn)品。

（5） 一個中型集成商企業(yè)，體系性采樣探頭的升級換代，完全可以在一、兩年的短時間內(nèi)，以較低的投入，高效率的完成。正如北京航天益來電子科技有限公司在2011～2012兩年中，完成了CEMS環(huán)保工程所需六種型號采樣探頭的系列化優(yōu)化設(shè)計，高端品質(zhì)的采樣探頭一躍成為CEMS工程應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新的新引擎。