浓度确定方法和气体浓度传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及浓度确定方法和气体浓度传感器。本发明涉及一种用于确定存在于气体管线或储气器中的气体的至少一种组分的浓度的方法，其中气体在测量位置从气体管线或从储气器中被引出并且被提供到至少一种气体火焰；离子流在气体被提供到的气体火焰和电极布置之间被测量；气体被提供到的气体火焰的温度被测量；以及存在于气体管线或储气器中的气体的至少一种组分的浓度根据测量离子流和测量的温度或根据其相关值被确定。本发明还涉及用于实施根据本发明的方法的气体浓度传感器。
【专利说明】浓度确定方法和气体浓度传感器
[0001] 本发明涉及一种确定存在于气体管线或储气器中的气体的至少一种组分的浓度 的方法，以及涉及一种气体浓度传感器。
[0002] 能尽可能准确地确定例如空气中可燃物质的浓度是特别重要的。这对于安全应 用也是尤其十分重要的。这些物质每一种的例如可燃下限（LFL)和爆炸下限（LEL)已经被 确定，低于该下限，可燃物质和空气的混合物因为太稀少而不能维持燃烧。另一方面，对于 每一种可燃物质也有特定的浓度，高于这个特定的浓度时，混合物太浓而不能燃烧(可燃上 限，UFL，或爆炸上限，UEL)。
[0003] 在爆炸下限和爆炸上限之间是危险浓度范围，此范围内存在爆炸的危险或易燃的 危险。
[0004] 为安全起见，在大多数应用中可燃物质的浓度不可太接近爆炸下限和爆炸上限之 间的范围。
[0005] 在许多应用中，烃作为可燃物质存在。
[0006] 各种传感器被用于确定气体(例如空气）中可燃物质的浓度。例如，存在催化传感 器或红外吸收传感器。
[0007] 现有技术的方法，例如，使用火焰离子检测器（FID)。在这方面，例如，从测量体积 内抽取样品气体。这种测量体积可以是储气器或也可以是气体管线。例如，少量这种样品气 体与氢气燃料混合，并被提供到气体燃烧器并在那里被燃烧。可燃物质在氢气火焰中产生 离子，其可以被测量，例如使用相应灵敏的电流表。相应的电信号是存在的烃的量的量度。
[0008] FID测量的特征在于有利地缩短反应时间（比如小于1. 5秒)。然而，浓度的测量 是间接的并且遭受宽的分散，以至于关于上述危险的易燃性范围的安全范围不得不选择大 的。这可能具有监视工艺被停止太快或太频繁从而变得不经济的结果。
[0009] 例如，在US3, 767, 363A和US7, 704, 748B2中描述的FID工艺。具有权利要求8的 前序部分的特征的气体浓度传感器已知于US2003/0085714A1。
[0010] 另外的浓度确定方法是测量被暴露在具有可燃物质的气体中的火焰的温度(火焰 温度分析，FTA)。
[0011] 在这方面，已知的方法测量在测量室中燃烧的引燃火焰所放出的热。例如，待检测 的气体能从储气器或从气体管线中被分支，并且能被直接提供到这种测量室中。这种气体 额外进料给引燃火焰并且因此造成温度升高。例如，可以使用直接布置在火焰上的温度传 感器来测量火焰温度。
[0012] 气体浓度可以使用火焰温度测量法被精确地确定。然而，火焰温度测量法具有较 长的响应时间和比较受限制的测量范围。
[0013] 例如在US5, 053, 200A和US7, 704, 748B2中描述了火焰温度分析仪。
[0014] 本发明的目的是提供一种确定存在于气体管线或储气器中的气体的至少一种组 分的浓度的方法，以及提供一种气体浓度传感器，使用本发明的方法和传感器能够快速、准 确和可靠地确定气体混合物中特别是烃的浓度。
[0015] 通过具有权利要求1的特征的方法和通过具有权利要求8或11的特征的气体浓 度传感器，这个目的可以得到满足。从属权利要求是针对具体的实施方式。
[0016] 根据本发明的方法，气体在测量位置从气体管线或储气器中被引出，并被供应到 至少一种气体火焰。以与FID测量法类似的方式测量出在这种气体火焰与电极布置之间的 离子流。
[0017] 另外，与FTA测量法类似，测量气体由气体管线或储气器供应到的气体火焰的温 度。在根据本发明的方法中，被用于测量离子流的气体和被用于测量火焰温度的气体在气 体管线或储气器的相同测量位置被引出。在这方面，"在相同测量位置引出"是指用于测量 离子流的气体火焰和用于测量温度的火焰的气体出口至少邻近气体管线或储气器产生，以 便气体中可燃物质的浓度能被认为在出口点处相同，优选地气体从气体管线或从储气器在 相同的位置被分支。
[0018] 然后，通过评估单元，使用测量的离子流和测量的温度，确定出存在于气体管线或 储气器中的气体的至少一种可燃组分的浓度。
[0019] 根据本发明的方法能特别用于确定气体(如空气）中烃的浓度，以确保位于上述在 爆炸下限和爆炸上限之间的危险范围之外的浓度一直存在。
[0020] 因此，本发明超出了根据一个原理的测量法的简单加倍。由于对测量的离子流的 评估，确保了存在快速的响应时间。另一方面，对火焰温度的评估确保准确的测量。
[0021] 通常可能使用两种分离的气体火焰，在一种气体火焰处测量离子流而在另一种气 体火焰处测量火焰温度，被进料给火焰的气体在相同的测量点被引出并且离子流信号和温 度信号由评估单元进行评价。然而，待确定的离子流和火焰温度优选在同一气体火焰处，因 为，然后以尽可能理想的方式确保两种测量是在由有待准确确定的浓度的气体进料的气体 火焰处进行的。
[0022] 如果额外燃料例如氢被供应到气体火焰是特别有利的。这确保了不断燃烧，且待 确定可燃物质的浓度的被供应的气体在火焰中被离子化以测量离子流或由于额外燃烧促 进火焰温度的增加。
[0023] 出于安全原因和为了提供确定的测量气氛，气体燃烧器并且因此气体火焰被有利 地布置在燃烧室中。
[0024] 另外可能具有这种燃烧室使得从气体管线或储气器被分支出的测量气体为了浓 度确定的目的也至少从它的外侧被供应到气体火焰，因为它不是被直接引入气体燃烧器， 而是被引入周围燃烧室。这能对火焰温度测量是特别有利地，其中存在于燃烧室的气氛的 测量气体产生可测量的温升。
[0025] 另一方面，测量气体连同燃料例如氢气也能有利地通过气体燃烧器被供应到气体 火焰。这在离子流的测量中是有利的，因为那里形成离子的物质与燃料被直接引入到火焰。
[0026] 根据各自的现状、要求和气体组成，可以选择可选地有利地使用的测量供应。也可 以提供这些气体供应的可选方案的相应设置组合。
[0027] 独立权利要求8和11涉及根据本发明的气体浓度传感器，使用该气体浓度传感器 能够实施根据本发明的方法。为此，根据本发明的气体浓度传感器具有用于产生气体火焰 的气体燃烧器。
[0028] 气体管线将根据权利要求8的气体燃烧器连接到测量位置，测量位置存在于气体 管线或储气器，位于其中的气体中危险组分的浓度要被确定。另外，根据本发明的气体浓度 传感器具有电流测量装置，电极布置被连接到电流测量装置，电极布置被布置并被连接到 电流测量装置以便在火焰与电极布置之间的离子流能够使用它来测量。被连接到电流测量 装置的评估装置用于当使用电流测量装置的信号时确定气体中危险组分例如尤其是烃的 浓度。温度传感器被布置以便这种气体火焰的温度通过它能被测量。
[0029] 在权利要求11的实施方式中，测量位置通过测量气体管线连接到燃烧室，以能够 从外部将测量气体供应到气体火焰，为此气体火焰被布置在燃烧室中。
[0030] 根据本发明的这些气体浓度传感器的优点和具体的实施方式从上述根据本发明 的方法的【具体实施方式】和优点以类似的方式产生。
[0031] 根据本发明，气体浓度传感器可以在测量气体管线提供支路管线。在测量气体被 供应到燃烧器的一种实施方式中，例如，另外的支路管线能够被提供，其也能引导测量气体 进入被布置在气体火焰周围的燃烧室。
[0032] 另一方面，在测量气体以任意方式供应到气体火焰周围的燃烧室的实施方式中， 支路管线可以以气体燃烧器的方向被提供。
[0033] 在这些具体的实施例中，设置或改变在燃烧器和气体火焰周围的燃烧室之间的测 量气体的划分是可能的。为此，在供应管线可以提供相应的阀。
[0034] 因此，有可能根据要求和待测气体组分在燃烧室和向燃烧器的直接供应部之间实 施测量气体的有利划分，和/或仅仅选择这些可选方案中的一个。
[0035] 根据本发明的气体浓度传感器的评估装置不仅被连接到电流测量装置，还被连接 到温度传感器并且被配置成使得它另外使用温度传感器的信号来确定气体中至少一种危 险组分的浓度。
[0036] 参考所附的示意性图1将详细地解释本发明。
[0037] 图1显示根据本发明的气体浓度传感器的实施方式的示意图。
[0038] 在图1中，10代表用于确定在本实施例中以箭头方向在气体管线11中流动的气 体12中的可燃物质的浓度的传感器布置。气体12中的一部分气体在测量位置15从气体 管线11通过测量气体管线24被分流作为测量气体13。
[0039] 在显示的实施例中，额外的燃料16例如氢气通过另外的进料部25被提供。火焰 14通过气体燃烧器18被供应这种燃料和/或测量气体13。
[0040] 测量气体流13和燃料16的供应可以在阀48和49的作用下被设定或被封堵，例 如，阀48和49可以被配置成计量阀。
[0041] 在所示的实施方式中，这种布置被容纳在燃烧室40中。
[0042] 在所示的实施方式中，测量气体管线24在其末端分开成两个支路管线23、23'，支 路管线23、23'可以分别通过阀50和52来计量或关闭。支路管线23允许在测量气体管线 24与燃烧室40的内部之间使用开阀52连接，而支路管线23'使用开阀50从来自测量气体 管线24的支路管线23'通到气体燃烧器18。
[0043] 测量气体13到火焰14的气流可以分别在阀50和52的作用下(或在结合它们的 功能的三通阀的作用下)来控制。测量气体或者使用开阀50和关阀52直接提供到燃料16 以便以这种方式移动穿过燃烧器18到火焰14,或者使用关阀50和开阀52使测量气体进入 燃烧室40以使用来自外部的测量气体13供应火焰14。这些提供的可选方案也可以被结 合，取决于需要和被检测的气体。
[0044] 在相应的应用中，另一方面，还可以做出规定，测量气体管线24仅通向燃烧器18 或仅通向燃烧室40。然而，此处具有阀的实施方式提供了较大的灵活性。
[0045] 与显示的实施方式不同，还可以做出规定，两条分离的测量气体管线通向燃烧室 40或气体燃烧器18,其在气体管线11处被分别地分支。在这方面，然而，分支点应该以有 利的方式被布置以便各个分支气体的浓度相同以获得气体火焰14中定义的测量条件。
[0046] 在测量气体中的可燃物质，在所述的实施例中为烃，在火焰14中被电离。电极布 置20被设置在火焰14周围并且通过接触线22和电流表26关于接地来引导产生的离子； 例如，此处金属测量气体管线24。出于这个目的，电压源27可以以本身已知的方式设置在 电极20和测量气体管线24之间以维持离子流。
[0047] 电流表26通过信号线28连接到评估单元36。
[0048] 温度传感器，例如热敏元件30设置在火焰14上方。这种热敏元件30也同样通过 信号线34连接到评估单元36并且被布置成使得它能确定火焰14的温度或其相关的测量 值。
[0049] 评估单元36被设置成使得它能确定通过信号线28和34获得的来自电流表26的 信号和热敏元件30的信号的输出值，该输出值代表气体12中可燃物质的浓度的测量。这个 值或者相应信号通过评估单元36的输出线38输出以便例如，被转发到显示装置，以便当可 燃物质的浓度处于上述爆炸下限和爆炸上限之间的危险范围时引发警告信号或停止工艺。
[0050] 在图1的实施方式中，供给管线44被可选地提供有压缩空气42,例如，其在阀46 的作用下以受控的方式被提供到工艺，压缩空气能被直接进料到燃烧室40,到测量气体供 给管线24,或到氢气供应管线25。是否能够提供以及能够提供何种程度上额外的压缩空气 参考具体的测量条件而定，尤其参考待测量的气体或气体量以及气体组分。
[0051] 描述的应用提供了根据本发明的气体浓度传感器通过测量气体管线24连接到气 体管线，气流通过气体管线流入工艺，提供到这个工艺的气体组分须被检测它的可燃物质 例如烃的含量，以便工艺能在控制的方式下运行。另一方面，根据本发明的气体浓度传感器 也能通过测量气体管线24连接到储气器，该储气器含有气体，该气体的可燃物质例如烃的 浓度须被检测。
[0052] 参考数字目录
[0053] 10传感器
[0054] 11气体管线
[0055] 12 气体
[0056] 13测量气体
[0057] 14气体火焰
[0058] 15测量点
[0059] 16 燃料
[0060] 18气体燃烧器
[0061] 20电极布置
[0062] 22接触管线
[0063] 23、23' 支路管线
[0064] 24测量气体管线
[0065] 25燃料管线
[0066] 26 电流表
[0067] 27电压源
[0068] 28信号线
[0069] 30热敏元件
[0070] 34信号线
[0071] 36评估单元
[0072] 38输出线
[0073] 40燃烧室
[0074] 42压缩空气
[0075] 44压缩空气管线
[0076] 46 阀
[0077] 48、49 阀
[0078] 50、52 阀
【权利要求】
1. 一种确定存在于气体管线（11)或储气器中的气体（12)的至少一种组分的浓度的方 法，其中： -气体（13)在测量位置（15)从所述气体管线（11)或从所述储气器中被引出并且被供 应到至少一种气体火焰（14); -在气体火焰（14)和电极布置（20)之间测量离子流，气体（13)从所述测量位置（15) 供应到所述气体火焰（14); -测量气体火焰（14)的温度，气体（13)从所述测量位置（15)供应到所述气体火焰 (14) ;以及 -根据所测量的离子流和所测量的温度确定存在于所述气体管线（11)或所述储气器 中的所述气体（12)的至少一种组分的浓度。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述离子流在其和所述电极布置（20)之间被测量 的气体火焰与其温度被测量的所述气体火焰是相同的气体火焰（14)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中额外的燃料（16)，优选地氢，被供应到所述气体火 焰（14)。
4. 根据权利要求2或3中一项所述的方法，其中所述气体火焰（14)被布置在燃烧室 (40)中。
5. 根据权利要求3和权利要求4所述的方法，其中所述气体（12)至少也从其外侧供应 到所述气体火焰（14)，其中所述气体（12)被引入所述燃烧室（40)。
6. 根据权利要求3或5中一项所述的方法，其中所述气体（12)至少也连同所述燃料 (16) -起被供应到所述气体火焰（14)。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述至少一种组分由包含在所述气体 (12)中的烃形成。
8. -种气体浓度传感器（10)，其被连接到在气体管线（11)或在储气器处的测量位置 (15) ，以用于测量存在于所述气体管线（11)或所述储气器中的气体（12)的至少一种组分 的浓度，所述气体浓度传感器（10)包括： -气体燃烧器（18)，其用于产生气体火焰（14); -测量气体管线（24)，其用于将所述气体燃烧器（18)连接到所述测量位置（15); -电流测量装置（26); -电极布置（20)，其连接到所述电流测量装置（26)，并且其被布置以及连接到所述电 流测量装置（26)使得在所述气体火焰（14)和所述电极布置（20)之间的离子流能够使用所 述电流测量装置（26)进行测量；以及 -评估装置（36 )，其连接到所述电流测量装置（26 )以用于使用所述电流测量装置（26 ) 的信号确定所述气体（12)中至少一种组分尤其是烃的浓度， 其特征在于 -温度传感器（30)被提供，所述温度传感器（30)布置成使得所述气体火焰（14)的温 度能够用所述温度传感器（30)进行测量；以及 -所述评估装置（36)连接到所述温度传感器（30)并且被配置成使得所述评估装置 (36)额外地使用所述温度传感器（30)的信号来确定所述气体（12)中的至少一种组分的浓 度。
9. 根据权利要求8所述的气体浓度传感器，其特征在于，供给装置（25)连接到所述气 体燃烧器（18)以用于供应燃料（16)，尤其是氢。
10. 根据权利要求8或9中一项所述的气体浓度传感器，其特征在于，所述气体燃烧器 (18)被布置在燃烧室（40)中并且所述测量气体管线（24)具有引入所述燃烧室（40)中的 支路管线（23)。
11. 一种气体浓度传感器（10 )，所述气体浓度传感器（10)被连接到在气体管线（11)或 在储气器处的测量位置（15)，用于测量存在于所述气体管线（11)或所述储气器中的气体 (12)的至少一种组分的浓度，所述气体浓度传感器（10)包括： -气体燃烧器（18)，所述气体燃烧器（18)在燃烧室（40)中以用于产生气体火焰（14); -测量气体管线（24)，其用于将所述燃烧室（40)连接到所述测量位置（15); -供给装置（25)，所述供给装置（25)被连接到所述气体燃烧器（18)以用于供应燃料 (16)，尤其是氢； -电流测量装置（26); -电极布置（20)，所述电极布置（20)被连接到所述电流测量装置（26)，并且被布置以 及被连接到所述电流测量装置（26 )使得在所述气体火焰（14 )和所述电极布置（20 )之间的 离子流能够使用所述电流测量装置（26)进行测量；以及 -评估装置（36 )，所述评估装置（36 )被连接到所述电流测量装置（26 )以用于使用所述 电流测量装置（26)的信号来确定所述气体（12)中的至少一种组分尤其是烃的浓度， 其特征在于 -温度传感器（30)被提供，所述温度传感器（30)布置成使得所述气体火焰（14)的温 度能够用所述温度传感器（30 )测量；以及 -所述评估装置（36)被连接到所述温度传感器（30)并且被配置成使得所述评估装置 (36)额外地使用所述温度传感器（30)的信号来确定所述气体（12)中的至少一种组分的浓 度。
12. 根据权利要求11所述的气体浓度传感器，其特征在于，所述测量气体管线（24)具 有引入所述气体燃烧器（18 )中的支路管线（23 '）。
13. 根据权利要求10或12中一项所述的气体浓度传感器，其特征在于一个或多个阀 (50, 52)，在所述气体燃烧器（18)和所述燃烧室（40)之间流过所述测量气体管线（24)的测 量气体流能够使用所述一个或多个阀（50, 52)进行设定或改变。
【文档编号】G01N27/62GK104062347SQ201410109591
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】雅克·雷布多, 马库斯·法克勒, 莱拉·弗奈莉, 艾里斯·塞梅斯格鲁斯, 英戈·赖因克, 诺伯特·罗特坎普 申请人:西克股份公司