工藝測量是瞬時的，但是分析儀的響應從來不是，從取樣口到分析儀總是存在時延，這一時延經常被忽視，取樣系統的時延是造成工藝分析儀結果不準確的最常見原因。本文目的是增進對引起時延原因的理解，并且提供必要的工具用于計算或者在合理誤差范圍內估算時延，同時也提供了一些建議用于減少時延。
一般來說，都要求將時延降到最低，即使是長周期系統。因為時延超過工業標準并不一定會成為問題，工藝工程師會基于過程動力學來決定可接受的時延。但當時延超過了系統設計者的期望時，關于時延的錯誤假設或者較差的估計必定會導致不良的工藝控制。
時延可能存在于分析儀器系統（圖1）中以下幾個方面：工藝管線、取樣口和取樣管、現場站、傳輸管線、樣品處理系統、樣品流切換系統以及分析儀。
時延是指流體從工藝管線最后一步流到分析儀所用的所有時間，包括在分析儀中被分析所用的時間。例如，如果氣相色譜儀需要5min來分析一份樣品，這5min不但要和存在于樣品處理系統和樣品流切換系統中的時延累加在一起，同樣要和存在于傳輸管線、現場站、取樣口以及取樣管中的時延累加。
工藝管線，取樣口位置，快回路以及傳輸管線
取樣口越靠近分析儀越好。例如，取樣口應該位于產生時延的組件上游，比如鼓、罐、盲管段、滯流段、或者冗余設備、廢棄設備等。另外，由于泵比較昂貴并且會引入其他因素，取樣口的位置應該能夠確保有足夠的壓力使樣品在不需要泵的情況下流過傳輸管線或者快回路。
如果取樣口距離分析儀比較遠，推薦使用快回路將流體快速輸送到分析儀。設計合理的話，快回路中的流速會比分析儀管線中的流速快很多。
利用下面的公式計算傳輸管線、快回路或者工藝管線中的時延：
流速=容積流量 / 單位長度管線容積（流量通常通過測量而不是計算得到），
時延 = 管線長度 / 流速。
例1 液體在傳輸管線中的時延
考慮一液體傳輸管線，長度100英尺，外徑1/2英寸，液體流量為5 L/min。
流量 = 5 L/min 或者5000 cm3/min，
每英尺管線容積（表1，1/2英寸卡套管）= 25 cm3/ft，
液體流速= 5000 cm3/min / 25 cm3/ft = 200 ft/min，
時延=100ft / 200ft/min=0.5 min=30 s。
結論：該傳輸管線滿足在1min之內響應的一般工業標準。
例2 氣體在傳輸管線中的時延
由于氣體可以被壓縮，數量不同的氣體可被壓縮裝進同樣的空間，固定容積（管線）內的流量隨著壓力的變化而變化，壓力越高，流動速度越慢。用于計算氣體在任意管線中時延的公式中需包含壓力這一額外的變量。
氣體流速=（容積流量/單位長度管線容積）×（流量計處的壓力*/工藝管線中的壓力），時延=管線長度/氣體流速。
*壓力采集必須在流量測量點，流量計通常位于流體處置點。
考慮樣品源自壓力為285 psig的工藝管線，然后流經例1中同樣的傳輸管線，最后通過流量計后排入大氣中（15 psia）。由于壓力要用絕對壓力，而不是表壓。所以當壓力表讀數為285 psig時要調整為300 psia。
氣體流速 = （5000cm3/min/25cm3/ft） ×（15psia/300psia）=10ft/min，時延=100ft/10ft/min=10min。
結論：因為工藝壓力達到了285psig，導致同樣的傳輸管線用于氣體時達不到1min內響應的目標。要克服這一情況，必須在取樣口安裝一個減壓閥以降低傳輸管線中的壓力。在這個例子中，減壓閥被設定為15psig 或者30psia。
氣體流速 = （5000cm3/min/25cm3/ft）×（15psia/30psia）100ft/min，時延=100ft/100ft/min=1min。
結論：在取樣口安裝減壓閥之后，傳輸管線中的速度提高到原來的10倍。現在滿足了1min內響應的要求。
取樣管
時延的另一個來源是取樣管。取樣管的容積越大，時延就越大，該容積由取樣管的長度和寬度決定。
取樣管的長度要足夠長，以使其能夠伸到工藝管線直徑的中間1/3位置，此處的流速最快，能夠提供最清潔、最具有代表性的樣品，但是取樣管的長度不可比所需的長度更長。此外，取樣管要有足夠的強度來適應工藝管線中的環境，而且取樣管不能太大，因為時延和取樣管容積成正比。1/2英寸管在很多應用中被采用。
當無法直接測量取樣管中的流速時，可以通過計算的方法。取樣管中的流速有時候會被誤認為和傳輸管線中的流速大體一致，但有時因為管子的尺寸不同，兩者的差別會很大。另外，對于氣體而言，取樣管中的壓力會比傳輸管線中的壓力高，這意味著流速變慢，加快流速的一個方法是降低壓力。
要計算取樣管中的時延，首先要確定其中的流速。對于液體，公式為：
取樣管中流速 = 工藝管線中容積流量 / 取樣管單位長度容積，時延 = 取樣管長度 / 取樣管中流速。
例3 取樣管中液體流量
對于上面討論的傳輸管線，考慮采用取樣管，由1/2英寸、sch80的公稱管制成，長度為18英寸（1.5英尺）。
工藝管線流量=5L/min= 5000 cm3/min，
取樣管（1/2英寸公稱管）每英尺的容積 = 46cm3/ft。
取樣管中流速=5000cm3/min/46cm3/ft=109ft/min
時延=1.5ft/109ft/min= 0.8s
結論：此取樣管中時延小于1s，非常微小。例1中，液體樣品的總時延是30.8s，滿足1min內響應的工業標準。
例4 取樣管中氣體流量
取樣管中的氣體壓力經常會遠遠大于傳輸管線中的壓力，因為在到達現場站的減壓閥之前，氣體壓力還不能被調節。除了需要考慮額外的壓力變量外，用于取樣管中氣體樣品的公式和液體樣品的公式一樣。
取樣管中的氣體流速=（工藝管線中容積流量/取樣管單位長度容積）×（流量計處壓力1 / 取樣管中壓力2）
注：1傳輸管線中的流量計，2取樣管中的壓力和工藝管線中的壓力一致。
采用例3中同樣的參數，可以得到：
取樣管中氣體流速 = （5000cm3/min/46cm3/ft）×（15psia /300psia）=5.45ft/min，時延 = 1.5ft/5.45ft/min =16.5 s
結論：將此取樣管和例2中的傳輸管線配合使用，在現場站安裝減壓閥的情況下，總響應時間為76.5s。
因為取樣管設置在減壓閥之前，所以其中的壓力不能調節。如果要求在1min之內響應，則需要選用更小的取樣管或者必須減小傳輸管線的長度或者直徑，也有可能需要同時采取這兩種措施。
現場站
對于氣體，現場站被用于降低傳輸管線或者快回路中的壓力。傳輸管線中的時延隨著絕對壓力的降低而成比例降低，壓力降低一半，時延會減少一半。現場站應該盡可能靠近取樣口，壓力越早降下來越好。
對于液體，不需要在現場站中加減壓閥，最好將流體保持在高壓狀態以防止形成氣泡。
對于將液體樣品進行氣相分析的情況，可以在現場站中加一個汽化型減壓閥，汽化型減壓閥會增加相當長的時延。當流體從液態變成氣態時體積會急劇增加，體積增加量取決于液體的分子量。
通常，減壓閥之后的蒸汽流量比汽化型減壓閥之前的液體流量的300倍還要大。例如，蒸汽流量為500cm3/min時，液體流量可能會小于2cm3/min。因此，液體將需要25min流過10英尺長的1/4英寸卡套管。
要縮短這個時間，必須減小減壓閥之前的管線容積。例如，對于1英尺長的1/8英寸卡套管，液體僅僅需要30s即可到達減壓閥，但對于這一時間，還要加上取樣管的時延。取樣管越細，反應越快。
另外一種提高響應速度的方法是將減壓閥置于靠近分析儀的地方。在圖2中，減壓閥位于快回路過濾器的后面，并且有第二個液體快回路以確保液體持續不斷地流到汽化型減壓閥，目標是要將流向汽化型減壓閥的流速緩慢的液體體積降到最低。
樣品流切換
從時延的角度看，樣品流切換裝置必須響應迅速，能夠快速將舊樣品吹掃干凈并將新樣品送到分析儀。由常規組件或者微型模塊化組件組成的雙隔斷排放（DBB）結構，用于切換樣品流時，將死區和因為閥門泄漏引起交叉污染降到最低。
一種傳統的DBB結構如圖3所示，是級聯式DBB，這種結構允許一路樣品流流過鄰近樣品流的第二個隔離閥從而消除了死區。第二個隔離閥后面的死區在每次切換樣品流時都會被吹掃。
級聯式DBB結構的一個問題是彎彎曲曲的流道會導致壓力下降、流速減緩。壓降可以通過查詢產品的Cv來估算，Cv是流阻的一種度量。Cv越小，壓降越大，導致流量越小。
在級聯式DBB結構中，第一路樣品量（圖3中的樣品流1）不會造成過多的壓降，但是樣品流2、樣品流3以及后續的樣品流的壓降會逐漸加大，從而降低流量，最終導致到達出口的時間越來越長。這將導致不同樣品流的傳輸時間不一致，使得很難為所有樣品流設定一致的吹掃時間和分析時間。
帶一體式流道環的DBB結構（圖4），保留了所有級聯式DBB結構的優點，同時確保所有樣品流的壓降最小，并且一致，每路樣品流的Cv以及受其影響的傳輸時間相等。
將Cv轉化成估算的時延有一個很復雜的過程，需要計算機程序或者物理產品測試，因此在很多時候購買Cv最高的組件就可以了。Cv為0.3的組件造成的壓降只有Cv為0.1的組件造成壓降的1/3。
樣品處理系統
樣品處理系統的用到的組件很多，包括壓力表、減壓閥、變截面流量計、流量控制器、單向閥、控制閥以及球閥等，對于這些相對較小的組件，通常會采用微型模塊化組件形式。根據NeSSI（New Sampling/Sensor Initiative），這些頂部安裝式組件是按照ANSI/ISA 76.00.02標準生產的。
像樣品流切換閥一樣，在此處更重要的是壓降而不是內部容積。在選擇組件時應該比較供應商提供的Cv。
樣品處理系統中的其它組件，比如過濾器、分離罐以及凝結過濾器等，會使新進入的樣品和原來的樣品混合，從而大大增加時延。假設入口和出口距離很近，例如某過濾器的入口和出口結構如圖5所示：假設流量為100cm3/min，并且過濾器的容積為100cm3，需要3min來確保95%的原來的樣品被清掃出去。因此為了確保精確取樣，在計算該分析儀系統的時延時需要加上3min。同樣的公式可以被用于工藝管線中容積混合問題。
分析儀
根據經驗，樣品大概需要5~10min流過氣相色譜儀。紅外線和紫外線分析儀能夠在幾秒內完成。操作人員應該知道分析儀處理一份樣品的時間，和上面討論的估計時間加在一起，作為從取樣口到分析儀的總時延。
結語
用以上方法計算的時延在合理的誤差范圍內提供了一種預測，使操作人員認識到對取樣時間的任何錯誤假設，尤其是一些比較麻煩的節點，比如取樣管或者現場站中的汽化型減壓閥。這些分析能夠幫助操作人員和他的流體系統供應商，在決定取樣口位置、搭建快回路、選取合適的管徑以及樣品流切換結構時做出明智的選擇。