CN103675217B - 一种气体检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测方法及装置。所述装置包括测量气室，其用于容纳样品气体和传感器；采样泵，其以一定流速采样样品气体并将其输送至测量气室；热式气体流量计，其用于得到与样品气体采样流速及样品气体比热有关的响应信号；传感器，其用于得到与样品气体导热系数及测量气室中环境参数有关的一种或多种信号。本发明通过综合反映样品气体比热的热式气体流量计输出信号和反映样品气体导热系数的热导传感器输出信号，得到样品气体中各组分的浓度信息。采用本发明的方案可以实现多组分样品气体中各组分浓度的检测，而且有效提高检测精度。

Description

一种气体检测方法及装置

技术领域

本发明属于气体检测领域，特别涉及一种基于热导气体传感器及热式气体流量计的气体检测方法及装置。

背景技术

气体传感器及气体检测一直是传感技术领域的重要组成部分。

由于不同气体导热系数不同，而且由于多种气体组成的混合气体，若彼此之间无化学反应，其导热系数可近似认为是个组分导热系数的体积浓度加权平均值，这样当混合气体中某一组分的气体含量发生变化时，必然会引起混合气体的导热系数发生变化，热导传感器正是根据这一物理特性实现对气体浓度的检测。

在各种气体传感器中，热导气体传感器具有检测范围大、可靠性高、装置简单、价格便宜、维护方便等优点，但热导传感器也存在检测灵敏度低、检测误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难、存在交叉敏感线性等缺陷，限制了热导传感器的广泛使用。

利用热导气体传感器检测某种气体的传统方法是将传感器置于充满待测气体的气室中央，用恒定的电流将传感器加热，传感器通过周围气体向气室壁四周散热。达到热平衡后传感器的温度取决于被测气体的导热系数及环境温度，热导传感器热电阻的变化反映了被测气体导热系数的变化，从而实现对气体浓度的检测。这种传统检测方法的基本特征是热导传感器的温度随被测气体浓度的变化而变化，这个变化的传感器温度造成热对流、辐射的变化，导致气体检测精度差、灵敏度低、温度漂移大，造成了低浓度气体以及气体相对导热系数介于0.7与1.2之间的气体检测困难，只能对导热系数比较大的如氢气、导热系数比较小的如二氧化碳、二氧化硫、氩气等气体以及浓度较高的气体进行检测。热导传感器能检测多种气体的“广谱性”没有发挥出来。

为了解决热导气体传感器传统检测方法的问题，一些文献如“黄为勇，童敏明，任子晖，采用热导传感器检测气体浓度的新方法研究，传感技术学报2006，19(4)：973-975”、“杜彬贤，陈今润，尹军，热导式气体传感器工作原理及检测方法改进，化学工程与装备2010，2：64-66”提出恒温检测方法，即采用一种在气体检测过程中保持传感器温度不变的检测方法。这种方法克服了传统检测方法中传感器温度随被测气体浓度变化导致的很多缺陷，提高了整个系统的检测能力和性能。但这种方法只能反映被测气体在其工作温度下的导热系数变化，只能用于测量背景气体中的单组分气体。

利用不同气体导热系数随温度的变化规律不同，文献“S.Udina，M.Carmona，A.Pardo，C.Calaza，J.Santander，L.Fonseca，S.Marco，Amicormachinedthermoelectricsensorfornaturalgasanalysis：MultivariatecalibrationresultsSensorsandActuatorsB166-167(2012)238-248”通过控制热导气体传感器的加热电压，利用模式识别方法处理不同工作温度下传感器的输出从而得到多组分混合气体(甲烷、乙烷、二氧化碳、氮气)中各组分的浓度信息。

但是，由于不同气体导热系数的差异很小，而且一些气体导热系数随温度的变化规律也非常相似，很难利用只检测气体导热系数变化的热导气体传感器确定多组分混合气体各组分的浓度。

热式质量流量计是一种量热式传感器，是利用热传导和热耗散的原理，根据托马斯提出的“气体的放热量或吸入量与该气体的质量流量成正比”的理论制作的。热式质量流量计主要包括加热器和测温元件。作为热源的加热器放置在中间，气体流动时会带走一部分热量，使流量计测温元件处温度改变，通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体的质量流量。热式质量流量计与被测气体的流量、比热以及气体分子构成有关。当一定体积流量的不同气体通过热式气体流量计时，流量计输出信号的变化反映了气体比热、密度及分子构成的相关信息，但目前热式质量流量计大多用于检测特定气体或气体混合物的质量流量，而没有用于一定流量的样品气体比热、密度等信息的检测。

热导气体传感器输出信号只反映了样品气体的导热系数信息。

传统工作模式或者恒温工作模式下的热导气体传感器只能测量背景气体中的单组分气体浓度。

通过控制热导气体传感器加热电压可以得到样品气体在不同温度下的导热系数信息，但由于不同气体导热系数的差异很小，而且一些气体导热系数随温度的变化规律也非常相似，很难准确检测多组分样品气体中各组分的浓度。

发明内容

本发明的目的是多组分样品气体中各组分浓度的检测方法及装置。

根据本发明一方面，其公开了一种基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置，其包括：

测量气室，其用于容纳样品气体和传感器；

采样泵，其以一定流速采样样品气体并将其输送至测量气室；

热式气体流量计，其用于得到与样品气体采样流速及样品气体比热有关的响应信号；

传感器，其用于得到与样品气体导热系数及测量气室中环境参数有关的一种或多种信号。

根据本发明另一方面，其公开了一种基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测方法，其包括：

步骤1、利用采样泵采样样品气体，并将其输送至测量气室；

步骤2、在测量气室中，利用热导气体传感器测量与所述样品气体的导热系数相关的信息；

步骤3、所述热式气体流量计测量与所述样品气体的流量和比热相关的信息；

步骤4、通过处理所测量的与所述导热系数、气体流量和比热相关的信息获得所述气体中各组分的浓度信息。(1)本发明方法利用反映样品气体比热信息的热式气体流量计输出及反映样品气体导热系数信息的热导气体传感器输出进行多组分样品气体中各组分浓度检测，与已有技术相比增加了气体比热信息用于气体检测，即通过调控采样泵运转情况，可以使样品气体的采样流量恒定。对于一定流量的气体，热式质量流量计的输出信号与样品气体的比热与密度的乘积成反比，这可以有效提高多组分样品气体中各组分浓度检测的准确性。

(2)通过使用多个热导气体传感器并使其工作于不同温度，可以同时得到被测气体在不同温度的导热系数信息，有利于缩短气体检测时间。

(3)在用热式气体流量计和热导气体传感器检测样品气体时同时检测气室气压、温度等环境参量并进行修正，有利于减小环境因素的干扰。

附图说明

图1是本发明优选实施例中基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置；

图2是本发明另一优选实施例中基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明公开了一种基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置。图1示出了本发明优选实施例中所述基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置的结构示意图。如图1所示，其包括：

热式质量流量计1，其用于得到与样品气体采样流速及样品气体比热有关的响应信号；

传感器2，其用于得到与样品气体导热系数及测量气室中环境参数有关的一种或多种信号；

采样泵3，其以一定流速采样样品气体并将其输送至测量气室；

测量气室4，其用于容纳样品气体和传感器。

其中采样泵3以一定流速采样样品气体并将其输送至测量气室；热式气体流量计位于测量气室的样品气体进样通道处，其用于测量与样品气体流量、比热等相关的信号；热导气体传感器位于测量气室内用于测量与样品气体导热系数相关的信号。

本发明公开的方案是将采样泵、热式气体流量计、热导气体传感器结合起来，综合利用热式气体流量计及热导气体传感器所输出的信号检测多组分混合气体。当采样泵以一定体积流速采集样品气体时，记录热式气体流量计的输出信号，然后在停止采样泵后记录热导气体传感器的输出信号。其中热式气体流量计的输出信号反映了样品气体中各组分的浓度、密度、定压比热及分子构成的相关信息。而热导气体传感器的输出是样品气体的导热系数信息，即反映了样品气体中各组分的浓度及导热系数的信息。综合热式气体流量计、热导气体传感器的输出并结合采样泵的采样速率，并结合样品气体中各组分可以得到有关被测气体各组分定压比热、热导率及浓度的有关信息。从而得到被测气体分组分浓度的信息。

通过控制热导气体传感器的加热电压改变传感器工作温度，获得不同温度下被测气体的导热系数信息，并得到样品气体导热系数随温度的变化规律，与反映样品气体比热的热式气体流量计输出信息结合更有利于检测样品气体各组分浓度。

采样泵的采样速率可以根据采样泵结构、消耗的功率或电压推算，也可以由采样泵结构、采样泵转速推算，其中所述采样泵转速可以由采样泵工作中的电气特征(如采样泵直流电机换向时造成的电压脉冲信号)推测或者由测速装置检测。

图2示出了本发明另一优选实施例中所述基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测装置的结构示意图。如图2所示，其包括：采样泵3、热式气体流量计1、传感器阵列5及测量气室4，其中采样泵以一定流速采样样品气体；热式气体流量计输出与样品气体流量、比热等相关的信号。传感器阵列5由多个热导气体传感器组成，还包含检测气室气压、温度等环境参量的传感器，或者传感器阵列由单个热导气体传感器和检测气室气压、温度等环境参量的传感器组成。

通过使用多个热导气体传感器并使其工作于不同温度，同时得到被测气体在不同温度下的导热系数信息，有利于缩短气体检测时间。

本发明还公开了一种基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测方法，其包括：

步骤1、利用采样泵采样样品气体，并将其输送至测量气室；

步骤2、在测量气室中，利用热导气体传感器测量与所述样品气体的导热系数相关的信息；

步骤3、所述热式气体流量计测量与所述样品气体的流量和比热相关的信息；

步骤4、通过处理所测量的与所述导热系数、气体流量和比热相关的信息获得所述气体中各组分的浓度信息。本发明公开的基于热导气体传感器和热式气体流量计的气体检测方法中传感器信号的处理方法可以采用模式识别方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气体检测方法，其包括：

步骤1、利用采样泵采样样品气体，并将其输送至测量气室；

步骤2、在测量气室中，利用热导气体传感器测量与所述样品气体的导热系数相关的信息；

步骤3、热式气体流量计测量与所述样品气体的流量和比热相关的信息；

步骤4、通过处理所测量的与所述导热系数、气体流量和比热相关的信息获得所述样品气体中各组分的浓度信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4中采用模式识别方法处理与所述导热系数、气体流量和比热相关的信息以获得所述样品气体中各组分的浓度信息。

3.一种实现如权利要求1所述的气体检测方法的气体检测装置，其包括：

测量气室，其用于容纳样品气体和传感器；

采样泵，其以一定流速采样样品气体并将其输送至测量气室；

热式气体流量计，其用于得到与样品气体采样流速及样品气体比热有关的响应信号；

传感器，其用于得到与样品气体导热系数及测量气室中环境参数有关的一种或多种信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器包括至少一个热导气体传感器，所述热导气体传感器用于测量被测气体的导热系数信息。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器包括热导气体传感器阵列，所述热导传感器阵列用于测量不同温度下被测气体的导热系数信息。