專(zhuān)利名稱(chēng)：用于確定二組分混合物中氣體濃度的氣體傳感器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱氣體傳感器的領(lǐng)域，更具體地，涉及用于確定在變化壓力下的二組分混合物中的氣體濃度的熱氣體傳感器。還涉及用于確定在變化濃度的二組分混合物中的氣體濃度的方法。
背景技術(shù)：
熱氣體傳感器利用氣體的熱傳導(dǎo)性提供關(guān)于氣體性質(zhì)或者其在氣體混合物中的濃度的信息。氣體的熱導(dǎo)率λ是其在溫度梯度的影響下的傳熱能力。其為氣體在給定壓力和溫度下的固有量值并且這也是其測(cè)量能夠提供氣體混合物的成分的指示原因。熱氣體傳感器具體地用于測(cè)量在如氧氣(02)、氮?dú)?Ν2)、氬氣(Ar)、二氧化碳(CO2)甚至空氣(假設(shè)其具有固定成分)的其它氣體中的氫氣(H2)濃度，因?yàn)闅錃馀c其它氣體差異巨大，這是由于與其它較重分子氣體的熱導(dǎo)率相比其具有高熱導(dǎo)率。給出下面的值用于提供信息目的:
權(quán)利要求
1.一種用于在變化壓力下確定二組分混合物中的氣體的濃度的傳感器，包括測(cè)量元件(1 )，位于所述二組分混合物中，包括低熱慣性的膜(12)，在所述膜(12)上并 排安排用于所述膜(12)的加熱裝置(13)和提供表示所述膜(12)的溫度TM的信號(hào)的測(cè)量 裝置(14)，頻率f 的交流電源(20)，旨在向所述加熱裝置(13)供電以及 電子電路(30)，其特征在于，選擇所述頻率f以使得所述加熱裝置(13)加熱并且交替地使所述膜(12) 冷卻以便其溫度Tm通過(guò)瞬態(tài)模式從第一穩(wěn)定值變到第二穩(wěn)定值并且反之亦然，并且安排所 述電子電路(30)測(cè)量所述信號(hào)以從其提取分別與所述第一穩(wěn)定值和所述瞬態(tài)模式相關(guān)的 第一和第二參數(shù)，并且在預(yù)先建立的數(shù)學(xué)函數(shù)和所述傳感器的特性系數(shù)的幫助下從這些參 數(shù)計(jì)算所述氣體的濃度值和所述二組分混合物的壓力值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于，所述第一和第二穩(wěn)定值分別是所述膜的高 穩(wěn)定溫度Th和低穩(wěn)定溫度Tb，并且所述瞬態(tài)模式是所述膜的瞬態(tài)冷卻模式tHB。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于，所述第一參數(shù)表示所述高穩(wěn)定溫度Th并且 所述第二參數(shù)表示所述膜(12)在所述瞬態(tài)冷卻模式期間的冷卻速率ptHB。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的傳感器，其特征在于，所述膜(12)的所述冷卻速率ptHB由下列函 數(shù)給出ptHB=d/dt (In ((Th-Tb) / (Ti-TB))(1)其中，在所述膜(12)的所述瞬態(tài)冷卻模式tm期間以不同間隔選擇點(diǎn)凡。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器，其特征在于，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下 列類(lèi)型的表示所述高穩(wěn)定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù)A*TH+B*TH2+C*ptHB+D*ptHB2+E* (TH/ptm)+F (3)其中，A、B、C、D、E和F包括在所述傳感器的所述特性系數(shù)中并且通過(guò)所述傳感器的校準(zhǔn)獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器，其特征在于，所述二組分混合物的所述壓力是下列類(lèi)型 的表示所述高穩(wěn)定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù)a*TH+b*TH2+c*ptHB+d*ptHB2+e* (1^^) +f (2)其中，a、b、c、d、e和f包括在所述傳感器的所述特性系數(shù)中并且通過(guò)所述傳感器的校準(zhǔn)獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的傳感器，其特征在于，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下 列類(lèi)型的表示所述高穩(wěn)定溫度TH、所述冷卻速率ptHB、環(huán)境溫度TA、參考溫度TMf和參考?jí)?力PMf的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù)G^VH^ptHB+I^pC+J* (TH/ptHB)+K* (TA-Tref)* (P-Pref)+L* (TA_Tref) * (P_Pref) 2+M(4)其中，G、H、I、J、K、L和M包括在所述傳感器的所述特性系數(shù)中并且通過(guò)所述傳感器的 校準(zhǔn)獲得，并且其中TMf是進(jìn)行所述校準(zhǔn)時(shí)的參考溫度，并且PMf是作為所述膜(12)的所述 溫度的函數(shù)校準(zhǔn)所述信號(hào)時(shí)的參考?jí)毫Α?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的一項(xiàng)的傳感器，其特征在于，附加地包括提供表示所述氣體 混合物的所述環(huán)境溫度Ta的信號(hào)的測(cè)量器件(15)，并且首先從表示所述環(huán)境溫度的信號(hào)修正表示所述膜(12)的所述溫度的所述信號(hào)。
9.一種通過(guò)氣體傳感器在變化壓力下確定二組分混合物中的氣體的濃度的方法，包括: 測(cè)量所述二組分混合物的傳導(dǎo)性的第一特性參數(shù)的步驟， 測(cè)量所述二組分混合物的擴(kuò)散率的第二特性參數(shù)的步驟， 在預(yù)先建立的數(shù)學(xué)函數(shù)和所述傳感器的特性系數(shù)的幫助下從所述參數(shù)計(jì)算所述氣體的濃度值和所述二組分混合物的壓力值的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述第一和第二參數(shù)以頻率f的交變模式測(cè)量并且分別表示在穩(wěn)定模式中的所述傳感器的元件的高溫度Th和在瞬態(tài)冷卻模式tHB中的所述傳感器的元件的冷卻速率ptHB。
11.根據(jù)權(quán)利要求 10的方法，其特征在于，所述傳感器的元件的所述冷卻速率ptHB由下列函數(shù)給出:
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下列類(lèi)型的表示所述高穩(wěn)定溫 度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù):
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述二組分混合物的所述壓力是下列類(lèi)型的表示所述高穩(wěn)定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù):
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下列類(lèi)型的表示所述高穩(wěn)定溫度TH、所述冷卻速率ptHB、環(huán)境溫度Ta、參考溫度Tref和參考?jí)毫Mf的所述參數(shù)的多項(xiàng)式函數(shù):
全文摘要
本發(fā)明涉及用于確定二組分混合物中氣體濃度的氣體傳感器和方法。所描述的傳感器允許通過(guò)測(cè)量擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率確定在變化壓力下的二組分混合物中的氣體的濃度。提供傳感器以交替加熱導(dǎo)熱元件(1)的膜(12)和使其冷卻以便膜的溫度TM通過(guò)瞬態(tài)模式從第一穩(wěn)定值變到第二穩(wěn)定值并且反之亦然。該單元產(chǎn)生表示膜的溫度TM的信號(hào)并且傳感器從信號(hào)提取分別與信號(hào)的所述第一穩(wěn)定值和所述瞬態(tài)模式相關(guān)的第一和第二參數(shù)。從這兩個(gè)參數(shù)計(jì)算所述氣體的濃度值和所述二混合物的壓力值。
文檔編號(hào)G01N25/20GK103105412SQ20121037147
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者Y·德庫(kù)隆, V·德馬爾納 申請(qǐng)人:巴萊諾斯清潔能源控股公司