梅青平，金義忠，李太福，唐一科1，，楊永龍

(1.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044；2.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，重慶 401331；3.重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，重慶 401331；4.重慶凌卡分析儀器有限公司，重慶 400041)

0　引言

在工程應(yīng)用中，與分析儀器匹配采用的樣品處理系統(tǒng)技術(shù)，在我國(guó)已有逾60年的發(fā)展歷程。《過程分析器試樣處理系統(tǒng)性能表示》(JB/T 6854—2005)的早期版本JB/T 6854—1993，已經(jīng)取消了原有“預(yù)處理”的“預(yù)”字，顛覆了“樣品預(yù)處理”概念。由此，出現(xiàn)了其核心技術(shù)概念和術(shù)語“樣品處理系統(tǒng)”。這是樣品處理系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)性研究的開端。美國(guó)羅伯特E.謝爾曼的《過程分析儀樣品處理系統(tǒng)技術(shù)》樣品處理系統(tǒng)技術(shù)研究的權(quán)威專著[1]。分析儀器行業(yè)對(duì)樣品處理系統(tǒng)技術(shù)的深入研究，是受其啟發(fā)和引導(dǎo)，才得以不斷推進(jìn)和深入。這在新著《在線分析技術(shù)工程教育》[2]中有集中論述。但在本專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，專業(yè)術(shù)語的規(guī)范十分滯后，不少專業(yè)人士仍使用“預(yù)處理系統(tǒng)”的概念[3-4]。

通過對(duì)40余家分析儀器企業(yè)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)樣品處理系統(tǒng)的專業(yè)性、規(guī)范化設(shè)計(jì)普遍比較薄弱，和國(guó)家重點(diǎn)工程的需求還有明顯差距。本文采用在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論，設(shè)計(jì)了以協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則為核心的焦?fàn)t煤氣原位整體式干法樣品處理系統(tǒng)。為了使在線分析系統(tǒng)能夠長(zhǎng)壽命周期(石化行業(yè)要求15年)地協(xié)調(diào)運(yùn)行，樣品處理系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新突破的主攻方向是：①對(duì)缺乏均一性和不可能按期望預(yù)設(shè)樣品條件的適應(yīng)性；②對(duì)分析儀器穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可靠性和長(zhǎng)壽命周期的保障性；③減少工程應(yīng)用中的人工介入，即少維護(hù)，甚至免維護(hù)。

1　用系統(tǒng)學(xué)理論詮釋樣品處理系統(tǒng)

1.1　系統(tǒng)學(xué)理論

①《工程控制論》。其核心可以概括為“一個(gè)系統(tǒng)的不同部分之間相互作用的定性性質(zhì)，以及由此決定的整個(gè)系統(tǒng)總體的運(yùn)行狀態(tài)”[5]。錢學(xué)森院士十分強(qiáng)調(diào)“用系統(tǒng)學(xué)的理論處理好(技術(shù)系統(tǒng))局部和整體的關(guān)系”。

②《創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)》[6]。許國(guó)志院士在序言中對(duì)系統(tǒng)學(xué)有如下精辟概括：“系統(tǒng)學(xué)是系統(tǒng)科學(xué)的基礎(chǔ)理論，系統(tǒng)學(xué)最基本的概念就是系統(tǒng)”。系統(tǒng)學(xué)是研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能(系統(tǒng)的演化、協(xié)同與控制)一般規(guī)律的科學(xué)[6]：一是研究系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)；二是研究系統(tǒng)的屬性，主要是開放性和復(fù)雜性。

1.2　樣品處理系統(tǒng)的“系統(tǒng)學(xué)”剖析

1.2.1樣品處理系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)

在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論[7]是解讀樣品處理系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。在線分析系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　在線分析系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

樣品處理系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。樣品處理部件大多比較簡(jiǎn)單，而樣品處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能卻十分復(fù)雜。 針對(duì)多次級(jí)和更次級(jí)子系統(tǒng)，樣品處理系統(tǒng)必須合理匹配、完善組合、有效集成與協(xié)調(diào)。

圖2　樣品處理系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2樣品處理系統(tǒng)的開放性

樣品處理系統(tǒng)重要的功能和技術(shù)特性，是復(fù)雜性和開放性。開放性體現(xiàn)在：樣品處理系統(tǒng)與其工程應(yīng)用的外部環(huán)境(樣品條件、環(huán)境條件、安裝條件等)長(zhǎng)期存在十分復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的物質(zhì)交換，能量交換和信息交換。明確這些交換，并妥善解決和協(xié)調(diào)好樣品處理系統(tǒng)與外部環(huán)境，特別是與樣品條件之間的技術(shù)沖突，是設(shè)計(jì)高端品質(zhì)樣品處理系統(tǒng)的必由之路，也是尋找和排除在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用故障的有效技術(shù)手段。

2　堅(jiān)持工程導(dǎo)向下的工程經(jīng)驗(yàn)主義

2.1　工程導(dǎo)向

朱良漪教授一直強(qiáng)調(diào)工程導(dǎo)向，他在《過程分析儀器的發(fā)展》[8]一文中，總結(jié)出“制約過程分析儀器發(fā)展的三大癥結(jié)”，即：①過程分析的取樣和預(yù)處理;②成分信息的獲取與共生信息的干擾;③長(zhǎng)期使用的可靠性。他在《21世紀(jì)前沿技術(shù)“分析技術(shù)”和“自動(dòng)化”的系統(tǒng)集成》”[9]的報(bào)告中，特別強(qiáng)調(diào)了在線分析系統(tǒng)工程應(yīng)用的四大難點(diǎn)：取樣(探頭)系統(tǒng)、可靠性、少維護(hù)、軟件技術(shù)。

2.2　經(jīng)驗(yàn)主義解決工程應(yīng)用難題

樣品處理系統(tǒng)所屬的在線分析系統(tǒng)開展的工程應(yīng)用，屬于“工程技術(shù)”的范疇。樣品處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一定要工程化和規(guī)范化，要堅(jiān)決采用和推廣成熟技術(shù)、先進(jìn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)壽命周期的工程應(yīng)用考核。

3　樣品處理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)化法則

3.1　“系統(tǒng)”和“技術(shù)系統(tǒng)”的定義

發(fā)明大師根里奇·阿奇舒勒的發(fā)明問題解決(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch，TRIZ)理論[10]，即萃智理論，對(duì)“技術(shù)系統(tǒng)”的定義為：“每個(gè)產(chǎn)品或物體都可看作是技術(shù)系統(tǒng)，技術(shù)系統(tǒng)可簡(jiǎn)稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的，并通過子系統(tǒng)間的相互作用來實(shí)現(xiàn)一定功能?！奔夹g(shù)系統(tǒng)也可以更簡(jiǎn)潔地理解為：每個(gè)可實(shí)現(xiàn)某種功能的事物都是技術(shù)系統(tǒng)，每個(gè)產(chǎn)品都是技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)合體。

3.2　技術(shù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)化法則

在TRIZ理論中，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論是九大經(jīng)典理論之一。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化理論有八大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，其中的關(guān)鍵是系統(tǒng)協(xié)調(diào)進(jìn)化法則：技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化是沿著各子系統(tǒng)之間更加協(xié)調(diào)的方向發(fā)展的，即系統(tǒng)各個(gè)部件(次級(jí)子系統(tǒng))在保持協(xié)調(diào)的前提下，充分發(fā)揮各自的功能[10]。

3.3　引用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則

通過在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論初創(chuàng)的研究，總結(jié)出“在線分析系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則”[7]：①很好地保留了原系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；②比較徹底地消除了原系統(tǒng)的局限和不足；③沒有復(fù)雜化或提高成本；④沒有引入新的缺陷和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；⑤能更長(zhǎng)壽命周期地協(xié)調(diào)運(yùn)行。

任何系統(tǒng)都需要協(xié)調(diào)。樣品處理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行能夠促進(jìn)在線分析系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。樣品處理系統(tǒng)是由很多樣品處理部件和裝置構(gòu)建的完整技術(shù)系統(tǒng)。在整體協(xié)調(diào)的前提下，各部件的功能得以充分發(fā)揮，且不影響相關(guān)聯(lián)部件的使用功能和壽命。

3.4　多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則對(duì)所有層級(jí)的技術(shù)系統(tǒng)都有一定的實(shí)用性，即不斷優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、不斷完善系統(tǒng)的功能和技術(shù)特性，以促進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)進(jìn)化和協(xié)調(diào)運(yùn)行(系統(tǒng)的進(jìn)化、協(xié)調(diào)與控制)。這個(gè)過程可歸結(jié)為一個(gè)多目標(biāo)整體優(yōu)化的命題，即“以協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則為核心的多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)”。

4　把握樣品處理系統(tǒng)的精髓

4.1　開展工程教育，提高研發(fā)能力

在線分析技術(shù)(on-line analytical technology,OAT)是跨學(xué)科、跨專業(yè)、整體有機(jī)聯(lián)系的綜合性工程技術(shù)，有必要把在線分析技術(shù)工程教育作為工程師研發(fā)培訓(xùn)的主要目標(biāo)之一。在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中，培養(yǎng)一批既懂應(yīng)用型基礎(chǔ)理論，又掌握工程技術(shù)，還會(huì)應(yīng)用操作的專業(yè)技術(shù)人才，是樣品處理系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)水平得以突破性提高的關(guān)鍵。

4.2　氣路流程圖的重要性

氣路流程圖的定義為：樣品在在線分析系統(tǒng)中流經(jīng)各個(gè)樣品處理部件和裝置的流程原理圖，各部件用規(guī)范符號(hào)表示。

①樣品處理系統(tǒng)重要的技術(shù)表達(dá)方式，就是在線分析系統(tǒng)的氣路流程圖，即技術(shù)流程原理圖。所謂整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先表現(xiàn)在氣路流程圖上。氣路流程圖是判斷產(chǎn)品技術(shù)是否成熟和先進(jìn)的主要依據(jù)。

②先進(jìn)的氣路流程圖是生產(chǎn)高端品質(zhì)在線分析系統(tǒng)的必要條件。專業(yè)化的技術(shù)配置方案，即每個(gè)部件具體采用的型號(hào)、規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)特性以及生產(chǎn)商，才是生產(chǎn)高端品質(zhì)在線分析系統(tǒng)的充分條件。

4.3　樣品條件的適應(yīng)性

在線分析的樣品條件千差萬別，嚴(yán)重缺乏均一性，不可能按期望預(yù)設(shè)。如下三個(gè)樣品條件決定了樣品處理系統(tǒng)的三個(gè)技術(shù)制高點(diǎn)：①水泥干法旋窯窯尾的樣品條件，即高溫1 400 ℃、高粉塵密度2 000 g/m3；②焦?fàn)t煤氣樣品條件，即焦油和奈等污染物的重度污染，傳統(tǒng)過濾除塵、除污技術(shù)完全失效；③目前環(huán)保行業(yè)超低排放的固定污染源煙氣排放連續(xù)檢測(cè)系統(tǒng)(continuous emission monitoring system,CEMS)脫硫、脫硝的樣品條件，即對(duì)樣品中超低含量SO2、NOx以及NH3的保真要求非常高，技術(shù)難度非常大。

由于樣品條件的千差萬別，樣品處理系統(tǒng)大多為專用型，有時(shí)還需要為工程用戶特別定制整體解決方案。

4.4　保障高準(zhǔn)確度檢測(cè)

有效保障高準(zhǔn)確度檢測(cè)的措施有以下幾個(gè)方面。

①為分析儀長(zhǎng)期提供連續(xù)、穩(wěn)定的合格樣品：取樣樣品必須要有代表性；樣氣在傳輸及處理過程中不能產(chǎn)生相變、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)，樣品被測(cè)組分不能產(chǎn)生影響檢測(cè)準(zhǔn)確度的組分流失；樣品必須潔凈干燥，不至于污染、腐蝕分析儀的測(cè)量氣室和檢測(cè)器。

②樣品處理系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命周期，是其性能和質(zhì)量的宏觀表現(xiàn)，是在線分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命周期的前提條件。

③嚴(yán)格防止共生信息的廣義干擾。樣品非測(cè)量組分(即背景組分)中干擾組分產(chǎn)生的干擾誤差，是傳統(tǒng)意義的干擾，可稱為“狹義干擾”。而使在線分析系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)偏離最佳檢測(cè)狀態(tài)下正確檢測(cè)值的原因，在于在線分析系統(tǒng)的“廣義干擾”，也就是“共生信息干擾”。其來源主要是樣品傳輸和處理過程中發(fā)生的相變、吸附或釋放、滲透或泄漏、溶解流失等，可以用樣品處理系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間長(zhǎng)期存在的物質(zhì)交換、能量交換和信息交換來進(jìn)行技術(shù)分析。

4.5　從少維護(hù)到免維護(hù)

樣品處理系統(tǒng)的少維護(hù)是在線分析系統(tǒng)少維護(hù)的重要前提和技術(shù)基礎(chǔ)。只有從少維護(hù)提升到免維護(hù)，才能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用中對(duì)人工介入的真正解放，以及危險(xiǎn)場(chǎng)所工程應(yīng)用的無人值守。樣品處理系統(tǒng)的核心部件是取樣探頭系統(tǒng)。該系統(tǒng)的免維護(hù)是樣品處理系統(tǒng)免維護(hù)的關(guān)鍵[11]。

5　焦?fàn)t煤氣干法樣品處理系統(tǒng)的研制

在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論和樣品處理系統(tǒng)的多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，已融入樣品處理系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐中，并取得了很多具有工程意義的成果。

5.1　在線分析樣品處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)

樣品處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)是高效除塵和高效除濕。必須先除塵、后除濕，而且要確保樣品不失真。工程應(yīng)用中至少還應(yīng)做到少維護(hù)。

5.2　焦?fàn)t煤氣樣品處理的技術(shù)史回顧

焦?fàn)t煤氣的回收和利用是典型的重大節(jié)能工程之一。我國(guó)焦?fàn)t煤氣的防爆氧含量監(jiān)測(cè)已有25年以上的技術(shù)史，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)不斷嘗試采用水洗滌、煤油洗滌、柴油洗滌和酰油洗滌等處理方法，但都沒有真正取得工程意義上的成功。其根本原因是焦?fàn)t煤氣中的焦油、萘等污染物黏性很大。傳統(tǒng)的過濾除塵、除污和洗滌方法，缺乏工程意義的處理效果和工程應(yīng)用效果。英國(guó)仕富梅(Servomex)公司發(fā)明的高溫蒸氣噴射取樣探頭和動(dòng)態(tài)水冷卻洗滌器組合的技術(shù)方案，在行業(yè)內(nèi)的認(rèn)可度較高。但它同樣是濕法技術(shù)。洗滌水中的溶解氧在樣品處理過程中的部分釋放，會(huì)造成正值的廣義干擾誤差，可能大于0.1%O2。對(duì)于小于0.5%O2的常規(guī)測(cè)量值來說，這顯然嚴(yán)重影響了檢測(cè)準(zhǔn)確度。焦?fàn)t煤氣原位整體式干法樣品處理系統(tǒng)采用干法技術(shù)，使樣品不與任何液體接觸，保證了更高的檢測(cè)準(zhǔn)確度。21世紀(jì)，干法技術(shù)已成為我國(guó)樣品處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流。

5.3　疏水型高效探頭過濾器

超微孔SiC疏水型高效探頭過濾器，是符合工信部強(qiáng)基工程的核心基礎(chǔ)零件。其可視作一個(gè)特殊的微技術(shù)系統(tǒng)(微系統(tǒng))，突出優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)高過濾精度和低樣品流阻力之間的協(xié)調(diào)。其特點(diǎn)如下。

①采用先進(jìn)的表面過濾原理。

②粉塵過濾精度為0.3 μm,過濾效率為99%。

③樣品流阻力小于80 Pa(1 L/min)，長(zhǎng)期使用，氣流阻力將緩慢增大。

④具有納米疏水、疏油特性，抗污染能力強(qiáng)，易維護(hù)。

⑤耐高溫、耐腐蝕、高強(qiáng)度、長(zhǎng)壽命(中度粉塵條件下，可以達(dá)到4年)。

工程界采用的其他探頭過濾器，大多基于深層過濾原理，突出的問題是：過濾精度和樣品流阻力之間存在強(qiáng)烈的技術(shù)沖突；過濾精度低，一般大于等于3 μm，甚至大于等于10 μm。長(zhǎng)期使用過程中，過濾器的氣流阻力增大很快。中度粉塵條件下，有些公司2～3個(gè)月就要更換1次過濾器。

不同于采用滌層過濾原理的傳統(tǒng)過濾器，新型過濾器采用表面過濾原理，反吹掃效果好、壽命長(zhǎng)、過濾效果好。

5.4　組合式高效除霧過濾分離器

組合式樣品處理部件是樣品處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的潮流之一。組合式高效除霧過濾分離器作為核心基礎(chǔ)部件，組合了傳統(tǒng)過濾器、除霧器、快速旁路和氣水分離器這4種獨(dú)立部件的樣品處理功能。新部件內(nèi)部穩(wěn)定的自我協(xié)調(diào)和自我更新能力，為實(shí)現(xiàn)樣品處理系統(tǒng)的免維護(hù)創(chuàng)造了十分有利的條件。

分離器結(jié)構(gòu)如圖3所示。它采用了小型化的疏水型高效探頭過濾器(Φ27 mm×Φ16 mm×50 mm)，閥值為0.3 μm，可高效除塵，凝結(jié)除霧。市場(chǎng)上的凝結(jié)除霧器和液霧捕集器都沒有“閥值”概念，對(duì)大于10 μm的較大粒度液霧比較有效。

圖3　分離器結(jié)構(gòu)圖

5.5　原位樣品處理裝置

原位處理法的定義為：樣品在取樣點(diǎn)抽取并就地進(jìn)行必要的樣品處理，并由在線分析儀的檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換和檢測(cè)，而無需向遠(yuǎn)處傳輸后再進(jìn)行復(fù)雜的樣品處理。原位處理法是介于原位安裝和直接抽取法之間的新類型樣品處理方法。

原位處理法已在煤礦瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用[12]。焦?fàn)t煤氣原位整體式干法樣品處理裝置，事實(shí)上是一套干法原位處理的樣品處理系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　干法樣品處理裝置結(jié)構(gòu)圖

焦?fàn)t煤氣原位整體式干法樣品處理裝置直接垂直安裝在焦?fàn)t煤氣管道上，其樣品出口直接連接激光防爆氧分析儀的測(cè)量氣室，在取樣點(diǎn)和分析儀之間，沒有其他樣品處理部件和樣品傳輸管道。裝置由帶粉塵分離罩的探頭管組件、特殊結(jié)構(gòu)的高效水冷卻器和組合式高效除霧過濾分離器三部分組成。探頭管組合件直接伸入煤氣管道中，主體結(jié)構(gòu)總高31 cm。裝置上部的組合式高效除霧過濾分離器采用了疏水型高效探頭過濾器(Φ42 mm×Φ19 mm×90 mm)，除塵、除霧、除污精度為0.3 μm。經(jīng)原位處理的粉塵、焦油和萘等污染物，液霧凝結(jié)的液態(tài)水隨氣水分離器分離出的冷凝水靠自重落下，從直通管道直接回流到煤氣管道中，實(shí)現(xiàn)了初期的免維護(hù)。長(zhǎng)期工程應(yīng)用中，過濾器仍存在被焦油、萘等污染甚至堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。本裝置創(chuàng)新地采用了高溫蒸氣(>140 ℃)外反吹掃過濾器(其他深度過濾器都只能用內(nèi)反吹掃)。焦油和萘經(jīng)高溫汽化后，隨同粉塵被蒸氣逆向吹回煤氣管道中。每4～8 h進(jìn)行一次脈沖式程控反吹掃，信號(hào)保持約30 s，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命周期協(xié)調(diào)運(yùn)行的免維護(hù)。

本裝置在工程應(yīng)用中，尚需在分析儀之后配置蒸氣噴射采樣泵作為抽取樣品的驅(qū)動(dòng)力，并采用高溫蒸氣防爆電磁閥來切斷蒸氣流，以構(gòu)成完整的在線分析系統(tǒng)。

本裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于：焦?fàn)t煤氣樣品在進(jìn)入激光氧分析儀測(cè)量氣室之前，不和任何液體接觸，所以是干法技術(shù)路線的樣品處理，能夠確保樣品不失真、避免發(fā)生廣義干擾、保證焦?fàn)t煤氣氧氣含量檢測(cè)的準(zhǔn)確度。采用不含氧成分的高溫蒸氣作為反吹掃介質(zhì)，并以程序控制外反吹掃過濾器，解決了焦油、萘等污染物高黏性、難以處理的問題。

5.6　多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法如下。

①樣品處理系統(tǒng)的次級(jí)子系統(tǒng)和微系統(tǒng)都采用成熟度高的先進(jìn)技術(shù)。

②樣品處理系統(tǒng)以及在線分析系統(tǒng)整體性能的最優(yōu)化。

③樣品處理系統(tǒng)的主要技術(shù)特性和功能的全面提升，包括高可靠性、高準(zhǔn)確性、少維護(hù)和長(zhǎng)壽命周期等。

④進(jìn)一步簡(jiǎn)化和有效集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

⑤降低制造成本和運(yùn)維成本，提高性價(jià)比。

6　樣品處理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

6.1　技術(shù)升級(jí)

流程工業(yè)領(lǐng)域的在線分析樣品處理系統(tǒng)技術(shù)，已處于較為成熟和相對(duì)穩(wěn)定的階段。例如，作為樣品處理系統(tǒng)技術(shù)制高點(diǎn)之一的水泥旋窯窯尾循環(huán)液冷干法高溫取樣探頭系統(tǒng)，早在1998年就已經(jīng)成功國(guó)產(chǎn)化。但是，環(huán)保行業(yè)卻大為不同。以20世紀(jì)末興起的脫硫CEMS系統(tǒng)為例，SO2和NOx的排放檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)與1998版舊標(biāo)準(zhǔn)相比，SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)由1 200～2 100 mg/m3降低到50～200 mg/m3。國(guó)家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部和能源局制定了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》，將SO2排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步降低至35 mg/m3。這使得原來基本適用的樣品處理系統(tǒng)技術(shù)，現(xiàn)在已滿足不了工程應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)需要。樣品處理技術(shù)的發(fā)展，除了國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)之外，還有來自工程應(yīng)用的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)。某龍頭企業(yè)的試驗(yàn)研究表明，傳統(tǒng)樣品處理系統(tǒng)低含量SO2的流失率竟然高達(dá)60%[13]。

6.2　樣品處理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展

我國(guó)分析儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史經(jīng)驗(yàn)，就是開放、創(chuàng)新和在工程導(dǎo)向下的深入實(shí)踐，以滿足工程應(yīng)用的實(shí)際需要。所以，樣品處理系統(tǒng)的研發(fā)，在選擇相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)、決定研發(fā)技術(shù)路線時(shí)，必須要有國(guó)際視野的洞察力和決斷。例如，重慶凌卡分析儀器有限公司利用自身的核心技術(shù)，先后不同程度地參與了4家外企樣品處理系統(tǒng)技術(shù)的質(zhì)量攻關(guān)，并通過了工程應(yīng)用考核驗(yàn)證。

6.3　樣品處理系統(tǒng)質(zhì)量發(fā)展

①水泥旋窯窯尾循環(huán)液冷干法采樣探頭系統(tǒng)，針對(duì)高溫高粉塵樣品條件(1 400 ℃，2 000 g/m3)。重慶川儀九廠的干法高溫采樣探頭系統(tǒng)于1998年國(guó)產(chǎn)化，工程用戶評(píng)價(jià)的可預(yù)期工程應(yīng)用壽命長(zhǎng)達(dá)10年。

②創(chuàng)新產(chǎn)品焦?fàn)t煤氣原位整體式干法樣品處理裝置已投入工程使用。

③超低排放樣品處理系統(tǒng)仍然處于全行業(yè)攻關(guān)的過程中，但已經(jīng)取得了不少高質(zhì)量的成果。例如，美國(guó)博純公司(PermaPure)上海辦事處采用Nafion?膜樣品干燥除濕技術(shù)，成功研制了超低露點(diǎn)GASS樣品處理系統(tǒng)。樣品露點(diǎn)突破了傳統(tǒng)樣品處理技術(shù)(如壓縮機(jī)式)+4 ℃的極限，能夠穩(wěn)定到-10 ℃以下，且不會(huì)產(chǎn)生被測(cè)組分的樣品流失。

④分析小屋集成即在線分析系統(tǒng)集成，必然也有樣品處理系統(tǒng)的集成，可看作大型成套設(shè)備。成都倍誠(chéng)分析技術(shù)有限公司的分析小屋集成，在大型石油化工、化肥、煤化工領(lǐng)域的總包供貨中，能一次開車成功。

⑤原位處理法樣品處理裝置是事實(shí)上的樣品處理系統(tǒng)，它也是多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)秀成果。例如，原位整體式瓦斯樣品處理裝置，在煤礦安全裝備領(lǐng)域，首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)工程應(yīng)用的免維護(hù)，已成為實(shí)現(xiàn)行業(yè)性升級(jí)換代的技術(shù)基礎(chǔ)。

7　結(jié)束語

樣品處理系統(tǒng)是復(fù)雜的、開放的、多層級(jí)的技術(shù)系統(tǒng)，這是基于在線分析系統(tǒng)應(yīng)用型基礎(chǔ)理論得出的結(jié)論，也完全符合樣品處理系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)實(shí)。無論樣品處理系統(tǒng)如何進(jìn)化和更新，歸根結(jié)底，其核心問題仍然是少維護(hù)，在許多重要領(lǐng)域和高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域，還要爭(zhēng)取做到免維護(hù)。樣品處理系統(tǒng)的微觀技術(shù)(即微技術(shù)系統(tǒng)或微系統(tǒng))的創(chuàng)新與突破，有可能用于解決在線分析系統(tǒng)宏觀技術(shù)的大難題。例如，采用疏水型表面過濾原理的高效探頭過濾器，曾用于破解某知名外企稀釋法采樣探頭系統(tǒng)因堵塞中斷采樣和污染后級(jí)的頑疾。

在線分析檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性問題，并非總是來自在線分析儀，而更多來自樣品處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝、投運(yùn)、維護(hù)及檢修。了解這些變數(shù)和變量及其交互影響十分重要，必須采取相應(yīng)、有效的廣義抗干擾措施。樣品處理系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命周期，也是一種應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)理念。我國(guó)化肥行業(yè)創(chuàng)造了20年以上穩(wěn)定運(yùn)行的記錄，高難度的水泥旋窯窯尾干法高溫采樣探頭系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命周期也能達(dá)到10年以上。樣品處理系統(tǒng)的長(zhǎng)壽命周期是在線分析系統(tǒng)長(zhǎng)壽命周期的前提條件。長(zhǎng)壽命周期的協(xié)調(diào)運(yùn)行，正是在線分析系統(tǒng)的核心問題。以協(xié)調(diào)進(jìn)化五原則為核心的多目標(biāo)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，是構(gòu)建和設(shè)計(jì)高可靠免維護(hù)樣品處理系統(tǒng)切實(shí)、可行的系統(tǒng)性方法。

參考文獻(xiàn):

[1] 羅伯特E.謝爾曼.過程分析儀樣品處理系統(tǒng)技術(shù)[M].馮秉耕，高長(zhǎng)春,譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2] 金義忠.在線分析技術(shù)工程教育[M].北京：科學(xué)出版社,2016.

[3] 翁小平.磁力機(jī)械式氧分析儀預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)[J].自動(dòng)化儀表,2006,27(12):46-48.

[4] 陳克武,謝經(jīng)勇,鄧軍平.焦?fàn)t煤氣熱值儀預(yù)處理系統(tǒng)的改進(jìn)[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(2):84-86.

[5] 徐義亨.錢學(xué)森和工程控制論[M]//中國(guó)儀表和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展60年史料(飛鴻踏雪泥)第二輯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:2-5.

[6] 錢學(xué)森.創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[7] 金義忠，姜培剛.在線分析系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的探索研究[C]//第六屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇，2013:151-159.

[8] 朱良漪.過程分析儀器的發(fā)展[J].國(guó)際儀表與自動(dòng)化，1998(6):17-23.

[9] 朱良漪.21世紀(jì)的前沿技術(shù)“分析技術(shù)”與“自動(dòng)化”的系統(tǒng)集成[C]//第二屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇，2007:4-6.

[10]楊清亮.發(fā)明是怎樣誕生的——TRIZ理論全接觸[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006:11-24.

[11]金義忠,楊永龍,李清玲,等.免維護(hù)取樣探頭系統(tǒng)的核心技術(shù)集成[C]//第八屆在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇，2015:106-113.

[12]金義忠,楊永龍,曹旭鵬.原位處理法在線分析系統(tǒng)的研究與實(shí)踐[J].分析儀器,2016(2):63-68.

[13]蔣雄杰,李峰.Nafion干燥器GASS處理系統(tǒng)在“超低排放”CEMS中的工程應(yīng)用研究[J].分析儀器,2015(3):26-33.