利用无焰燃烧测量燃气热值的制作方法

专利名称：利用无焰燃烧测量燃气热值的制作方法
技术领域：
本发明涉及一些测量燃气热值的方法和装置。测量天然气热值在控制燃烧中是重要的，并且在分配和销售天然气时是一种必要的测量。目前有四种有用的测量热值的方法。
测量热值的第一种方法是量热式测量。在这种方法中，使一定体积的天然气燃烧。通过完全燃烧放出热量，并仔细地累积和进行测量。所释放的热量用温度变化来表示。这种方法是最早采用的方法，并且需要极其严格控制流量和温度。这种装置通常需要大范围的维护。
第二种测量热值的方法是组分分析。其是利用气相色谱仪测定在该气体中每种化学组分的馏分，然后根据它们存在的各馏分，通过各单一组分的热值的加和来测量热值。用组分分析的问题是装置的可靠性及其线性。气相色谱仪需要经常的维护，并且除非已标定的参比燃气与样品燃气非常相似外，对热值测量范围是有限制的。
第三种方法是化学当量计算法。在这种方法中，燃烧基本以最佳的氧气量来完成。在这种情况下，使天然气与空气燃烧，并且调节空燃比，使燃烧达到最大火焰温度或达到最佳燃烧化学当量点(即达到没有剩余的氧气时的刃形火焰)。
Clingman的U.S.P.No.3,777,562是第三种方法的例子。在Clingman的专利中，通过使燃气与调节到能获得最高火焰温度的空气量燃烧来测定热值。这一点在Clingman的U.S.P.No.4,062,236、4,125,018和4,125,123中有进一步描述。在上述的每篇专利中，空气-燃气混合物的燃烧是通过在燃烧器顶部的火焰燃烧来完成，并具有温度检测装置，例如热电偶。Clingman专利用的某些设备不能在某些有明火的环境中使用。
第四种方法是利用催化燃烧。使燃气通过经加热的催化剂发生氧化反应。释放的热量可以通过催化反应的温度变化又可通过供给加热催化剂的能量变化，或通过测量催化物质的温度来测定。催化燃烧或催化氧化是碳氢化合物的公知现象。碳氢化合物燃气和空气的混合物在有铂和/或钯物质的条件下将发生氧化反应。该反应在低于碳氢化合物的自燃温度的温度下发生。例如当甲烷与空气混合时，甲烷将在约730℃下被点燃，并在超过1600℃的温度下产生明火。虽然有效的催化反应是在接近500-600℃下才发生，但是，催化氧化可以在低于400℃的催化温度下发生。
催化氧化的一个问题是使催化剂中毒的可能性。某些化学物质例如硫或铅等许多物质，可以与一种催化剂化合并使催化剂不能使用，因此限制了这些催化剂在热值测量中的应用。在很多方法中，例如垃圾掩埋气体回收，那些气体含有足够数量的“毒性”，从而使该测量方法具有高失败的可能性。
本发明的目的是提供利用非催化无焰燃烧和供给燃烧装置的改变摩尔流率的样品燃气混合物来测量燃气热值的方法和装置。
本发明应用一种用于接收并燃烧燃气和载气，例如空气的混合物的惰性材料，在通常条件下，燃气将被氧化或燃烧并形成火焰。在本发明中，该惰性材料只形成小的孔隙，以便通过抑制快速传热来防止形成明火。
燃烧过程在高于燃气混合物的自燃温度的温度下进行，并且使燃气燃烧时不产生明火，因此使该方法适合于在特定的环境下进行。
在大多数热值测量过程中，为了达到精度，需要燃气和空气的体积非常稳定。许多前面描述的方法采用恒定流率或恒定的气体体积。本发明排除了对这样的恒定值的需要。
另外，本发明的氧化或燃烧可以通过提供超出燃气混合物的化学当量的配比的宽范围内的混合物浓度来完成。该方法不存在催化意义上的毒化，因为在该燃烧中不会有催化剂。
燃体燃烧的能量或燃烧的温度是当燃气混合物在燃烧装置中流动时来进行测量，同时也测量气体的摩尔流率。参比燃气和样品燃气交替和重复地被测量。唯一的要求是在燃烧装置的适合的燃烧能量或最大燃烧温度下，比较样品和参比燃气的摩尔流率。
在一个实施例中，把空气流量设定在大大地超过该燃气燃烧所需空气量的状态，即一种贫燃气状态。该燃气与空气混合，该混合物流过或通过加热的固体材料使该混合物氧化。燃烧能量和燃气的摩尔流率随着时间而变化。在选定的燃烧能量下，通过一些相应的传感器检测燃气的摩尔流率，这些参数用于计算参比燃烧气和后者即样品燃烧气的热值。
在第二实施例中，把空气流量设定在低于化学计算当量条件下燃气燃烧所需的空气流量，从而提供富燃气混合物。该燃烧气体与空气再次混合，并使该燃气-空气混合物流动而使其与加热的固体材料的加热体接触，在此该混合物被氧化。连续地测量燃烧能量。当燃烧能量达到相应于燃烧最大值的最小值时，测定燃气的摩尔流率。在该最大燃烧能量下，通过一些相应的传感器测量燃气的摩尔流率。
在“贫混合物”和“富混合物”的实施例中，参比气体循环之后是一种或多种样品气体的循环。
对于利用贫燃气混合物的实施例而言，样品燃气的热值是根据已知的参比燃气的热值、参比燃气和样品燃气选定的燃烧的能量水平、在该选定的能量水平下的参比燃气和样品燃气的流率以及在某些情况下参比燃气与样品燃气能量水平之比来计算的。
对于利用富燃气混合物的实施例而言，样品燃气的热值是根据已知的参比燃气的热值、相应于化学计算当量配比燃烧的燃烧能量水平，以及在化学计算当量燃烧的能量水平下的参比燃气和样品燃气的流率来计算的。
在这两个实施例中，可以通过使在容积腔内的压力降低来改变燃气-空气混合物的比例，以便产生使燃气-空气混合物逐渐贫化的较低的燃气流量。在发生在固体材料加热体内部的各燃烧循环期间测量参比燃气和样品燃气的摩尔流率。参比燃气的热值通常是存储在存储器中的数值。也可以通过利用如传统的压力控制器直接控制空气和燃气的流率来改变燃气-空气混合物的比率。
通过下面的优选实施例的描述，对本技术领域的普通技术人员来说，可以使本发明的各种目的和优点将是显而易见的。在该描述中，参考构成说明书一部分的附图，这些附图只是作为举例示出的，它们不是本发明的各种实施例的总合，因此本发明的保护范围应由权利要求书确定。


图1是实施本发明方法的装置的方框图；图2是在图1装置中的电路的详细示意图；图3a是用在图1装置中的燃烧组件的简图；图3b是温度沿着在图3a的燃烧组件内的纵向位移变化的曲线图；图3c是用在图1装置中的燃烧组件的第二实施例的简图；图4a和4b分别是说明图1装置运行能量和摩尔流率随时间变化的曲线图；图5是在图1装置中的微控制器操作的流程图。
参见图1，实施本发明方法的装置10通过供给管路1从一个外部气源接收空气。空气用作载气并用于冲洗来自燃烧装置8中的其他气体。通过供给管路3从一个外部气源接收参比燃气。通过供给管路15从一个外部气源接收待测定热值的样品燃气。
使参比燃气和样品燃气以变化的空气量混合并在燃烧装置8中燃烧，该燃烧装置8包括加热元件9、温度传感器11和被加热元件9加热的惰性固体的多孔体(图3中的26)。
隋性固体多孔体26是由高温和高热容量的固体组成的，通常由陶瓷材料制成。加热元件9位于或放置在多孔体9的中心部位中，以便提供反应最初的起始温度。隋性固体26通常加热到800℃或更高。
加热元件9由来自电源电路19(图1)的电能供给能量。温度传感器11埋在多孔材料中，以便测量多孔材料反应表面上的温度。温度传感器11产生作为电源19的输入的信号。该信号被电源19作为表示反应温度的信号被识别。
燃烧产生以一种废气流17的形式从燃烧装置8中排出，可以使用另外的步骤对废气流进行处理。
微控制器12是一个带有A/D和D/A接口电路的适合的微电子CPU(中央处理单元)。微控制器12通过执行程序指令进行操作，所述的指令中的一部分用流程图5中的方框表示，存储在存储器中的指令通常也由标记12表示。
装置10包括用于分别产生各种空气和可燃气的流率，以便改变参比燃气和样品燃气的混合物的比例。更具体地，装置10包括用于分别控制到达节流阀7的样品燃气或参比燃气的流量的出口控制阀2和6。出口流率由在容积腔5、14的初始施加的压力和流量节流阀7的流动特性确定。最好是使空气-燃气混合物的流率在某个范围内是连续可变的。但是，本发明也可以在其他实施例中采用恒定的流率。虽然这里详细描述的优选实施例是通过调节可燃烧气体的流率来更好地调节混合物，但是通过调节空气流率可以调节这些混合物也是公知的。
参比燃气供应管路3通过入口流量控制阀4连接到容积腔5上。在充满容积腔5期间流量控制阀6关闭，以便关闭入口。当在容积腔5中的气体压力(该压力通常由外部管路3的压力设定)达到预定压力(而不是非临界水平)时，入口控制阀4关闭。
随着阀4的关闭，出口控制阀6打开，充许来自容积腔5的燃气流通过流量调节阀7，在此燃气流与来自供给管路1的空气流混合，然后通过惰性固体多孔体26。
一种测量燃烧温度的方法是监测从电源电路10供给加热装置8上的电能，该电能用于保持传感器11上的温度恒定。提供给加热器9的电能的变化是燃烧装置8中燃烧过程的燃烧能量或燃烧温度变化的一种量度标准。
随着燃烧气从容积腔5流出，容积腔5中的压力降低。微控制器12利用压力传感器13监测容积5中的压力变化。在一个预选定的燃烧水平上，象通过电源电路19测定的那样，容积腔5中的摩尔流率或摩尔浓度的变化由微控制器12测量或计算和存储。当气体在容积腔5中的压力达到一个预定值(而不是非临界的低水平)时，控制阀6关闭，从而使参比燃气停止流到燃烧装置8中。
在参比燃气在已流过燃烧装置8的同时，控制阀16已打开以使样品燃气从供给管路15充入容积腔14，流入容积腔14的燃气流使容积腔14的压力增加，直到达到一个预定的而非临界的压力为止，该压力通常是通过供给管路15的压力确定的，达到预定压力后，入口控制阀16关闭。当要使样品燃气流到燃烧装置8时，微控制器12打开控制阀2，以便通过节流阀7设定流到燃烧装置8的样品燃气流，在燃烧装置8中样品燃气和空气的混合物进行燃烧。
电源电路19连续调节加热器9的能量，以便保持被传感器11检测的温度恒定。随着燃气流率的减小，加热器9的能量变化与装置8中的燃烧热能成反比。根据该实施例，通过微控制器12在(a)预定的燃烧能量水平或(b)预定燃烧能量水平的变化或(c)在最大温度状态下来计算和存储容积腔14的摩尔流率。
需要指出的是，利用在容积腔5、14中的压力变化速率测量摩尔流率的方法由Kennedy在用于根据由容积腔流出的气流的变化来检测摩尔流率的美国专利No4,285,245中公开。这种方法排除了在燃气测量中要考虑燃气分子量的麻烦。这样的流量表组装在被受让人提供的注册商标为“TRU-THERM”的商业产品上。
利用两个容积腔5和14不是必需的，但却是一种优选实施例。利用一个腔将使测量过程变慢，这是因为利用两种燃气的单一腔为了在前一个循环中排出剩余在腔中的易燃的燃气的残余物需要几个循环。如果响应速率不是设计的主要目标，则可以通过只偶而使用参比燃气来改善测量，从而可以只利用一个腔。
图2示出了图1中已描述有关的电源电路19、温度传感器11和加热器9。电路19是通过电子元件加热和冷却来保持恒定电阻和电桥。
在这个优选实施例中，在图2中的电阻9是铂丝双绕螺旋线电阻器。选择铂是由于其稳定的温度系数范围宽。其电阻为Rh=Rh0(1+αΔT)。选择电阻器20和电阻器9的阻值，以便使固体多孔体26(图3a)的操作能在一些选定的能量水平上保持理想的温度。用于多孔材料26的电阻加热元件9和温度传感器11提供的都是双缠绕电阻。电阻器21是把加在电桥上的电压24分压的一对电阻器。在图2中，电阻器21是以等值R0示出的，对此的要求不是严格的。
在图2中，运算放大器22检测该电桥的每个臂上中心顶点的电压之间的电压差，并将该电压差放大。将其结果加到能量FET23上，并使电桥上的电压24改变，直到这两个臂上中心顶点的电压变成相等为止。
因此，供给加热器传感器9、11的电能水平是保持加热传感器9、11的电阻和温度恒定所需要的能量。如果燃气发生燃烧，则燃烧热使材料26的温度上升，并使所加的电能适当减少，以便保持加热器-传感器9、11的温度恒定。
图3a示出了由多孔惰性材料26的柱形成的加热器装置的总体结构。管25盛装多孔材料(在这个例子中为不同尺寸的小珠26)并形成一个柱。多孔固体26可以使用陶瓷珠或泡沫材料，如果用泡沫材料，则多孔固体可以制成一个整体。这些小珠在尺寸上可以分级，并且具有变化的表面特性，以便控制辐射组分的发射，该辐射组分将影响燃烧产物的热传导速率。加热器-传感器9、11安装在多孔材料26的中心部分，并且通过电阻加热使材料26的温度上升到比燃气-空气混合物的自燃温度高的温度水平。
选择固体材料26的多孔的小孔隙，使其具有抑制燃气火焰尺寸的线性尺寸特性，以甲烷燃气为例子，该抑制尺寸约为2.5mm(0.060”)。当在固体材料体26中的孔隙小于2.5mm时，甲烷不发生产生明火的燃烧。热通过固体材料26以足够大的速率传导，从而防止了会伴随产生明火的温度大幅度增加。
燃烧产生燃烧产物例如CO2和H2O蒸汽。火焰明显示出燃烧产物不具有只通过对流和传导能将燃烧的热量带走的足够热容量。燃烧产物的温度必须一直上升到足以辐射多余热量那么高的辐射水平为止。传导和对流的速率相对于温度线性地增加。辐射与温度的4次方成正比，因此该辐射为传热速率提供一个附加的和稳定的因素。燃烧的燃气温度一直增加到燃烧热等于热损失为止。对于天燃气，燃气温度达到在可见光谱上的辐射频率，并且该火焰是可见的。
在本发明中，还通过设计限制燃烧反应的总有效燃烧热来限制通过燃烧装置8的燃气流率。如果有效的燃烧能量太大，则电能不能被减少到可控制燃烧的程度。因此，通过设定燃气-空气混合物流率的一些极限值，以便燃烧的有效加热能量限制到小于将固体材料26加热到自燃温度所需要的电能。
环绕小孔隙的固体结构使燃烧气产物和加热器之间的传热速率高到足以能防止温度大辐度增高，从而稳定燃烧温度。材料体26必需具有足够大的传热容量，以便能够抑制火焰而不需要较高的辐射温度。
将空气和燃气导入到柱的底部，并通过材料体26输送。由于中心部分的热流，燃烧材料体26的入口部分的温度28(图3b)增高，并在其向中心的反应区流动时对燃气-空气混合物加热和混合。
在反应区之外，当燃气通过排气口17时，柱25中的温度29(图3b)降低。多孔床温度分布由图3b中的曲线表示。
当空气-燃气混合物到达反应区时，以及当温度高于自燃点时，燃气发生氧化反应或燃烧释放出作为燃烧热的能量。释放的热使反应区温度升高，并且使铂加热器9电阻增加。用于加热元件9的电源电路19检测该上升的温度后就减少电能，以便保持反应区的温度恒定。电能的变化相应于增加的燃烧能量或升高多孔床温度，并是多孔床活性的指示器。
图3c示出了加热器组件50的另一实施例。将铂丝线圈51铸入陶瓷材料体52中。加热器组件50的外部结构由直立的壁(一个或几个)53构成，该组件50是圆筒形的，但在其它的实施例中其截面可以是矩形或其他形状。过滤器元件54、55由在过滤出颗粒物质的同时能通过燃气混合物的多孔材料制造。过滤器元件54、55形成加热器组件50的上部和下部端壁。直壁53和过滤器元件54、55与加热元件51和52以很小的距离隔开，以便提供用于在火焰形成前抑制任意较高温度反应的适当小尺寸的间隔56、57。
选择间隔56、57使其具有在抑制燃气火焰的尺寸数量级上的线性尺寸特性。以甲烷燃气为例，该抑制尺寸约为2.5mm(0.060”)。当间隔56、57小于2.5mm时，甲烷不以明火形式燃烧。通过固体材料52以足够大的速率进行传热，以便防止引起明火产生的大幅度升高的温度。
在操作中，铂丝线圈51从电源电路19(图1)获得电能。当混合的燃气通过加热器50时，发生氧化并以一种正常方式产生热，但该环绕壁53的传热速率迅速到足以能使燃气冷却到不能明显增加燃烧产物温度的程度。这被认为是“抑制火焰”。如果加热器加热是在混合燃气的自燃温度以上的恒定温度下操作，则当燃烧能量增加时，必须降低该电能，以便反射被混合的燃气释放的燃烧能量的辐度。
在优选的“贫混合物”实施例中，参比燃气的燃气-空气混合物和样品燃气的空气-燃气混合物的每一个分别被可变地降低直到低于化学计算当量燃烧点的温度下的选定的燃烧能量水平为止。在第二个“富混合物”实施例中，参比气体的燃气-空气混合物和样品燃气的燃气-空气混合物的每一个分别被可变地从“富混合物”降低到化学计算当量燃烧点，该燃烧点与固体材料体26、52内部的最高燃烧能量相对应。
摩尔热值Hm被定义为一摩尔燃气燃烧时所释放的热量。摩尔热值用每摩尔的能量单位表示。在“贫混合物”的实施例中，将用每秒的摩尔单位表示的燃气的摩尔流率
乘以摩尔热值。其结果是以Pgas=Hmn·g]]>描述的燃烧能量，而可以把在两个选定的燃烧能量水平之间的燃烧能量的变化写成ΔPgas=HmΔn·g]]>。 如果样品燃气和参比燃气的燃烧能量的变化是在同样的两个选定能量水平(见图4a)之间测量的，则可使如方程1中的两个燃烧能量改变结果相等，方程如下Hms=Hms(Δn·rΔn·s)]]>式中下标r和s分别表示参比燃气和样品燃气。
本发明所期望的优点是可以通过在完成之前终止各个独立的测量循环来改进响应速度。如果在参比循环和样品循环期间的燃烧能量变化不相等，但通过已知的比率相连系，则可以引入一个校正因子η改进方程1，其中η是这两个燃烧能量变化的比率，方程1可以重新表示为(2)Hms=ηHmr(n·rn·s)]]>式中η是这两个燃烧能量变化的比率。显然η可以在0与I之间的范围内选取。
一摩尔燃气含有称为阿佛伽德罗数的固定的分子数目，并且仅有一确定的体积Vm，该确定的体积是温度和压力的函数。在0℃和14.696磅/吋2绝压(PSia)的条件下，对于理想气体的体积是22.4138升。必须考虑到可压缩性的作用，并且把一摩尔实际气体的体积定义为Vmreal=VmidealZrea1,其中单位为每摩尔体积单位，式中的可压缩性Zreal是在测量的温度和压力下计算的。因此燃气的体积热值(单位体积能量)表示为(3)Hvs=ηHmr(Δn·rΔm·s)vmidealzreal]]>按照方程(1)至(3)中的定义，热值与普遍气体定律的标准温度和压力以及在气体物理和气体测量领域中已知的因素有关。
从容积腔5、14中流出的燃气摩尔流率通过测量该燃气排出时该容积腔中速率变化或压力变化来测量。燃气的摩尔流率与压力变化速率之间的关系是根据普遍的气体定律获得，并用下述公式表示(4)n·=P·VZ2RT]]>式中
是摩尔流率，
是压力变化速率，Z是可压缩性因子。
对于“富混合物”的实施例而言，以足够高的频度间隔导入参比燃气，以便使湿度不变，这样做能使环境空气用作燃烧的助燃气体。如果参比燃气不以这样高频度的间隔引入，则最好把该空气干燥到一个相当低的湿度，例如小于50％的相对湿度。在这个“富混合物”实施例中，相应于最小能量输入水平的最大燃烧温度(见图4b)被认为与化学计算当量燃烧点一致。这个实施例需要测量每秒摩尔单位表示的燃气摩尔流率
因为样品燃气和参比燃气的化学计算当量点被测量，所以该热值是以下述方程式5表示的摩尔流率
与参比燃气的体积热值之比，(5)Hvs=Hvr(n·rn·s)]]>式中下标r和s分别表示参比燃气和样品燃气。
图4a和4b分别示出了用于“贫燃气”混合物实施例和“富混合物”实施例的燃烧速率随摩尔流率的变化关系。
当没有燃气流存在时，只有空气供给燃烧材料，并且提供给材料的加热体的电能是最大和稳定的，燃烧材料的温度是恒定的，并且其是用在图4a和4b中的恒定的电能水平表示。当参比燃气或样品燃气流过燃烧加热器时，燃烧过程对材料体进行加热，而能量控制器提供给加热器的电能(P)在燃气能量增加时以精确的数量减少。当燃气流率由于在容积腔5、14中的燃气压力减少而减少时，燃烧燃气的能量减少。为了保持加热材料中的恒定温度，必须增加电能。当燃烧温度达到最高时，则如图4b所示，需要向加热材料提供最小的电能。
如图4a所示，参比燃气的摩尔流率被确定为该相同的两种选定的能量水平。然后对样品燃气摩尔流率也被确定为该相同的两种选定的能量水平。
如图4b所示，使含有比化学计算当量燃烧所必需的燃气分子多的参比燃气的富燃气混合物流到燃烧材料上。当参比燃气流率减少时，达到燃烧的最高温度状态和最大燃气燃烧能量(最小电能水平)。并且测量参比燃气的摩尔流率。然后对样品燃气重复这个循环，直达到燃烧的最高温度状态和最大的燃气燃烧能量(最小的电能水平)，并测量参比燃气的摩尔流率。这个数据被微控制器12读出，然后微控制器12计算样品燃气的热含量。
通过多孔材料26的空气流率不是关键的，可以以缓慢的方式在±10％范围内变化，但它在参比燃气循环和样品燃气循环之间必须是稳定的。
图5示出了微控制器12在执行其控制程序时的操作。操作开始由开始方框30表示。为了选择参比燃气循环或样品燃气循环，微控制器12执行如用程序方框31表示的指令。如果选择参比燃气循环，则微控制器12还执行由程序方框32表示的指令，以便打开阀16和使样品燃气充入容积腔14来准备样品燃气循环。接着如程序方框33所示，微控制器12进一步执行指令，以便打开阀6使参比燃气流到燃烧装置8中。接着微控制器12执行由程序方框34表示的指令，以便着手对摩尔流率
采样和对燃烧装置8所需的电能的变化(ΔP)采样。微控制器12接着执行由判断方框35表示的指令，以便检测与最高温度和燃气燃烧能量(最小电能)相应的摩尔流率(图4b)或与在相同循环期间的两个选定能量水平相应的摩尔流率(图4a)。如果获得的结果是“NO”，则连成回路返回，以便继续另一个采样过程。如果获得的结果是“YES”，则将执行由方框36表示的指令，以便结束第一循环，并为下一循环作准备。
如程序方框36所示，微控制器12执行指令，以便通过关闭阀6停止参比燃气流。然后，微控制器12执行由程序方框37所表示的指令，以便更换另一种燃气循环的选择。接着微控制器12执行由程序方框38表示的指令，以便吹洗腔5和燃烧装置8。接着，微控制器12执行由程序方框39表示的指令，以便存储用于刚完成循环的流率和能量值。然后进行由判断方框40表示的检查，以便监视参比燃气循环和样品燃气循环两者在目前的时间周期内是否已完成。如果获得的结果是“YES”，则可以象程序方框41表示的那样，利用该数据计算热值。然后将该热值输出到一个视频显示装置(图1中未示出)或其他类型的输出装置上。如果这个数据不完全，则从判断方框40获得的结果是“NO”，并且程序返回，以便在方框32处开始一个新的燃气测量循环，例如样品燃气循环。
上面已经描述了如何完成本发明的几个实施例。显然，对于本技术领域的普通技术人员可通过其他的详细实施例来达到对各种细节的改变，这些实施例也将包括在本发明的范围内。
因此，应该指出的是，本发明的范围所公开的内容和本发明所涉及的实施例构成了下述的权利要求书。
权利要求
1．一种测量燃烧气热值的方法；其特征在于，其包括下述步骤使参比燃气与助燃气体的第一混合物流动而使其与加热的材料体(26、52)接触，以便使该参比燃气进行无焰燃烧；改变该参比燃气和助燃气体的第一混合物，以便获得一个改变的燃烧能量水平；在一个或多个第一选定的燃烧能量水平下测量该参比燃气的流率；使样品燃气与助燃气体的第二混合物流动而使其与加热材料体(26、52)接触，以便使该样品燃气进行无焰燃烧；改变该样品燃气和助燃气体的第二混合物，以便获得改变的燃烧能量水平；在一个或多个第二选定的燃烧能量水平下，测量该样品燃气的流率；和根据分别在第一和第二选定的燃烧能量水平下的参比燃气流率和样品燃气流率之比来计算样品燃气的热值。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的那些选定的燃烧能量水平分别与在最大燃烧能量下用于参比燃气燃烧的第一选定电能水平和在最大燃烧能量下用于可燃气体燃烧的第二选定能量水平相对应。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的材料体(26、52)被加热到高于所述的燃气-空气混合物的自燃温度的温度。
4．如权利要求1所述的方法，其特征在于限制样品燃气的流率，以便提供比供给加热该材料体的电能的数量少的燃烧能量。
5．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述助燃气体是空气。
6．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于改变第一混合物的步骤和改变第二混合物的步骤还包括调节所述燃气混合物中至少一种所述燃气的供给量。
7．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于使参比燃气流中的助燃气体的供给量等于样品燃气流中助燃气体的供给量。
8．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于参比燃气流率和样品燃气流率是摩尔流率。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于改变参比燃气的第一混合物和改变样品燃气的第二混合物的步骤还分别包括使参比燃气和样品燃气的压力可改变地降低。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于使所述第一混合物和所述第二混合物中至少一种混合物改变，以便获得至少两个具有用于相应一种所述混合物的两个不同组分的共同能量值的燃烧能量水平。
11．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的方法是在环境温度为约-40°F至130°F下进行的。
12．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过恒定的电阻电桥电路(19)加热该材料体(26、52)并检测该材料体的温度。
13．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于使空气只通过该材料体(26、52)，以便建立用于燃烧测量的基线值。
14．一种用于测量可燃气热值的装置，其特征在于，其包括一个用于使燃气-空气混合物燃烧而不形成火焰的加热的材料体(26、52)；用于使可燃气体和助燃气体的混合物流动而使其与该加热的材料体接触以便使所述混合物氧化的第一物流组件(1、7、8)；用于可选择地使参比燃气或样品燃气流到所述第一物流组件的第二物流组件(2、5、6、14)；当所述可燃气体流动而使其与所述材料体接触时来检测所述燃气的燃烧能量的第一检测组件(19)；用于检测至少一摩尔与所述燃气的至少一个选定燃烧能量相应的所述燃气的流率的第二检测组件(13)；以及响应所述第一检测组件(19)和所述第二检测组件(13)以计算所述样品燃气热值的组件(12)。
15．如权利要求14所述的装置，其特征在于所述第一检测组件(19)能够检测与所述样品燃气的最大燃烧能量相应的电能水平，其特征还在于，所述的第二检测组件(13)能够检测至少一摩尔与所述样品燃气的最大燃烧能量相应的所述燃气的流率。
16．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述的材料体(26、52)被加热到高于燃气-空气混合物的自燃温度的温度。
17．如权利要求14所述的装置，其特征在于它还包括用于限制燃气流率(12)以便使提供的能量少于供给加热材料体的电能数量的组件。
18．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述的第一检测组件(19)包括用于检测无焰燃烧能量的检测器。
19．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述第二物流组件(2、5、6、14)包括为所述燃气提供可变的、降低的流率以便获得所述燃气的可变燃烧能量的组件。
20．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述第一物流组件(1、7、8)是与所述第二物流组件(2、5、6、14)分开控制的。
21．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于用于分开控制所述燃气流的所述组件(2、5、6、14)包括摩尔流量计(12、13)。
22．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述助燃气体是空气。
23．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述第一物流组件包括用于切断燃气流(12、4、16)只充许助燃气体流动而使其与材料体接触以建立燃烧温度的基线值的组件。
24．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述的加热的材料体(26)还包括保持在一起的多个固体(26)，以便提供多孔的固体材料体。
25．如权利要求14或15所述的装置，其特征在于所述加热的材料体(52)还包括用于在燃气-空气混合物氧化时防止产生任何火焰的被以很小的间隔隔开的壁(53)包围的加热元件(52)。
26．一种用于测量燃气热值的装置，该装置包括多孔的材料体(26、52、53)，该多孔材料体包含一个或多个其线性尺寸不大于该可燃气体的抑制尺寸的间隙(56、57)；置于该多孔的材料体(26、52)中的加热器元件(11、51)，该加热器元件将多孔的材料体(26、52)的一部分至少加热到该燃气的自燃温度；用于检测燃烧水平和产生响应该燃烧水平的信号的检测器(9、19)；以及一个响应来自检测器(9、19)的信号以便计算该燃气热值的信息处理器(12)。
27．如权利要求26所述的装置，其特征在于所述多孔的材料体(26、52)是由非催化物质组成的。
28．如权利要求27所述的装置，其特征在于所述多孔的材料体(26)还包括置于柱中的多个固体(26)，以便提供在所述固体之间具有多个间隙的多孔的材料体。
29．如权利要求28所述的装置，其特征在于所述间隙具有不大于约2.5mm(0.060”)的线性尺寸。
30．如权利要求29所述的装置，其特征在于所述多个固体(26)是陶瓷材料珠。
31．如权利要求30所述的装置，其特征在于所述的陶瓷材料珠(26)在尺寸上被分级。
32．如权利要求30所述的装置，其特征在于所述的陶瓷材料珠由非催化物质组成。
33．如权利要求26所述的装置，其特征在于所述的多孔的材料体(52、53)还包括壳体(53)和置于该壳体中的陶瓷材料体(52)；所述的加热器元件(51)置于所述陶瓷材料体(52)中；以及所述多孔的材料体(52、53)在所述壳体(53)和所述陶瓷材料(52)之间具有内部间隙(56、57)，该间隙具有不大于燃气的抑制尺寸的线性尺寸。
34．如权利要求33所述的装置，其特征在于所述壳体(53)和所述陶瓷材料(52)由非催化物质构成。
35．如权利要求34所述的装置，其特征在于所述的加热器元件(51)还包括包含在陶瓷材料体中的铂丝线圈。
36．如权利要求33或35所述的装置，其特征在于所述的内部间隙(56、57)具有不大于约2.5mm(0.060”)的线性尺寸。
37．如权利要求33或36所述的装置，其特征在于所述壳体(53)具有两个相对的端头，燃气的入口在一个相对的端头上，燃气的出口在另一个相对的端头上，其中所述的燃烧组件还包括置于所述壳体(53)的两相对端头间的过滤器(54、55)。
全文摘要
根据燃气无焰燃烧过程中测定的参比燃气热值、流率比值和能量水平由微控制器(12)计算样品燃气的热值。使燃烧气体与助燃气(例如空气)混合,并流入一个加热到足以使该燃气混合物发生氧化反应的温度的材料体(26、52)中。通过限制在加热器装置(9、11、25、26)的第一实施例中和在加热器装置(50)的第二实施例中的间隙尺寸,来防止形成明火。在优选的“贫混合物”实施例中,分别调节参比燃气的燃气—空气混合物和样品燃气的燃气—空气混合物,直达到在低于化学计算当量燃烧点的温度下的选定的燃烧能量水平为止。在第二个“富混合物”实施例中,将参比燃气的燃气—空气混合物和样品燃气的燃气—空气混合物分别从富混合物调节到化学计算当量燃烧点。由微控制器(12)根据流率和选定的能量比值,计算样品燃气的热值,并将其信号输出到视频显示装置或其他输出装置上。
文档编号G01N33/22GK1225172SQ97196287
公开日1999年8月4日 申请日期1997年6月25日 优先权日1997年6月25日
发明者威廉·H·范德·海登, 罗纳德·阿瑟·伯杰 申请人:巴杰米特公司