CN102844657A

CN102844657A - 检测气体的方法及用于该方法的气体检测器

Info

Publication number: CN102844657A
Application number: CN2010800661875A
Authority: CN
Inventors: V·梅赛
Original assignee: G & M Norden AB
Current assignee: G & M Norden AB
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2012-12-26
Also published as: EP2558851B1; EP2558851A4; WO2011129723A1; EP2558851A1; KR20130094181A; US20130031956A1; US9267924B2

Abstract

提出了一种检测气体（G）的方法。声波（W_t）经由波产生和感测单元（2）产生向反射壁（3）发射（S2），之后波产生和感测单元（2）检测到反射的声波（W_t），其中通过确定所述波产生和感测单元（2）的输出信号的变化来检测气体（G）的存在。还提出了一种气体检测器（1）。

Description

检测气体的方法及用于该方法的气体检测器

技术领域

本发明总体上涉及气体检测领域。具体地，本发明涉及一种通过在待检测气体中传播的声波来检测气体的方法和气体检测器。

背景技术

气体是宝贵的自然资源，从经济方面以及从泄露的气体可能对于周围环境中带来的危险方面考虑，检测气体的泄露都是有益的。

当前的气体检测方法举例来说可依赖于对例如电磁辐射的波长的吸收（不同的气体具有不同的吸收频谱）、依赖于化学反应、薄膜的导电性或电容的变化。

这些方法的缺点是气体吸收的动力（kinetic）相当慢，从而限制这些吸收方法的应用领域。

更快速的方法是基于各种气体的物理属性。在色谱法中针对气体感测使用导热性，针对二氧化碳检测使用频谱的红外区域中的光吸收。针对氢检测，存在使用催化剂的方法。然而，与其它气体接触，催化剂可被污染，检测器的响应显著降低。

一些已知方法利用谐振腔中的谐振现象来检测谐振腔中气体的存在。当反射壁与例如腔中反射波的振荡器之间的距离d是半个波长的整数倍，即，

d = n \frac{λ}{2} - - - (1),

其中，n=1、2、3…时，发生谐振。因为声速在不同的气体中不同，所以气体中的振动的波长取决于气体，波长由如下关系给出：

λ = \frac{ν}{f} - - - (2),

其中，v是声速，并且f是振动频率。

在1926年的物理学会汇编中公布的E.Griffiths的文章“A gas analysis instrumentbased on sound velocity measurements”中，描述了利用谐振的超声波方法。该文章描述了石英晶体和与该石英晶体平行的反射壁，所述石英晶体与所述反射壁一起形成谐振腔。石英晶体可以以40kHz频率在该腔体中产生机械纵向波。通过增大包括石英晶体的振荡电路的阳极电流来检测该腔体中的谐振。通过测量相邻谐振之间的距离（即，半个波长），确定不同气体中的声速以及气体混合物中气体的浓度。

然而，以上提到的方法均不能用于测量低气体浓度。

发明内容

因此，目的在于提供一种用于检测低浓度气体的气体检测方法和气体检测器。

本发明的总的思想在于利用传播速度，因此在气体中传播的声波的波长取决于气体的属性，即，对于不同气体来说，具有频率f的波将具有不同的传播速度，并因而具有不同的波长。

因此，根据本发明的第一方面，提供一种在气体检测器中检测气体的方法，所述气体检测器具有反射壁以及与所述反射壁相隔距离d的波产生和感测单元，其中，该方法包括以下连续过程：

通过所述波产生和感测单元产生声波，

透过所述气体向所述反射壁发射所述声波，其中所述声波被从所述反射壁向所述波产生和感测单元反射，由此产生沿相反方向传播的所述声波之间相消干涉，所述相长和相消干涉取决于所述声波的波长，所述声波的波长取决于所述气体，

通过所述波产生和感测单元检测所述声波，其中所述波产生和感测单元的动态电阻由于所述声波的波长的变化而改变，以及

通过确定所述波产生和感测单元的输出信号的幅度的变化来指示所述气体的存在，其中所述输出信号的幅度的变化与所述动态电阻的变化有关。

由于所述波产生和感测单元的所述动态电阻通常取决于谐振并因此取决于在所述波产生和感测单元与所述反射壁之间传播的波的波长，因此所述输出信号响应于检测波而改变。因此，随着动态电阻改变，所述波产生和感测单元的输出改变。

到此为止，通过本发明，可在主要包括第二类型气体（参考气体）的环境中检测低浓度气体。

所述产生可以包括：产生具有在0.5MHz到500MHz的范围内，优选地在0.5MHz到50MHz的范围内恒定频率的声波。通过发射具有这种短波长的波，气体检测的灵敏度提高，这是因为所述（短）波长的任何改变都指示气体的存在。

一个实施方式还可包括：在固定位置设置所述距离d，使得所述输出信号的幅度小于在所述反射壁与所述波产生和感测单元之间发生谐振时的输出信号的幅度。当距离d被设置为使得所述输出信号的幅度接近谐振峰（即，在谐振峰的斜坡上）时，所述波产生和感测单元的所述输出信号对于检测到的波长的任何变化都变得非常灵敏。因此，通过设置距离d以使得所述输出信号的幅度在谐振峰的斜坡上，由于气体取决于透过的波的波长的变化，所以即使在传感器与反射壁之间非常小浓度的气体，也将提供输出信号的增大。因此，气体检测器变得非常灵敏，并能够检测低浓度的气体。

在参考气体中传播的声波可发生谐振。例如，针对在参考气体（例如，空气）中的波的谐振，可以确定所述反射壁与所述波产生和感测单元之间的距离，其中所述距离d被设置为使得所述波产生和感测单元的输出信号略小，优选地大约为当发生空气的谐振时的谐振峰的幅度的一半。在诸如氦气的气体中，与在空气中传播时相比，波具有较长的波长，因此波长在氦气中比在空气中长，这样，当存在氦气时，输出信号增大，从而指示氦气的存在。

一个实施方式可包括针对气体检测器中的温度变化进行补偿。机械纵波的波长取决于温度，因此对温度变化的补偿可提供更准确的气体检测器。因此，在一个实施方式中，所述补偿可以包括：沿与所述反射壁的反射表面垂直的X轴移动所述反射表面，由此调整所述反射壁与所述波产生和感测单元之间的距离d。

有益地，所述移动可包括利用被用于构造气体检测器的材料的热膨胀属性来自动地移动所述反射壁。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测气体的气体检测器，该气体检测器包括：波产生和感测单元；以及与所述波产生和感测单元相对的反射壁，其中所述波产生和感测单元设置为产生在所述波产生和感测单元与所述反射壁之间传播的声波，并检测被所述反射壁反射的声波，其中所述反射壁与所述波产生和感测单元被固定地设置在所述气体检测器中。

距离d 可在大致λ/2到大约50﹡λ的范围内，其中λ表示声波的波长。关于设置距离d以使得输出信号的幅度略小于当在反射壁与通过波产生和感测单元的谐振表面限定的相对壁之间发生谐振时输出信号的幅度，术语大约这里被定义为所述距离d可以略小于或大于在谐振方面以上已经详细阐述的波长的整数倍。

本发明的进一步特征和优点从下面描述将是明显的。

附图说明

现在将参照附图通过实施方式的非限制示例描述本发明及其进一步优点。

图1示出根据本发明的气体检测器的实施方式的腔体的示意图。

图2示出当图1的气体检测器中存在的气体是空气时的谐振的示例。

图3示出当图1的气体检测器中存在氦气时的谐振的另一示例。

图4示出当图1的腔体中存在两种气体的混合物时该腔体中的谐振峰的偏移。

图5示出在图1的气体检测器中检测气体的方法的流程图。

图6示出利用图1中的气体检测器的一些实验结果。

具体实施方式

在下面的描述中，为了说明的目的而不是为了限制的目的，阐述了特定细节（例如，特定技术和应用），以提供本发明的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员清楚的是，本发明可在脱离这些特定细节的其它实施方式中被实现。在其它实例中，省略了公知方法和设备的详细描述，以避免因不必要的细节而使本发明的描述不清楚。

参照图1至图6，将更详细地描述根据本发明的气体检测器1的示例。气体检测器1包括波产生和感测单元2以及反射壁3，反射壁3位于与波产生和感测单元2相对的距离d处并且与波产生和感测单元平行。波产生和感测单元2是包括用于连续产生声波的电子振荡器和压电谐振器的组件。波产生和感测单元2可电连接到如电池的电源（未示出），以在气体检测器1的操作期间向气体检测器1供电。

在本示例性实施方式中，波产生和感测单元2包括连接到电子振荡器的压电谐振器。压电谐振器可包括例如石英晶体或其它可在周围气体中产生声波的压电谐振器。

压电谐振器的谐振器表面7与反射壁3形成谐振腔6。通过将电子振荡器接合到压电谐振器，谐振器表面7开始振荡，从而产生声波，并向反射壁3发射该声波。

由波产生和感测单元2产生并发射的波W_t可透过气体G在谐振腔6中传播，尽管气体G通常与参考气体G_r混合，但是在图1中将气体G示意性地示出为云。参考气体Gr被理解为围绕气体检测器1的主导气体，并且通常不是待检测的气体。参考气体G_r通常可以是空气。

声波通常在与反射壁3的反射表面8的垂直的X轴平行的方向上传播。声波W_r被反射壁3反射向波产生和感测单元2，以由波产生和感测单元2对该声波W_r进行检测。由于波产生和感测单元2吸收了振动能量，而且因为来自振荡器的电流是恒定的，所以检测到的声波W_r增大了波产生和感测单元2的动态电阻，由此使输出电压（即，振荡器的输出信号）增大。因此作为确定输出信号的变化的结果，检测到参考气体G_r中的气体G的存在。

图2示出了波产生和感测单元2的输出信号的响应的示例。在图2的曲线图中，已经沿着X轴连续移动了反射壁3，由此该曲线图例示了当声波在空气中传播的情况下波产生和感测单元2的谐振器表面7与反射壁3之间的不同距离d的输出信号。计算了谐振腔中的20℃情况下的6MHz频率的波的数值，其中n是干涉级。

图3示出了波产生和感测单元2的输出信号的响应的示例。在图3的曲线中，已经沿着X轴连续移动了反射壁3，由此该曲线图例示了当声波在氦气中传播的情况下波产生和感测单元2的谐振器表面7与反射壁3之间的不同距离d的输出信号。计算了谐振腔中20℃的氦气环境中6MHz频率的波的数字值，n=1。

图4示出了谐振峰（即，在谐振腔6中谐振的情况下波产生和感测单元2的输出信号的幅度）的偏移。在本示例中，在以空气为例并被包含在谐振腔6中的参考气体G_r中，存在小浓度的氦气。因此，以氦气为例说明气体G。

实线标出的曲线W1示出了在空气中传播的声波的谐振峰，虚线标出的曲线W2示出透过包含少量气体G（氦气）的空气传播的声波的轻微偏移的谐振峰。从下面的表1可以看出，氦气中的波传播速度高于空气中的波传播速度。因此，如表1所示并且从上面的等式（2）可以看出，波长较长。因此，曲线W2向较长波长偏移。针对谐振峰的每个数字n，与曲线W1相比，曲线W2的平移变得越来越大。可以看出，针对曲线W2，波产生和感测单元的输出信号O1增大至O2。此外，由于偏移，气体检测的灵敏度随着每个谐振峰而提高，因此输出信号O1与O2之间的差异随着每个谐振峰而变得更大。

下面的表给出在一些气体中在6MHz和20℃的情况下的声波传播速度、波长和半波长的示例。

表1

为了补偿波在气体中传播时其波长的温度相关性，可使用具有不同的热膨胀属性的材料来构造气体检测器1，使用的材料的尺寸被选择以在经受温度变化时提供距离d的热补偿效应。通过下面的公式给出波在气体中的传播速度的温度相关性：

{v = v}_{0} \sqrt{(1 + αΔt)}

其中a=(1/273.15)℃^-1=0.00366℃^-1，v₀是在0℃的传播速度，并且Δt是温差（即，减去0的当前温度）。针对发射的波W_t的恒定频率，该效应被转换为半个波长：

\frac{λ}{2} = {(\frac{λ}{2})}_{0} \sqrt{(1 + αΔt)}

通过利用热补偿效应，反射壁3的反射表面8可沿与图1中示出的X轴平行的方向自动移动，以随着温度的变化跟随波长随着的增加。由此，可自动地调整距离d，以实现最佳腔体长度，使得能够针对不同温度对非常低气体浓度进行测量。通过选择合适的材料和几何尺寸以利用不同材料的热膨胀属性，这是可能的。这种材料例如可以是钢、铝、铜、黄铜、玻璃、陶瓷或无定形石英（amorphous quartz）。

在使用气体检测器1之前，可通过将反射壁3连接至测微器（未示出）来设置反射壁3与波产生和感测单元2之间的距离d。通过旋转测微器，可以调整所述距离d。选择反射壁3关于波产生和感测单元2的位置，该位置对应于谐振峰的幅度的二分之一，即，对应于谐振时波产生和感测单元2的输出信号的幅度。

另选地，可通过连续地扫描施加到压电致动器的电压，通过该压电致动器来设置距离d，由此改变反射壁3的位置。

距离d被优选地设置在大约λ/2至大约50﹡λ的范围内。换而言之，所述距离d被优选地设置为大约在从第一谐振峰至第100谐振峰的范围内。

输出信号的幅度被定义为与谐振峰的顶部相对应的电压的最大值和与谐振峰的底部相对应的电压之差。谐振峰的幅度可以取决于气体G的种类，但还取决于谐振的数量n=1，2，3…。例如，n=1时，谐振峰具有最大幅度，n=20时，谐振峰非常小。

优选地与最佳温度补偿相对应地选择谐振的数量。这主要取决于用于构造气体检测器1的材料的热膨胀系数。

下面给出如何设置距离d的示例。首先，使反射壁3与波产生和感测单元2接触，并记录高于谐振峰的输出电压。然后，旋转测微器，使得反射壁3沿X轴从波产生和感测单元2移开。在移动期间，揭示了谐振峰。在约特定峰的高度或幅度的二分之一处（通常在其下降斜坡上）停止测微器。

参照图5，示出了在气体检测器1中检测气体的方法的流程图。

在步骤S0，将距离d设置在固定位置处，使得输出信号的幅度小于反射壁与气体产生和感测单元之间发生谐振时的输出信号的幅度。

在步骤S1，使用波产生和感测单元2产生声波。

在步骤S2，在因振荡谐振表面7导致的气体G和G_r中的压力传播改变时，透过气体向反射壁3发射声波W_t，其中声波W_r从反射壁3向波产生和感测单元2反射，由此通过沿相反方向传播的声波W_t、W_r之间的相长干涉和相消干涉来产生驻波。

在步骤S3，波产生和感测单元2检测声波W_r，其中波产生和感测单元2的动态电阻由于声波W_t、W_r的波长的变化而改变。

在步骤S4，通过确定波产生和感测单元2的输出信号的幅度的变化，指示气体G的存在。

至少在确定波产生单元4的输出信号的任何变化期间，优选地固定地设置波产生和感测单元2和反射壁3。作为示例，可利用电压表来确定输出信号的幅度的变化。

在额外的步骤S5（可在任何必要时间执行），补偿任何温度变化。补偿的步骤S5可包括沿与反射壁3的反射表面8垂直的X轴移动反射表面8，由此调整反射壁3与波产生和感测单元2之间的距离d。该移动可包括通过用于构造气体检测器1的材料的热膨胀属性来自动地移动反射壁3。

图6示出了当利用气体检测器1的上述实施方式在空气环境中检测氦气时的测量结果。波产生和感测单元2的输出信号的增大与空气中氦气浓度在量上快速增加到1200ppm的情况相对应。通常，气体检测器1的检测极限大约为空气中40ppm的氦气量。

本文提出的方法和气体检测器1的应用可包括但不限于内部环境、外部环境的气体检测，包括但不限于固定气体检测器和便携式气体检测器。

显而易见，本发明可以按照多个方式改变。这种改变不视为脱离所附权利要求限定的本发明的范围。对于本领域技术人员很明显，旨在将所有这些改变包括在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种在气体检测器（1）中检测气体（G）的方法，所述气体检测器（1）具有反射壁（3）以及与所述反射壁（3）相隔距离d的波产生和感测单元（2），其中该方法包括以下连续处理：

通过所述波产生和感测单元（2）产生（S1）声波，

透过所述气体（G）向所述反射壁（3）发射（S2）声波（W_t），其中声波（W_r）从所述反射壁（3）向所述波产生和感测单元（2）反射，由此产生沿相反方向传播的声波（W_t，W_r）之间的相长和相消干涉，所述相长和相消干涉取决于声波（W_t，W_r）的波长，所述波长取决于所述气体（G），

通过所述波产生和感测单元（2）检测（S3）声波（W_r），其中所述波产生和感测单元（2）的动态电阻由于声波（W_t，W_r）的波长的变化而改变，以及

通过确定所述波产生和感测单元（2）的输出信号的幅度的变化，指示（S4）所述气体（G）的存在，其中所述输出信号的幅度的变化与所述动态电阻的变化相关。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述产生（S0）包括：产生具有恒定频率的声波。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述恒定频率在0.5MHz到500MHz的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括：将所述距离d设置（S0）在固定位置处，使得所述输出信号的幅度小于所述输出信号在所述反射壁（3）与所述波产生和感测单元（2）之间发生谐振时的幅度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在参考气体（G_r）中传播的声波发生谐振。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中设置所述距离d包括通过测微器或压电致动器沿轴（X）调整所述反射壁的位置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，该方法还包括：补偿（S6）所述气体检测器（1）中的温度变化。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述补偿（S6）包括：沿与所述反射壁（3）的反射表面（8）垂直的轴（X）移动所述反射表面（8），由此调整所述反射壁（3）与所述波气体产生和感测单元（2）之间的所述距离d。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述移动包括：利用被用于构造所述气体检测器（1）的材料的热膨胀属性来自动地移动所述反射壁（3）。

10.一种气体检测器（1），该气体检测器（1）被设置为检测气体（G），该气体检测器（1）包括：

波产生和感测单元（2），以及

反射壁（3），其与所述波产生和感测单元（2）相对，其中所述波产生和感测单元（2）被设置为产生在所述波产生和感测单元（2）与所述反射壁（3）之间传播的声波并检测所述反射壁（3）反射的声波，

其中所述反射壁（3）与所述波产生和感测单元（2）固定地设置在所述气体检测器（1）中。

11.根据权利要求10所述的气体检测器（1），其中所述波产生和感测单元（2）被设置为产生具有恒定频率的声波。

12.根据权利要求10或11所述的气体检测器（1），其中所述波产生和感测单元（2）被设置为产生具有0.5MHz到500MHz的范围内的频率的声波。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的气体检测器（1），其中所述反射壁（3）被设置为与所述波产生和感测单元（2）相距距离d，使得所述波产生和感测单元（2）产生的声波的输出信号的幅度小于当在所述反射壁（3）与所述波产生和感测单元（2）之间发生谐振时由所述波产生和感测单元（2）产生的声波的输出信号的幅度。

14.根据权利要求13所述的气体检测器（1），其中所述距离d基于在参考气体（G_r）中传播的声波的谐振。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的气体检测器（1），其中所述反射壁（3）与所述波产生和感测单元（2）形成谐振腔（6）。

16.根据权利要求15所述的气体检测器（1），其中所述气体检测器（1）包括热膨胀材料，所述热膨胀材料的尺寸使得能够在所述气体检测器（1）中获得热补偿。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的气体检测器（1），其中所述波产生和感测单元（2）包括压电谐振器。

18.根据权利要求17所述的气体检测器（1），其中所述压电谐振器包括石英或其它任何压电材料。

19.根据权利要求10至18中任一项所述的气体检测器（1），其中所述距离d在大约λ/2到大约50*λ的范围内，其中λ表示声波（W_t，W_r波长。