一種氣體檢測(cè)方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)方法及裝置。所述裝置包括測(cè)量氣室，其用于容納樣品氣體和傳感器；采樣泵，其以一定流速采樣樣品氣體并將其輸送至測(cè)量氣室；熱式氣體流量計(jì)，其用于得到與樣品氣體采樣流速及樣品氣體比熱有關(guān)的響應(yīng)信號(hào)；傳感器，其用于得到與樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)及測(cè)量氣室中環(huán)境參數(shù)有關(guān)的一種或多種信號(hào)。本發(fā)明通過綜合反映樣品氣體比熱的熱式氣體流量計(jì)輸出信號(hào)和反映樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)的熱導(dǎo)傳感器輸出信號(hào)，得到樣品氣體中各組分的濃度信息。采用本發(fā)明的方案可以實(shí)現(xiàn)多組分樣品氣體中各組分濃度的檢測(cè)，而且有效提高檢測(cè)精度。
【專利說明】一種氣體檢測(cè)方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器及熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器及氣體檢測(cè)一直是傳感【技術(shù)領(lǐng)域】的重要組成部分。
[0003]由于不同氣體導(dǎo)熱系數(shù)不同，而且由于多種氣體組成的混合氣體，若彼此之間無化學(xué)反應(yīng)，其導(dǎo)熱系數(shù)可近似認(rèn)為是個(gè)組分導(dǎo)熱系數(shù)的體積濃度加權(quán)平均值，這樣當(dāng)混合氣體中某一組分的氣體含量發(fā)生變化時(shí)，必然會(huì)引起混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生變化，熱導(dǎo)傳感器正是根據(jù)這一物理特性實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。
[0004]在各種氣體傳感器中，熱導(dǎo)氣體傳感器具有檢測(cè)范圍大、可靠性高、裝置簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，但熱導(dǎo)傳感器也存在檢測(cè)靈敏度低、檢測(cè)誤差大、溫度漂移大、環(huán)境溫度補(bǔ)償困難、存在交叉敏感線性等缺陷，限制了熱導(dǎo)傳感器的廣泛使用。
[0005]利用熱導(dǎo)氣體傳感器檢測(cè)某種氣體的傳統(tǒng)方法是將傳感器置于充滿待測(cè)氣體的氣室中央，用恒定的電流將傳感器加熱，傳感器通過周圍氣體向氣室壁四周散熱。達(dá)到熱平衡后傳感器的溫度取決于被測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)及環(huán)境溫度，熱導(dǎo)傳感器熱電阻的變化反映了被測(cè)氣體導(dǎo)熱系數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的檢測(cè)。這種傳統(tǒng)檢測(cè)方法的基本特征是熱導(dǎo)傳感器的溫度隨被測(cè)氣體濃度的變化而變化，這個(gè)變化的傳感器溫度造成熱對(duì)流、輻射的變化，導(dǎo)致氣體檢測(cè)精度差、靈敏度低、溫度漂移大，造成了低濃度氣體以及氣體相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)介于0.7與1.2之間的氣體檢測(cè)困難，只能對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)比較大的如氫氣、導(dǎo)熱系數(shù)比較小的如二氧化碳、二氧化硫、氬氣等氣體以及濃度較高的氣體進(jìn)行檢測(cè)。熱導(dǎo)傳感器能檢測(cè)多種氣體的“廣譜性”沒有發(fā)揮出來。
[0006]為了解決熱導(dǎo)氣體傳感器傳統(tǒng)檢測(cè)方法的問題，一些文獻(xiàn)如“黃為勇，童敏明，任子暉，采用熱導(dǎo)傳感器檢測(cè)氣體濃度的新方法研究，傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2006，19 (4):973-975”、“杜彬賢，陳今潤(rùn)，尹軍，熱導(dǎo)式氣體傳感器工作原理及檢測(cè)方法改進(jìn)，化學(xué)工程與裝備2010，2:64-66”提出恒溫檢測(cè)方法，即采用一種在氣體檢測(cè)過程中保持傳感器溫度不變的檢測(cè)方法。這種方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中傳感器溫度隨被測(cè)氣體濃度變化導(dǎo)致的很多缺陷，提高了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力和性能。但這種方法只能反映被測(cè)氣體在其工作溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)變化，只能用于測(cè)量背景氣體中的單組分氣體。
[0007]利用不同氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律不同，文獻(xiàn)“S.Udina, M.Carmona,A.Pardo, C.Calaza，J.Santander，L Fonseca，S.Marco,A micormachined thermoelectricsensor for natural gas analysis:Multivariate calibration results Sensors andActuators B166-167 (2012) 238-248”通過控制熱導(dǎo)氣體傳感器的加熱電壓，利用模式識(shí)別方法處理不同工作溫度下傳感器的輸出從而得到多組分混合氣體(甲烷、乙烷、二氧化碳、氮?dú)?中各組分的濃度信息。
[0008]但是，由于不同氣體導(dǎo)熱系數(shù)的差異很小，而且一些氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律也非常相似，很難利用只檢測(cè)氣體導(dǎo)熱系數(shù)變化的熱導(dǎo)氣體傳感器確定多組分混合氣體各組分的濃度。
[0009]熱式質(zhì)量流量計(jì)是一種量熱式傳感器，是利用熱傳導(dǎo)和熱耗散的原理，根據(jù)托馬斯提出的“氣體的放熱量或吸入量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”的理論制作的。熱式質(zhì)量流量計(jì)主要包括加熱器和測(cè)溫元件。作為熱源的加熱器放置在中間，氣體流動(dòng)時(shí)會(huì)帶走一部分熱量，使流量計(jì)測(cè)溫元件處溫度改變，通過測(cè)量因氣體流動(dòng)而造成的溫度變化來反映氣體的質(zhì)量流量。熱式質(zhì)量流量計(jì)與被測(cè)氣體的流量、比熱以及氣體分子構(gòu)成有關(guān)。當(dāng)一定體積流量的不同氣體通過熱式氣體流量計(jì)時(shí)，流量計(jì)輸出信號(hào)的變化反映了氣體比熱、密度及分子構(gòu)成的相關(guān)信息，但目前熱式質(zhì)量流量計(jì)大多用于檢測(cè)特定氣體或氣體混合物的質(zhì)量流量，而沒有用于一定流量的樣品氣體比熱、密度等信息的檢測(cè)。
[0010]熱導(dǎo)氣體傳感器輸出信號(hào)只反映了樣品氣體的導(dǎo)熱系數(shù)信息。
[0011]傳統(tǒng)工作模式或者恒溫工作模式下的熱導(dǎo)氣體傳感器只能測(cè)量背景氣體中的單組分氣體濃度。
[0012]通過控制熱導(dǎo)氣體傳感器加熱電壓可以得到樣品氣體在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)信息，但由于不同氣體導(dǎo)熱系數(shù)的差異很小，而且一些氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律也非常相似，很難準(zhǔn)確檢測(cè)多組分樣品氣體中各組分的濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是多組分樣品氣體中各組分濃度的檢測(cè)方法及裝置。
[0014]根據(jù)本發(fā)明一方面，其公開了一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)裝置，其包括:
[0015]測(cè)量氣室，其用于容納樣品氣體和傳感器；
[0016]采樣泵，其以一定流速采樣樣品氣體并將其輸送至測(cè)量氣室；
[0017]熱式氣體流量計(jì)，其用于得到與樣品氣體采樣流速及樣品氣體比熱有關(guān)的響應(yīng)信號(hào);
[0018]傳感器，其用于得到與樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)及測(cè)量氣室中環(huán)境參數(shù)有關(guān)的一種或多種信號(hào)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明另一方面，其公開了一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)方法，其包括:
[0020]步驟1、利用采樣泵采樣樣品氣體，并將其輸送至測(cè)量氣室；
[0021]步驟2、在測(cè)量氣室中，利用熱導(dǎo)氣體傳感器測(cè)量與所述樣品氣體的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的信息；
[0022]步驟3、所述熱式氣體流量計(jì)測(cè)量與所述樣品氣體的流量和比熱相關(guān)的信息；
[0023]步驟4、通過處理所測(cè)量的與所述導(dǎo)熱系數(shù)、氣體流量和比熱相關(guān)的信息獲得所述氣體中各組分的濃度信息。(I)本發(fā)明方法利用反映樣品氣體比熱信息的熱式氣體流量計(jì)輸出及反映樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)信息的熱導(dǎo)氣體傳感器輸出進(jìn)行多組分樣品氣體中各組分濃度檢測(cè)，與已有技術(shù)相比增加了氣體比熱信息用于氣體檢測(cè)，即通過調(diào)控采樣泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可以使樣品氣體的采樣流量恒定。對(duì)于一定流量的氣體，熱式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)與樣品氣體的比熱與密度的乘積成反比，這可以有效提高多組分樣品氣體中各組分濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0024](2)通過使用多個(gè)熱導(dǎo)氣體傳感器并使其工作于不同溫度，可以同時(shí)得到被測(cè)氣體在不同溫度的導(dǎo)熱系數(shù)信息，有利于縮短氣體檢測(cè)時(shí)間。
[0025](3)在用熱式氣體流量計(jì)和熱導(dǎo)氣體傳感器檢測(cè)樣品氣體時(shí)同時(shí)檢測(cè)氣室氣壓、溫度等環(huán)境參量并進(jìn)行修正，有利于減小環(huán)境因素的干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)
裝置；
[0027]圖2是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0029]本發(fā)明公開了一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)裝置。圖1示出了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中所述基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其包括:
[0030]熱式質(zhì)量流量計(jì)1，其用于得到與樣品氣體采樣流速及樣品氣體比熱有關(guān)的響應(yīng)信號(hào);
[0031]傳感器2，其用于得到與樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)及測(cè)量氣室中環(huán)境參數(shù)有關(guān)的一種或多種信號(hào)；
[0032]采樣泵3，其以一定流速采樣樣品氣體并將其輸送至測(cè)量氣室；
[0033]測(cè)量氣室4，其用于容納樣品氣體和傳感器。
[0034]其中采樣泵3以一定流速采樣樣品氣體并將其輸送至測(cè)量氣室；熱式氣體流量計(jì)位于測(cè)量氣室的樣品氣體進(jìn)樣通道處，其用于測(cè)量與樣品氣體流量、比熱等相關(guān)的信號(hào)；熱導(dǎo)氣體傳感器位于測(cè)量氣室內(nèi)用于測(cè)量與樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的信號(hào)。
[0035]本發(fā)明公開的方案是將采樣泵、熱式氣體流量計(jì)、熱導(dǎo)氣體傳感器結(jié)合起來，綜合利用熱式氣體流量計(jì)及熱導(dǎo)氣體傳感器所輸出的信號(hào)檢測(cè)多組分混合氣體。當(dāng)采樣泵以一定體積流速采集樣品氣體時(shí)，記錄熱式氣體流量計(jì)的輸出信號(hào)，然后在停止采樣泵后記錄熱導(dǎo)氣體傳感器的輸出信號(hào)。其中熱式氣體流量計(jì)的輸出信號(hào)反映了樣品氣體中各組分的濃度、密度、定壓比熱及分子構(gòu)成的相關(guān)信息。而熱導(dǎo)氣體傳感器的輸出是樣品氣體的導(dǎo)熱系數(shù)信息，即反映了樣品氣體中各組分的濃度及導(dǎo)熱系數(shù)的信息。綜合熱式氣體流量計(jì)、熱導(dǎo)氣體傳感器的輸出并結(jié)合采樣泵的采樣速率，并結(jié)合樣品氣體中各組分可以得到有關(guān)被測(cè)氣體各組分定壓比熱、熱導(dǎo)率及濃度的有關(guān)信息。從而得到被測(cè)氣體分組分濃度的信息。
[0036]通過控制熱導(dǎo)氣體傳感器的加熱電壓改變傳感器工作溫度，獲得不同溫度下被測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)信息，并得到樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，與反映樣品氣體比熱的熱式氣體流量計(jì)輸出信息結(jié)合更有利于檢測(cè)樣品氣體各組分濃度。
[0037]采樣泵的采樣速率可以根據(jù)采樣泵結(jié)構(gòu)、消耗的功率或電壓推算，也可以由采樣泵結(jié)構(gòu)、采樣泵轉(zhuǎn)速推算，其中所述采樣泵轉(zhuǎn)速可以由采樣泵工作中的電氣特征(如采樣泵直流電機(jī)換向時(shí)造成的電壓脈沖信號(hào))推測(cè)或者由測(cè)速裝置檢測(cè)。
[0038]圖2示出了本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中所述基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，其包括:采樣泵3、熱式氣體流量計(jì)1、傳感器陣列5及測(cè)量氣室4，其中采樣泵以一定流速采樣樣品氣體；熱式氣體流量計(jì)輸出與樣品氣體流量、比熱等相關(guān)的信號(hào)。傳感器陣列5由多個(gè)熱導(dǎo)氣體傳感器組成，還包含檢測(cè)氣室氣壓、溫度等環(huán)境參量的傳感器，或者傳感器陣列由單個(gè)熱導(dǎo)氣體傳感器和檢測(cè)氣室氣壓、溫度等環(huán)境參量的傳感器組成。
[0039]通過使用多個(gè)熱導(dǎo)氣體傳感器并使其工作于不同溫度，同時(shí)得到被測(cè)氣體在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)信息，有利于縮短氣體檢測(cè)時(shí)間。
[0040]本發(fā)明還公開了一種基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)方法，其包括:
[0041]步驟1、利用采樣泵采樣樣品氣體，并將其輸送至測(cè)量氣室；
[0042]步驟2、在測(cè)量氣室中，利用熱導(dǎo)氣體傳感器測(cè)量與所述樣品氣體的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的信息；
[0043]步驟3、所述熱式氣體流量計(jì)測(cè)量與所述樣品氣體的流量和比熱相關(guān)的信息；
[0044]步驟4、通過處理所測(cè)量的與所述導(dǎo)熱系數(shù)、氣體流量和比熱相關(guān)的信息獲得所述氣體中各組分的濃度信息。本發(fā)明公開的基于熱導(dǎo)氣體傳感器和熱式氣體流量計(jì)的氣體檢測(cè)方法中傳感器信號(hào)的處理方法可以采用模式識(shí)別方法。
[0045]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種氣體檢測(cè)裝置，其包括: 測(cè)量氣室，其用于容納樣品氣體和傳感器； 采樣泵，其以一定流速采樣樣品氣體并將其輸送至測(cè)量氣室； 熱式氣體流量計(jì)，其用于得到與樣品氣體采樣流速及樣品氣體比熱有關(guān)的響應(yīng)信號(hào)； 傳感器，其用于得到與樣品氣體導(dǎo)熱系數(shù)及測(cè)量氣室中環(huán)境參數(shù)有關(guān)的一種或多種信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器包括至少一個(gè)熱導(dǎo)氣體傳感器，所述熱導(dǎo)氣體傳感器用于測(cè)量被測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)信息。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述傳感器包括熱導(dǎo)氣體傳感器陣列，所述熱導(dǎo)傳感器陣列用于測(cè)量不同溫度下被測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)信息。
4.一種氣體檢測(cè)方法，其包括: 步驟1、利用采樣泵采樣樣品氣體，并將其輸送至測(cè)量氣室； 步驟2、在測(cè)量氣室中，利用熱導(dǎo)氣體傳感器測(cè)量與所述樣品氣體的導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)的信息； 步驟3、所述熱式氣體流量計(jì)測(cè)量與所述樣品氣體的流量和比熱相關(guān)的信息； 步驟4、通過處理所測(cè)量的與所述導(dǎo)熱系數(shù)、氣體流量和比熱相關(guān)的信息獲得所述氣體中各組分的濃度信息。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟4中采用模式識(shí)別方法處理與所述導(dǎo)熱系數(shù)、氣體流量和比熱相關(guān)的信息以獲得獲得所述氣體中各組分的濃度信息。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK103675217SQ201310743800
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】高曉光, 何秀麗, 李建平, 賈建 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所