在危险工艺中安装光纤探头和流池gydF4y2Ba

导波(GWI)制造和销售大量的光纤电缆、探头和流池，设计用于工艺环境，通常涉及爆炸性或可燃固体、气体和液体。当使用非相干源部署时，这些设备实际上是本质安全的(IS)。gydF4y2Ba

然而，有两个标准可以适用于这些设备的部署。这些是国际标准IEC 60079-28“爆炸性环境-第28部分光辐射设备和系统的保护”app亚博体育gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba和ANSI/ISA 12.27.01-2003《电气系统和易燃或可燃过程流体之间的过程密封要求》gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在本文中，将说明在正常工作条件下，每个导波的海温gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba, O-SSTgydF4y2Ba^4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba和多用途流细胞gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba满足这两个标准的所有要求。gydF4y2Ba

用于测量过程流体的光谱特征，导波gydF4y2Ba光纤耦合探头和流池gydF4y2Ba通常与分光计或光度计一起使用。通过分析这些光谱特征，可以确定被测流体的化学或物理性质。gydF4y2Ba

这些测量通常是在线、实时进行的，使用SST型插入探针直接放置在反应器或工艺管中，工艺通过环路转向流池。gydF4y2Ba

探针或电池的湿润区域与样品密切接触，就像要通过样品的光束一样。探针的外部部分暴露在其周围的过程环境中，这也可能被归类为危险。正常情况下，光束不会与外部环境直接接触，除非光纤发生断裂(即故障)。gydF4y2Ba

首先必须说明的是，探头和纤维本身没有电气危险，因此本质上是安全的。只有连接到分析仪后，光才能进入光纤并传输到探头尖端。因此，如果需要危险体认证(UL, ATEX, IECEx, CSA等)，必须与分析仪一起进行。gydF4y2Ba

导波探测器已经与导波的近红外(NIR)光度计(ClearView db)和光谱仪(Model 412, Lab 412和NIR- o)一起使用，此外还有其他公司制造的仪器。一般来说，这些第三方分析仪都是近红外傅里叶变换(FT-NIR)光谱仪。gydF4y2Ba

所有这些分析仪都使用非相干源，例如钨卤灯泡，其工作原理是黑体热辐射。光源灯发出的光一般通过光纤的一端成像，然后从光纤一端传输到探头。gydF4y2Ba

一束准直的光束随后由探针穿过样品，从样品中注入光纤。这将辐射返回到分析仪，并最终被检测到。gydF4y2Ba

对于光栅光谱仪来说，光可以在进入光纤之前分散(预分散)，也可以在从探头返回后分散(后分散)。在预分散情况下(如GWI的412型)，单色光被发送到样品。本文将不分析这种情况，因为与后分散情况相比，它是微不足道的，在后分散情况下，白色(也称为宽带)光被发送到样品(如GWI的NIR-O光谱仪)，这将在下面讨论。gydF4y2Ba

在ft -近红外光谱仪的情况下，光是用干涉仪编码的。这也可以是预编码或后编码。在大多数情况下，FT光谱仪是预先编码的，以减少杂散光干扰。然而，在这两种情况下，宽带辐射都被发送到探测器。现在将讨论预编码的情况，因为它是最常见的。gydF4y2Ba

在大多数情况下，光度计也属于后分散结构，发出白光。下文不讨论光度计，因为它们与上述两种情况没有显著不同。gydF4y2Ba

首先，将审查IEC标准，然后是ISA标准。gydF4y2Ba

IEC 60079 - 28gydF4y2Ba

IEC 60079-28标准主要用于能够将大量能量输送到光纤电缆中的激光源。在下面，我们将只讨论非相干光源，即钨卤灯。这些作用的原理是黑体或灰体热辐射，这是由著名的普朗克方程定义的gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

这样做的主要潜在危险是，光源可能提供足够的能量来点燃可燃固体、液体、气体、粒子或液滴。来自非相干光源的光被注入到单股光纤电缆中，并没有足够的能量来电离任何目标。gydF4y2Ba

因此，唯一可能的机制是通过吸收与危险物质或光束中任何其他物质有关的辐射进行热加热。gydF4y2Ba

某些材料是宽带吸亚博网站下载收剂，能吸收其表面接收到的所有波长。其他材料具有亚博网站下载选择性吸收带和光谱透明的宽区域。gydF4y2Ba

在这些计算中，假定是前一种情况。应该注意的是，光从光纤电缆的一端迅速发散，因此能量密度显著降低与电缆的距离。gydF4y2Ba

在大多数情况下，过程光谱学中使用的光缆的数值孔径(N.A.)为0.22。这意味着光线以25°的锥角发散，因此任何危险会随着距离迅速减少gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

为了根据标准被归类为本质安全，探头或流池的光能密度必须低于5mw /mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba在与样品或危险介质的相互作用点。gydF4y2Ba

对于探针和流池，样品在两个窗口之间流动，这两个窗口通常由蓝宝石制成。在窗口之间，有一个区域，一束准直的光通过样品，在那里部分或全部的光可以被样品吸收。gydF4y2Ba

对于GWI的探针和流细胞，准直区域的直径约为5毫米。当光离开第一个蓝宝石窗口时，功率密度必须低于5 mW/mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba要求。gydF4y2Ba

在下面，光源将首先考虑。在大多数ft -近红外光谱仪以及GWI光谱仪中使用的光源是带有钨丝的白炽灯。这种灯丝通常保持在接近2800°K的温度下。gydF4y2Ba

然而，在最坏的情况下，灯的工作接近绝对最大的3683°K，钨的熔点gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba将在以下计算中考虑。热源的功率密度可以由斯蒂芬-玻尔兹曼定律给出gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba：gydF4y2Ba

RgydF4y2Ba_egydF4y2BaT =εσgydF4y2Ba^4gydF4y2Ba

在RgydF4y2Ba_egydF4y2Ba辐射出度是W/m吗gydF4y2Ba^2gydF4y2Baσ为Stefan-Boltzmann常数(5.67 x 10)gydF4y2Ba^{－8gydF4y2Ba}W / mgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/ K4)gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba， T为源温度，单位为°K。在钨的情况下，发射率最大为0.45gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

因此，在3683°K源的情况下，RgydF4y2Ba_egydF4y2Ba= 4.69 W /毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．辐亮度(L)可以从辐射出度计算出来，并定义单位面积、单位立体角或立体角的功率。gydF4y2Ba

L = RgydF4y2Ba_egydF4y2Ba/πgydF4y2Ba

因此光源亮度L = 1.49 W/mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/ sr。这是FT-NIR和光栅光谱仪最常见的光源。gydF4y2Ba

现在计算将采用两种方法，分别描述每种仪器的情况。预先编码的FT-NIRs会损失干涉仪内部一半的光。gydF4y2Ba

此外，由于反射和传输损失，源光学会使光束衰减，然而这些值是未知的，取决于仪器的光学几何形状。gydF4y2Ba

FT的最坏情况辐射亮度可以用L给出gydF4y2Ba_{英国《金融时报》gydF4y2Ba}= 0.76 W /毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/ sr。对于GWI的NIR-O光谱仪，源光学设计是已知的。光束通过一个效率约为80%的长通滤光片，然后通过8个其他光学表面，每个表面的效率为96%。gydF4y2Ba

这意味着源衰减为0.8 * 0.96gydF4y2Ba^8gydF4y2Ba= 0.58。由此，光栅仪器的亮度可以用L来表示gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 0.86 W /毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba/ sr。gydF4y2Ba

进入光纤的光量可以通过光纤的étendu来确定。étendu一般称为A·Ω产品，其中A为光纤的横截面积，Ω为光纤的验收实心角。对于纤维的面积，有两种情况可以描述。gydF4y2Ba

通常，ft -近红外光谱仪采用直径600 μm的光纤。GWI采用直径为500 μm的光纤。这两种纤维的N.A.均为0.22，可用来确定可接受的实心角。N.A.是半锥角θ的正弦。立体角的定义如下:gydF4y2Ba

π r (1 - cos(θ)) = 1 π r (1 - cos(θ))gydF4y2Ba

对于一个单位圆，r可以简单地由r = 1给出。使用标准三角恒等式以及N.A的定义，这个方程变成:gydF4y2Ba

π(1 -(1 -√(1 - n))gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba））gydF4y2Ba

对于两种纤维，Ω = 0.154 sr。因此，对于这两种纤维的选择，étendu为A·ΩgydF4y2Ba_600gydF4y2Ba= 0.044毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba老·和·ΩgydF4y2Ba_500gydF4y2Ba= .030毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba·sr。gydF4y2Ba

总功率PgydF4y2Ba_tgydF4y2Ba，可计算为辐亮度与étendu的乘积，公式如下:gydF4y2Ba

PgydF4y2Ba_tFTgydF4y2BaL =gydF4y2Ba_{英国《金融时报》gydF4y2Ba}·A·ΩgydF4y2Ba_600gydF4y2Ba= 32.5兆瓦gydF4y2Ba

PgydF4y2Ba_tggydF4y2BaL =gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba·A·ΩgydF4y2Ba_500gydF4y2Ba= 26.1兆瓦gydF4y2Ba

还有最后一个必须纠正的地方。熔融石英光纤强烈衰减所有超过2300 nm的辐射，在10米光纤运行中，> 1000 dB/km衰减超过90%。现在可以假设FT-NIR能传输可见光和这个波长之间的所有光。gydF4y2Ba

对3683°K光源从UV到2200 nm的普朗克方程积分，得到的值仅为总能量的87.5%，其中PgydF4y2Ba_tFTgydF4y2Ba= 28.4兆瓦。同样的长波长切断也将适用于光栅光谱仪，但如前所述，在光束中有一个长通滤波器。gydF4y2Ba

这个过滤器去除950纳米以下的所有辐射。因此，积分可以认为仅在950 ~ 2200 nm之间，约占可用光的48.5%。由此可知，光栅光谱仪光纤中的功率为PgydF4y2Ba_tggydF4y2Ba= 12.7兆瓦。gydF4y2Ba

如果假设光纤对探头是无损的，就可以计算出通过样品的光束中的能量密度。对于SST探针和流池，光束直径约为5毫米，功率密度(单位面积功率)由此而来gydF4y2Ba

lgydF4y2Ba_{击球gydF4y2Ba}(3683°K) = 28.4 mW/19.6 mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 1.45 mW /毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

lgydF4y2Ba_pggydF4y2Ba(3683°K) = 12.7 mW/19.6 mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba= 0.66 mW /毫米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

前面已经说过，本安功率密度为5 mW/mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．显然，这里考虑的两种情况都符合示例接口的规范原样，即使在这种最坏的情况下也是如此。gydF4y2Ba

如果使用更真实的2800°K黑体温度，数值会是gydF4y2Ba

lgydF4y2Ba_{击球gydF4y2Ba}(2800°K) = 0.43 mW/mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

lgydF4y2Ba_pggydF4y2Ba(2800°K) = 0.28 mW/mmgydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

这表明，在这两种情况下，在这个实际温度下，值都比安全值低一个数量级。gydF4y2Ba

在IEC标准中的另一个考虑是，光纤中的总功率必须低于35mw，以防光纤中出现断裂。再一次考虑最坏的情况，光纤中的总光功率是PgydF4y2Ba_tFTgydF4y2Ba= 28.4 mW, PgydF4y2Ba_tggydF4y2Ba= 12.7兆瓦，两者都远低于35兆瓦的要求。对于2800°K灯，这两个值分别降至9.4 mW和5.4 mW。gydF4y2Ba

由此可以得出结论gydF4y2BaGWI的SST探针和流动细胞gydF4y2Ba当与预编码ft -近红外光谱仪或GWI的后分散NIR-O光谱仪一起使用时，满足IEC 60079-28内在安全(op-is)操作标准，即使在两种故障的情况下，灯过电压烧坏和光纤断裂或管道失效。gydF4y2Ba

电气系统和易燃或可燃过程流体之间的过程密封要求gydF4y2Ba

ISA 12.27.01-2003本质上要求在主工艺密封和与探头的任何导管连接之间存在二次密封。这种密封的目的是在主密封失效的情况下防止工艺流体迁移到管道系统。gydF4y2Ba

对于GWI探头和流池，主密封位于蓝宝石窗口。这种密封可以是o形环，也可以是金合金钎焊件，放置在窗口和不锈钢探头体之间。gydF4y2Ba

在SST探头和O-SST探头的情况下，光纤通过SMA连接器退出探头。这些连接器使用o形环或粘合剂密封在探头本体上。对于这两种探头设计，这种密封机构已经经过了>3x探头压力额定值的测试。因此，根据ISA标准，这种密封方法符合二级密封的要求。gydF4y2Ba

流单元的结构略有不同。在这种情况下，主密封是蓝宝石窗户上的两套o形环。然后，窗户本身被镜片支架固定在合适的位置。每个镜头架都有o形环，除了在镜头本身周围有一个o形环外，o形环还能在镜头架和细胞体之间提供密封。gydF4y2Ba

正是这种组合构成了次级密封。这种密封也经过了验证测试，达到电池额定压力>倍。gydF4y2Ba

因此，GWI的SST探头和O-SST探头，以及GWI的Multipurpose Flow cell满足ANSI/ISA双密封要求。gydF4y2Ba

参考文献gydF4y2Ba

1. “爆炸性环境。第28部分光辐射设备和系统的保护”，国际电工委员会，60079-28，第1版20app亚博体育06-08。gydF4y2Ba
2. “电气系统和易燃或可燃过程流体之间的过程密封要求”，美国国家标准协会/仪器仪表、系统和自动化学会，12.27.01-2003,2003年2月2日批准。gydF4y2Ba
3. “单面传输(SST)工艺探头”，导波公司，产品文献1005-15-04。gydF4y2Ba
4. “o型环单面传输(O-SST)探头”，导波公司，产品文献1009-12-11。gydF4y2Ba
5. “多用途工艺流池”，导波公司，产品文献，1019-13-01。gydF4y2Ba
6. Halliday, D.和R. Resnick，物理学，John Wiley & Sons, Inc, 1968，第47章。gydF4y2Ba
7. “导波光缆”，导波公司，产品文献1006-12-09。gydF4y2Ba
8. 化学和物理手册，R. C. west，编著，CRC出版社，Boca Raton, FL，第67版，p.B-40, F-188。gydF4y2Ba
9. 美国物理学会手册，D. E. Gray主编，McGraw-Hill图书公司，纽约，第3版，第6-212页。gydF4y2Ba

这些信息已经从导波提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载gydF4y2Ba

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