CN103988073A - 确定气体中碳氢化合物含量的测量仪器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定气体中碳氢化合物含量的测量仪，具有：将待测量的原始气体流划分为第一测量气体流和第二测量气体流的装置；由第一测量气体流的部分气体流生成第一对照气体流的第一对照气体装置；由第二测量气体流的部分气体流生成第二对照气体流的第二对照气体装置；测定第一测量气体流中的碳氢化合物含量并生成相应的第一测量结果的第一传感器；测定第二测量气体流中的碳氢化合物含量并生成相应的第二测量结果的第二传感器；用于分析两个传感器测量结果的分析装置。向第一传感器交替输送第一测量气体流或者由第一对照气体装置处理后的第一对照气体流，向第二传感器交替输送第二测量气体流或者由第二对照气体装置处理后的第二对照气体流。通过交替完成两个传感器周期，形成持续可用的测量值。此外，本发明还涉及一种持续测量气体中碳氢化合物含量的方法。根据本发明，分析装置实施相应的计算操作和程序，以便确定出现偏差的原因。故障分析程序可以对气体通道中的所有部件单独进行检验。可以定期或者由于测量仪器的测量结果存在偏差或者异常时可以单独使用对照气体对传感器进行冲洗。通过单独打开气体通道中的阀门可以将对照空气和测量空气同时接通至传感器，并对测量气体进行稀释。

Description

确定气体中碳氢化合物含量的测量仪器和方法

技术领域

上述发明涉及一种确定气体中碳氢化合物含量的测量仪器和方法。

背景技术

这一类的测量仪已经公开了不同的传感器技术，用于确定可氧化气体，例如空气或者压缩空气中的油、碳氢化合物含量。例如，经常使用可电加热的半导体氧化物材料，在加热状态下该材料的电阻根据空气中包含的碳氢化合物含量发生变化。

另一种确定碳氢化合物的方法是借助催化燃烧传感器。对此，将待测量的气体流通过催化器材料制成的可加热体进行传递，在其内部存在一个加热铂线圈。碳氢化合物的浓度通过加热铂线圈和第二铂线圈的电阻变化进行确定，该变化通过催化器上碳氢化合物含量的燃烧热量进行调节。

同时还公开了一种使用火焰电离检测器的方法。对于这一类的装置而言，使气体流中的碳氢化合物燃烧，并测量火焰中两个电极之间的电离电流。

另一种方法是借助光化电离确定碳氢化合物浓度。对此，碳氢化合物使用紫外线进行照射。光线的能量必须足够高，以便电子从碳氢化合物分子中被分离出来。对其数量进行电子测量。

上述方法尤其适用于检测较高浓度的氧化气体，但无法对低于μg/m³－范围或者ppb-范围的较低浓度进行可靠的检测。

借助光化电离检测器形成的测量值仅可以间接获得测量的材料数量，因为测量值也取决于化合物的分子结构，在化学总式相同时也会存在相当大的变化。但只要待测量的化合物恒定、已经知道或者尽可能统一，则可以相对可靠地对碳氢化合物的浓度进行测量。当然，随着碳氢化合物浓度下降，其测量精度也随之下降。尤其是空气中水含量的影响会增大。随着碳氢化合物的含量下降，空气湿度的影响不断增大，无法在低于mg/m3－范围，尤其是μg/m3范围的碳氢化合物成分进行足够精确的测量。

对于压缩空气的不同应用而言，要求遵守油成分的不同极限值。油成分由下滴状油雾和油蒸汽。油雾或者油蒸汽可以通过不同的方法从压缩空气流中部分或者进一步清除。

WO2010/094750说明了一种确定气体中碳氢化合物含量的测量仪器和方法。原始气体流被分为第一气体流和第二气体流，两个气流均通过合适的测量仪进行测定。重要的是，第一气体流保持不变，第二气体流处理后输送至测量仪。碳氢化合物含量优先通过第一气体流和第二气体流的信号差加以确定。所述的技术尽管已经可以对较低的浓度进行非常可靠的测量，但该技术的可靠性仍然不足。测量仪器的故障或者可能影响测量结果的输送管故障只有在较高的时间延迟的情况下才能识别。此外，系统的故障或者受损需要较高的花费才能识别和排除，通常需要关闭整个设备。

发明内容

本发明的任务在于，创造一种用于确定气体中的油、碳氢化合物和氧化气体含量的测量仪，以便一方面可以对最低浓度进行可靠测量，另一方面不存在当前技术水平的缺点。该测量仪应具有较少的错误或者可以简单以及有效地确定测量错误和/或者故障。此外，本发明的任务还在于，提供一种相对于当前技术水平存在改进的确定气体中的油、碳氢化合物和氧化气体含量的方法。

该任务通过确定气体中碳氢化合物含量的测量仪加以解决，具有：

－将待测量的原始气体流划分为第一测量气体流和第二测量气体流的装置，

－由第一测量气体流的部分气体流生成第一对照气体流的第一对照气体装置，

－由第二测量气体流的部分气体流生成第二对照气体流的第二对照气体装置，

－测定第一测量气体流中的碳氢化合物含量并生成相应的第一测量结果的第一传感器，

－测定第二测量气体流中的碳氢化合物含量并生成相应的第二测量结果的第二传感器，

－用于测量体积流的传感器，

－用于分析两个传感器测量结果的分析装置，

其中：

－向第一传感器交替输送第一测量气体流或者由第一对照气体装置处理后的第一对照气体流，

－向第二传感器交替输送第二测量气体流或者由第二对照气体装置处理后的第二对照气体流。

此外，该任务通过一种确定气体流中碳氢化合物含量的方法借以解决，其特征在于以下方法步骤：

－将待测量的原始气体流划分为第一测量气体流和第二测量气体流，

－由第一测量气体流的部分气流形成第一对照气体流，

－由第一测量气体流的部分气流形成第二对照气体流，

－交替输送第一测量气体流或者经第一对照气体装置处理后的第一对照气体流至第一传感器，

－交替输送第二测量气体流或者经第二对照气体装置处理后的第二对照气体流至第二传感器，

－确定第一测量气体流中的碳氢化合物含量，生成相应的第一测量结果，

－确定第二测量气体流中的碳氢化合物含量，生成相应的第二测量结果，

－分析两个传感器的测量结果。

根据本发明，待测量的原始气体流划分为第一测量气体流和第二测量气体流。原始气体流的划分可以通过实际的物理划分方法进行，例如借助分离器，也可以借助阀门将原始气体流交替输送至第一传感器、第二传感器或者各自的对照气体装置。可以使用催化器，尤其是氧化催化器作为对照气体装置。

根据办发明，测量仪与已经公开的测量仪相比不是仅具有一个传感器，而是具有两个测量碳氢化合物含量的传感器。两个传感器交替测量对照气体或者测量气体。两个传感器根据测量气体和生成的对照气体(即氧化后的测量气体)之间的信号差确定其测量结果。除了碳氢化合物的含量，测量结果也包含其他测量值。

本发明基于的想法是，至少确定两个测量气体通道，并相应生成至少两个测量结果。需特别说明的是，本发明并未规定使用两个传感器，而是可以使用其他的测量气体通道和传感器。在下文中，本发明针对使用两个传感器的情况进行示例说明。

在测量开始时，例如在启动测量仪器时，在启动阶段首先在两个测量气体通道中向传感器施加对照气体。在一定时间后，第一气体通道转换为测量气体，而向第二气体通道中的传感器继续输送对照气体。接着进行替换，即向第一气体通道内的第一传感器输送对照气体，向第二气体通道内的第二传感器输送测量气体。该替换过程可以以任意频率进行，优先在相对较短的时间间隔内进行替换。每个周期的时间为5至30秒，优先为20秒。

已经证明特别有利的做法是，时间间隔根据气体浓度进行变化。在ppb范围的较低浓度时，时间间隔优先为1至50秒，尤其是大约为30秒，在较大的浓度(例如2ppm)时为大约80至150分钟，优先为大约120分钟。

该测量仪器具有一个分析装置对测量结果进行分析。在第一种实施形式中，两个传感器可以和单独的分析装置相连，但可以想象的是，每个传感器均分配一个单独的分析装置。该分析装置具有一个实施所需计算的处理器。单独的气体流或者所有气体流可以通过传感器或者多个传感器进行测量或者由分析装置进行分析。

此外，可设计一显示装置，该显示装置对传感器的测量结果或者分析装置计算出的数值和/或者其他信息进行显示。该显示装置也可以是触摸屏形式的输入装置。

根据本发明可以对两个传感器的测量结果根据特定的顺序不周进行分析和/或者显示。显示装置显示的数值可以持续存在。首先显示第一传感器的测量结果，接着显示第二传感器的测量结果。传感器的测量周期交替进行，从而提供持续的测量信号。

已经证明特别有利以及对于用户而言比较舒适的是，显示值针对气体通道和传感器的转换进行延时转换。在显示装置上可以看到第一传感器的测量结果，而第二传感器已经开始施加测量气体并开始测量。只有在获得第二传感器的可靠的测量结果时，分析装置的显示装置才开始应答，并进行相应的转换。由此一直显示一个可靠测量的测量结果。该方法具有特别的优点，因为传感器在显示稳定的测量结果前，通常需要一定的振荡过程。通过延时显示，用户无法看到测量结果存在较大波动的振荡过程。

使用两个传感器也可以对其结果一直进行比较。如果发现偏差，则可能存在不同的原因。例如在该时间段内，测量气体的成分发生了本质上的变化。但也可能是传感器提供了错误的测量结果。此外，气体通道可能存在污染或者不密封处。

根据本发明，分析装置可以实施相应的计算操作和常规程序，以便确定偏差原因。如果显示在每次变换传感器后出现偏差，则几乎可以排除测量气体成分变化的可能性。在一种特别优先使用的实施形式中，两个传感器连接至两个气体通道，在下一次比较时通过互换气体通道确定偏差原因在于气体通道还是传感器。

分析装置优先自行实施相应的错误分析程序，并对测量仪的单独部件进行控制(例如阀门和/或者扼流阀，以便对气体通道的所有部件和传感器进行检验。通过在需要时单独打开气体流，并在出口处测量体积流，可以进行非常详细的错误分析。也可以通过显示装置向用户显示错误的原因。

分析装置也可以使两个故障传感器或者气体通道中的一个单独关闭，从而使得测量仪可以继续使用。比较有利的方式是，分析装置通过显示装置显示相应的信息，从而使得测量仪在两个气体通道或者传感器故障前对相关的总故障进行维修。其优点在于，相应的维修工作可以在随后的工作暂停时间段进行。

同时，测量仪通过相应的错误分析程序可以对气体通道内的所有部件单独进行检验。也可以定期或者在测量仪的测量结果出现偏差或者异常时使用对照气体对传感器进行冲洗。

此外，根据本发明的测量仪的设计应使得，可以从存储瓶中向两个传感器分别输送校准气体。除了测量气体和对照气体保持不变外，定期使用校准气体重新确定传感器输出的信号强度。校准气体(例如异丁烯)具有确定的碳氢化合物含量，不包含水分或者仅有少量水分。根据本发明可以对测量仪老化和受污染导致的信号强度和测量敏感度变化进行可靠的比较。校准测量可以定期自动进行，也可以由用户随时安排进行实施。尤其是可以在错误分析程序进行错误分析的过程中使用校准气体。对校准测量中确定的数据进行存储，随时进行调用，并可用于分析装置。

此外通过对测量结果相互之间或者和存储的测量结果(例如来自对照数据库)进行调整或者对比，可以在施加测量气体、对照气体或者校准气体时对传感器进行校准。其中，测量气体是指未知ppm浓度的待测量气体，对照气体是指0ppm浓度的已知气体，校准气体是指特定ppm浓度的已知气体。

优先在开动测量仪器前，对两个传感器通过输送校准气体进行调整，以便其尽管存在结构上的差异或者老化仍然可以提供相同的测量结果。

根据本发明，每个测量周期可以具有一个校准阶段，在该校准阶段对单个传感器测量出的最新数值进行检验和比较。

例如，测量周期从输送对照气体开始。在振荡阶段后提供稳定的测量结果，相应的传感器使用对照气体进行冲洗。在随后的校准阶段，将之前测量到的测量结果和过程中确定的测量结果进行比较，必要时对传感器进行校准。在校准阶段，也可以进行进一步的比较，例如和其他施加对照气体的传感器的测量结果进行比较。然后转换为测量气体，重新出现较短时间的振荡阶段。在随后可提供可靠测量结果的稳定工作状态下，将测量值和之前测量到的其他传感器的测量结果和/或者和其他合适的对照值进行比较。测量周期结束，转换至对照气体开始下一个测量周期。相同的测量周期在另一气体通道中使用其他的传感器交替进行。

根据本发明，分析装置始终对两个传感器测量结果的平均值进行计算，并通过显示装置对其加以显示。只有在超过预先设定的偏差时，测量仪才做出反应。例如，上述错误分析程序进行显示和/或者仅两个测量结果交替或者同时(优先结合报警)进行显示。在一种特别简单的实施形式中，对平均值进行显示，并触发报警。

如果技术装置由结构组件组成，测量仪可以以非常低的成本进行生产。这些组件包括阀门、扼流阀、催化器和传感器。相应的元件和组件通常由金属制成。

在一种特别优先的实施形式中，碳氢化合物含量的确定涉及光化电离原理，且具有包含取样探针的相应传感器单元。该传感器单元通过信号电缆或者无线的方式和分析装置进行连接。取样探针优先从上方安装在上升管道的中心，以便其可以从待监控的气流中心提取气体。传感器单元具有规定的流动阻力，该流动阻力可以确保单种测量气体的恒定压力和恒定体积流，例如通过具有规定孔径或者由烧结金属制成的扼流阀加以实现。该传感器单元免维护，且易于清洁。此外，可以设计一种报警功能，在压力过低或者过高时以光学或者声学方式通知用户。

不同气体流的流量可以通过相应的扼流阀、阀门或者减压阀进行调节。这些阀门优先为可更换结构，在一种特别优先使用的实施形式中可进行调节，以便一方面可以对传感器的流量进行调节，另一方面可以可靠确保待混合气体流中期望的混合比例。

为了可以单独控制气体通道中的阀门，对照气体和测量气体可以同时连接至传感器，并对测量气体进行稀释。如果测量空气受到非常严重的污染，由此可以向上扩展测量范围。

可以使用通常的氧化催化器作为对照气体生成器，当然也可以使用其他的装置或者方法提供所需性能的气体。例如，可以使用镀有铂金的石英棉作为氧化催化器，该石英棉可以顺利插入规定的容器中。在一种特别优先使用的实施形式中，对照气体生成器安装在测量仪器中，由此可以连接不同的液体或者气体输送管道。测量仪器具有用于相应气体管道的所有接口和电气接口，以便可以灵活地安装到任意地点。尤其是，根据本发明的测量仪具有带传感器的传感器单元(例如光化电离原理的取样探针)和具有操作界面(显示器)的分析装置可以附加扩展现场安装的灵活性。带操作界面的分析装置结构较小，可以安装在任何可接近的位置，而较大的传感器单元在空间上和分析装置分离安装在测量气体提取点。

根据本发明的测量仪优先使用无油密封的压缩及形成压力空气或者压力气体，当然，如果可以连接相应的催化器，也可以使用油润滑压缩机。为了实施维护工作，优先设计一个旁通。原则上，测量仪也适用于其他的使用范围，例如压缩气瓶。

附图说明

本发明在下文中参考所附的图纸进行更详细的说明。对此，图纸仅是优先使用的实施形式的简化原理说明，本发明并不局限于图纸示的实施形式。其中：

图1：根据本发明的测量仪简化功能说明，

图2：测量仪的气体通道示意图，

图3：测量仪的测量周期示意图。

图1显示的是根据本发明的测量仪(20)重要元件的原理说明。该测量仪具有两个传感器，即第一传感器(22)和第二传感器(24)，优先为光化电离传感器或者金属氧化物传感器。

原始气体流(26)通过气体管道并借助阀门(28)划分为第一测量气体流(38)和第二测量气体流(39)。在所示的实施形式中，原始气体流(26)在某个时间段内划分为两个单独的体积流可以同时进行。

第一测量气体流(38)也可以选择部分输送至传感器(22)或者第一对照气体装置(30)，第二测量气体流(39)也可以选择部分输送至第二传感器(24)或者第二对照气体装置(32)。对照气体装置(30，32)由测量气体流(38，39)分别生成第一对照气体流(34)或者第二对照气体流(36)，两个对照气体流输送至相应的传感器(22，24)。对照气体装置(30，32)优先为催化器，尤其是氧化催化器。

向第一传感器(22)交替输送第一测量气体流(38)(即原始气体流26)或者由第一对照气体装置(30)处理后的第一对照气体流(34)。与之对应，向第二传感器(24)交替输送第二测量气体流(39)(即原始气体流26)或者由第二对照气体装置(32)处理后的第二对照气体流(36)。

气体流(26，34，36，38，39)通过合适的构成相应气体通道的气体管道(40)进行输送。在气体管道(40)中安排有扼流阀(41)，该扼流阀将传感器(22，24)或者对照气体装置(30，32)中的气体流(26，34，36，38，39)调节为合适的压力水平，例如2bar(未说明，在图1中扼流阀仅以符号进行表示)。相应的扼流阀(41)也可以安排在气体管道(40)的开始端，因为原始气体流(26)经常以非常高的压力向测量仪(20)进行输送。第一扼流阀(41)将压力水平降低至诸如7bar。

除了原始气体流(26)，通过另一气体管道(40)可以将校准气体流(42)输送至测量仪(20)中。校准气体流(42)即可以选择输送至第一传感器(22)，也可以输送至第二传感器(24)，未经进一步处理(仅进行扼流控制)。

从传感器(22，24)流出的气体流通过装置(44)进行合流，并对总的体积流进行测量。通过单独控制阀门可以测量每个单独支路中的流量。

图2以两个气体通道线路图显示了测量仪(20)可能的工作原理。第一传感器(22)为第一气体通道线路图(46)，第二传感器(24)为第二气体通道线路图(48)。对气体流和优先的使用的随时间变化的测量值显示作了说明。

在开始时，例如在启动测量仪(20)时，在启动阶段首先在两个气体通道中向传感器(22，24)施加各自的对照气体流(34，36)。在一段时间后，第一传感器(22)的气体通道进行转换，并向第一传感器(22)施加测量气体。传感器(22)实施一次或者多次测量，并生成测量结果，该测量结果以显示值(S1)进行显示。接着向第一传感器(22)重新输送对照气体。在第二传感器(24)上交替实施相同的测量周期，该测量周期形成显示值(S2)。

由此可以看出，显示值(S1，S2)随着传感器(22，24)的气体变化而交替进行显示。由此可以实现，测量仪(20)或者相应的显示装置持续地显示显示值。

图3以测量周期示意图的形式示例显示了第一传感器(22)的测量周期。在开始时，在输送第一对照气体流(34)后生成信号随时间振荡变化曲线TKE。随后使用对照气体在稳定的工作状态TKR下进行冲洗。在随后的校准阶段TKK，对确定的数值和过程中传感器(22)确定的测量结果进行比较，必要时进行校准。同理，测量结果也可以和第二传感器(24)的相同测量结果进行比较。

在转换至测量气体后，在时间段TSE内重新出现振荡阶段。在随后的稳定工作状态TSK下进行校准或者第一传感器(22)和第二传感器(24)之前测量到的测量结果(TSM)进行比较。振荡阶段也可以为时间上延迟的测量值上升曲线。

传感器(22)和传感器(24)的数值(TSM)由显示装置进行显示。

在重新转换至第一对照气体流(34)后重新开始测量周期，并继续重复测量过程。

Claims (15)

1.用于确定气体中碳氢化合物含量的测量仪(20)，具有：

－将待测量的原始气体流(26)划分为第一测量气体流(38)和第二测量气体流(39)的装置(28)，

－由第一测量气体流(38)的部分气体流生成第一对照气体流(34)的第一对照气体装置(30)，

－由第二测量气体流(39)的部分气体流生成第二对照气体流(36)的第二对照气体装置(32)，

－测定第一测量气体流(38)中的碳氢化合物含量并生成相应的第一测量结果的第一传感器(22)，

－测定第二测量气体流(39)中的碳氢化合物含量并生成相应的第二测量结果的第二传感器(24)，

－用于分析两个传感器(22，24)测量结果的分析装置，

其中：

－向第一传感器(22)交替输送第一测量气体流(38)或者由第一对照气体装置(30)处理后的第一对照气体流(34)，

－向第二传感器(22)交替输送第二测量气体流(39)或者由第二对照气体装置(32)处理后的第二对照气体流(36)，

－通过交替完成两个传感器(22，24)周期，形成持续可用的测量值。

2.测量仪(20)根据权利要求书1，其特征在于，传感器(22，23)为光化电离传感器。

3.测量仪(20)根据权利要求书1，其特征在于，传感器(22，23)为金属氧化物传感器。

4.测量仪(20)根据权利要求书1至3中的一种，其特征在于，对照气体装置(30，32)为催化器，尤其是氧化催化器。

5.测量以(20)根据权利要求书1至4中的一种，其特征在于，在气体管道(40)中安排有扼流阀、阀门(41)或者减压阀元件组。

6.测量仪(20)根据权利要求书1至5中的一种，其特征在于，通过另一个气体管道(40)将校准气体流(42)输送至测量仪(20)中。

7.测量仪(20)根据权利要求书6，其特征在于，校准气体流(42)既可以输送至第一传感器(22)，也可以输送至第二传感器(24)。

8.测量仪(20)根据权利要求书1至7中的一种，其特征在于，对照气体装置(32)为测量仪(20)的一体化部件。

9.测量仪(20)根据权利要求书1至8中的一种，其特征在于两个在空间上相互分离的不见，带传感器(22，23)的传感器单元和带操作界面的分析装置。

10.持续测量气体中碳氢化合物含量的方法，其特征在于以下方法步骤：

－将待测量的原始气体流(26)划分为第一测量气体流(38)和第二测量气体流(39)，

－由第一测量气体流(38)的部分气流形成第一对照气体流(34)，

－由第一测量气体流(39)的部分气流形成第二对照气体流(36)，

－交替输送第一测量气体流(38)或者经第一对照气体装置(30)处理后的第一对照气体流(34)至第一传感器(22)，

－交替输送第二测量气体流(39)或者经第二对照气体装置(32)处理后的第二对照气体流(36)至第二传感器(24)，

－确定第一测量气体流(38)中的碳氢化合物含量，生成相应的第一测量结果，

－确定第二测量气体流(39)中的碳氢化合物含量，生成相应的第二测量结果，

－分析两个传感器(22，24)的测量结果。

11.方法根据权利要求书10，其特征在于，显示值(S1，S2)随传感器(22，24)的气体变化交替进行显示。

12.方法根据权利要求书10或者权利要求书11，其特征在于，

－在开始的启动阶段首先在两个气体通道中向传感器(22，24)施加各自的对照气体流(34，36)，

－在一段时间后，向第一传感器(22)施加测量气体，第一传感器(22)至少实施一次测量，并生成以显示值(S1)形式进行显示的测量结果，

－接着向第一传感器(22)重新输送对照气体，

－相同的测量周期在第二传感器(24)上交替进行，该测量周期生成显示值(S2)。

13.方法根据权利要求书10至12中的一种，其特征在于，除了无变化的测量气体和对照气体还定期输送校准气体。

14.方法根据权利要求书10至13，其特征在于，时间间隔根据气体浓度进行变化。在ppb范围的较低浓度时，时间间隔优先为1至50秒，尤其是大约为30秒，在ppm－范围的较大浓度时为大约80至150分钟，优先为大约120分钟。

15.方法根据权利要求书10至14，其特征在于，显示值随着气体通道的转换以及传感器施加的气体交替转换。