CN102597754A - 氢气氯气水平探测器 - Google Patents

Abstract

用于探测物质混合物中第一物质与第二物质的比率的方法，包括在加热元件中产生热；测量加热元件附近的温度；和由所述温度计算第一物质与第二物质的比率。在一些实施方案中，可确定氢气和氯气的混合物中氢气与氯气的浓度比率。

Description

氢气氯气水平探测器

技术领域

本文公开的一些实施方案可涉及气体监测，而且具体而言，涉及用于测量和/或监测气体成分的相对浓度的方法和系统。

背景技术

许多化学方法产生各种气体，例如氢气、氯气和氧气。为了在封闭系统中控制反应和监测条件，探测气体的混合物是重要的。通常，探测气体组成的方法需要使用昂贵的设备(例如，气相色谱仪)。另外，通常必须从包括气体混合物的容器中获取样品。而且，涉及某些气体(例如氢气和氯气)的一些化学反应如果不以受控的方式实施，可能是有害的。

用于确定气体混合物的组成的示例性系统描述在U.S.专利No.4,226,112和U.S.专利No.4,891,629中。这些系统通常依赖于对参比气体进行的热导率测量的使用。这样，可进行相对测量且其可与混合物中的气体浓度相关联。然而，如果样品不能容易地得到，对参比气体使用的依赖可造成困难。另外，参比样品的使用使得原位分析困难或不可能。

因此，需要能放置于反应容器中且探测由各种化学方法产生的气体成分的浓度的传感器。

发明内容

传感器系统，用于探测第一物质和第二物质的气体混合物中第一物质的浓度与第二物质的浓度的比率，其中第一物质和第二物质具有基本上不同的热导率，该传感器系统包括能够测量气体混合物的温度的温度传感器；能够测量气体混合物的压力的压力传感器；以及热敏电阻。

用于探测气体混合物中第一物质的浓度与第二物质的浓度的比率的方法，该方法包括：在包括气体混合物的、具有已知温度和压力的环境中放置传感器，该传感器包括以耗散模式运行且运送规定电流的热敏电阻；测量该热敏电阻上的电压变化；以及在应用气体依赖性常数校正之后，由测量的电压确定第一气体的浓度与第二气体的浓度的比率。

传感器系统，用于探测第一物质和第二物质的气体混合物中第一物质的浓度与第二物质的浓度的比率，其中第一物质和第二物质具有基本上不同的热导率，该传感器系统包括：热敏电阻；和与该热敏电阻串联连接的电阻器；其中所述电阻器根据以下方法选择：测量当热敏电阻放置在具有已知浓度摩尔比率的第一物质和第二物质的气体混合物中时该热敏电阻上的电压；将测量电压与标准电压比较；以及选择当与热敏电阻串联放置时，将热敏电阻的测量电压改变为与标准电压基本相等的电阻器。

附图说明

受益于实施方案的以下详细描述以及参考附图，本发明的优点对于本领域技术人员将变得明晰，在所述附图中：

图1示出浓度传感器的实施方案；

图2示出传感器系统可使用的曲线图；

图3示出热敏电阻；

图4示出基于热敏电阻的浓度传感器系统；

图5示出电压对Cl₂∶H₂的浓度摩尔比率的曲线图；

图6示出不同热敏电阻的电压对浓度摩尔比率的多个曲线图；和

图7示出热敏电阻探测系统的替代实施方案。

虽然本发明可容许各种改进和替代形式，但是其具体实施方式作为实例在附图中显示并且将在本文中详细描述。附图可能不是按比例的。然而，应理解，附图以及对其的详细描述不意图将本发明限制为所公开的具体形式，而是相反，本发明应涵盖落入如由所附权利要求书所限定的本发明精神和范围内的所有改进、等价物以及替代物。

具体实施方式

应理解本发明不限于具体的装置或方法，其当然可以变化。还应理解本文使用的术语仅仅出于描述具体实施方案的目的，而不旨在限制。如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括单数和复数对象，除非该内容另外明确指示。

下面描述气体传感器的实施方案，其测量气体混合物中两种或更多种气体的相对浓度。应理解该传感器可适用于许多应用。一种具体的应用涉及探测气体混合物中氢气和氯气的相对浓度。因此，虽然实施方案是参考氯气和氢气的相对浓度的测量描述的，根据一些实施方案的传感器也可能够测量其它气体混合物(例如氧气和氢气)的相对浓度。

气体传感器的目的是在缺乏参比气体时，具有使用单一的温度探针测量两种或更多种气体的相对浓度的能力。进一步的目的是，在已知的气体体系下，我们应能够使用不依赖于显著的软件补偿的硬件系统测量组成。

图1示出说明传感器操作的等效热路图。外壳热阻率和环境热阻率分别表示(等效)为电阻器θ’和θ。热元件302(例如，热敏电阻)可通过接收(经由线路305)信号产生净功率P，所述信号例如恒定电流、恒定电压或任何其它能够在热元件302上产生净功率的信号。例如，热元件302可通过从已知的电压源V经由线路305接收电流I而产生净热P。温度传感元件304可提供(经由线路307)与环境301有关的温度读数T。压力传感元件311可提供与环境301有关的压力读数p。应理解温度读数T可包括直接或间接对应于通过温度传感元件304传感的给定温度的任何值。在一些实施方案中，当在热元件302上没有产生热时，温度传感元件304可指示与环境301有关的环境温度读数T_a。

从图1中看出，通过热元件302产生的热可传输到环境301中且可升高温度传感元件304处的温度(温度读数T)。温度传感元件304读取的温度取决于热元件302上产生的热(功率)P和传输到环境301的热。热P传输通过环境301的比率取决于外壳306的热阻率θ’和环境热阻率θ。如上面讨论的，当与θ比较时，θ’可忽略不计，因此；

T＝函数(P，θ)  (1)

而且，根据前面关于图1的讨论，环境热阻率θ还取决于第一和第二气体的浓度比率x。因此，

T＝函数(P，θ，x)  (2)

从方程2看出，第一和第二气体的浓度比率x可从温度传感元件304接收的温度读数T计算。在一些实施方案中，θ和x之间的关系得自由受控条件下的实验室测量典型开发的一张或多张曲线图，参见图2。在一些实施方案中，得自上面提及的曲线图的θ和x的对应值可存储在存储器(未示出)内，其可作为控制和反馈电路310的一部分包括。

而且，在一些实施方案中，传感器247可与控制和反馈系统310连接(通过线路305和307)，且可配置为基于温度读数T计算x和从而调节混合物中第一和第二气体的比例(浓度)，使得可保持受控的反应。

如上所述，图2是示出环境热导率(1/θ)和Cl₂与H₂气体的混合物比率x之间关系的示例性曲线图。该图在x轴上示出Cl₂∶H₂相对浓度比率x且在y轴上示出环境热导率(1/θ)。从图2看出，对于给定的θ，可得到对应的比率x的值。而且，如上面讨论的，得自该曲线图的θ和x的对应值可存储在作为控制和反馈电路310的一部分包括的存储器中。

在一个实施方案中，温度传感元件304为热电偶。热电偶可配置为提供响应于通过温度传感元件304传感的温度T的电压读数V′。在热元件302上可产生净功率P。通过热电偶402传感的环境温度的变化又可造成电压读数V′出现在热电偶402处。在一些实施方案中，通过热电偶402传感的V′和温度T之间的关系得自典型地由在受控条件下的实验室测量开发的一张或多张曲线图。在一些实施方案中，得自上面提及的曲线图的对应的T和V′的值可存储在存储器(未显示)中，所述存储器可作为控制和反馈电路的一部分包括。而且，一旦由电压读数V′计算出温度T，比率x可以针对方程2所讨论的类似方式计算，且必要时控制和反馈系统310可从而调节混合物中气体的比例(浓度)。

在另一个实施方案中，热元件302可为电阻R随着通过热敏电阻周围的环境传感的温度T而变化的热敏电阻。在充当热元件的热敏电阻上可产生净功率P。例如，如果净功率P是由已知电压源V和电流I在热敏电阻上产生的，则：

P＝I²*R    (3)

而且R和T之间的关系可以通过Steinhart-Hart方程表示为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}+\frac{1}{B}\ln \left(\frac{R}{R_0}\right)---\left(4\right)$

其中R₀是热敏电阻在参考温度T₀下的电阻，且B是装置常数。典型地，R₀、T₀和B作为与热敏电阻有关的制造商说明书的一部分包括。

热敏电阻产生的功率与浸入该热敏电阻的气体混合物的热导率相关。例如，热敏电阻功率P_TH可如下表征：

P_TH＝i_C ²*R_TH＝(T_Th-T_Am)σ_ABX*C_TH

其中i_C是恒定电流，R_TH是热敏电阻的电阻；T_Th是热敏电阻的温度；T_Am是环境温度，且C_TH是与热敏电阻相关的常数。σ_ABX是具有摩尔比率x的气体A和B的混合物的热导率。由于σ_ABX＝f(x，σ_A，σ_B)，摩尔比率x可确定为：

x＝f(σ_A，σ_B，P_Am，T_Am，i_cC_Th)*K(V_TH)

因此，通过在使用期间提供变量P_Am(来自压力传感器311)、经由温度传感器304提供T_Am和提供热敏电阻上测量的V_TH，图1中示意性地示出的设备可用于确定二元气体混合物的摩尔比率。变量σ_A、σ_B、i_c、C_Th是已知的或预先选择的。以这种方式，包括温度传感器和压力传感器的基于热敏电阻的传感器系统可用于确定气体混合物中两种物质的浓度摩尔比率，而不必取样且不需要参比气体。

因为气体混合物的热导率与浓度摩尔比率x相关，

当在热敏电阻上没有热产生(即没有在线路305上施加信号)时，热敏电阻的电阻R对应于环境的温度T_a。当在热敏电阻上产生热P时，则在热敏电阻和周围环境之间传递的热(P_t)可表示为：

P_t＝K(T-T_a)  (5)

其中k是传热系数。而且，在平衡条件下：

P＝P_t    (6)

因此，由方程3、4和5

I²R＝K[B/Ln(R/R_inf)-T_a]   (7)

其中，

R_inf＝R₀e^-B/T ₀

因此，如从方程7可看出的，由于I、B和R_inf可为已知的量，

R＝函数(K，T_a)  (8)

而且因为V＝I*R(从欧姆定律)，

V＝函数(K，T_a)  (9)

并且，由于K是热敏电阻和环境301之间的传热系数，K直接与环境热阻率θ相关，热阻率θ进一步取决于比率x。因此，由方程9：

V＝函数(x，T_a)  (10)

由方程10，两种气体的比率得自已知的电压源V和温度T_a。在一些实施方案中，得自上面讨论的方程4的对应的T_a和V的值可存储在存储器(未示出)中，该存储器例如作为控制和反馈电路310的一部分包括。

图3说明热敏电阻组件200。热敏电阻210可由如金属氧化物、陶瓷或聚合物的材料制成。为保护热敏电阻210免受运行气氛、湿度、化学侵蚀和接触腐蚀的影响，热敏电阻210可用密封剂205涂覆。密封剂205可由像聚四氟乙烯、玻璃、环氧化物、硅酮、陶瓷水泥、漆和氨基甲酸酯这样的材料制成。导线230与热敏电阻210的末端电连接。导线230可由像铜、铝、银、金、镍或合金这样的材料制成，且可为锡或焊料涂覆的。可隔离导线230，以保护导线230免受运行气氛、湿度、化学侵蚀和接触腐蚀的影响。

热敏电阻210是一种电阻(R)随温度(T)变化的电阻器。

ΔR＝k*ΔT

其中ΔR是电阻的变化，k是温度系数，且ΔT是温度的变化。如果k是正的，电阻随着温度的升高而增加，且该装置称为正热敏电阻。如果k是负的，电阻随着温度的降低而增加，且该装置称为负热敏电阻。本领域的普通技术人员可以理解，热敏电阻210可选择为使得温度和电阻之间的关系在热敏电阻210将运行的温度范围上是近似线性的。

热敏电阻的电阻变化通常不是直接测量的。而较容易的是，测量热敏电阻上的电压和由该读数确定电阻。根据欧姆定律，电压与电阻相关：

V＝I*R

因此，如果电流恒定，热敏电阻的电阻直接与热敏电阻上测量的电压相关。因此，上面描述的ΔR可用能够直接测量的ΔV代替。

热敏电阻210可用于探测封闭系统中两种气体的摩尔浓度比率。用于确定两种气体的浓度的示例性系统示于图4中。热敏电阻210暴露于环境301中的气体混合物。使用控制系统310使热敏电阻210经历恒定电流。设定电流使得热敏电阻210以耗散模式运行。如本文使用的，术语“耗散模式”是指如下条件：足够的电流流过热敏电阻造成该热敏电阻的温度上升到使得热敏电阻与该热敏电阻所处的周围环境之间的温度差异大于10℃的点。通过耗散模式下的热敏电阻产生的热耗散并加热环境301。由于热的耗散而引起的热敏电阻的冷却的速率是环境的热导率的函数。环境的热导率与两种气体的浓度的摩尔比率直接相关。由热敏电阻产生的热的耗散导致电阻的变化。电阻的变化通过观察热敏电阻上的电压间接测量。图5示出热敏电阻上测量的电压相对于二元气体混合物(例如，Cl₂和H₂)的浓度摩尔比率的典型图。如在本文中使用的，术语“浓度摩尔比率”是指混合物中的第一气体的浓度相对于第二气体的浓度的比率。

在一个实施方案中，相对于特定的气体混合物确定一个或多个热敏电阻的特性。在一种方法中，将热敏电阻浸入二元气体混合物中。当该热敏电阻浸入具有已知浓度摩尔比率的二元气体混合物中时，在向该热敏电阻施加恒定电流时测量该热敏电阻上测得的电压。改变浓度摩尔比率和再次测量电压。以这种方式，可产生曲线图，例如图5中所示的图，且该图用于确定气体的未知二元混合物的浓度摩尔比率。

针对各种浓度摩尔比率在恒定电流下收集的电压数据可以图的方式表示，如图5中所示。该方法可使用不同的热敏电阻实施以产生关系图，例如图6中所示的，其中各条线代表在不同的热敏电阻上进行的一系列试验。如图6中可看出的，各热敏电阻可具有它自己的带(band)，且导致对不同的热敏电阻使用不同的曲线图。在一个实施方案中，为确保用选择的热敏电阻进行的各试验的精确性，这样的曲线图应使用热敏电阻以试验模拟产生，如上所述。

在一些实施方案中，电阻器或电位计可如图7中所示与热敏电阻串联放置，以改进热敏电阻的运行特性。在一个实施方案中，针对多个热敏电阻测量电压对浓度摩尔比率的曲线图，如图6中所示。可选择参考带，例如，与热敏电阻410相关的带用于控制器中以确定两种气体的混合物的摩尔比率。当选择使用热敏电阻420时，如果热敏电阻420与用于热敏电阻410的相同控制器一起使用，探测的浓度摩尔比率将不准确。这种误差例如可通过程序重调控制器310而校正。或者，电阻器可与热敏电阻串联放置，以改变热敏电阻420上的电压读数，使得热敏电阻420以与热敏电阻410基本相同的方式运行。

在一个实施方案中，可选择得自第一热敏电阻的参考带410，其代表第一热敏电阻的电压对浓度摩尔比率的曲线图。第二热敏电阻上的电压可在与以下条件中至少之一相同的条件下测量，所述条件对应于沿着参考图410的点。例如，热敏电阻可置于具有对应于浓度摩尔比率的已知浓度的容器中，所述浓度摩尔比率对应于沿着参考带410的点。在同样的试验条件(例如，相同的温度和压力，相同的气体组成)下，可测量第二热敏电阻上的电压。测量的电压V_Mea和参考电压V_Ref之间的差可用于选择与第二热敏电阻串联放置的电阻器，使得第二热敏电阻的电阻(且因此第二热敏电阻上的测量电压)更精密地匹配第一热敏电阻的电阻。选择的电阻器与第二热敏电阻串联放置使得第二热敏电阻对于气体混合物的反应与第一热敏电阻基本相同。

电阻器的选择可通过使用计算理论电阻而实施，该理论电阻是在相同的试验条件下改变第二热敏电阻的电压以匹配第一热敏电阻所必需的。或者，可变电阻器(例如，电位计)可与第二热敏电阻串联连接。第二热敏电阻可放置在与参考带410包括的环境匹配的已知环境中。测量第二热敏电阻的电压且与用于参考带410的相同条件下测量的电压比较。如果测量的电压太高，可变电阻可被激活且调整直到测量的电压匹配在相同条件下的来自参考带410的电压。第二热敏电阻/电阻器对可用于测量未知混合物的浓度且预期具有与第一热敏电阻相同的响应。

在本专利中，一些美国专利、美国专利申请和其它材料(例如，文章)通过参考引入。但是，这样的美国专利、美国专利申请和其它材料的文本仅在这样的文本和本文中所阐述的其它陈述及附图之间没有矛盾的程度上通过参考引入。在这样的矛盾的情况下，则在这样的通过参考引入的美国专利、美国专利申请和其它材料中的任何这样的矛盾文本明确地不通过参考引入本专利中。

考虑到本说明书，本发明的各方面的进一步的改进和替换实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，本说明书应解释为仅说明性的，且用于教导本领域技术人员实施本发明的通常方式的目的。将理解，在本文中显示和描述的本发明的形式作为实施方式的实例。可用要素和材料代替本文中说明和描述的那些，部分和过程可倒转，且本发明的一些特征可独立地使用，这些全部对于本领域技术人员来说在获益于本发明的说明书后是显而易见的。在不脱离所附权利要求描述的本发明的精神和范围的情况下，可对本文中描述的要素进行改变。

Claims (15)

1.传感器系统，用于探测第一物质和第二物质的气体混合物中所述第一物质的浓度与所述第二物质的浓度的比率，其中所述第一物质和所述第二物质具有基本上不同的热导率，所述传感器系统包括：

能够测量所述气体混合物的温度的温度传感器；

能够测量所述气体混合物的压力的压力传感器；以及

热敏电阻。

2.权利要求1所述的传感器系统，其中所述热敏电阻以耗散模式运行。

3.权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器配置为探测氢气和氯气的混合物的浓度摩尔比率。

4.权利要求1所述的传感器系统，其中所述传感器配置为探测氢气和氧气的混合物的浓度摩尔比率。

5.权利要求1所述的传感器系统，其中所述热敏电阻是封装热敏电阻，且其中当所述热敏电阻以耗散模式运行时，该热敏电阻的温度(T_th)、封装表面温度(Ten)、和环境温度T_am使得在电流低于该热敏电阻的额定电流时，该热敏电阻满足以下条件：

T_th-T_en＜T_am-T_en-10℃。

6.权利要求1所述的传感器系统，其中所述温度传感元件是热电偶、电阻温度传感器或非耗散模式的热敏电阻。

7.用于探测气体混合物中第一物质的浓度与第二物质的浓度的比率的方法，该方法包括：

在包括气体混合物的、具有已知温度和压力的环境中放置传感器，该传感器包括以耗散模式运行且运送规定电流的热敏电阻；

测量该热敏电阻上的电压变化；以及

在应用气体依赖性常数校正之后，从测量的电压确定第一气体的浓度与第二气体的浓度的比率。

8.权利要求7所述的方法，其中所述第一物质是氢气且所述第二物质是氯气。

9.权利要求7所述的方法，其中所述第一物质是氢气且所述第二物质是氧气。

10.权利要求1所述的方法，进一步包括在放置耗散模式的所述热敏电阻之前，使用温度传感器测量环境的温度。

11.权利要求1所述的方法，其中所述热敏电阻是封装热敏电阻，且其中当所述热敏电阻以耗散模式运行时，该热敏电阻的温度(T_th)、封装表面温度(T_en)、和环境温度T_am使得在电流低于该热敏电阻的额定电流时，该热敏电阻满足以下条件：

T_th-T_en＜T_am-T_en-10℃。

12.传感器系统，用于探测第一物质和第二物质的气体混合物中所述第一物质的浓度与所述第二物质的浓度的比率，其中所述第一物质和所述第二物质具有基本上不同的热导率，该传感器系统包括：

热敏电阻；和与该热敏电阻串联连接的电阻器；

其中所述电阻器根据以下方法选择：

测量当所述热敏电阻放置在具有已知的浓度摩尔比率的所述第一物质和所述第二物质的气体混合物中时该热敏电阻上的电压；

将测量电压与标准电压比较；以及

选择当与所述热敏电阻串联放置时，将该热敏电阻的所述测量电压改变为与所述标准电压基本相等的电阻器。

13.权利要求12所述的传感器系统，其中所述标准电压通过如下确定：测量浸入所述第一物质和所述第二物质的多种气体混合物中时多个热敏电阻上的电压，各混合物具有已知的浓度摩尔比率，以及从所述多个测量的电压中之一选择标准电压。

14.权利要求12所述的传感器系统，其中所述传感器配置为探测氢气和氯气的混合物的所述浓度摩尔比率。

15.权利要求12所述的传感器系统，其中所述传感器配置为探测氢气和氧气的混合物的所述浓度摩尔比率。

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