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CN109891234A - 用于具有至少三种组分的气体混合物的热导检测器 - Google Patents

用于具有至少三种组分的气体混合物的热导检测器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于具有三种或者更多种组分的气体混合物(6)的气体分析仪，具有：‑引导气体混合物(6)的通道(3)；‑热电偶探针(1)，其具有在通道(3)内部的测量位置(2)和与通道(3)的壁热接触的比较位置(4)；‑控制装置(7)，用于利用电流脉冲(8)来脉冲式地驱控热电偶探针(1)；‑测量装置(9)，用于在电流脉冲(8)之间的暂停中测量在热电偶探针的(1)的比较位置(4)处的电压；以及‑评估装置(10)，用于从测出的电压确定测量位置(2)与比较位置(4)之间的温差，以及用于从在每个暂停中的至少两个不同的时间点确定的温差值计算出气体混合物(6)的组分比例，‑其中，控制装置(7)产生具有至少两个不同能量含量的电流脉冲(8)，并且，由评估装置(10)在第一时间点在能量含量较高的电流脉冲(8)之后的暂停中获取并用于计算的温差值比在能量含量较低的电流脉冲(8)的情况下更高。

Description

用于具有至少三种组分的气体混合物的热导检测器
技术领域
本发明涉及一种热导检测器。
背景技术
具有加热元件和至少一个用于温度测量的热电偶的热导检测器或流量传感器是已知的，其例如由以下文件公开：
G.De Graaf等人的：“Surface-micromachined thermal conductivitydetectors for gas sensing(用于气体传感的表面微加工热导检测器)”，IEEE国际仪器和测量技术会议(I2MTC)学报，格拉茨，2012年5月13日至16日，1861-1864；
S.Udina等人的：“A micromachined thermoelectric sensor for natural gasanalysis:Thermal model and experimental results(用于天然气分析的微加工热电传感器：热模型和实验结果)”，传感器和执行器B 134(2008)551-558；
DE 10 2005 033 867 A1；
US 2006/0220164 A1；
US 6，378，365 B1；
US 2007/241093 A1。
从EP 0 187 723 A2或DE 199 09 469 C1也已知，热电偶被同时加热(珀耳帖效应)并利用该热电偶测量温度(塞贝克效应)。加热以交流电实现。
最后，由US 2007/209977 A1中已知一种流量计(风速计)，其中热电偶布置在流动路径中并且由流体(在这种情况下为液体)流过。通过开关周期性地将热电偶与电源连接来脉冲式地加热热电偶。在加热脉冲之间，热电偶冷却，其中冷却的时间常数取决于流体的流速。在冷却阶段，通过在两个不同时间点测量其电压来测量热电偶的温度。从获得的两个温度值计算流体的流速。已知的流量计用于评估反渗透膜的性能，并且可以通过用于测量液体的电导率的测量池来补充。
如在S.Udina等人的上述出版物中说明的那样，热电式的热导检测器可以是用于确定二元气体混合物组分比例的气体分析仪的组成部分。
此外，例如从EP 0 285 833 A2已知，利用电阻元件在N-1个不同温度时运行常规热导检测器，以分析具有N种组分的气体混合物。但是，必须非常准确地设定不同的加热温度。此外，热导检测器的热时间常数必须足够小，以便能快速调节不同的温度。
发明内容
本发明的目的是，利用非常简单的装置能够非常快速和准确地分析三元或多元气体混合物。
根据本发明，该目的通过权利要求1中所述的气体分析仪实现。
在从属权利要求中描述了根据本发明的气体分析仪的有利改进方案。
因此，本发明提供了一种用于具有三种或更多种组分的气体混合物的气体分析仪，其具有：
-引导气体混合物的通道；
-热电偶探针，其具有在通道内的测量位置和与通道壁热接触的比较位置；
-控制装置，其设计用于利用电流脉冲来脉冲式地驱控热电偶探针；
-测量装置，其设计用于在电流脉冲之间的暂停中测量在热电偶探针的比较位置处的电压；以及
-评估装置，其设计用于从测出的电压确定测量位置与比较位置之间的温差，并且其设计用于从在每个暂停中的至少两个不同时间点确定的温差值计算出气体混合物的组分比例；
-其中，控制装置还设计用于产生具有至少两个不同能量含量的电流脉冲，并且
-其中，评估装置还设计用于：在能量含量较大的电流脉冲之后的暂停中，在第一时间点获取一温差值并将其用于计算，其中，与在能量含量较低的电流脉冲之后的情况相比，该温差值更高。
测量位置、也就是热电偶探针的热连接位置，在脉冲式的驱控过程中被不同程度地加热，使得至少在不同电流脉冲之后的暂停的初始阶段中，在热电偶探针的热测量位置与引导气体混合物的通道的相对冷的壁之间，存在不同程度的温差，该温差借助于热电偶探针被测量。在此有利的是，热电偶探针的加热温度的精确度根本不重要，这是因为仅在电流脉冲之间的暂停中加热热电偶探针之后才测量温差或其走势。起决定作用的仅仅是：在能量含量较大的电流脉冲之后在暂停中首先获得的温差值高于在能量含量较小的电流脉冲的情况下首先获得的温差值。当规定用于确定温差值的时间点(这些时间点与各自先前的电流脉冲的结束相距预定的间距)时总是这种情况，因为在强烈加热热电偶探针的情况下，经过该加热后的预定时间之后，所存在的温度比在较弱加热情况下经过相同时间之后的温度更高。
一方面，在每个电流脉冲之后，热电偶探针的测量位置与引导气体混合物的通道的壁之间的温差根据气体混合物的热导率呈指数衰减，并且另一方面，气体的热导率通常是气体温度的函数，并且该函数对于不同的气体是不同的，因此，根据在电流脉冲之间的暂停中衰减的温差的至少两个不同的走势，能够相对于彼此成比例地定量确定气体混合物中的至少三种不同组分。在此，通过以能量含量不同的电流脉冲不同程度地加热测量位置，产生了衰减的温差的至少两个不同走势。
在每个暂停中确定至少两个不同时间点的至少两个温差值，就足以得到温差的指数衰减走势。如上所述，可以以距各自先前的电流脉冲结束的预定间距来规定这些时间点。
可替代地，可以预定至少两个不同的温差值，并且在温差的指数衰减走势中，可以确定达到这些预定温差值的时间点。然后将所确定的时间点与各自先前电流脉冲的结束的间距用于计算气体混合物的组分比例。
如上所述，由于不依赖于热电偶探针的相应加热温度的精度，因此如何产生电流脉冲并不重要。因此，能量含量不同的电流脉冲可以具有不同的脉冲高度和/或不同的脉冲宽度。如果例如电流脉冲的能量含量仅通过它们的宽度或持续时间来设定，则产生电流脉冲的控制装置不需要提供不同的电压。
附图说明
为了进一步解释本发明，下面将参考附图；图中示出：
图1示出了根据本发明的气体分析仪的示意性实施例，
图2示出了能量含量不同的两个电流脉冲的第一实施例，和
图3示出了两个电流脉冲的另一个实施例。
具体实施方式
图1以示意图示出了具有热电偶探针1的气体分析仪的框图，热电偶探针利用其测量位置、即热连接位置布置在通道3内，并且热电偶探针利用其比较位置4、即在通道3的壁5的区域中的冷连接位置与通道壁热接触地布置。三元或多元气体混合物6流动通过通道43，气体混合物的组成将被定量地确定。热电偶探针1可以是单个热电偶或热电偶链。热电偶探针1利用其冷连接位置4连接到控制装置7，控制装置通过一系列电流脉冲8驱控热电偶探针1。此外，热电偶探针1连接到测量装置9，测量装置在电流脉冲8之间的暂停中在比较位置4处测量由热电偶探针1产生的电压。评估装置10布置在测量装置9的下游，该评估装置从在电流脉冲8之间的暂停中测出的电压来测定在测量位置2与通道3的壁5之间的温差，并由该温差和已知参数、如特别是气体混合物3的待测量组分的比热(spezifischen)来计算这些组分比例，并作为测量值11输出。
图2示出了两个由控制装置7产生的电流脉冲81和82的实例，这些电流脉冲的能量含量分别不同。在所示的实例中，两个电流脉冲8'和8”在相同的宽度B(持续时间)时具有不同的脉冲高度(H'、H”)。此外，示出了测量位置2与通道3的壁5之间以及与比较位置4之间的温差TD的走势。在两个电流脉冲8之间的每个暂停中，在两个不同的时间点t1和t2获取温差值TD1'、TD2'和TD1”、TD2”。时间点t1、t2与各自先前的电流脉冲8'或8”分别相距预定的间距。在能量较充足的电流脉冲8'之后首先获取的温差值TD1'高于在能量较贫乏的电流脉冲8”之后首先获取的温差值TD1”。
如图2所示，代替时间点t1、T2距各自先前的电流脉冲8'或8'的时间间距的是，可以预定温差值TD1'、TD2'、TD1”、TD2”，在此情况下，然后获取时间点t1'、t2'和t1”、t2”，在这些时间点时达到了预定的温差值TD1和TD2。此外，图2示出了两个电流脉冲8'和8”的替代实例，其在相同的脉冲高度H处具有不同的宽度B'、B”。

Claims (5)

1.一种用于具有三种或更多种组分的气体混合物(6)的气体分析仪，具有：
-引导所述气体混合物(6)的通道(3)；
-热电偶探针(1)，所述热电偶探针具有在所述通道(3)内的测量位置(2)和与所述通道(3)的壁热接触的比较位置(4)；
-控制装置(7)，所述控制装置设计用于利用电流脉冲(8、8'、8”)来脉冲式地驱控所述热电偶探针(1)；
-测量装置(9)，所述测量装置设计用于在所述电流脉冲(8、8'、8”)之间的暂停中测量在所述热电偶探针(1)的所述比较位置(4)处的电压；以及
-评估装置(10)，所述评估装置设计用于从测出的电压确定在所述测量位置(2)与所述比较位置(4)之间的温差(TD)，并且所述评估装置设计用于从在每个暂停中的至少两个不同的时间点(t1、t2)确定的温差值(TD1'、TD2'、TD1”、TD2”)计算出所述气体混合物(6)的所述组分的比例，
-其中，所述控制装置(7)还设计用于产生具有至少两个不同能量含量的电流脉冲(8'、8”)，并且
-其中，所述评估装置(10)还设计用于：在能量含量较高的电流脉冲(8”)之后的暂停中，在第一时间点(t1)获取一温差值(TD1”)并将该温差值用于计算，其中，与在能量含量较低的电流脉冲(8')之后的情况相比，该温差值更高。
2.根据权利要求1所述的气体分析仪，其特征在于，所述控制装置(7)设计用于：通过不同的脉冲高度(H'、H”)产生能量含量不同的所述电流脉冲(8、8'、8”)。
3.根据权利要求1或2所述的气体分析仪，其特征在于，所述控制装置(7)设计用于：通过不同的脉冲宽度(B'、B”)产生能量含量不同的所述电流脉冲(8、8'、8”)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，所述评估装置(10)设计用于：规定用于确定所述温差值(TD1'、TD2'、TD1”、TD2”)的所述时间点(t1、t2)，所述时间点与各自先前的电流脉冲(8'、8”)的结束相距预定的间距。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的气体分析仪，其特征在于，所述评估装置(10)设计用于：确定所述温差(TD)达到至少两个不同的预定温差值(TD1'、TD2'、TD1”、TD2”)的时间点，并且将所确定的时间点(t1'、t2'、t1”、t2”)与各自先前的电流脉冲(8'、8”)的结束的间距用于计算所述气体混合物(6)的所述组分的比例。
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