CN101344510A - 沃泊指数传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沃泊指数传感器系统及用于测量燃料沃泊指数的传感器(10)。这种传感器(10)包括衬底(12)和隔膜层(16)。隔膜层(16)包括具有至少一个加热元件的第一层(18)，加热元件配置成感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底(12)上的掺杂的多晶碳化硅。隔膜层(16)还包括第二层(22)，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成防止第一层(18)的氧化。传感器(10)还包括感测层(22)，其具有悬置于支撑结构中的催化剂。传感器(10)还包括形成于隔膜层(16)下面的空腔，并配置成提供加热元件的隔热。

Description

沃泊指数传感器系统

技术领域

本发明大致涉及监测燃气涡轮发动机系统，并且更具体地说，涉及一种用于测量较低的燃料热值和沃泊指数(Wobbe Index)的系统。

背景技术

目前存在对燃气的燃烧系统的日益增加的需求，这种燃烧系统可以很容易地在液化天然气(LNG)、管道天然气和LNG的混和物，以及各种低BTU(英国热量单位)燃料下进行操作。因此，需要一种系统，其可确定较低的燃料热值或沃泊指数，以确保发动机特性与燃料的特性相匹配。

其中一种用于确定沃泊指数的通用系统包括气体色谱仪(GC)系统。GC系统包括分离燃料成分的玻璃毛细管系统，以及定量地识别成分的热导检测器或火焰离子化检测器(FID)。然而，GC系统提供的测量是不连续的，而是间隔大约10分钟以上。此外，该系统是相对较为昂贵的，并且难以操作。

另一通用的系统包括用于确定燃料品质的量热计系统，其中燃料燃烧的能量是直接测量的。这些系统对于燃料成分和环境温度是很敏感的，当环境温度变化时，会产生大的误差。

一种用于对气体浓度进行精确测量的方法是使用微制造热板。微热板通常覆有气敏覆层，并对该覆层与所关心的气体的反应进行量热测量。对于许多应用，在高温下操作微热板是有利的，其可使反应发生或使气体吸附到气敏覆层上。通常，微热板是由位于陶瓷层例如氮化硅顶面上的金属加热层例如铂(Pt)组成的。因为微热板工作在高温下，所以组成微热板的非相似材料的温度膨胀系数会造成高的应力，其可能导致微热板的故障。另外，这些装置可能在结构上由于微热板在制造期间所产生的高的残留应力而容易碎裂。

因此，存在对一种用于确定燃料品质的改进系统的需求，其可解决上面陈述的一个或多个问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量燃料沃泊指数的传感器。这种传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其配置成可感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅(poly-silicon carbide)。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。传感器还包括设置于隔膜层上，具有催化剂的感测层。传感器还包括通过除去衬底而在隔膜层下面形成的空腔。这提供了加热元件与衬底的隔热。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量燃料沃泊指数的系统。该系统包括流量控制装置，其配置成控制至少空气流率和燃料流率中的其中一个，以便提供一种可燃的空气-燃料混合物。该系统还包括与流量控制装置保持流动相通的第一传感器。第一传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其构造成感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅层。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。第一传感器还包括在隔膜层下面形成的第一空腔，其提供了所述至少一个加热元件与衬底的隔热。该系统还包括与流量控制装置保持流动相通的第二传感器。第二传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其构造成感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅层。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。第二传感器还包括设置于隔膜层上，具有催化剂的感测层。第二传感器还包括在隔膜层下面形成的第二空腔，其提供了所述至少一个加热元件与衬底的隔热。该系统还包括传感器排气口，其与传感器流动相通，并配置成可测量燃烧产物的体积流率。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：

图1是根据本发明的一个实施例，用于测量燃料沃泊指数的传感器的截面图；

图2是图1中传感器的俯视图；

图3是根据本发明的一个实施例，利用图1传感器测量燃料沃泊指数的系统的示意图；且

图4是两个样本沃泊指数传感器的电阻作为温度函数的曲线图。

具体实施方式

如以下详细论述的那样，本发明的一个实施例包括用于测量燃料的沃泊指数和较低热值(LHV)的传感器。虽然当前的论述集中于用于工业环境的燃气涡轮发动机的传感器，但是本系统并不局限于燃气轮机，而是适用于其它应用，例如喷气发动机中的燃料品质的测量或管道中的燃料成分的测量。此外，这里陈述原理和知识适用于各种气态和液态燃料，例如但不局限于天然气、汽油、煤油、柴油燃料和喷气燃料。

现在转至附图，图1是传感器10的截面图，其用于测量燃料的沃泊指数和LHV。传感器10包括衬底12。在一个特定的实施例中，衬底12包括硅衬底。绝缘层14设置在衬底12上。在一个示例中，绝缘层14包括氧化硅层。此外，在绝缘层14上设置有隔膜层16。隔膜层16包括第一层或加热元件18，并且通常由掺杂的多晶碳化硅制成。在一个非限制性的示例中，掺杂剂包括至少N型或P型掺杂剂的其中一种掺杂剂，例如，但不局限于氮、硼、铝、I、II、III或V元素组中的元素。在一个典型的实施例中，加热元件包括多个串联或并联模式的电阻器。钝化层20，也被称为第二层，其由不掺杂的多晶碳化硅制成，并且被覆在第一层18上，以保护免于氧化，从而在操作期间实现恒定电阻。此外，碳化硅已知是抗氧化的，并且对于燃烧产物是抗化学腐蚀的，其减少了隔膜裂化的风险。

感测层22包括悬置于支撑结构上的催化剂，从而使空气-燃料混合物在相对较低的温度下开始燃烧。在当前设想的实施例中，感测层22包括一层悬置于氧化铝中的铂。某些非限制性的催化剂22的示例包括贵金属、带添加剂例如铜的贵金属、半导体氧化物和六铝酸盐材料。除了氧化铝之外的支撑结构的示例还包括六铝酸盐、氧化锆、二氧化铈、二氧化钛和水合金属氧化物。空腔26形成于隔膜层16的下面，并提供了加热元件18相对周围环境的隔热作用。包括金属的接触垫片28和30提供了至加热元件18的电连接。

图2是图1传感器10的俯视图。传感器10包括多个加热元件18和钝化层20。加热元件18和钝化层20通常由多晶碳化硅(polycrystalline silicon carbide)制成。如图1中所指，隔膜层16包括加热元件18和钝化层20，其还可被称为微热板。加热元件18配置成可在施加电流时，加热微热板。在所示的实施例中，加热元件18包括掺杂的碳化硅材料，其可承受极大的高温和苛刻的环境。感测层22包括带支持结构的催化剂，感测层22被覆在隔膜层16上，以启动燃烧。隔膜层16还包括接触垫片28和30，其用于促进传感器10的电连接。在当前设想的实施例中，接触垫片28和30包括掺杂的多晶碳化硅和Ni/Au层。在某些实施例中，接触垫片28和30还可包括其它合适的金属。此外，接触垫片材料可沉积在碳化硅接触垫片28和30上。这种材料的示例包括钛、钨、金、镍和其组合。包括掺杂的多晶碳化硅的元件32和34，其提供用于接触垫片28、30和加热元件18之间的电连接。

碳化硅有利于在隔膜层的加热元件18和钝化层20中使用，导致一种耐用的可靠的传感器10的设计，其适宜在苛刻的环境中的操作。其避免了使用具有不同的热膨胀系数的材料，例如但不局限于陶瓷和金属。此外，隔膜层16的制造变得可靠且可重复。

图3是系统50的方框图，其包括传感器10，以测量燃料的LHV和沃泊指数。该系统50包括流量控制装置52，其控制燃料和空气的混合物的流率，燃料和空气的混合物在后文中称为“空气-燃料混合物”。在一个实施例中，空气对燃料的比例是固定的，使得在稀薄的流动混合物的情况下，当量比(equivalence ratio)小于1。流量控制装置52包括至少一个进气口54，其引导空气供给穿过空气供给线路56。压力调节器58调整穿过流量控制装置52的空气压力。孔板60限定了与压力调节器58流动相通的孔62。利用压力调节器58调整穿过孔62的前级压力(backing pressure)，从而阻塞穿过孔62的气流。流过孔52的空气速度将基本上是恒定的，其中孔52的上游压力显著高于下游压力。这种流动被称为“阻流”。通过保持阻塞的气流状态，空气的质量流量同非阻塞的气流相比保持基本稳定。

类似地，燃料供给，例如天然气，其被引导穿过至少一个燃料入口64，并穿过燃料供给线路66。压力调节器68调整穿过流量控制装置52的燃料压力。孔板70形成了与压力调节器68流动相通的孔72。利用压力调节器68调整穿过孔72的前级压力，从而阻塞穿过孔72的燃料流。由于孔72的上游压力显著高于下游压力，所以流过孔72的燃料速度将基本上是恒定的，例如为“阻流”。通过保持阻塞的燃料流状态，燃料的质量流量同非阻塞的燃料流相比保持基本稳定。如果燃料的密度变化，那么质量流量可能发生变化。然而，在给出燃料的密度和阻流的情况下，很容易计算质量流量上的变化。

流量控制装置52，更具体地说，和压力调节器58，68配置成可使燃料的质量流量和空气的质量流量达成平衡，以取得所需的空气对燃料比。另外，流量控制装置52适合于控制具有高达至少大约200℃温度的高温燃料的流量，并过滤燃料污染物，例如微粒和焦油。

在一个特定的实施例中，旁路74与燃料供给线路66流动相通。旁路74操作上受到可变针阀76的控制，以提供或容许通过旁路74而增加燃料流率，以便根据需要而为定位在下游的传感器提供合适的燃料数量。例如，孔72可将穿过燃料供给线路66的燃料流量控制至很小的值，从而使传感器的响应时间由于在燃料入口64和定位于下游的传感器之间的整个距离而不合适宜地被增加。为了降低传感器的响应时间，激励可变针阀76，以打开并通过旁路74提供增加的燃料流量，从而为传感器提供合适的燃料数量。

空气供给和燃料供给在管道接合部80处进行组合和混合。主要的空气-燃料供给线路82在管道接合部80与空气供给线路56及燃料供给线路66中的每一个流动相通。在一个典型的实施例中，为空气-燃料混合物选择空气百分比和燃料百分比，使得空气-燃料混合物是可燃的。主要的空气-燃料供给线路82引导空气-燃料混合物穿过传感器固定件10，其与主要的空气-燃料供给线路82流动相通。在一个实施例中，传感器10包括外壳87，其里面限定了腔室88。

系统50包括第一或基准微热板或传感器90和相对于基准微热板90而定位的第二或催化剂微热板或传感器100。第一传感器90和第二传感器100参照图1的传感器10。基准微热板90和催化剂微热板100定位在腔室88中。在一个实施例中，基准微热板90与催化剂微热板100串联，其相对于空气-燃料混合物流过腔室88的方向而对准，如方向箭头103所示。在一个备选实施例中，基准微热板90与催化剂微热板100并联，其相对于空气-燃料混合物流过腔室88的方向而对准。本领域中的技术人员应该懂得，出于简单起见，图中只显示了两个微热板，即基准微热板90和催化剂微热板100。然而，系统50可包括串联或并联组合的多个基准微热板90和多个催化剂微热板100，以提高燃烧转换效率。

在一个特定的实施例中，基准微热板90包括位于硅衬底上的碳化硅隔膜。当空气-燃料混合物流过基准微热板90的流动表面92时，来自基准微热板90的热量被传递给空气-燃料混合物。因为基准微热板90与感测微热板100是相同的，但不发生与气体的反应，所以可测量来自微热板的对流和传导损失。

空气-燃料混合物进一步流过催化剂微热板100。在一个特定的实施例中，催化剂微热板100包括位于硅衬底上的碳化硅隔膜。至少催化剂微热板100的一部分被覆催化剂于支撑结构中。催化剂被支撑于高温稳定的大表面面积的材料中。在一个示例中，催化剂是支撑于氧化铝中的铂。某些非限制性的催化剂的示例包括贵金属，例如钯。其它非限制性的支撑结构的示例包括六铝酸盐、氧化锆、二氧化铈、二氧化钛或水合金属氧化物，例如但不局限于水合氧化钛(HTO)、掺硅的水合氧化钛(HTO:Si)以及掺硅的水合氧化锆(HZO:Si)。带支撑结构的催化剂具有良好的稳定性和反应性。当空气-燃料混合物流过催化剂微热板100的表面时，空气-燃料混合物由于与催化剂覆层的接触而开始燃料，并且燃烧热量减少了对催化剂微热板100的功率要求。催化剂微热板100配置成可测量系统在暴露于气流时的流量和热量变化。同基准微热板90相比，这种测量提高了系统的精度。在缺乏催化剂的情况下，基准微热板90包括非反应薄膜覆层，例如但不局限于氧化铝。

支撑的催化剂可沉积在催化剂微热板100的流动表面102上，其暴露于空气-燃料混合物流下。为了取得一致的性能，可靠的催化剂沉积是必须的。利用本领域中已知的任何合适的沉积工艺可将催化剂沉积在催化剂微热板100的流动表面102上。由于空气-燃料混合物的燃烧所产生的传感器10中的燃烧产物，其被引导穿过传感器排气口106，之后通过任何排气出口108而被释放到大气中。

温度控制系统110配置成可保持最佳的操作温度，并与传感器10相通。温度控制系统110将基准微热板90和催化剂微热板100保持在恒定的温度下。此外，温度控制系统110通过改变进入基准微热板90和催化剂微热板100的功率而便于对基准微热板90和催化剂微热板100进行主动控制，以便保持固定的电阻，并从而保持所需的温度。在一个特定的实施例中，温度控制系统110测量保持恒定温度所需要的功率。在一个特定的实施例中，将来自基准微热板90的热量传递给空气-燃料混合物，并通过监测保持恒定温度所需要的供给基准微热板90的功率上的变化，从而测量对流或传导的功率损耗。在另一实施例中，当来自燃烧的外部加热试图提高流动表面102的温度时，温度控制系统110降低功率，以补偿并从而将催化剂微热板100保持在恒定的温度下。

与温度控制系统110接口的微处理器114，其配置成可监测并记录传感器10中所进行的测量值。此外，由微处理器114计算燃料的LHV和沃泊指数。在一个特定的实施例中，传感器排气口106可联接在微处理器114上，以提供穿过排气出口108的质量流量的反馈。在一个特定的实施例中，温度保持在大约400℃。供给基准微热板90和催化剂微热板100的整个功率上的变化直接与LHV相关联。此外，基准微热板90和催化剂微热板100的时间响应大约在毫秒级，形成对LHV的实时测量。

图4是用于两个样本沃泊指数传感器的测量电阻作为温度函数的曲线图130。X轴线132代表以摄氏度测量的温度，并且Y轴线134代表以欧姆测量的电阻。传感器通过红外线高温计测量温度。通过测量供给传感器的电压和电流，通过由V＝I*R给出的欧姆定律确定电阻，其中V是电压，I是电流，并且R是电阻。电阻随着温度按指数规律地下降，如曲线136和138所示。曲线136代表对第一传感器的电阻测量，并且曲线138代表对第二传感器的电阻测量。对曲线136和138执行适于指数函数的最小二乘法，从而在电阻和温度之间获得函数关系。这种关系用于在操作期间将微热板设于所需的温度。本领域中的技术人员应该认识到还可使用其它函数关系，例如Steinhart方程。曲线136和138由于制造上的差异而彼此不同。这种差异包括但不局限于隔膜厚度、掺杂水平和电阻条宽度的细小差别。

因而上述用于检测沃泊指数和LHV的沃泊指数传感器和系统的各种实施例提供了一种实现有效且精确地测量燃料中的能含量的方式。由于改进的实时感测技术，这些系统还考虑了高度有效的燃烧系统。

当然，应该懂得，并非根据任何特定的实施例而获得所有上述这些目的或优点。因而，例如，本领域中的技术人员应该认识到，这里描述的系统和技术可以某种方式来体现或实现，其取得或优化这里所传授的一项优点或一组优点，而无须取得这里所传授或提示的其它目的或优点。

虽然在这里只显示和描述了本发明的某些特征，但是本领域中的技术人员将会想到许多改型和变化。因此，应该懂得，附属权利要求意图覆盖所有这些落在本发明的真实精神范围内的改型和变体。

附图标号列表：

10    传感器

12    衬底

14    绝缘层

16    隔膜层

18    第一层或第一加热元件

20    钝化层

22    感测层

28    接触垫片

30    接触垫片

50    系统

52    流量控制装置

54    进气口

56    空气供给线路

58    压力调节器

60    孔板

62    孔

64    燃料入口

66    燃料供给线路

68    压力调节器

70    孔板

72    孔

74    旁路

76    可变针阀

80    管道接合部

82    空气-燃料供给线路

87    外壳

88    腔室

90    基准微热板

100   催化剂微热板

102   流动表面

106   传感器排气口

108   排气出口

110   温度控制系统

114   微处理器

130   用于两个样本沃泊指数传感器的所测量的电阻作为温度函数的曲线图

132   X轴线代表以摄氏度测量的温度

134   Y轴线代表以欧姆测量的电阻

136   电阻曲线

138   电阻曲线

Claims (10)

1.一种用于测量燃料沃泊指数的传感器(10)，包括：

衬底(12)；

隔膜层(16)，其包括：

第一层(18)，其包括至少一个配置成感测燃料中的能含量的加热元件，所述加热元件包括设置在所述衬底上的掺杂的多晶碳化硅；以及

第二层(20)，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，所述不掺杂的多晶碳化硅层配置成防止所述第一层(18)的氧化；

感测层(22)，其包括催化剂，并设置在所述隔膜层(16)上；以及

空腔，其形成于所述隔膜层(16)的下面，以提供所述加热元件的隔热。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其特征在于，还包括设置在所述衬底(12)上的绝缘层(14)。。

3.根据权利要求1所述的传感器(10)，其特征在于，所述催化剂包括一层悬置于支撑结构中的金属。

4.根据权利要求1所述的传感器(10)，其特征在于，所述传感器(10)配置成基于所测量的所述加热元件的电阻率而感测温度。

5.一种用于测量燃料沃泊指数的系统(50)，包括：

流量控制装置(52)，其配置成控制空气流率和燃料流率中的至少其中一个，以便提供可燃的空气-燃料混合物；

与所述流量控制装置(52)流动相通的第一传感器(90)，所述第一传感器(90)包括：

第一衬底(12)；

第一隔膜层(16)，其包括：

第一层(18)，其包括至少一个配置成感测燃料中的能含量的加热元件，所述至少一个加热元件包括设置在所述衬底上的掺杂的多晶碳化硅层；以及

第二层(20)，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，所述不掺杂的多晶碳化硅层配置成防止所述第一层(18)的氧化；以及

第一空腔，其形成于所述第一隔膜层(16)的下面，并配置成提供所述至少一个加热元件的隔热；

与所述流量控制装置流动相通的第二传感器(100)，所述第二传感器(100)包括：

第二衬底(12)；

第二隔膜层(16)，其包括：

第一层(18)，其包括多个配置成感测燃料中的能含量的加热元件，所述多个加热元件包括设置在所述第二衬底(12)上的掺杂的多晶碳化硅；

第二层(20)，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，所述不掺杂的多晶碳化硅层配置成防止所述第一层的氧化；

感测层(22)，其包括催化剂，并设置在所述第二隔膜层(16)上；以及

第二空腔，其形成于所述第二隔膜层(16)的下面，配置成提供所述加热元件的隔热；以及

传感器排气口(106)，其与所述传感器(10)流动相通，并配置成测量燃烧产物的体积流率。

6.根据权利要求5所述的系统(50)，其特征在于，还包括温度控制系统(110)，其与所述隔膜层(16)和所述感测层(22)中的每一个都保持控制通信，所述温度控制系统(110)配置成将所述隔膜层(16)和所述感测层(22)保持在恒定的温度下。

7.根据权利要求5所述的系统(50)，其特征在于，所述第一传感器(90)和所述第二传感器(100)包括分别设置在所述第一衬底(10)和所述第二衬底上的第一绝缘层(14)和第二绝缘层。

8.根据权利要求5所述的系统(50)，其特征在于，所述催化剂包括一层悬置于支撑结构中的金属。

9.根据权利要求5所述的系统(50)，其特征在于，所述第一传感器(90)和所述第二传感器(100)配置成基于所测量的所述加热元件的电阻率而感测温度。

10.根据权利要求5所述的系统(50)，其特征在于，所述燃料包括气态或液态燃料系统。

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