摘要：基于【美】罗伯特 E.谢尔曼提出“样气处理系统”的技术概念，样气处理系统技术日趋完善，已成为在线分析系统的重要基础之一，金义忠先生又概括出“样气处理系统是在线分析系统的核心和关键技术”^【1】的技术概念。采样探头无疑是样气处理系统最重要、最复杂的核心部件，气体采样探头的优化设计是在线分析系统整体优化设计最重要的环节。本文针对不同工程应用特定的样气条件，探索采样探头的针对性、差异化设计，以“不断完善、持续创新、差异化设计”的理念，深入探索不同工程现场应用的优化设计。

关键词：样气处理系统   气体采样探头  优化设计  差异化设计  样气条件  高精度过滤除尘  自限温加热  反吹扫

1   采样探头的技术定位

在线分析系统（OAS）的技术结构可以分为如下五个结构层次：（1）传感器和在线分析仪；（2）样品处理核心部件（即功能部件）和样品处理系统；（3）在线气体分析系统（即OAS）；（4）大型分析系统，即在线分析系统的集成（习惯称为分析小屋）；（5）混合OAS的工程应用技术，他们之间的关系如图1所示^【2】：

图1  OAS的层次结构图

从整个“OAS层次结构图”可见，采样探头在OAS这个大系统中属于“功能部件”这个次级子系统。采样探头在不改变样气组成及化学性质的前提下，实现无堵塞自动连续采样，并采用物理方法实现烟尘分离和过滤粉尘，为样气传输及后级样气处理创造良好条件。

采样探头虽属次级子技术系统，但在技术链条上则处于最前极，其技术水平及质量直接决定着样气处理系统，甚至是在线分析系统工程应用的成败。

2   采样探头是开放性的复杂技术系统

2.1  典型采样探头的基本组成

图2  采样探头的基本组成

2.2  采样探头的开放性

根据系统学理论很容易认识到：采样探头和它的外部环境（样气条件、环境条件、应用条件等）存在复杂的、动态的、长期的物质交换、能量交换和信息交换。

采样探头的这种开放性，也就决定着在线分析系统和在线分析仪的开放性。

2.3  采样探头的主要外部条件

外部条件决定着采样探头的正确选型、优化设计以及工程应用技术（含技巧）。

（1） 样气条件：主要包含样气温度，样气压力，样气组份（测量组份、干扰组份、背景组份），样气主要污染物等。

（2） 环境条件：主要包含环境温度，环境湿度，环境污染及风速等条件，防爆、防电磁干扰等安全性要求，海拔高度等。

（3） 应用条件：主要包含采样点及采样口，安装平台及安装方式，与主机柜间距离，电源、水源、空气源供给等。

以上三类条件必须由有经验的专业人员通过现场深入调研获得。为保障工程应用的一次成功，不可有任何疏忽和遗漏，最好能够定量表达，书面传递转移信息。

采样探头以及样气处理系统设计的最大困难是样气条件及环境条件不可能提前按主观期望预设，而且严重缺乏均一性。哪怕某一细分工程领域也是如此，例如环保工程的CEMS。

3   采样探头优化设计的方法论

3.1  优化设计的方法论

既然将采样探头看作是开放性的复杂技术系统，复杂技术系统优化设计的五原则，也必然适用于采样探头的优化设计，那就是要不断追求TRIZ（萃智）那样的最终理想解^【3】。

（1） 很好保留了原系统的优点；

（2） 较彻底地消除了原系统的不足和技术缺陷；

（3） 新系统没有变得更复杂和成本更高；

（4） 没有引入新的技术缺陷和不存在潜在的技术风险；

（5） 整个系统更能长寿命的协调运行。

3.2  优化设计的重点努力方向

对于样气处理系统而言，优化设计的技术重点、难点和闪点应该是除尘、除水、抗（广义）干扰，采样探头优化设计的重点无疑也是“除尘、除水、抗（广义）干扰”，这就是他的技术本质。我们应该把采样探头的优化设计转化成一个整体优化问题，也就是采样探头的一次优化设计，要全面甚至是解决全部问题，使其成为技术高度成熟的优质产品。

3.3  优化设计的务实操作

（1） 最好有专业技术团队的良好合作，最彻底实现在线分析系统工程应用的全部要求，达到本行业，至少是本企业的最高水平。

（2） 以新的技术构思引导，以“升级换代新产品”的形式，务实力行地优化设计采样探头，效率最高，质量最好，水平最有保障。

4   采样探头工程应用优化设计的典型实例

4.1  CYA-CP101采样探头

CYA-CP101采样探头是升级换代CEMS产品 CYA-863N的核心部件，属中低温通用采样探头。以深化设计理念融合了多项创新技术，如0.3μm的疏水高精度过滤器、PTC自限温陶瓷加热器、配合以PLC脉冲式程控反吹程序以及全防护小型化设计等，确保采样探头的高可靠、免维护、长寿命等高端品质与性能^【4】。

CYA-CP101采样探头技术特性如下：PTC陶瓷加热温度（160℃±5℃，自限温）；过滤元件（碳化硅高精度纳米疏水过滤器，φ50×φ20×135，过滤精度高达0.3μm 99%，气流阻力在1L/min时＜100Pa）；主要材料（316L不锈钢，采样管采用钛合金）；探头过滤器（外）另设计PLC自控的脉冲式吹扫，确保探头无堵塞连续运行。

CYA-CP101采样探头适用于中低温（50℃～650℃）、＜1g/m³的低烟尘（一般为烟气除尘后）、中低湿度（湿度条件不超过20%）的样气条件。CYA-CP101采样探头在上述样气条件的现场应用，可延长维护周期（例如3～6个月），甚至是免维护。

CYA-CP101采样探头已经取得了实用新型专利。

4.2  CYA-CP102高温采样探头

垃圾焚烧厂排放的烟气成分比较复杂，环保监测的项目也比较多，并且包含一些极易溶的成分（如HF、HCl等），这就要求在样气处理环节不能采用普通快速冷凝的样气处理系统。特地研发了全程加热样气处理系统配合高温分析仪表的CEMS。CYA-CP102高温采样探头就是针对全程加热样气处理系统设计的。

CYA-CP102高温采样探头的设计沿用了CYA-CP101采样探头的设计理念，并与CYA-CP101采样探头技术特性基本一致，技术要素有很强的通用性，只是加热温度提高到230℃±5℃。

4.3  CYA-CP103全程加热采样探头

在某些垃圾焚烧厂，由于工艺的特殊性，其排放的烟气中含有大量的烟尘和水分，采用CYA-CP102高温采样探头采样，烟气会在出了烟囱以后进入采样探头的加热部分之前的安装法兰段急速降温，导致烟气中的水分大量析出，与烟尘混合后在采样管处结垢，堵塞采样管，引发系统取样中断的故障。

CYA-CP103全程加热采样探头不仅在烟囱外面的过滤器部位有加热元件，并且采样管也处于加热状态，这样就可以保证烟气在从烟囱抽取到采样探头的整个过程中一直处于加热状态，全部维持在合理的温度，不会出现由于烟温下降而导致的水份析出，也就跟除了潜在的技术风险。

CYA-CP103全程加热采样探头的技术特性与CYA-CP102基本一致，只是多了采样管部分的加热，加热温度为180℃±5℃，可控温。

4.4  CYA-CP104蒸汽加热采样探头

为满足有严格防爆要求现场的需求，CYA-CP104蒸汽加热采样探头放弃了传统的电加热模式，改为电厂、化工厂都有的蒸汽作为热源对探头加热。这就低成本的解决了安装场所要求防爆的这一主要技术难题。

CYA-CP104蒸汽加热采样探头的结构设计及主要技术要素都和CYA-CP101、CYA-CP102、CYA-CP103基本一致，有很强的通用性，这就完成了采样探头的系列化研制。

4.5 CYA-CP201稀释采样探头

CYA-CP201稀释采样探头是针对稀释法在线连续监测系统（CEMS）研制开发的烟道外安装的稀释采样探头。

CYA-CP201稀释采样探头在研制开发过程中，融合了CYA-CP101采样探头的自限温加热技术、高效过滤技术、锥形内腔技术及先进元件；继承了公司原有CYA-200EDP/E全程加热稀释采样探头的真空稀释取样技术；参考了国外公司烟道外安装稀释采样探头的设计理念，重新设计稀释采样探头的核心部件——稀释采样组件的结构，增添了新的旁路抽取部分，使得CYA-CP201稀释采样探头不仅仅具有在稀释法CEMS中起到过滤粉尘、样气的连续稀释抽取、整套系统稀释比的标定等功能；并且还具有现场安装、维护便利、采样测量更加具有实时性和有效性等特点。

CYA-CP201稀释采样探头的加热稳定（175℃以上，自限温，并且波动很小）；稀释比稳定（现场使用3个月，稀释比基本没有变化）；现场适用性强（无论是脱硫场合还是脱硝场合均可稳定运行）；维护周期长（3个月不维护不影响正常采样）；

CYA-CP201稀释采样探头采用杯状碳化硅高精度纳米疏水过滤器，φ40×φ24×80，过滤精度高达0.3μm 99%，气流阻力在1L/min时仅为110Pa。

依据CYA-CP201稀释采样探头为蓝本的“旁路内置式烟道外稀释采样探头”已经取得实用新型专利和发明专利。

4.6  CYA-CP302 脱硝专用采样探头

在电厂的脱硝SCR装置处于整个工艺流程的锅炉后的除尘前，SCR进出口测点的烟气温度高（基本在350℃以上）、烟尘含量大（大概2g/m³左右）、烟气流速快（一般在10m/s以上）、但湿度不高（基本在12%以下）。

CYA-CP302脱硝专用采样探头的独特设计在于将过滤元件设计在烟道内，利用烟气本身的温度实现对过滤元件的加热，利用烟气的流速对过滤器有吹扫，省去了反吹设置（如有需要，只需设置以手动反吹装置即可）。CYA-CP302脱硝专用采样探头具有原位安装，直接抽取，无堵塞连续采样，少维护，长寿命周期等特殊技术优势。适用于高温（350℃～650℃）、中度粉尘（2g/m³～10 g/m³）的样气条件，是烟气脱硝SCR进出口样气处理装置的优选技术方案。

CYA-CP302脱硝专用采样探头的加热温度（200℃，需控温）；过滤元件（碳化硅高精度纳米疏水过滤器，φ50×φ20×135），过滤精度高达0.3μm 99%，气流阻力在1L/min时＜100Pa）。

以CYA-CP302脱硝专用采样探头作为采样探头的CYA-CMN01“抽取式旁路测量装置”已取得实用新型专利。

5   回顾与讨论

（1） 采样探头优化设计是提高在线分析系统质量和工程应用水平的客观需要。

（2） 行业性保守思维惯性和对“样气处理系统功能部件”人士的肤浅是采样探头优化设计的最大障碍。

（3） 本行业国产采样探头（特别是本文介绍的系列采样探头）已有的先进技术，即使和重点外企产品相比也毫不逊色，具有行业推广价值。

（4） 重庆凌卡分析仪器有限公司的超微孔SiC高精度、低阻力探头过滤器是采用先进表面过滤技术（Surface）的先进过滤元件，两年中使用约400件，尚无一例过滤器堵塞报告，实属过滤除尘效果最好又全无堵塞故障风险的长寿命优秀产品。

（5） 一个中型集成商企业，体系性采样探头的升级换代，完全可以在一、两年的短时间内，以较低的投入，高效率的完成。正如北京航天益来电子科技有限公司在2011～2012两年中，完成了CEMS环保工程所需六种型号采样探头的系列化优化设计，高端品质的采样探头一跃成为CEMS工程应用技术创新的新引擎。

参考文献

【1】 金义忠.  在线分析仪器样品处理系统技术的应用及发展，第二届在线分析仪器及应用国际论坛论文集，2007年：210－216

【2】 金义忠、姜培刚.  构建在线分析系统基础理论的研究，第五届在线分析仪器及应用国际论坛论文集，2012年

【3】 杨清亮. 发明是这样诞生的——TRIZ理论全接触，机械工业出版社，北京，2006年

【4】 闫 军. CYA-CP101采样探头的研制及工程应用，北京航天益来电子科技有限公司，2011年

作者简介

金义忠，男，高级工程师， 1966年毕业于天津大学精密仪器工程系，长期从事在线分析仪、在线分析系统、样气处理系统的研发、生产及工程应用，获国务院颁发政府特殊津贴等荣誉。现任重庆凌卡分析仪器有限公司技术总监，分析仪器学会在线分析专业委员会委员。Email:cqlinka@126.com

闫 军，男，工程师，2009年北京化工大学机械设计及理论专业研究生毕业。在北京航天益来电子科技有限公司从事CEMS的研发工作，主攻系列化采样探头的研制及工程应用，撰写论文3篇，获得实用新型专利4项，发明专利1项。 Email：cyayj2009@163.com

周 斌，男，工程师，2004年毕业于北京航空航天大学机械设计及自动化专业，后进入北京航天益来电子科技有限公司研发部工作至今，从结构设计到系统设计，主要从事在线分析系统的研究及设计，设计并定型三个型号的产品，并通过相关资质认证。Email:zhou_333@163.com