[0001] 本发明涉及取样设备技术领域，尤其涉及一种分体式取样探头。

[0002] 目前，清洁能源发展迅速，天然气将成为推动能源转型的重要方向，长输天然气管道的建设逐渐加大。在天然气长输管道天然气输送中，为保证天然气输入品质，做到客观、公正地检验检疫，保证贸易双方的经济利益和管道的安全运行，对天然气气质地分析是至关重要的。通常，在天然气长输管道首站设置分析仪表，用于分析天然气的气质。

[0003] 天然气取样的目的有：进行气质监测，分为污染物(杂质)监测、气质是否满足交接各方约定和规范标准要求监测，以及质量监督检测；获得气质组分数据，进行密度、压缩因子、发热值等物性参数计算，参与流量(贸易交接计量)计算。

[0004] 分析取样方法分为直接取样和间接取样。直接取样方法中，样品直接从气源输送至分析单元，即从输气管道的取样点到在线过程分析仪表，主要有气相色谱分析仪、H2S分析仪、水分分析仪和烃露点分析仪。对于天然气间接取样，需要在站场设置在线自动取样系统实现从管道内采集最具有代表性的样气至样品气瓶用于离线分析。

[0005] 在线自动取样系统的取样探头安装在天然气主管道上，天然气经过取样管路能够直接自动连续地采集出管道中天然气足够量的具有代表性的气体样品至移动样品气瓶，通过取样控制器完成预定量的样品采集，并能将其取样控制信号传送至上位控制系统。通常情况下，自动取样系统可以在没有操作人员干预的情况下连续和反复地提取少量样品，以确保天然气任何成份的变化都被反映到样品中。

[0006] 现有取样装置都是采用进口取样探头，价格昂贵，带压维护风险大，需要放空天然气才能安全维护维修，且功能都集成在整体上，操作复杂。

[0058] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0059] 如图1至图27所示，本发明实施例提供了一种分体式取样探头，包括：取样阀组1、减压阀组2、防爆控制箱3以及控制器，所述减压阀组2安装在所述取样阀组1顶部，所述防爆控制箱3安装在所述减压阀组2顶部，所述减压阀组2中设有调压机构，所述防爆控制箱3中设有调温机构，所述控制器分别与所述调压机构以及所述调温机构连接，所述控制器中设有压力HART板5以及温度HART板6，所述压力HART板5和所述温度HART板6分体设置。

[0060] 采用本发明技术方案的有益效果是：控制部分分成二部分：第一部分的分体式，为了简化电路，单电机控制板部分只有自动调压回路。第二部分的分体式，防爆箱中只有智能调温度的模块。带防爆控制箱的为自动调压取样探头，由取样阀组、减压阀组和防爆控制箱三部分组成，自动调压方式由单片机程序控制，给定一个所需要的压力值，单片机程序会自动给电机发送指令自动调整压力。减压阀组中设有调压机构，所述防爆控制箱中设有调温机构。可通过RS485接口将各参数传输到所需地址。由单片机控制，完成压力采集比对压力给定，由电机拖动实现自动调压和自动加热功能。隔爆自动控制箱由单片机控制，完成压力采集比对压力给定，由电机拖动实现自动调压和自动加热功能。解决天然气取样探头模块化问题，使得取样探头更加具有维修方便、拆卸方便，可以快速组装快速维修，气路一旦泄漏，可燃气体不会跑到防爆箱中，做到了电气分离。当管线压力一定时，只要手动调整输出压力到一个定值时，其压力会保持不变，并且恒定，在设计上材质壁厚远远超过使用压力，所以调压阀组设计使得调压更加简单安全。

[0061] 其中，控制器可以为单片机。

[0062] 取样探头(分体式取样探头)为插入气体管道，另一端与取样导管相连接的装置。取样探头在管道上方插入管道直径的1/2～1/3处，探头(分体式取样探头)的设计应考虑管道中高速气流可能造成的探头共振，且不易被堵塞，使样气具有代表性。取样探头通过一个配套的法兰式全通径球阀后直接插入输气管道中，操作者可关闭球阀(法兰式全通径球阀)切断天然气，并安全地从带压的管道中移出或插入取样探头，实现探头(取样探头)在线插拔，当探头维护时亦不用停输。取样探头为双探头设计，一个探头用于样品进气，一个探头用于样品气循环返回，实现用管道中的天然气来提供背压系统的气源，并将多余引出的天然气通过取样探头的另一个接口返回到天然气主管道中。

[0063] 自动调压调温部分的核心组件是电机驱动总成(电机驱动机构)。最常见的是使用PLC技术，PLC技术有如下的特点：

[0064] 第一，操作简单。PLC技术在实际的应用中可以通过已经被定义的辅助继电器触点来进行控制操作，因此在实际中PLC技术的应用具备了规范化、标准化特征，并且在PLC控制系统的应用中没有过于复杂的操作流程，而这也进一步的简化了程序指令，通过对程序关系的简化可以有效的减少工作人员的实际操作量，因此相较于其他控制技术PLC具备了操作简单的特点；

[0065] 第二，适应性强。目前在PLC技术的应用中必须要有完善的硬件设施，因此将其应用于自动化控制中可以良好的展现出PLC技术所具备的功能特性，并且完善的功能体系使得PLC技术在实际中的实用性较高，相应的其可以适应控制系统的不同需求，具有较高的适应性；

[0066] 第三，维护简便。在PLC技术应用的维护检修工作中没有过高的技术要求，并且PLC技术具备了自我诊断的功能特点，因此也使得其在实际中可以对自我进行维护及调整，因此也使得PLC系统在实际中故障问题发生几率较低。

[0067] 样品取样处理系统的基本组成通常包括：样品提取(又称取样或采样)、样品传输、样品处理(又称样品调理)、样品排放。不同流程工艺和不同工况条件的取样分析，需要采取不同类型的取样探头。

[0068] 使用取样探头进行探测，是获得被取样物体参数的有效手段，取样探头选择的原则取决于取样点的工况条件，包括温度、压力、含尘量、含水分量、干扰物、被测工艺组分等综合因素，取样探头系统在取样过程中样品气被测组分不失真，并通过取样过程实现对样品的初级过滤。

[0069] 分体式探头，属于模块化设计的一部分，使用便捷，比如只用高压部分，只安装取样阀组就可以，输出的压力就是管道内的压力，可直接供给设备使用；所用的设备如果需要减压，就要在取样阀组的上面安装减压阀组，经过减压后供给用户设备使用；如果客户需要自动化，在减压阀组的上面还有一个防爆自动控制箱(防爆控制箱)。

[0070] 控制部分分成二部分：第一部的分体式，为了简化电路，单电机控制板部分只有自动调压回路。第二步的分体式，防爆箱中只有智能调温度的模块。

[0071] 带防爆控制箱的为自动调压取样探头，它由取样阀组、减压阀组和防爆控制箱三部分组成，自动调压方式由单片机程序控制，在调压后由一个压力传感器来检测实时压力，给定一个所需要的压力值，单片机程序会自动给电机(电机驱动机构)发送指令自动调整压力。

[0072] 本发明实施例提供的一种分体式取样探头，可以为分体式的自动调压模块化设计取样探头。自动调压部分如果出现问题，在防爆箱(防爆控制箱)中有一个分离咬合器(离合器)，只要拔出咬合齿轮就会离合可进行手动调压。模块化具有维修方便、拆卸方便，可以快速组装快速维修；电气分离的优点。

[0073] 调压的目的是因为各种分析仪表都严格规定了自已的输入压力值。不能超过输入压力极限值，比如：水露点仪是管线实时压力，烃露点仪一般国际上是2.7Mpa，色谱分析仪各厂家略有不同，DANIELJ 20psi，载气是110psi.等。最先提出模块化的设想是小型化、快速组装化、分体独立化，有需求就安装，无需求就移除，元器件包含过滤、加热、吹扫、分支输出、常压取样、减压、泄放、细过滤、除水、整体组合单片机电路板，单片机调压电路板，单片机调温电路板等。都能根据功能快速组装。快速拆解、快速更换维修。

[0074] 如图1至图27所示，进一步地，所述取样阀组1连接有法兰式全通径球阀，所述减压阀组2可拆卸地安装在所述取样阀组1顶部，所述防爆控制箱3可拆卸地安装在所述减压阀组2顶部。

[0075] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：取样探头通过一个配套的法兰式全通径球阀后直接插入输气管道中，操作者可关闭球阀(法兰式全通径球阀)切断天然气，并安全地从带压的管道中移出或插入取样探头，实现探头(取样探头)在线插拔，当探头维护时亦不用停输。分体式探头，属于模块化设计的一部分，使用便捷，只用高压部分，只安装取样阀组就可以，输出的压力就是管道内的压力，可直接供给设备使用；所用的设备如果需要减压，就在取样阀组的上面安装减压阀组，经过减压后供给用户设备使用；如果需要自动化，在减压阀组的上面设置一个防爆自动控制箱。解决天然气取样探头模块化问题，使得取样探头更加具有维修方便、拆卸方便，可以快速组装快速维修，气路一旦泄漏，可燃气体不会跑到防爆箱中，做到了电气分离。当管线压力一定时，只要手动调整输出压力到一个定值时，其压力会保持不变，并且恒定，在设计上材质壁厚远远超过使用压力，所以调压阀组设计使得调压更加简单安全。

[0076] 如图1至图27所示，进一步地，所述取样阀组1包括：取样杆4、进气阀7、出气阀8、排污阀9，所述进气阀7、所述出气阀8以及所述排污阀9均安装在所述取样杆4上，所述出气阀8位于所述进气阀7的上方，所述排污阀9位于所述出气阀8的上方。

[0077] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：从管线内取样后经过两道针阀，进行吹扫时可打开排污阀，高压气流会通过进气阀和排气阀及排污阀喷出，将取样杆内壁上吸附的杂质吹出去。

[0078] 如图1至图27所示，进一步地，所述取样杆4在管道上方插入管道直径的1/2～1/3处，所述取样杆4在管道中的插入深度不大于120mm。

[0079] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：取样探头在管道上方插入管道直径的1/2～1/3处，防止管道中高速气流造成探头共振，且不易被堵塞，使样气具有代表性。需要插入管线内1/3或1/2之间，如果是大管线，插入深度不能超过120mm。

[0080] 如图1至图27所示，进一步地，所述取样阀组1上设有双向排污口10。

[0081] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：采样阀组(取样阀组)安装采用双向排污口，排污方式特别，可快速吹扫取样直管壁上污物。取样阀组针阀关闭，打开排污口可放空上部的气体。不关取样阀组针阀，可将残液喷出。

[0082] 如图1至图27所示，进一步地，所述取样阀组1上设有螺纹或法兰。

[0083] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：高压取样6Mpa以上采用法兰联接，内径尽量小，根据所需分析仪要求有3mm、4mm、5mm三种规格；低压取样4Mpa以下采用3/4NPT螺纹联接，采用法兰托材质应与管线材质相同，并焊接在管线上。

[0084] 如图1至图27所示，进一步地，所述减压阀组2包括：第一壳体、电加热芯25、温度传感器19、泄放阀、一次压力表16、二次压力表15、压力传感器13、安全阀14，所述泄放阀安装在所述第一壳体的底部，所述电加热芯、所述温度传感器19、所述一次压力表16均安装在所述第一壳体的中部，所述电加热芯位于所述泄放阀的上方，所述温度传感器19位于所述电加热芯的上方，所述一次压力表位于所述温度传感器的上方，所述二次压力表15、所述压力传感器13、所述安全阀以及所述调压机构均安装在所述第一壳体的顶部，所述电加热芯、所述温度传感器19、所述一次压力表、所述二次压力表、所述压力传感器13均与所述控制器连接。

[0085] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：带防爆控制箱的为自动调压取样探头，由取样阀组、减压阀组和防爆控制箱三部分组成，自动调压方式由单片机程序控制，在调压后由一个压力传感器来检测实时压力，给定一个所需要的压力值，单片机程序会自动给电机(电机驱动机构)发送指令自动调整压力。减压阀组是模块化取样器(探头)的核心部件，将多种功能融于一身，功能齐全按需所用。收集油水等污物由泄放阀排出。第一次过滤用的滤芯取消安装。一次管线压力表(一次压力表)，可观看管道内压力。减压总成减压后二次压力表及压力传感器。安全阀保护下游设备安全运行。极细粉尘及潮气滤除项可用普通卡套安装。烃露点减压总成取消安装。从下至上分为如下几层：第一层：排污泄放阀，可将此处收集的油污水合物等通过泄放阀排出，操作时不要正对泄放阀或出气口，排污时做评估是否需要停分析仪设备。第二层：减压阀组加热层，与气路隔离，用两根100W DC24V加热棒对减压阀组内部加热，温度控制在50‑60度，在极寒地区防止排污不畅或调压不稳。第三层：温度传感器，用NTC10K温度探头和18B20数字温度探头对减压阀组温升进行监测，18B20数字探头损坏后，NTC10K温度探头会自动接入工作，温度信号传给调温控制器进行自动控制。第二层与第三层共用一个防爆端子口进行电压给定和信号传输。第四层：用一块高压表(一次压力表)对管道压力进行监测。同时此层安装有一个国产粗过滤滤芯，天然气中大颗粒物质被拦截此处，滤芯可根据现场气质情况定期更换。更换时先关闭取样阀组上的阀门，打开第一层上的排污泄放阀放空压力，拆下压力表，旋出压力表对面的丝堵，取出弹簧。用探针从压力表口进入轻推滤芯，滤芯可从丝堵处顶出，更换完滤芯后安装弹簧和丝堵，最后安装压力表。第五层：共四个设备元件，为了方便安装和加工，采用八面体对面安装。压力表(二次压力表)：减压后的压力表，对低压进行监测。每六个月进行一次检定，合格后使用。安全泄压阀(安全阀)：当减压阀组一旦调压失败压力上升或操作失误压力升高至门限值时，安全泄压阀自动开启进行泄压，保护分析仪避免因高压冲击而损坏。安全泄压阀每一年校准一次，定值按分析仪要求整定。压力传感器：应用于自动调压后的信号反馈，来完成自动调压。如果不需要可取消安装。气体出口：有精细粉尘和潮气过滤总成，如果不需要可取消安装。小型高压球阀，用于低压气路的截断，方便减压阀组的维护维修及升压调试。输出螺纹接口为1/4NPT内螺纹。上部中心处为调压总成，也是调压的核心部件。调压过程是否稳定和流量大小全部由核心部件控制。

[0086] 如图1至图27所示，进一步地，所述电加热芯包括两个加热棒18，加热棒18的功率为100W，加热棒的电压为DC24V，温度传感器为NTC10K温度探头和18B20数字温度探头，邻近一次压力表16位置处设有滤芯17。

[0087] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：两根100W电加热芯，保证低温下温度达到要求。减压阀组加热层，与气路隔离，用两根100W DC24V加热棒对减压阀组内部加热，温度控制在50‑60度，在极寒地区防止排污不畅或调压不稳。温度传感器，用NTC10K温度探头和18B20数字温度探头对减压阀组温升进行监测，18B20数字探头损坏后，NTC10K温度探头会自动接入工作，温度信号传给调温控制器进行自动控制。

[0088] 如图1至图27所示，进一步地，所述防爆控制箱包括：第二壳体、显示屏、接线端子、电机驱动机构、离合器11，所述离合器11中设有咬合齿轮，所述电机驱动机构12与所述调压机构连接，所述显示屏、所述接线端子、所述电机驱动机构12、所述离合器11分别安装在所述第二壳体的四周侧壁上，所述调温机构安装在所述第二壳体中，所述显示屏、所述接线端子、所述电机驱动机构12以及所述离合器11均与所述控制器连接。

[0089] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：自动调压调温部分的核心组件是电机驱动总成(电机驱动机构)，使用PLC技术。操作简单，适应性强，维护简便。自动调压部分如果出现问题，在防爆箱(防爆控制箱)中有一个分离咬合器(离合器)，只要拔出咬合齿轮就会离合可进行手动调压。模块化具有维修方便、拆卸方便，可以快速组装快速维修；电气分离的优点。自动加热安装在隔爆自动控制箱中，可通过RS485接口将各参数传输到所需地址。由单片机控制，完成压力采集比对压力给定，由电机拖动实现自动调压和自动加热功能。显示屏(触摸屏)：完成温度、压力值的输入设定，自动调整加热及稳压的PID控制程序。其反馈值在触摸屏上显示。

[0090] 如图28所示，进一步地，所述控制器包括：A/D转换器20、单片机主板21、控制板22以及防爆继电器23，所述单片机主板21分别与所述A/D转换器20、显示屏24、所述压力HART板5、所述温度HART板6、所述控制板22连接，所述压力HART板5分别与所述A/D转换器20、所述温度HART板6以及压力传感器13连接，所述温度HART板6分别与所述A/D转换器20、显示屏24以及温度传感器19连接，所述控制板22分别与所述A/D转换器20、所述防爆继电器23以及电机驱动机构12连接，所述防爆继电器23连接有电加热芯25。

[0091] 采用上述进一步技术方案的有益效果是：根据功能快速组装。快速拆解、快速更换维修。A/D转换器将交流变直流。单片机主板是控制单元的核心大脑。触摸屏是人机对话窗口。HART板是桥梁，只有通过HART板才能与变送器完成通讯，才能采集到压力和温度信号。控制板接收单片机指令，控制电机正反转调压或加热还是停止加热。

[0092] 本发明实施例(分体式取样探头)主要功能有：取样气路吹扫、减压阀组放空、取样气路粗过滤、排污排水、高压气体减压、高压气体监测、低压气体监测、减压阀组内加热、应用压力超压安全泄放、极细粉尘潮气过滤、高低压气路截断、自动调压、自动调温等。

[0093] 从管线内取样后经过两道针阀，进行吹扫时可打开blowdown valvw(排污阀)，高压气流会通过inlet valve(进气阀)和gas outlet valve(排气阀)及blowdown valvw(排污阀)喷出，将取样杆内壁上吸附的杂质吹出去。

[0094] 本发明实施例的主体分为取样阀组、减压阀组和隔爆自动控制箱三个部分。

[0095] (1)取样阀组

[0096] 取样阀组在管道上有两种连接方式，分别为：螺纹连接方式和法兰连接方式。

[0097] 本发明高压取样6Mpa以上采用法兰联接，内径尽量小，根据所需分析仪要求有3mm、4mm、5mm三种规格；低压取样4Mpa以下采用3/4NPT螺纹联接，采用法兰托材质应与管线材质相同，并焊接在管线上。高端采样阀组(取样阀组)安装采用双向排污口，排污方式特别，可快速吹扫取样直管壁上污物。

[0098] 取样阀组针阀关闭，打开排污口可放空上部的气体。不关取样阀组针阀，可将残液喷出。

[0099] 需要插入管线内1/3或1/2之间，如果是大管线，插入深度不能超过120mm。

[0100] 低压杆与高压杆无区别，低压时用管托，高压时用法兰。

[0101] (2)减压阀组

[0102] 减压阀组是模块化取样器(探头)的核心部件，将多种功能融于一身，功能齐全按需所用。

[0103] 减压阀由下面部分组成：1、两根100W电加热芯，保证低温下温度达到要求；2、收集油水等污物由泄放阀排出；3、第一次过滤用的滤芯取消安装；4、一次管线压力表，可观看管道内压力；5、减压总成减压后二次压力表及压力传感器；6、安全阀保护下游设备安全运行；7、极细粉尘及潮气滤除项可用普通卡套安装；8、烃露点减压总成取消安装。

[0104] 减压阀组内部气路从下至上分为如下几层：

[0105] 第一层：排污泄放阀(排污阀)，可将此处收集的油污水合物等通过泄放阀排出，操作时不要正对泄放阀或出气口，排污时做评估是否需要停分析仪设备。

[0106] 第二层：减压阀组加热层，与气路隔离，用两根100W DC24V加热棒对减压阀组内部加热，温度控制在50‑60度，在极寒地区防止排污不畅或调压不稳。

[0107] 第三层：温度传感器，用NTC10K温度探头和18B20数字温度探头对减压阀组温升进行监测，18B20数字探头损坏后，NTC10K温度探头会自动接入工作，温度信号传给调温控制器进行自动控制。第二层与第三层共用一个防爆端子口进行电压给定和信号传输。

[0108] 第四层：用一块高压表(一次压力表)对管道压力进行监测。同时此层安装有一个粗过滤滤芯，天然气中大颗粒物质被拦截此处，滤芯可根据现场气质情况定期更换。更换时先关闭取样阀组上的阀门，打开第一层上的排污泄放阀放空压力，拆下压力表，旋出压力表对面的丝堵，取出弹簧。用探针从压力表口进入轻推滤芯，滤芯可从丝堵处顶出，更换完滤芯后安装弹簧和丝堵，最后安装压力表。

[0109] 第五层：共四个设备元件，为了方便安装和加工，采用八面体对面安装。

[0110] 压力表(二次压力表)：减压后的压力表，对低压进行监测。每六个月进行一次检定，合格后使用。

[0111] 安全泄压阀(安全阀)：当减压阀组一旦调压失败压力上升或操作失误压力升高至门限值时，安全泄压阀自动开启进行泄压，保护分析仪避免因高压冲击而损坏。安全泄压阀每一年校准一次，定值按分析仪要求整定。

[0112] 压力传感器：应用于自动调压后的信号反馈，来完成自动调压。如果不需要可取消安装。

[0113] 气体出口：有精细粉尘和潮气过滤总成，如果不需要可取消安装。小型高压球阀，用于低压气路的截断，方便减压阀组的维护维修及升压调试。输出螺纹接口为1/4NPT内螺纹。上部中心处为调压总成，也是调压的核心部件。调压过程是否稳定和流量大小全部由核心部件控制。

[0114] (3)隔爆自动控制箱(防爆控制箱)

[0115] 减压阀组中设有调压机构，所述防爆控制箱中设有调温机构，也可以自动加热和自动调压全都安装在隔爆自动控制箱中，可通过RS485接口将各参数传输到所需地址。由单片机控制，完成压力采集比对压力给定，由电机拖动实现自动调压和自动加热功能。

[0116] 隔爆自动控制箱由单片机控制，完成压力采集比对压力给定，由电机拖动实现自动调压和自动加热功能，隔爆自动控制箱由下面几个部分组成，分别是：

[0117] 显示屏(触摸屏)：完成温度、压力值的输入设定，自动调整加热及稳压的PID控制程序。其反馈值在触摸屏上显示。

[0118] 接线端子：分为接线内端子和接线外端子。

[0119] 电气控制可选用三种方式：

[0120] (1)单片机控制

[0121] 应用特点：体积小：基本功能部件满足要求；

[0122] 可靠性高：BUS(总线，信息通路)大多在内部；易采取电磁屏蔽；

[0123] 功能强：实时响应速度；I/O直接操作；

[0124] 使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料；

[0125] 性能价格比高：电路板小；接插件少；

[0126] 易产品化：研制周期短。

[0127] 其中，A/D转换器，就是将交流变直流。单片机主板是控制单元的核心大脑。触摸屏是人机对话窗口。HART板是桥梁，只有通过HART板才能与变送器完成通讯，才能采集到压力和温度信号。控制板接收单片机指令，控制电机正反转调压或加热还是停止加热。

[0128] (2)PLC控制

[0129] PLC参路模拟量输入，参路控制量输出，T形图中对电机控制相对阀位开度量应充分考虑。

[0130] 解决天然气取样探头模块化问题，使得取样探头更加具有维修方便、拆卸方便，可以快速组装快速维修，气路一旦泄漏，可燃气体不会跑到防爆箱(防爆控制箱)中，做到了电气分离。当管线压力一定时，只要手动调整输出压力到一个定值时，其压力会保持不变，并且恒定，在设计上材质壁厚远远超过使用压力，所以调压阀组设计使得调压更加简单安全。

[0131] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。