濃度確定方法和氣體濃度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及濃度確定方法和氣體濃度傳感器。本發明涉及一種用于確定存在于氣體管線或儲氣器中的氣體的至少一種組分的濃度的方法，其中氣體在測量位置從氣體管線或從儲氣器中被引出并且被提供到至少一種氣體火焰；離子流在氣體被提供到的氣體火焰和電極布置之間被測量；氣體被提供到的氣體火焰的溫度被測量；以及存在于氣體管線或儲氣器中的氣體的至少一種組分的濃度根據測量離子流和測量的溫度或根據其相關值被確定。本發明還涉及用于實施根據本發明的方法的氣體濃度傳感器。
【專利說明】濃度確定方法和氣體濃度傳感器
[0001] 本發明涉及一種確定存在于氣體管線或儲氣器中的氣體的至少一種組分的濃度 的方法，以及涉及一種氣體濃度傳感器。
[0002] 能盡可能準確地確定例如空氣中可燃物質的濃度是特別重要的。這對于安全應 用也是尤其十分重要的。這些物質每一種的例如可燃下限（LFL)和爆炸下限（LEL)已經被 確定，低于該下限，可燃物質和空氣的混合物因為太稀少而不能維持燃燒。另一方面，對于 每一種可燃物質也有特定的濃度，高于這個特定的濃度時，混合物太濃而不能燃燒(可燃上 限，UFL，或爆炸上限，UEL)。
[0003] 在爆炸下限和爆炸上限之間是危險濃度范圍，此范圍內存在爆炸的危險或易燃的 危險。
[0004] 為安全起見，在大多數應用中可燃物質的濃度不可太接近爆炸下限和爆炸上限之 間的范圍。
[0005] 在許多應用中，烴作為可燃物質存在。
[0006] 各種傳感器被用于確定氣體(例如空氣）中可燃物質的濃度。例如，存在催化傳感 器或紅外吸收傳感器。
[0007] 現有技術的方法，例如，使用火焰離子檢測器（FID)。在這方面，例如，從測量體積 內抽取樣品氣體。這種測量體積可以是儲氣器或也可以是氣體管線。例如，少量這種樣品氣 體與氫氣燃料混合，并被提供到氣體燃燒器并在那里被燃燒。可燃物質在氫氣火焰中產生 離子，其可以被測量，例如使用相應靈敏的電流表。相應的電信號是存在的烴的量的量度。
[0008] FID測量的特征在于有利地縮短反應時間（比如小于1. 5秒)。然而，濃度的測量 是間接的并且遭受寬的分散，以至于關于上述危險的易燃性范圍的安全范圍不得不選擇大 的。這可能具有監視工藝被停止太快或太頻繁從而變得不經濟的結果。
[0009] 例如，在US3, 767, 363A和US7, 704, 748B2中描述的FID工藝。具有權利要求8的 前序部分的特征的氣體濃度傳感器已知于US2003/0085714A1。
[0010] 另外的濃度確定方法是測量被暴露在具有可燃物質的氣體中的火焰的溫度(火焰 溫度分析，FTA)。
[0011] 在這方面，已知的方法測量在測量室中燃燒的引燃火焰所放出的熱。例如，待檢測 的氣體能從儲氣器或從氣體管線中被分支，并且能被直接提供到這種測量室中。這種氣體 額外進料給引燃火焰并且因此造成溫度升高。例如，可以使用直接布置在火焰上的溫度傳 感器來測量火焰溫度。
[0012] 氣體濃度可以使用火焰溫度測量法被精確地確定。然而，火焰溫度測量法具有較 長的響應時間和比較受限制的測量范圍。
[0013] 例如在US5, 053, 200A和US7, 704, 748B2中描述了火焰溫度分析儀。
[0014] 本發明的目的是提供一種確定存在于氣體管線或儲氣器中的氣體的至少一種組 分的濃度的方法，以及提供一種氣體濃度傳感器，使用本發明的方法和傳感器能夠快速、準 確和可靠地確定氣體混合物中特別是烴的濃度。
[0015] 通過具有權利要求1的特征的方法和通過具有權利要求8或11的特征的氣體濃 度傳感器，這個目的可以得到滿足。從屬權利要求是針對具體的實施方式。
[0016] 根據本發明的方法，氣體在測量位置從氣體管線或儲氣器中被引出，并被供應到 至少一種氣體火焰。以與FID測量法類似的方式測量出在這種氣體火焰與電極布置之間的 離子流。
[0017] 另外，與FTA測量法類似，測量氣體由氣體管線或儲氣器供應到的氣體火焰的溫 度。在根據本發明的方法中，被用于測量離子流的氣體和被用于測量火焰溫度的氣體在氣 體管線或儲氣器的相同測量位置被引出。在這方面，"在相同測量位置引出"是指用于測量 離子流的氣體火焰和用于測量溫度的火焰的氣體出口至少鄰近氣體管線或儲氣器產生，以 便氣體中可燃物質的濃度能被認為在出口點處相同，優選地氣體從氣體管線或從儲氣器在 相同的位置被分支。
[0018] 然后，通過評估單元，使用測量的離子流和測量的溫度，確定出存在于氣體管線或 儲氣器中的氣體的至少一種可燃組分的濃度。
[0019] 根據本發明的方法能特別用于確定氣體(如空氣）中烴的濃度，以確保位于上述在 爆炸下限和爆炸上限之間的危險范圍之外的濃度一直存在。
[0020] 因此，本發明超出了根據一個原理的測量法的簡單加倍。由于對測量的離子流的 評估，確保了存在快速的響應時間。另一方面，對火焰溫度的評估確保準確的測量。
[0021] 通常可能使用兩種分離的氣體火焰，在一種氣體火焰處測量離子流而在另一種氣 體火焰處測量火焰溫度，被進料給火焰的氣體在相同的測量點被引出并且離子流信號和溫 度信號由評估單元進行評價。然而，待確定的離子流和火焰溫度優選在同一氣體火焰處，因 為，然后以盡可能理想的方式確保兩種測量是在由有待準確確定的濃度的氣體進料的氣體 火焰處進行的。
[0022] 如果額外燃料例如氫被供應到氣體火焰是特別有利的。這確保了不斷燃燒，且待 確定可燃物質的濃度的被供應的氣體在火焰中被離子化以測量離子流或由于額外燃燒促 進火焰溫度的增加。
[0023] 出于安全原因和為了提供確定的測量氣氛，氣體燃燒器并且因此氣體火焰被有利 地布置在燃燒室中。
[0024] 另外可能具有這種燃燒室使得從氣體管線或儲氣器被分支出的測量氣體為了濃 度確定的目的也至少從它的外側被供應到氣體火焰，因為它不是被直接引入氣體燃燒器， 而是被引入周圍燃燒室。這能對火焰溫度測量是特別有利地，其中存在于燃燒室的氣氛的 測量氣體產生可測量的溫升。
[0025] 另一方面，測量氣體連同燃料例如氫氣也能有利地通過氣體燃燒器被供應到氣體 火焰。這在離子流的測量中是有利的，因為那里形成離子的物質與燃料被直接引入到火焰。
[0026] 根據各自的現狀、要求和氣體組成，可以選擇可選地有利地使用的測量供應。也可 以提供這些氣體供應的可選方案的相應設置組合。
[0027] 獨立權利要求8和11涉及根據本發明的氣體濃度傳感器，使用該氣體濃度傳感器 能夠實施根據本發明的方法。為此，根據本發明的氣體濃度傳感器具有用于產生氣體火焰 的氣體燃燒器。
[0028] 氣體管線將根據權利要求8的氣體燃燒器連接到測量位置，測量位置存在于氣體 管線或儲氣器，位于其中的氣體中危險組分的濃度要被確定。另外，根據本發明的氣體濃度 傳感器具有電流測量裝置，電極布置被連接到電流測量裝置，電極布置被布置并被連接到 電流測量裝置以便在火焰與電極布置之間的離子流能夠使用它來測量。被連接到電流測量 裝置的評估裝置用于當使用電流測量裝置的信號時確定氣體中危險組分例如尤其是烴的 濃度。溫度傳感器被布置以便這種氣體火焰的溫度通過它能被測量。
[0029] 在權利要求11的實施方式中，測量位置通過測量氣體管線連接到燃燒室，以能夠 從外部將測量氣體供應到氣體火焰，為此氣體火焰被布置在燃燒室中。
[0030] 根據本發明的這些氣體濃度傳感器的優點和具體的實施方式從上述根據本發明 的方法的【具體實施方式】和優點以類似的方式產生。
[0031] 根據本發明，氣體濃度傳感器可以在測量氣體管線提供支路管線。在測量氣體被 供應到燃燒器的一種實施方式中，例如，另外的支路管線能夠被提供，其也能引導測量氣體 進入被布置在氣體火焰周圍的燃燒室。
[0032] 另一方面，在測量氣體以任意方式供應到氣體火焰周圍的燃燒室的實施方式中， 支路管線可以以氣體燃燒器的方向被提供。
[0033] 在這些具體的實施例中，設置或改變在燃燒器和氣體火焰周圍的燃燒室之間的測 量氣體的劃分是可能的。為此，在供應管線可以提供相應的閥。
[0034] 因此，有可能根據要求和待測氣體組分在燃燒室和向燃燒器的直接供應部之間實 施測量氣體的有利劃分，和/或僅僅選擇這些可選方案中的一個。
[0035] 根據本發明的氣體濃度傳感器的評估裝置不僅被連接到電流測量裝置，還被連接 到溫度傳感器并且被配置成使得它另外使用溫度傳感器的信號來確定氣體中至少一種危 險組分的濃度。
[0036] 參考所附的示意性圖1將詳細地解釋本發明。
[0037] 圖1顯示根據本發明的氣體濃度傳感器的實施方式的示意圖。
[0038] 在圖1中，10代表用于確定在本實施例中以箭頭方向在氣體管線11中流動的氣 體12中的可燃物質的濃度的傳感器布置。氣體12中的一部分氣體在測量位置15從氣體 管線11通過測量氣體管線24被分流作為測量氣體13。
[0039] 在顯示的實施例中，額外的燃料16例如氫氣通過另外的進料部25被提供。火焰 14通過氣體燃燒器18被供應這種燃料和/或測量氣體13。
[0040] 測量氣體流13和燃料16的供應可以在閥48和49的作用下被設定或被封堵，例 如，閥48和49可以被配置成計量閥。
[0041] 在所示的實施方式中，這種布置被容納在燃燒室40中。
[0042] 在所示的實施方式中，測量氣體管線24在其末端分開成兩個支路管線23、23'，支 路管線23、23'可以分別通過閥50和52來計量或關閉。支路管線23允許在測量氣體管線 24與燃燒室40的內部之間使用開閥52連接，而支路管線23'使用開閥50從來自測量氣體 管線24的支路管線23'通到氣體燃燒器18。
[0043] 測量氣體13到火焰14的氣流可以分別在閥50和52的作用下(或在結合它們的 功能的三通閥的作用下)來控制。測量氣體或者使用開閥50和關閥52直接提供到燃料16 以便以這種方式移動穿過燃燒器18到火焰14,或者使用關閥50和開閥52使測量氣體進入 燃燒室40以使用來自外部的測量氣體13供應火焰14。這些提供的可選方案也可以被結 合，取決于需要和被檢測的氣體。
[0044] 在相應的應用中，另一方面，還可以做出規定，測量氣體管線24僅通向燃燒器18 或僅通向燃燒室40。然而，此處具有閥的實施方式提供了較大的靈活性。
[0045] 與顯示的實施方式不同，還可以做出規定，兩條分離的測量氣體管線通向燃燒室 40或氣體燃燒器18,其在氣體管線11處被分別地分支。在這方面，然而，分支點應該以有 利的方式被布置以便各個分支氣體的濃度相同以獲得氣體火焰14中定義的測量條件。
[0046] 在測量氣體中的可燃物質，在所述的實施例中為烴，在火焰14中被電離。電極布 置20被設置在火焰14周圍并且通過接觸線22和電流表26關于接地來引導產生的離子； 例如，此處金屬測量氣體管線24。出于這個目的，電壓源27可以以本身已知的方式設置在 電極20和測量氣體管線24之間以維持離子流。
[0047] 電流表26通過信號線28連接到評估單元36。
[0048] 溫度傳感器，例如熱敏元件30設置在火焰14上方。這種熱敏元件30也同樣通過 信號線34連接到評估單元36并且被布置成使得它能確定火焰14的溫度或其相關的測量 值。
[0049] 評估單元36被設置成使得它能確定通過信號線28和34獲得的來自電流表26的 信號和熱敏元件30的信號的輸出值，該輸出值代表氣體12中可燃物質的濃度的測量。這個 值或者相應信號通過評估單元36的輸出線38輸出以便例如，被轉發到顯示裝置，以便當可 燃物質的濃度處于上述爆炸下限和爆炸上限之間的危險范圍時引發警告信號或停止工藝。
[0050] 在圖1的實施方式中，供給管線44被可選地提供有壓縮空氣42,例如，其在閥46 的作用下以受控的方式被提供到工藝，壓縮空氣能被直接進料到燃燒室40,到測量氣體供 給管線24,或到氫氣供應管線25。是否能夠提供以及能夠提供何種程度上額外的壓縮空氣 參考具體的測量條件而定，尤其參考待測量的氣體或氣體量以及氣體組分。
[0051] 描述的應用提供了根據本發明的氣體濃度傳感器通過測量氣體管線24連接到氣 體管線，氣流通過氣體管線流入工藝，提供到這個工藝的氣體組分須被檢測它的可燃物質 例如烴的含量，以便工藝能在控制的方式下運行。另一方面，根據本發明的氣體濃度傳感器 也能通過測量氣體管線24連接到儲氣器，該儲氣器含有氣體，該氣體的可燃物質例如烴的 濃度須被檢測。
[0052] 參考數字目錄
[0053] 10傳感器
[0054] 11氣體管線
[0055] 12 氣體
[0056] 13測量氣體
[0057] 14氣體火焰
[0058] 15測量點
[0059] 16 燃料
[0060] 18氣體燃燒器
[0061] 20電極布置
[0062] 22接觸管線
[0063] 23、23' 支路管線
[0064] 24測量氣體管線
[0065] 25燃料管線
[0066] 26 電流表
[0067] 27電壓源
[0068] 28信號線
[0069] 30熱敏元件
[0070] 34信號線
[0071] 36評估單元
[0072] 38輸出線
[0073] 40燃燒室
[0074] 42壓縮空氣
[0075] 44壓縮空氣管線
[0076] 46 閥
[0077] 48、49 閥
[0078] 50、52 閥
【權利要求】
1. 一種確定存在于氣體管線（11)或儲氣器中的氣體（12)的至少一種組分的濃度的方 法，其中： -氣體（13)在測量位置（15)從所述氣體管線（11)或從所述儲氣器中被引出并且被供 應到至少一種氣體火焰（14); -在氣體火焰（14)和電極布置（20)之間測量離子流，氣體（13)從所述測量位置（15) 供應到所述氣體火焰（14); -測量氣體火焰（14)的溫度，氣體（13)從所述測量位置（15)供應到所述氣體火焰 (14) ;以及 -根據所測量的離子流和所測量的溫度確定存在于所述氣體管線（11)或所述儲氣器 中的所述氣體（12)的至少一種組分的濃度。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述離子流在其和所述電極布置（20)之間被測量 的氣體火焰與其溫度被測量的所述氣體火焰是相同的氣體火焰（14)。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中額外的燃料（16)，優選地氫，被供應到所述氣體火 焰（14)。
4. 根據權利要求2或3中一項所述的方法，其中所述氣體火焰（14)被布置在燃燒室 (40)中。
5. 根據權利要求3和權利要求4所述的方法，其中所述氣體（12)至少也從其外側供應 到所述氣體火焰（14)，其中所述氣體（12)被引入所述燃燒室（40)。
6. 根據權利要求3或5中一項所述的方法，其中所述氣體（12)至少也連同所述燃料 (16) -起被供應到所述氣體火焰（14)。
7. 根據權利要求1-6中任一項所述的方法，其中所述至少一種組分由包含在所述氣體 (12)中的烴形成。
8. -種氣體濃度傳感器（10)，其被連接到在氣體管線（11)或在儲氣器處的測量位置 (15) ，以用于測量存在于所述氣體管線（11)或所述儲氣器中的氣體（12)的至少一種組分 的濃度，所述氣體濃度傳感器（10)包括： -氣體燃燒器（18)，其用于產生氣體火焰（14); -測量氣體管線（24)，其用于將所述氣體燃燒器（18)連接到所述測量位置（15); -電流測量裝置（26); -電極布置（20)，其連接到所述電流測量裝置（26)，并且其被布置以及連接到所述電 流測量裝置（26)使得在所述氣體火焰（14)和所述電極布置（20)之間的離子流能夠使用所 述電流測量裝置（26)進行測量；以及 -評估裝置（36 )，其連接到所述電流測量裝置（26 )以用于使用所述電流測量裝置（26 ) 的信號確定所述氣體（12)中至少一種組分尤其是烴的濃度， 其特征在于 -溫度傳感器（30)被提供，所述溫度傳感器（30)布置成使得所述氣體火焰（14)的溫 度能夠用所述溫度傳感器（30)進行測量；以及 -所述評估裝置（36)連接到所述溫度傳感器（30)并且被配置成使得所述評估裝置 (36)額外地使用所述溫度傳感器（30)的信號來確定所述氣體（12)中的至少一種組分的濃 度。
9. 根據權利要求8所述的氣體濃度傳感器，其特征在于，供給裝置（25)連接到所述氣 體燃燒器（18)以用于供應燃料（16)，尤其是氫。
10. 根據權利要求8或9中一項所述的氣體濃度傳感器，其特征在于，所述氣體燃燒器 (18)被布置在燃燒室（40)中并且所述測量氣體管線（24)具有引入所述燃燒室（40)中的 支路管線（23)。
11. 一種氣體濃度傳感器（10 )，所述氣體濃度傳感器（10)被連接到在氣體管線（11)或 在儲氣器處的測量位置（15)，用于測量存在于所述氣體管線（11)或所述儲氣器中的氣體 (12)的至少一種組分的濃度，所述氣體濃度傳感器（10)包括： -氣體燃燒器（18)，所述氣體燃燒器（18)在燃燒室（40)中以用于產生氣體火焰（14); -測量氣體管線（24)，其用于將所述燃燒室（40)連接到所述測量位置（15); -供給裝置（25)，所述供給裝置（25)被連接到所述氣體燃燒器（18)以用于供應燃料 (16)，尤其是氫； -電流測量裝置（26); -電極布置（20)，所述電極布置（20)被連接到所述電流測量裝置（26)，并且被布置以 及被連接到所述電流測量裝置（26 )使得在所述氣體火焰（14 )和所述電極布置（20 )之間的 離子流能夠使用所述電流測量裝置（26)進行測量；以及 -評估裝置（36 )，所述評估裝置（36 )被連接到所述電流測量裝置（26 )以用于使用所述 電流測量裝置（26)的信號來確定所述氣體（12)中的至少一種組分尤其是烴的濃度， 其特征在于 -溫度傳感器（30)被提供，所述溫度傳感器（30)布置成使得所述氣體火焰（14)的溫 度能夠用所述溫度傳感器（30 )測量；以及 -所述評估裝置（36)被連接到所述溫度傳感器（30)并且被配置成使得所述評估裝置 (36)額外地使用所述溫度傳感器（30)的信號來確定所述氣體（12)中的至少一種組分的濃 度。
12. 根據權利要求11所述的氣體濃度傳感器，其特征在于，所述測量氣體管線（24)具 有引入所述氣體燃燒器（18 )中的支路管線（23 '）。
13. 根據權利要求10或12中一項所述的氣體濃度傳感器，其特征在于一個或多個閥 (50, 52)，在所述氣體燃燒器（18)和所述燃燒室（40)之間流過所述測量氣體管線（24)的測 量氣體流能夠使用所述一個或多個閥（50, 52)進行設定或改變。
【文檔編號】G01N27/62GK104062347SQ201410109591
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月24日 優先權日:2013年3月22日
【發明者】雅克·雷布多, 馬庫斯·法克勒, 萊拉·弗奈莉, 艾里斯·塞梅斯格魯斯, 英戈·賴因克, 諾伯特·羅特坎普 申請人:西克股份公司