【资料】工业气相色谱分析变送器GCX

　　工业气相色谱分析变送器GCX

　　艾默生集团过程管理公司

　　GCX是世界上第一台可以直接安装在现场的工业气相色谱分析变送器，专门用于工艺过程中多组分、多流路的成分分析，在工业生产控制中具有非常广阔的应用领域。与传统的工业气相色谱分析仪相比，GCX不仅适用范围宽，而且还具有体积小、对分析小屋的要求低、不需要连续吹扫空气、可现场安装、完全模块化结构设计等优点，为GCX的使用者带来可观的利益。

　　一 配置

　　1. 外壳设计

　　GCX以完全模块化的设计思想，将色谱分析单元和电子变送单元分别装在两个隔爆的外壳内，因而适用于I级、I区、IIB+H2环境，且不需要昂贵的分析仪器小屋和连续吹扫空气。在绝大多数情况下，提供一个可以避免阳光直射、遮风、挡雨、挡雪的小棚即可。只有在一些特殊情况下，才需要提供一个比较简陋的小屋，而提供小屋的目的，是为了避免环境温度的恶劣变化对仪器的运行造成不利的影响。

　　2. 现场接线

　　在GCX电子单元外壳的上方，有一个安全接线盒，这里是电源线和信号线的终端接口。当GCX工作在危险场所时，电源线和信号线可以通过欧洲标准的铠装电缆，进入安全接线盒，也可以按照美国标准，通过穿线管进入安全接线盒。

　　3. 电源及通信

　　GCX的标准电源是90～240V AC，也可以选择24V DC。

　　GCX的通信接口有：

　　(1)RS-485多节点网络接口，该网络可以接1～36台GCX;

　　(2)RS-232接口，该接口用于就地与计算机连接，从而支持MMI人机接口软件;

　　(3)色谱信号输出接口;

　　(4)6个开关量输入接口和6个开关量输出接口，这些信号分别用于控制和报警;

　　(5)RS-422 Modbus接口，该接口用于与主机或者DCS进行通信。

　　GCX还提供一个集成的操作员接口，即一块LED显示面板。面板上有若干LED显示灯，分别表示仪器的工作状态，其中包括：仪器循环的工作状态;采样流路的工作状态;检测器的工作状态;色谱炉的工作状态;带汽化器液体进样阀系统的温况，或者采样处理系统的温况;阀门的工作状态和常规报警。

　　4. 标准采样处理系统配置

　　对于单流路的应用，GCX可以采用标准的采样处理系统，而无需另外设计其他的系统，但前提是采样气体洁净、干燥、无颗粒物，且压力调整合适。但是，要通过常规的Swagelok连接装置来连接标气、载气和氢火焰离子检测器(FID)所使用的燃料气和空气。

　　当GCX需要对多流路进行分析时，就要提供一个防爆的采样处理系统。该系统可以处理高温采样，最多可以处理4个流路。如果现场可以提供仪表风，并且工艺设计有分析更多流路的要求时，则可以配置二进制的编码器，以便对流路进行选择。此外，还要配合使用气动阀门采样系统。GCX的这种配置，最多可以分析15个流路，而且带1路标定气。

　　二 特点

　　GCX具有先进的色谱分析功能，是世界领先级产品，其革新的特点表现在变送器技术与气相色谱分析方法的首次结合，以下是GCX的各项具体特点。

　　1. 集成控制器

　　GCX的核心部件是功能强大的微处理器，即系统控制器。其最多可以对每个流路的20个组分或者是虚拟组分进行分析，并且还支持两路标定气。对于流路的自动切换，其最多可以提供36个顺序的编程。每个组分和每种检测方式的自动谱峰检测、基线修正及检测斜率的灵敏度都是分别设置的，每个流路和每次标定的最终色谱分析结果均可自动保存。

　　GCX的控制器还可以将系统的所有操作参数和操作人员选择的功能都进行强制性地保存，以免在仪器电源切断时产生数据丢失。

　　自动标定选择包括：仪器验收前，由操作人员确定的自动标定;具有自动修正功能的自动标定;操作人员指定循环次数的自动标定。其中最后一种标定是按平均结果进行自动修正的。

　　2. 检测器配置选择

　　各种硬件通过不同配置，可以提高GCX的应用性能。目前提供的仪器配置选择方案有：一个或两个热导式检测器(TCD);氢火焰离子检测器;一个或两个圆形旋转式或活塞式10位滑阀;带汽化器的液体进样阀;带甲烷化器的氢火焰离子检测器。

　　3. 模块化结构

　　GCX的模块化结构，通过简化日常维护工作中零部件的插拔与更换工作，提高了仪器的最大运行时间，同时，也将仪器的平均维修时间减至最小。仪器电子单元的印刷电路板均安装在卡槽上，维修人员无需使用工具，即可方便地进行插拔或更换。在多数情况下，先进的诊断功能可以在技术人员去现场前，就能确认出现故障的元件，从而确保一次性将电子故障排除。

　　模块化结构的设计思想，在GCX色谱炉的设计中也得到了进一步的应用。GCX色谱分析部分的所有元件，包括色谱柱、检测器、阀门、调节器、加热器、温度探头和电子压力/流量控制元件，都可以作为一个独立的单元，进行拆卸或更换。色谱炉可以更换，是GCX工业气相色谱变送器设计思想和维修理念的集中体现。

　　色谱炉在现场维修时不是具体检修某个部件，而是进行整体更换，这一设计思想可以带来许多好处。首先，维修人员不必等色谱炉冷却后才开始检修，而是仪器电源一经切断，便可以拆卸色谱炉。事实上，拆色谱炉、装色谱炉、将仪器重新投运这一全过程，只需约60min的时间。其次，就是根据具体应用，对整体更换的色谱炉进行重新标定。GCX的重新投运都是在无需操作人员介入或者调整的情况下一次性完成的，因而，提高了仪器的有效利用率。另外，对于更换下来的色谱炉主要元件，用户可以在自己的设备上，或者在我们提供的设备上，按照用户自己的计划进行检修，而不必过多考虑修正阀座、色谱柱、加热器和保险丝等问题。由于备用的色谱炉就相当于一台备用的色谱仪，因此，正确地进行部件更换永远都是行之有效的。

　　4. 电子压力控制

　　GCX在传统的色谱炉和色谱分析部分增加了现代化的且获得了专利批准的流量控制元件，这些元件实际上缩小了常规压力/流量控制器的体积，而性能上又大大优于常规的压力调节器。流量控制元件不仅价格低，而且控制精确度高，且体积仅为常规压力调节器的20%。由于电子压力控制器无需日常调整，所以也就减少了 GCX的日常维护工作。

　　通常情况下，气相色谱仪的基线变化是由于流路或者是色谱柱的性能发生变化而引起的，这时，一定要通过调整针型阀来进行补偿。而GCX的微压控制器(电子压力控制器)则不需要这些日常的调整，只有当色谱柱需要更换时，才调整建立色谱基线的针型阀。对于腐蚀性的、有颗粒物的气体采样，其他色谱仪要使用微调阀门和一些不太耐用的元件进行调整，而GCX的流量控制元件则只需控制好载气和被测气体的流量即可。

　　根据应用和仪器配置的不同，流量控制元件还可以用于调整色谱柱柱头的压力，从而减少气体各组分的分离时间以改进整个分析的循环周期。

　　5. GCX的人机接口(HMI)软件

　　在奔腾或者更高等级的个人计算机上，以Microsoft Windows为操作系统的GCX人机接口软件，是一种技术先进、高度直观的软件。所有组态数据均已事先编制好，并存入仪器的不可擦写存储器中，同时，还存在磁盘上作为后备，并且可下载到HMI软件中。

　　HMI软件的安装是完全自动化的，操作人员只需按照菜单提示的每一步骤进行操作。一旦软件安装完毕，就为操作人员提供了GCX工业气相色谱变送器和连接在网上的所有其他仪表的监视控制接口。

　　HMI 软件提供了网上所有仪器的图形显示，操作人员可以修改仪器的位号和通信方式，或者访问某台仪器的参数设置和操作修改。另外，所有数据输入屏幕，均以下拉滚动条形框的形式为操作人员提供选择网上每一台GCX的可能。在改变被选中仪器的参数时，不需要退出“设置/显示”屏幕。

　　GCX的所有设置功能都可以在以菜单形式定制的工具栏中找到，如：组分名称、选通时间、谱峰检测方式、基线校正方式等，这些均可以在组分设置屏幕上找到。另外，还可以以同样的方式选择分析循环时间、自动标定频率、标定方式、计算方式、虚拟参数及Modbus方式的设置。每个设置屏幕上都可以从GCX上读数据，也可以往GCX的控制器上写数据。此外，HMI的数据库还具有很强的数据存储能力，使GCX可以进行快速重新组态和重新投运。

　　数据浏览屏幕使操作人员可以访问被选中的仪器在某日某时的记录。所有GCX的人机接口软件数据，都存在与Microsoft Access兼容的文件中，以便作进一步的平均化处理、分类及编制图表。在数据的原始格式中，数据日志以索引表格形式提供有关GCX的网络地址、工艺位号、分析日期、分析时间、采样流路及计算的每个被测组分的含量。为了安全起见，在建立数据日志功能前，要求操作人员要从250kB、1MB、2MB和 10MB这4种字节规格中，选择默认的文件规格。这样，便避免了硬盘存储空间出现意外溢出，或发生潜在的系统事故。

　　标定数据浏览屏幕使操作人员可以同时浏览当前的计算数据、以前的标定周期数据和最近一次标定的色谱图，同时，还显示变化的百分数、标定的标准数值和所采用的分析方法。如果停留在标定浏览屏幕上，操作人员还可以从标定的修正数据中，分别选择各组分的数值。该屏幕还可以用来浏览存在磁盘中的标定数据。

　　色谱浏览屏幕使操作人员可以选择数据图形的坐标参数，包括X轴和Y轴坐标刻度、数据参数、图形颜色、选通时间和许多其他选择。色谱图根据组分的分离时间进行实时显示，在分析周期结束时，不对分析的批量进行修改。其他显示内容还包括检测器的测量结果、使用的分析方法、分析的流路和循环周期。对双载气应用的组态，要有色谱图分屏显示的选择，使操作人员可以同时观测到两个检测器的测量结果。色谱浏览屏幕既可以监测实时数据，也可以查阅过去存在磁盘里的数据。

　　HMI软件还具有若干先进的数据诊断画面，它们分别显示仪器进行自诊断时所反映的问题。这些显示包括：电源电压;TCD检测器的灯丝电流;FID检测器里的空气与燃料气流量比;检测器的输出信号;色谱加热器电流和色谱炉温度;检测器加热器电流和检测器温度;采样处理系统电流，或者带汽化器液体进样阀加热器的电流;采样处理系统温度，或者带汽化器液体进样阀的温度;加热管线加热器的电流和加热管线的温度。诊断屏幕还包括仪器的工作状态显示和循环方式显示。

　　GCX人机接口软件，不仅技术先进而且考虑全面，其直观的画面设计，使色谱仪的初学者在使用仪器时都感到方便及易于掌握。

　　三 应用

　　与其他色谱仪不同，GCX主要应用在炼油厂和管线传输上。由于其具备多种配置方案及行之有效的检测器和多种选择件，所以，GCX是当今变送器式色谱仪中应用最广泛的产品。GCX一经选用，便可以为用户带来许多好处，如：降低安装成本;减少运行费用;在有些应用中，还可以提高生产效率。

　　GCX的典型应用如下：

　　(1)炼油厂。裂解气中氢烃和烯烃的分析;分离器顶部和底部的氢烃分析;MTBE(甲基叔丁基醚)提纯;炼油厂排放气中挥发性碳氢化合物分析;水中氯化处理烃及芳香烃的分析。

　　(2)空分和半导体行业。产气或供气中，微量污染物质的分析;跟踪标准的质量保证;甲烷系烃或非甲烷系烃的分析。

　　(3)管线输送和天然气生产。BTU热值计算;根据ISO6976和GPA标准，进行相关计算;贸易交接(在与Fisher Controls的FlowBoss407流量管理器配合使用时，GCX可以提供全组分的分析结果，该结果满足AGA 3和AGA8的标准)。

　　(4)化工。双二乙苯中甲苯、乙苯、间二甲苯的分析;氯乙烯单体生产中的杂质分析;苯乙烯中乙苯分析;脱甲烷塔顶部乙烯分析。

　　(5)医药和食品。蒸汽消毒应用中，环氧乙烷分析;干燥剂生产中，二氯甲烷分析。