传感器系统和包括传感器系统的氧气分离器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的传感器系统(100)，所述流体混合物包括要检测的所述复合物，其中，所述传感器系统(100)包括：吸附剂材料(102)，其能够吸附要检测的所述至少一种复合物，其中，所述吸附剂材料(102)在吸附所述至少一种复合物时经历温度变化；至少第一温度传感器(104)，其用于测量所述吸附剂材料(102)的温度；以及控制单元(110)，其适于基于所述吸附剂材料(102)的所述温度变化来定量地确定要检测的所述至少一种复合物。这种传感器系统(100)提供尤其是在氧气浓缩器领域中的改进的测量。本发明还涉及用于生成富氧气体的氧气浓缩器(10)以及定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的方法。
【专利说明】
传感器系统和包括传感器系统的氧气分离器
技术领域
[0001]本发明涉及传感器系统。本发明尤其涉及可用在例如氧气分离领域中的传感器系统。【背景技术】
[0002]用于检测气体的传感器被用在不同的应用中。常常地，要求气体传感器是高度敏感的并且对于构造和使用而言是成本有效的。作为范例，气体传感器可以被用在适于氧气治疗的氧气浓缩器中以便控制过程状况。
[0003]氧气治疗是作为治疗模态的氧气的施用。它在慢性和急性患者护理中广泛地用于各种目的，因为它对细胞新陈代谢是至关重要的，并且继而组织氧合对所有生理功能是至关重要的。氧气治疗应该被用于通过以下方式使患者受益:增加氧气到肺部的供应并且因此增加氧气对身体组织的可用性，尤其是当患者经历组织缺氧和/或血氧不足时。氧气治疗可以被用在医院或家庭护理中的应用两者中。氧气治疗的主要家庭护理应用是用于具有严重的慢性阻塞性肺病(coro)的患者。
[0004]可以以多种方式施用氧气。氧气施用的优选方式是通过使用所谓的氧气的按需生成。就此而言，商业解决方案，所谓的氧气浓缩器或分离器分别是公知的。这些氧气浓缩器大多数从含氧气体分离氧气，使得氧气被按需提供，即刚好在使用之前被提供。
[0005]从EP 1029577 A2知晓了一种用于从空气生产氧气富集气体的装置。根据该文档， 分馏器产生氧气富集气体以用于氧气吸入治疗。所述分馏器包括用于供应空气的空气源以及用于包含吸附氮气的吸附剂材料的多个柱体。柱体中的每个具有第一端和第二端。空气被从空气源通过各自的柱体的第一开放端引导到柱体。温度传感器检测柱体之一的侧壁的温度。分馏器基于所检测的温度改变用于将氮气吸附到吸附剂材料的时间。
[0006]然而，仍然存在改进氧气分离设备的操作状况的潜能，尤其是在测量氧气纯度方面。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种传感器系统，其在构建和使用方面是成本节约的， 其具有良好的敏感度和/或其特别良好地适于氧气浓缩器。
[0008]该目的通过根据权利要求1所述的传感器系统来实现。该目的还通过根据权利要求9所述的氧气浓缩器以及根据权利要求11所述的用于检测至少一种复合物的方法来实现。优选的实施例在从属权利要求中被限定。
[0009]提供了一种用于定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的传感器系统，所述流体混合物包括要检测的复合物。所述传感器系统包括:能够吸附要检测的至少一种复合物的吸附剂材料，其中，所述吸附剂材料在吸附至少一种复合物时经历温度变化;用于测量吸附剂材料的温度的至少一个第一温度传感器；以及控制单元，其适于基于吸附剂材料的温度变化定量地确定要检测的至少一种复合物。
[0010]如上所述的传感器系统提供高敏感度和成本有效的可生产性和可用性，并且由此可以尤其适于确定含氧气体的纯度。该传感器系统因此将尤其分别关于氧气浓缩器或氧气分离器来描述。但是，明确地声明所述传感器系统并不局限于氧气分离领域的应用，如对于本领域技术人员而言毫无疑问将是显而易见的。
[0011]具体而言，如上所述的传感器系统包括能够吸附要检测的至少一种复合物的吸附剂材料。因此，吸附剂材料可以被理解为比流体混合物中的至少另一种复合物更好地吸附并因此聚集或吸收来自该混合物的至少一种复合物的材料，所述流体混合物诸如为气体混合物或包括一种或多种气体和一种或多种液体的混合物。因此要检测的复合物优选是流体，诸如气体复合物或液体复合物。有利地，吸附剂材料关于要检测的复合物是高度选择性的并且至少相对于流体混合物(如气体混合物)中存在的另外的复合物能够更加有效地吸附该复合物。
[0012]因此，关于要检测的复合物选择吸附剂材料，使得吸附剂材料在吸附要检测的复合物时经历温度变化。这通常是吸附剂材料的公知的效应。事实上，取决于例如要检测的复合物的吸附焓以及吸附剂材料的状态以及另外的复合物是否被吸附到其，由于存在吸附过程，吸附剂材料的温度可以变化。因此，该温度变化尤其与其幅度一起取决于被吸附的复合物的量并且因此取决于各自的复合物在由流体混合物形成的吸附剂材料周围的氛围中的浓度。
[0013]因此所述传感器系统基于如下发现:在吸附剂材料吸附所定义的复合物的情况下，这样的过程将伴随着吸附剂材料的温度变化，诸如几乎是升温。因此，温度变化尤其连同其幅度可以被用作哪些复合物及多少复合物被吸附到吸附剂材料的指标。因此，温度变化可以被用作存在于吸附剂材料周围的氛围中且因此存在于要分析的流体混合物中的感兴趣的复合物的定性指标且还作为定量指标。
[0014]由于传感器系统基于感兴趣的复合物到吸附剂材料的吸附过程的事实，吸附剂材料可以分别存在于要分析的氛围或流体混合物中。为了检测例如气体流中的复合物，至少吸附剂材料可以被定位于各自的气体导管内。
[0015]即使气体混合物可能是针对传感器系统的优选应用，然而显而易见所述传感器系统并不局限于气体混合物。事实上，取决于要检测的复合物以及合适的吸附剂材料，该传感器系统也可以用于例如检测更多的流体，诸如水。
[0016]为了测量吸附剂材料的温度变化，至少提供用于测量吸附剂材料的温度的第一温度传感器。这种温度传感器一般可以是本领域目前已知的任何温度传感器，只要其适于测量吸附剂材料的温度。因此，所述温度传感器可以被提供为与吸附剂材料直接热接触，或者其可以通过辐射(例如红外辐射)来测量各自的温度。因此，可能是适当的但并非严格要求的是:将温度传感器提供为直接邻近吸附剂材料并因此与也在要分别分析的氛围或流体混合物中的吸附剂材料一起，以便特别有效且准确地测量吸附剂材料的温度变化。因此，第一温度传感器与吸附剂材料一起可以被形成为紧致均匀的结构元件。
[0017]此外，为了与吸附剂材料的测量的温度变化相关，提供了控制单元，所述控制单元适于基于吸附剂材料的温度变化来定量地确定要检测的至少一种复合物。据此，所述控制单元可以包括例如存储器，在所述存储器中存在查寻表，所述查寻表给出关于对应于要检测的复合物的各自的浓度或浓度变化的温度变化的信息。因此，可以通过测量温度变化关于要检测的复合物的定义的浓度或浓度变化并且因此各自的吸附过程的依赖性来校准控制单元，来准备所述查寻表。
[0018]如上所述的这种传感器系统相对于根据现有技术的技术方案提供多个优点。
[0019]事实上，如上所述的传感器系统是可以非常成本有效的方式生产的，这是由于所需要的部件不是高成本的复杂部分，而是与此相反可以在没有显著成本的情况下被提供。 具体而言，所需要的吸附剂材料在本领域中针对很多不同的应用是已知的并且不具有显著的生产成本。此外，要使用的温度传感器也不是复杂的高成本部分并且也可以被成本节约地提供为大批量生产的制品。由于控制单元可以存在于大多应用中，变得很明显的是不需要准备复杂的安装。
[0020]此外，所述传感器系统可以容易地适用于要检测的复合物以及使用的流体混合物。这是由于以下事实:仅吸附剂材料必须被更换使得可以实现关于要检测的复合物的适当选择性和敏感度。因此其仅是研究用于识别适于期望的应用的吸附剂材料的基准材料的问题。所述传感器系统可以关于所使用的吸附剂材料和要检测的复合物被校准以便生成合适的查寻表，例如在所述校准之后，所述传感器系统可以立即工作。因此，所述传感器系统可以针对每个所需要的应用工作而不需要进一步复杂的安装。[〇〇21]在此之后，该传感器系统可以检测适于(例如氧气浓缩领域中的)很多不同应用的具有高敏感度的各自的复合物。具体而言，尤其是在吸附剂材料关于存在于吸附剂材料周围的氛围中的另外的复合物对要检测的复合物具有高选择性的情况下，吸附过程可能在仅少量的要检测的复合物被吸附的情况下已经得到显著的且可很好检测的温度变化。因此， 高度敏感的测量是可能的。
[0022]除此以外，吸附剂材料的温度变化是同时伴随着吸附过程的效应，使得要检测的复合物的测量也有可能是非常动态的并且因此基本上没有任何时间延迟。因此，在过程的控制取决于各自的测量的结果的情况下，所述控制可以特别动态地执行，以允许对变化的状况的快速回答。
[0023]上述非常动态的测量在传感器被做得非常小并因此具有尽可能少的吸附剂材料的情况下甚至可以被改进。鉴于此，热容量且因此其响应的时间延迟可以被进一步减小。 [〇〇24]此外，所述传感器系统的工作原理允许非常节省能量的行为，这是由于以下事实， 即这样的温度传感器可以在没有大能量消耗并缺少潜在的重新生成步骤的情况下使用，吸附过程也不需要大量的外部能量。因此，所述传感器系统可以特别适于便携式应用。
[0025]总而言之，如上所述的传感器系统允许用于定量地检测诸如气体混合物的流体混合物中的复合物的敏感动态过程。
[0026]根据实施例，所述传感器系统还包括用于测量流体混合物的温度的第二温度传感器，其中，所述控制单元适于基于吸附剂材料的温度变化相对于流体混合物的温度变化幅度来定量地确定要检测的至少一种复合物。
[0027]根据该实施例，可以以特别精确和准确的方式实现感兴趣的复合物的检测。事实上，根据该实施例，避免了基于吸附剂材料的温度变化和尤其是其幅度来确定要检测的复合物，所述温度变化不仅由于各自的复合物到吸附剂材料的吸附过程，而且也由于其他效应。事实上，除了吸附过程的化学效应，例如压力变化可以由于绝热加热和冷却而诱发进入吸附剂材料的热效应。为了补偿这些纯物理效应，第二温度传感器被提供，其适于测量流体混合物(诸如吸附剂材料周围的气体或氛围，分别地)的温度。因此，当基于第一温度传感器的测量结果确定要检测的气体的浓度时可以确定并可以考虑不严格由于吸附过程的温度变化。这允许防止由于对吸附剂材料的飞期望温度影响而恶化测量结果。结果，根据该实施例的传感器系统可以是特别可靠的且特别精确的。
[0028]根据另外的实施例，在第一温度传感器的表面上提供吸附剂材料。具体而言，所述吸附剂材料可以被提供在温度传感器的活跃部分的表面上。换言之，第一温度传感器的活跃部分和因此测量温度的部分与吸附剂材料直接接触。例如，吸附剂材料可以被涂覆在温度传感器的表面上。在非限制性范例中，吸附剂材料可以被胶粘到温度传感器的表面。在这方面，可以使用胶粘物，其具有特别好的导热性以便不恶化或不显著恶化温度测量。根据该实施例，可以在吸附剂材料与温度传感器之间提供特别接近的热接触。因此，吸附剂材料的温度变化可以由特别快的温度传感器来检测，以允许特别动态的测量。结果，取决于传感器系统的各自的应用，可以允许关于测量的结果的非常动态的答案。此外，被提供有吸附剂材料的第一温度传感器可以被设计为与吸附剂材料一起的紧致部分，其关于期望的应用是可以容易地交换的。
[0029]根据另外的实施例，第一温度传感器和第二温度传感器中的至少一个包括热敏电阻器或热电偶。特别地，热敏电阻器是非常适于如上所述的传感器系统的温度传感器，这是由于高度有利的协同效应。具体而言，热敏电阻器可以被理解为是一种电阻器类型的传感器，其电阻值随着温度显著地变化。因此使用热敏电阻器，可以通过分别测量电阻器的电流或电阻来检测温度。因此能够容易地将吸附剂材料布置在电阻器附近以便在吸附剂材料与热敏电阻器并且因此传感器之间提供紧密的热接触。作为范例，电阻器可以直接涂覆有吸附剂材料，以便允许特别有效的热测量。除此以外，热敏电阻器对多个工作状况几乎是非常稳定的，从而允许非常高的可靠性和寿命。因此，热敏电阻器可以非常好地用在例如氧气分离领域中。除此以外，热敏电阻器还是非常成本有效的。作为范例，合适的热敏电阻器可以基于作为活跃部分的铂并且可以示范性地为从Labfacility公司在其名称PT1000下购买到的热敏电阻器。但是，一般地，承受所用条件的每种热敏电阻器可以是合适的。
[0030]关于热电偶，这具体而言是温度测量设备，其包括在一个或多个点处彼此接触的两个特别不相似的导体。在这些点中的一个的温度不同于电路的其他部分处的基准温度的情况下，施加电压。因此，热电偶在提供第一和第二温度传感器的情况下可以是特别有利的。这是由于以下事实:如果被适当地连接(例如相反地连接)，则热电偶的两个部分能够直接给出传感器与基准之间的温度差。因此，将仅在吸附剂材料与流体混合物之间存在差异的情况下检测到温度变化，由于这，不考虑由例如压力变化导致的非期望的温度波动。
[0031]根据另外的实施例，提供了一种用于加热吸附剂材料的加热设备。根据该实施例， 它可以被一种效应抵消，依据所述效应，吸附剂材料在某一测量时间t后可能被潜在存在于要检测的气体中的污染物污染，所述污染物诸如以非限制方式为被吸附到吸附剂材料的水或二氧化碳，其导致敏感度的降低。由于提供了加热元件，可以通过将吸附剂材料加热到例如在300-500°C范围内的温度来使吸附剂材料重新生成，以便再次改进敏感度。该加热元件可以包括例如加热丝，所述加热丝可以被直接定位在吸附剂材料附近或者可以例如行进通过其。
[0032]根据另外的实施例，所述吸附剂材料是沸石。特别地，所述吸附剂材料可以包括钠或锂LTA或FAU架构的沸石，例如可以在其名称SXSDM下从CECA公司购买的L 1-LSX八面沸石吸附剂材料。另一个范例可以包括例如5A型沸石。这些吸附剂材料关于吸附期望的复合物 (例如，氮气)是非常有益的，并且还用于在吸附各自的复合物时示出温度效应。然而已经注意到，选择的吸附剂材料可以根据要检测的复合物以及其中存在所述复合物的混合物来选择。
[0033]根据另外的实施例，所述吸附剂材料能够吸附氮气。因此，所述传感器系统可以特别用作氮气传感器，使得其特别适于氧气分离领域，诸如作为氧气浓缩器的部分，如将从下文变得显而易见的。
[0034]关于传感器系统的另外的优点和技术特征，其涉及对氧气浓缩器的描述、方法、附图以及附图的描述。
[0035]本发明还涉及用于生成富氧气体的氧气浓缩器，其中，所述氧气浓缩器包括如上所述的传感器系统。
[0036]根据本发明的氧气浓缩器是能够使用气体混合物(诸如气体)并且生成相比于初始气体混合物包括更高氧气量的气体的设备。在示范性实施例中，所述氧气浓缩器可以包括至少一种氧气分离设备。因此所述氧气浓缩器可以包括仅一个氧气分离设备或优选多个不止一种氧气分离设备。例如，所述氧气浓缩器可以包括两个氧气分离设备并且因此一般可以形成变压吸附系统(PSA系统)。然而，所述氧气浓缩器也可以形成例如变真空吸附系统 (VSA)或真空变压吸附系统(VPSA)。
[0037]为了分离的目的并且在示范性实施例中，氧气分离设备分别包括或填充有用于从含氧气体中分离氧气的氧气分离吸附剂。因此，所述氧气分离设备可以形成筛选床。因此所述氧气分离吸附剂能够通过吸附除了氧气外或至少比氧气更好地吸附含氧气体的至少一种复合物来从含氧气体中分离氧气。所述特征根据变压吸附系统的一般设置，根据所述特征，分离吸附剂与含氧气体的至少一种复合物相互作用(除了氧气以外或优于氧气)，并因此令氧气穿过。该特征允许至少暂时固定含氧气体的一种或多种复合物，从而实现氧气与含氧气体的另外的复合物的分离。例如，所述氧气分离吸附剂可以被设计用于吸附氮气但是与氧气有较少相互作用或没有相互作用，以便令氧气穿过并且在引导含氧气体(诸如尤其是空气)的流流过所述氧气分离吸附剂时分别生纯氧气流或基本纯氧气流或者富氧气流。
[0038]氧气分离吸附剂的非限制性范例包括沸石，诸如钠或锂LTA或FAU构架的沸石，例如可以在其名称SXSDM下从CECA公司购买的L1-LSX八面沸石吸附剂材料。[〇〇39]为了将含氧气体引导到氧气分离设备，所述氧气分离设备(尤其是存在的每个氧气分离设备)包括在初级侧处的气体入口和在次级侧处的气体出口，所述气体入口被连接到入口导管以便将含氧气体流引导到氧气分离设备内，所述气体出口被连接到出口导管以便将富氧气体引导出氧气分离设备。
[0040]气体流(尤其是进入氧气分离设备的含氧气体流和流出氧气分离设备的富氧气体流)因此可以通过提供在氧气分离设备的初级侧与次级侧之间创建压力差的气体传送设备来实现。所述气体传送设备例如可以是定位在氧气分离设备的初级侧上的压缩器，和/或其可以被形成为被定位在氧气分离设备的次级侧上的真空栗。
[0041]在氧气分离设备的初级侧与次级侧之间创建压力差之后，所述气体传送设备因此可以有用于将含氧气体从含氧气体源通过氧气分离设备传送到气体出口并且将所生成的氧气传送通过出口导管。该步骤尤其是在氧气分离设备生成氧气并且因此分别在氧气分离模式中或在馈送模式中的情况下执行。
[0042]然而，分别对于氧气分离设备和其氧气分离吸附剂而言已知地，在特定使用时间后，吸附剂材料必须被重新生成以便解吸所吸附的材料，特别是诸如氮气。因此，通过将吹扫气体传送通过氧气分离设备在吹扫模式中分别操作氧气浓缩器或氧气分离设备是已知的。因此，氧气分离设备的次级侧(例如，氧气分离设备的气体出口)优选地被连接到吹扫气体源以便引导吹扫气体通过氧气分离设备至初级侧，并且氧气分离设备的初级侧(例如，氧气分离设备的气体入口)优选地被连接到排气导管以便将排气引导出氧气分离器。
[0043]因此，氧气分离器在循环操作模式中将含氧气体(如空气)基本分离成氮气和氧气。在循环的第一阶段中，含氧气体作为“入流”以较高的馈送压力被馈送到氧气分离设备内，氮气被保持，诸如被吸附到该设备内并且纯氧气被收集为出流“产物”。在循环的第二阶段中，所述分离设备被重新生成，即吹扫气体(诸如所产生的富氧气体的部分)以较低的吹扫压力被反馈到设备中并且先前吸附的氮气作为“排气”被释放到周围的氛围中。例如，使用填充有适当的选择性氧气分离吸附剂的至少两个分离设备:在一个设备处于以较高压力产生富氧气体的“馈送”阶段中时，处于在较低压力下的“吹扫”阶段中的另一设备利用由例如第一设备产生的氧气流的部分来重新生成。在特定时间之后，分别布置的阀被切换并且这两者设备改变它们的作用。
[0044]使用氧气浓缩器的公知需求是调整所述过程以改变过程条件，诸如环境温度、环境压力、个体分离设备的氧气流量和/或状态的实际要求。因此，氧气浓缩器可以由优选包括微控制器的电子控制单元来控制。
[0045]发明人已惊奇地发现，通过在氧气浓缩器中提供如上所述的传感器系统以便确定至少一种尤其是气体复合物的浓度，在由氧气浓缩器生成的气流中检测复合物能够是特别有利的，并且因此可以显著增强氧气浓缩器的控制和因此所生成的富氧气体的纯度和质量。
[0046]事实上，依据以上对传感器系统的描述并且关于其在氧气浓缩器中的应用，所述传感器系统可以示范性地是氮气传感器并且可以具有基于以下事实的工作原理:在所述传感器系统中使用的吸附剂材料相比于氧气(〇2)对氮气(N2)具有更高的吸引力。因此，当尤其是氧气饱和的吸附剂材料经历氮气时，它将吸附氮气并且解吸氧气。这伴随有热效应，正因如此，吸附剂材料的温度升高。因此，如上所述的传感器系统非常适于测量例如富氧气体的氮气浓度并因此氧气的纯度。
[0047]因此，鉴于以下事实，如上所述的传感器系统的应用可能是特别优选的:用于吸附要检测的物质的吸附剂材料与用在氧气分离设备中的氧气分离吸附剂相比可能是相同的。 因此，可以避免氧气分离过程的恶化，同样地，由于氧气分离设备所导致的测量结果的恶化。
[0048]除此以外，鉴于氧气分离吸附剂通常适于它接触到的气体混合物的各自的特性的事实，不存在传感器系统的吸附剂材料对所存在的性质不稳定的风险。因此，传感器系统的可靠性和寿命不是问题。
[0049]氧气浓缩器的控制(例如，关于压力调节设备的速度、对馈送和吹扫阶段的定时的调节、对抵消多个分离设备之间的不平衡的步骤)可以特别有效地被实现。这额外允许进一步改进所生成的富氧气体的纯度。各自的控制单元因此可以与关于传感器系统所描述的同样的控制单元。
[0050]优选地，氧气分离器被形成为便携式设备。本质上，根据本发明，“便携式”能够意味着完全独立的自包含(self-contained)实施例。这种实施例继而意味着在用于靠近像这样的氧气分离器的另外的复合物期间不需要连接件(诸如，至电源或含氧气体源的连接件)。特别地，在使用期间并且因此在生成氧气期间不需要至静止元件的连接件。这种便携式设备可以具有把手以便承载它或者它可以被布置在承载设备(例如袋子)中，并且它可以被装备有例如能量源。特别地，便携式氧气浓缩器对操作状况的影响敏感，这是由于其氧气分离设备的有限空间或者氧气分离材料的有限量，分别地。例如，关于便携式氧气浓缩器， 诸如氧气分离材料的杂质、变化的工作温度等影响可能在一些情况下快速地导致降低的氧气选择性，例如其可能需要后者的动态控制。因此，根据本发明的氧气分离器特别有利于便携式设备或有利于包括小型氧气分离设备和/或有限量的氧气分离材料的设备。
[0051]根据氧气浓缩器的实施例，在均衡导管中提供至少传感器系统的吸附剂材料。优选地，吸附剂材料连同温度传感器一起被定位在均衡导管中。因此均衡导管分别是导管或管，其可以在提供多于一个氧气分离设备的情况下被提供。它被定位在氧气分离设备的产物侧并且在其产物侧处连接后者。它可以被提供有阀，以便在正常操作期间例如在吹扫阶段或馈送阶段期间将其关闭。均衡导管的目的是允许氧气分离循环期间的均衡阶段。具体而言，如果在馈送阶段之后存储在第一设备中的压缩空气能量的部分被重新用于将第二设备值加压到中等压力，则例如变压吸附(PSA)循环的效率增加。为此，在操作循环的主要阶段之间插入短的均衡阶段，在所述均衡阶段期间两者设备在其产物侧经由所述均衡导管连接。
[0052]根据该实施例，它受益于以下效果:当过程在期望状况下运行时，尽管在均衡导管中存在少量的杂质，诸如氩气，但可以存在富氧气体和因此近乎纯氧气。当所述过程偏离这些理想状况时，氮气浓度将升高，其可由如上所述的传感器系统直接检测到。此外，均衡阶段中的氮气的最大浓度通常是产物气体中(诸如产物储箱)中的氮气浓度的两倍到三倍高。 此外，在均衡阶段中分离设备之间交换的气体量通常是在产物阶段中从分离设备流出的气体量的两倍大。[〇〇53]因此，包括在均衡导管中的传感器系统的所提出的诊断比其他过程诊断(例如，仅基于产物的氧气含量)更敏感并且更快。事实上，与例如由在产物储罐中的如本领域中已知的氧气传感器测量的产物气体且因此富氧气体中的氧气含量相比，均衡导管的氧气含量在实践中对过程中的变化作出更快得多的反应。此外，相比于均衡导管中的气体测量，如由产物导管或罐中的压力传感器测量的分离设备内的最大压力在实践中给出更不具体的或较不敏感的信号，使得根据该实施例，可以实现过程的更可靠控制。[〇〇54]换言之，在均衡导管中的传感器系统的得到的信号实现特别可靠的过程诊断以控制分离过程，例如避免氮气前面突破进入产物流，避免产物的氧气纯度的波动和/或最终最小化所需要的功率输入。
[0055]关于氧气浓缩器的另外的优点和技术特征，涉及传感器系统的描述、方法、附图和附图的描述。
[0056]本发明还涉及一种定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的方法，所述流体混合物包括要检测的复合物，其中，所述方法包括以下步骤:将要检测的复合物吸附到吸附剂材料，其中所述吸附剂材料在吸附至少一种复合物时经历温度变化;测量吸附剂材料的温度;并且基于吸附剂材料的温度变化来定量地检测至少一种复合物。[〇〇57]因此这种方法适于定量地检测流体复合物混合物中的至少一种具体流体(即气态或液态)复合物，或者换言之，适于确定感兴趣的复合物的浓度或浓度的变化。具体而言，该方法适用于检测复合物混合物中的一种感兴趣的复合物的浓度或浓度的变化。尤其是，该方法有利地用在氧气浓缩器中。该方法可以被用于例如检测氧气氛围中的氮气。然而，所述方法还可以用于检测气体中的流体浓度或各自的浓度变化。范例将是检测气体中(诸如氧气中或稀有气体中)的水。该方法关于被称为传感器系统的各自的描述具有显著优点。总而言之，该方法提供一种节能、成本有效、可容易调整和/或快速的措施来提供感兴趣成分的敏感检测。因此，器允许诸如在氧气分离领域中的过程的控制是非常动态和有效的。
[0058]根据一个实施例，基于相对于流体混合物的温度变化的吸附剂材料的温度变化定量地检测至少一种复合物。根据该实施例，可以以特别精确和准确的方式实现感兴趣的复合物的检测，原因在于避免了以下情况:吸附剂材料的温度变化不仅由于对应的复合物的吸附过程，而且温度变化也可能由于其他效应，由此潜在地使得测量结果恶化。
[0059]根据另外的实施例，所述方法是用于从含氧气体中分离氧气的方法的部分。
[0060]根据第一步骤，用于分离氧气的这种方法通常可以包括氧气分离步骤，其中，氧气分离步骤包括将含氧气体引导到一个或多个氧气分离设备的初级侧并且通过例如由初级侧与次级侧之间的压缩器或真空栗创建压力差而生成通过一个或多个氧气分离设备的氧气流。该步骤因此对应于使用氧气分离器的公知的氧气分离步骤，其中，含氧气体被引导到氧气分离设备中，其中，除氧气之外的其他成分被吸附到氧气分离吸附剂并且氧气被引导到氧气分离设备之外。
[0061]为了分别从一个或多个先前使用的氧气分离设备或其氧气分离吸附剂解吸所吸附的物质，通过将吹扫气体从其次级侧到其初级侧引导通过氧气分离设备并且通过将排气引导通过排气导管来在氧气分离步骤之后吹扫至少一个氧气分离设备。该重新生成步骤也可以由气体传送设备(如压缩器或真空栗)来执行并且因此是从例如变压吸附系统已知的常规步骤。
[0062]此外，所述方法可以包括另外的步骤，其通常可以在前述步骤中的一个或多个期间执行或者作为独立的步骤来执行。根据该步骤，通过使用如上所述的传感器系统通过将要检测的复合物吸附到吸附剂材料来如上所述确定至少一种复合物，其中，所述吸附剂材料在吸附至少一种复合物时经历温度变化，其中，吸附剂材料的温度被测量，并且其中，基于吸附剂材料的温度变化来定量地检测至少一种复合物。
[0063]根据另外的实施例，在均衡阶段期间并且因此尤其是在均衡导管中检测至少一种复合物。根据该实施例，以下效应是有益的:尽管例如均衡导管中有少量的杂质(例如氩气)，但当所述过程在期望的状况下运行时可以存在纯氧气。当所述过程偏离这些理想条件时，氮气浓度将升高，这可由如上所述的传感器直接检测。此外，氮气在均衡阶段中在均衡导管中的最大浓度通与诸如在产物罐中的产物气体中的氮气浓度相比通常为两倍至三倍高。此外，在均衡阶段中在分离设备之间交换的气体量通常是在产品阶段中从分离设备排出的气体量的两倍大。因此，所提出的均衡传感器诊断比例如仅基于产物的氧气含量的其他过程诊断更敏感并且更快。
[0064]关于生成氧气的方法的另外的优点和技术特征，涉及氧气分离器的描述、附图以及附图的描述。【附图说明】
[0065]本发明的这些和其他方面将根据下文描述的实施例变得显而易见，并且将参考下文描述的实施例得以阐明。
[0066]在附图中:
[0067]图1示出了根据本发明的传感器系统的实施例的示意图；
[0068]图2示出了包括根据图1的传感器系统的氧气浓缩器的实施例的示意图；并且
[0069]图3示出了利用根据图1的传感器系统获得的测量结果的图。【具体实施方式】
[0070]在图1中，示出了传感器系统100,其可用于定量地检测流体混合物中的至少一种复合物。作为非限制性范例，传感器系统1〇〇可以被用在如将关于图2而显而易见的氧气浓缩器10中。
[0071]传感器系统100包括能够吸附要检测的至少一种复合物的吸附剂材料102。从而， 选择吸附剂材料102,使得其在吸附至少一种复合物时经历温度变化。例如，吸附材料102可以是沸石材料。
[0072]传感器系统100还至少包括用于测量吸附剂材料102的温度的第一温度传感器104。温度传感器104可以例如是热敏电阻器。关于图1中所示的第一温度传感器104,吸附剂材料102被提供在第一温度传感器104的表面上。例如，其可以例如借助于胶粘物106(诸如水基高温胶合剂)来固定。作为严格示范性的非限制范例，可以使用来自Griffon公司的被称为Hydra的胶粘物。此外，可以存在加热设备，其可以被用于加热并且因此重新生成吸附剂材料102。图1中示出了加热丝108,其行进通过吸附剂材料102并且进一步通过胶粘物 106。加热丝108可以是铁络错电阻丝(kanthal wire)。
[0073]优选地，传感器系统100还包括用于测量流体混合物的温度的第二温度传感器105。控制单元110还被提供，其适于仅基于吸附剂材料102的温度变化或优选地相对于流体混合物的温度变化来确定要检测的至少一种复合物的浓度。
[0074]温度传感器104、105可以通过连接件112连接到控制单元，所述连接件可以服务于例如通过测量各自的电阻率来使用温度传感器104、105。
[0075]具体而言，在通过使用水基的胶粘物(诸如水基高温胶合剂)在空气中操控传感器系统100的情况下，可以对水具有高亲和力的吸附剂材料102可以用水来饱和并且然后将不对氮气敏感或者对氮气仅具有非常小的敏感度。鉴于此，吸附剂材料102可以通常被加热至例如400°C，以便使被束缚的水和被束缚的氮气蒸发。该步骤可以形成激活进程并且可以在纯的或基本纯的干燥氮气的气氛中实现，以便去除污染物(诸如水)并且以便不给各自的部件施加压力，并且因此避免部件的氧化反应。在冷却到例如室温之后，例如，传感器系统或其吸附剂材料分别可以被暴露于氧气氛围，其将快速吹扫出在吸附剂材料中吸附的氮气。
[0076]在图2中，示意性示出了用于生成氧气的氧气分离器10的示范性实施例。氧气分离器10可以被用于生成关于治疗应用(例如在coro处置领域中)的氧气。氧气分离器10可以被设计为静止布置，例如以将其用在医院中，或者其可以是便携式设备，例如以将其用在家庭护理应用中。然而，氧气分离器10还可以被用于在其处必须提供纯氧气或基本纯氧气的任何应用(例如在飞机中或用于焊接目的)。这种氧气浓缩器或氧气分离器10分别可以基于可从?11；[11口8 1^8口；[1'011；[〇8公司购买的被称为3；[11^176〇的氧气浓缩器。
[0077]根据图2的氧气分离器10包括至少一个氧气分离设备12,其能够从含氧气体中分离氧气。但是，优选地，氧气分离器10包括并行布置的至少两个氧气分离设备12、14。在下文中，本发明关于两个氧气分离设备12、14来描述。然而，本领域技术人员将明白可以通过使用仅一个氧气分离设备12或多于两个氧气分离设备12、14来对应地提供每个特征。每个氧气分离设备12、14可以被形成为筛选床并且可以被装备有氧气分离吸附剂16、18。氧气分离吸附剂16、18尤其被配置用于使氧气通过而不显著阻碍其流动，但是用于分别与含氧气体中存在的其他复合物相互作用或吸附含氧气体中存在的其他复合物。在使用空气作为含氧气体的情况下，因此，优选地，氧气分离吸附剂16、18被配置用于吸附氮气。合适的氧气分离吸附剂16、18可以包括沸石材料，诸如L1-LSX材料。然而，可能能够使用本领域已知的每种合适的氧气分离吸附剂16、18,例如用在摆动过程中，诸如变压吸附或变真空吸附过程中的。
[0078]入口导管20被提供用于将含氧气体流引导到氧气分离设备12的在其初级侧的气体入口 24。对应地，入口导管26被提供用于分别将含氧气体流引导到氧气分离设备14的在其初级侧的气体入口 28。此外，用于分别将富氧气体或纯氧气引导离开氧气分离设备12、14 的出口导管30、32被连接到各自的氧气分离设备12、14的气体出口 34、36。[〇〇79] 氧气分离设备12、14的入口导管24、26被连接到氧气分离器10的入口 38。连接到入口 38的是含氧气体源，诸如气体存储设备或围绕氧气分离器10的空气。另外，可以提供用于在氧气分离设备12、14的初级侧与次级侧之间创建压力差的压力调节设备40。根据图2,压力调节设备40被形成为用于压缩含氧气体并且迫使其通过入口导管42、44(其可以是入口导管22、26的部分或被连接到入口导管22、26)至氧气分离设备12、14的压缩器。因此，根据本发明，表述入口导管应该意味着这些入口导管42、44、22、26中的一个、若干个或全部。在压力调节设备40的下游或上游，可以提供入口过滤器46以便提供含氧气体的第一清洁步骤。具体而言，尤其可以将固体颗粒滤出含氧气体。
[0080]为了允许将含氧气体间歇地引导通过氧气分离设备12、14,可以在入口导管42、44 中提供入口阀48、50。根据本发明的阀应该是可以允许气体流、抑制气体流和/或调节气体流的量的任何设备。因此，通过关闭阀50并且通过打开阀48,含氧气体可以被引导通过第一氧气分离设备12,而含氧气体可以通过打开阀50并通过关闭阀48而被引导通过第二氧气分离设备14。相应地，阀52(诸如止回阀)可以被提供在出口导管30中并且阀54(诸如止回阀) 可以被提供在出口导管32中。通过引导含氧气体通过第一氧气分离设备12,阀52可以被打开而阀54可以被关闭。相应地，通过引导含氧气体穿过第二氧气分离设备14,阀54可以被打开而阀52可以被关闭。
[0081]在阀52、54下游，出口导管30、32被分别连接到氧气蓄积器56或气体储罐，以便存储所生成的氧气。氧气蓄积器56可以被连接到出口导管58,其中，可以提供流量控制器60以便控制纯氧的流。因此，根据本发明，表述出口导管应该意味着这些出口导管58、30、32中的一个、若干个或全部。此外，在生成的氧气被引导到出口64之前可以在出口导管58中提供额外的过滤器62。从出口 64,所生成的富氧气体可以被引导到期望的应用，诸如引导到患者。 [〇〇82]第一氧气分离设备12的出口导管30和第二氧气分离设备14的出口导管32可以由阀52、54上游的均衡导管66连接，其中，可以提供诸如双向阀的阀68，其可以在打开位置和关闭位置之间切换。这允许将所生成的氧气(例如在氧气分离设备12、14中生成的)的限定部分引导到另外的氧气分离设备14、12或反之亦然，以用于均衡的目的。具体而言，在第一氧气分离设备12处于氧气分离模式并且第二氧气分离设备14分别处于重新生成模式或吹扫模式的情况下，阀68可以被打开，从而允许利用第二氧气分离设备14的压力来均衡第一氧气分离设备12的过压，由此在改变氧气分离设备12、14的模式之前引导通过均衡导管66。 因此，均衡流将在一个均衡阶段中从氧气分离设备12去到氧气分离设备14,并且在下一个均衡阶段中从氧气分离设备14去到氧气分离设备12。传感器系统100可以被提供在所述均衡导管66中。
[0083]即使在大多数情况下这不是问题，在吸附剂材料102将被加载太大量的要检测的成分的情况下，该成分可以通过在环境温度处简单地吹扫它来去除，例如，在吸附剂材料 102对氮气敏感的情况下用氧气来吹扫。[〇〇84]在均衡导管附近，第一氧气分离设备12的出口导管30和第二氧气分离设备14的出口导管32还可以由阀52、54上游的横交导管67连接，可以在该横交导管中提供流量调节器 69,诸如孔口或流量控制器。这允许将所生成的氧气(例如在氧气分离设备12、14中生成的) 的限定部分引导回来通过另外的氧气分离设备14、12或反之亦然，以用于吹扫的目的并且因此用于使氧气分离设备12、14重新生成。
[0085]此外，氧气分离设备12、14的次级侧可以被连接到另外的吹扫气体源，诸如包括具有高纯度的氧气的罐体，例如以引导吹扫气体分别通过氧气分离设备12、14。就此而言，在氧气分离设备12、14的初级侧处提供排气导管70、72,每个包括阀74、76。如果吹扫气体(诸如富氧气体)从其次级侧到其初级侧被引导通过氧气分离设备12、14以用于重新生成的目的，则出流可以被选择性地引导穿过排气导管70、72。此外，排气导管70、72中的每个可以被引导到出口，或者它们可以被组合成一个公共排气导管73并且因此可以被引导到一个公共排气端78。
[0086]尽管在传感器系统100被用在氧气浓缩器10中的情况下，传感器系统100被开发为具体用在均衡导管66中，但其并不局限于此。例如，其能够被用在将氧气递送到患者的软管中。
[0087]图3示出在氧气浓缩器10中存在复合物的情况下传感器系统100的示意性和示范性测量结果。事实上，以秒为单位的时间(t(s))对着以摄氏度为单位的温度(T(°C))被示出。因此，线A对应于测量吸附剂材料102的温度的第一温度传感器104，而线B对应于测量吸附剂材料102周围的氛围的第二温度传感器105。因此，所使用的吸附剂材料102是对氮气敏感并因此在吸附氮气时经历升温的吸附剂。能够看出，吸附剂材料102周围的氛围的变化可由温度变化直接检测。事实上，从氧气到氮气氛围的变化可分别由第一温度传感器104的升温或峰值检测。与此相反，从氮气到氧气的氛围的变化可分别由第一温度传感器104的降温或谷值检测。换言之，在吸附剂材料102处于纯氧气气或富氧气体中并且一些氮气将出现的情况下，这可由第一温度传感器104的升温直接检测。
[0088]图3还示出了由第二温度传感器105测量的温度(线B)。因此也示出了能够检测到例如在大约300s处示出的从1巴(bar)到1.9巴的升压，因为这在第二温度传感器105或基准温度传感器上分别给峰。第二温度传感器105的信号因此能够被用于例如补偿压力差的效应。
[0089]尽管在附图和前面的描述中已经详细图示和描述了本发明，但是这些图示和描述应被视为说明性或示范性的而非限制性的;本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、 公开内容以及权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时能够理解和实现对所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不应被解读为对范围的限制。
【主权项】
1.一种用于定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的传感器系统，所述流体混合 物包括要检测的所述复合物，其中，所述传感器系统(100)包括:吸附剂材料(102)，其能够吸附要检测的所述至少一种复合物，其中，所述吸附剂材料 (102)在吸附所述至少一种复合物时经历温度变化；至少第一温度传感器(104)，其用于测量所述吸附剂材料(102)的温度；以及 控制单元(110)，其适于基于所述吸附剂材料(102)的所述温度变化来定量地确定要检 测的所述至少一种复合物，并且适于根据定量地确定的至少一种复合物的结果来动态地控 制氧气分离设备(12)。2.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括用于测量所述流体混合物的温度的第二 温度传感器(105)，其中，所述控制单元(110)适于基于相对于所述流体混合物的温度变化 的所述吸附剂材料(102)的所述温度变化来定量地确定要检测的所述至少一种复合物。3.根据权利要求1或2所述的传感器系统，其中，所述吸附剂材料(102)被提供在所述第 一温度传感器(104)的表面上。4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统，其中，所述第一温度传感器(104) 和所述第二温度传感器(105)中的至少一个包括热敏电阻器或热电偶。5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统，其中，加热设备被提供用于加热 所述吸附剂材料(102)。6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统，其中，所述吸附剂材料(102)是沸石。7.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统，其中，所述传感器系统(100)是氧 气浓缩器(10)的部分。8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器系统，其中，所述吸附剂材料能够吸附氮气。9.一种用于生成富氧气体的氧气浓缩器，所述氧气浓缩器(10)包括根据前述权利要求 中的任一项所述的传感器系统(100)。10.根据权利要求9所述的氧气浓缩器，其中，至少所述传感器系统(100)的所述吸附剂 材料(102)被提供在均衡导管(66)中。11.一种控制定量地检测流体混合物中的至少一种复合物的氧气分离设备的方法，所 述流体混合物包括要检测的所述复合物，其中，所述方法包括以下步骤:将要检测的所述复合物吸附到吸附剂材料(102)，其中，所述吸附剂材料(102)在吸附 所述至少一种复合物时经历温度变化；测量所述吸附剂材料(102)的温度；基于所述吸附剂材料(102)的所述温度变化来定量地检测所述至少一种复合物;并且 根据定量地检测的至少一种复合物的结果来动态地控制所述氧气分离设备。12.根据权利要求11所述的方法，其中，基于相对于所述流体混合物的温度变化的所述 吸附剂材料(102)的所述温度变化来定量地检测所述至少一种复合物。13.根据权利要求11或12中的任一项所述的方法，其中，所述方法是用于从含氧气体分 离氧气的方法的部分。14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，至少一种复合物在变压吸附，PSA，循环的均衡阶段期间被检测。
【文档编号】G01N25/48GK106030295SQ201480075940
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月15日
【发明人】P·范德斯路易斯, A·G·R·克贝尔, R·希尔比希, W·C·科尔
【申请人】皇家飞利浦有限公司