CN104350382A - 用于检测气体中的烃组分同时考虑横向灵敏度的测量设备和方法 - Google Patents

用于检测气体中的烃组分同时考虑横向灵敏度的测量设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定气流中的所测值、同时考虑测量用具中由气流中会干扰所测气体所测值的至少另一种成分引起的横向灵敏度的测量设备(20)。该测量设备包括用于将待测原始气流(26)分成所测气体第一流(38)和所测气体第二流(39)的装置、用于通过改变会影响所测气体含量的影响变量从而改变所测气体第二流(39)中的所测气体含量的装置、具有用于确定所测值的传感器的传感器元件(22)、用于评估所测值的评估单元，其中交替地将所测气体第一流(38)和经改变的所测气体第二流(39)供给到传感器元件(22)从而确定所测气体第一流(38)中的第一中间所测值和所测气体第二流(39)中的中间所测值，评估单元根据两个中间测量结果计算最终所测值。本发明还涉及用于确定气流中的所测值的对应方法。

Description

用于检测气体中的烃组分同时考虑横向灵敏度的测量设备和方法
本发明涉及确定气流中的测量值的测量设备和方法，确定时考虑测量系统中的横向灵敏度，因为气流中的至少另一种成分会干扰所测量气体的测量值。
横向灵敏度是测量设备对于除所测变量或所测值以外的变量(即待测变量)的灵敏度。并非所测变量但对测量系统经由所测值传递的信息产生影响的变量被称为影响变量。这意味着当影响变量变化时，只有所测值发生变化。
横向灵敏度还包括不完美选择性，例如是由气体传感器产生的。这些经常还对除待测气体以外的气体浓度产生响应。
重要的影响变量的例子是温度、湿度、空气压力、电场或磁场。
一种考虑横向灵敏度或校正测量中由横向灵敏度造成的误差的可能做法是提供多个传感器，互相独立地确定单个所测值，然后比较这些所测值并对它们进行校正。这种做法造成较高的成本和需要大量维护的测量设备。
本发明的目的是提供用于确定气流中的所测值的测量设备和方法，这种设备和方法至少基本上、甚至可能完全地消除了测量系统的干扰性的横向灵敏度，这种横向灵敏度是由于气流中的至少另一种成分对所测气体的所测值产生影响而造成的。该测量设备应能进行安装并还具有低的误差易感性。
通过用于确定气流中的所测值的测量设备实现了以上目的，该设备考虑了测量系统的横向灵敏度，这种横向灵敏度是由于气流中的至少另一种成分而产生的，该成分会干扰所测气体的所测值，该设备包括：
-用于将待测气体的原始流分成所测气体第一流和所测气体第二流的装置，
-用于通过改变影响所测气体含量的影响变量从而改变所测气体第二流中的所测气体含量的装置，
-具有用于确定所测值的传感器的传感器元件，
-用于评估所测变量的评估单元，
其中
-将所测气体第一流或经改变的所测气体第二流交替地供给到传感器元件，从而确定所测气体第一流中的第一中间所测值并确定所测气体第二流中的中间所测值，
-评估单元根据两个中间测量的结果计算最终所测值。
还通过用于确定气流中的所测气体含量的方法实现了本发明的目的，该方法考虑了测量系统的横向灵敏度，这种横向灵敏度是由于气流中的至少另一种成分而产生的，该成分会干扰所测气体的所测值，该方法的特征在于以下步骤：
-将待测气体的原始流至少分成所测气体第一流和所测气体第二流，
-通过改变影响所测气体的量的影响变量从而改变所测气体第二流中的所测气体含量，
-交替地将所测气体第一流和所测气体第二流供给到传感器，
-确定所测气体第一流中的第一中间所测值，该值代表所测气体的含量与另一干扰成分的含量之和，
-确定所测气体第二流中的第二中间所测值，该值代表所测气体的含量与另一干扰成分的含量之和，
-根据两个中间测量的结果计算最终所测值。
根据本发明，将待测气体的原始流分成所测气体第一流和所测气体第二流。可通过实际的物理分离例如使用分离器来实现原始气流的分开；或者，可例如在阀的帮助下以交替方式将原始气流供给到传感器元件。
本发明基于以下假设，原始气流中存在两种气体，它们由于其横向灵敏度的原因而对最终所测值产生影响。例如，若要确定原始气流的第一气体的量，第二气体的存在会影响最终所测值，则第二气体构成干扰性的另一成分。
本发明基于以下概念，在开始时将原始气流分成两个所测气体流，并且通过改变影响所测气体含量的影响变量来影响所测气体流之一。通过这种方式，仅使用一个传感器元件，就能进行导致不同结果的两个测量。但是，若所测气体第二流中的改变是已知的，若例如所测气体减少或被完全除去，则可从两个中间所测变量来计算实际的所测值。
本发明特别适合于用于确定还包含二氧化氮(NO2)的所测气体中的二氧化硫(SO2)的测量设备。二氧化硫传感器对于二氧化氮具有高的横向灵敏度。特别困难的是，传感器对于这两种气体具有大致相同的灵敏度，但二氧化氮的输出信号为负。因此，若所测气体包含相等量的二氧化硫和二氧化氮，则输出信号大致为零。
二氧化硫几乎完全溶于水中，并且在通过增湿元件之后，优选将该增湿元件与膜联用，该膜是例如用水冲刷过的一束中空纤维(膜增湿器)，就能几乎完全地除去二氧化硫。另一方面，二氧化氮不溶于水中，因此离开增湿元件之后，二氧化氮仍然全部存在。
根据本发明，将所测气体第一流直接供给到传感器元件，但仅在所测气体第二流通过增湿元件之后再对其进行输送。通过在干燥的所测气体第一流以及经增湿的所测气体第二流之间进行切换，则获得两个不同的所测变量：
1.在干燥的所测气体中，二氧化硫与二氧化氮一起的总体积(第一中间所测值)，其中二氧化氮在总值中为负号。
2.对于经增湿的气体，仅为对除了二氧化硫以外的其他气体的横向灵敏度值(通常是二氧化氮，第二中间所测值)。
接下来，若从第一中间所测值中扣除第二中间所测值(为相反符号，即实际上是相加)，则得到对于所测气体的二氧化硫含量的实际最终所测值。
其中，通过假设在所测气体中除了二氧化氮以外不存在二氧化硫传感器对其表现出横向灵敏度的其他气体，发现了本发明的根本优点在于，也可使用二氧化硫传感器作为二氧化氮传感器或测量池。因此，显著降低了成本，并且还降低了测量设备使用寿命内的维护成本。
使用具有中空纤维膜的膜增湿器来进行气体增湿是特别有利的，尤其是在呼吸气体测量领域中。这种类型的膜增湿器能便宜地制造，还能在长期使用中可靠地发挥作用。此外，其比重也较低。
用水冲刷中空纤维束是有益的，能使其在进入膜增湿器之前变软，从而防止石灰沉积在膜增湿器中，例如通过使用混合床药筒(bed cartridge)。
可经由阀以周期方式供应水；例如，可每小时将阀启动约10秒。将废水供给到排水沟。
根据本发明，以约2巴过压进行增湿。出口处的湿含量在2巴过压下几乎为100％相对湿度。膨胀到环境压力之后，相对湿度变成约40％相对湿度。
可通过经由外部压缩气瓶提供的一种、优选两种参比气体的方式对测量设备进行校准。可以进行增益校正、抵消校正，还可进行组合的增益和抵消校正。
对于校准，经由阀切断所测气体，同时切换到作为校准气体的一种参比气体。由此，在校准程序的过程中，可以在经增湿的和干燥的参比气体之间进行切换。
在根据本发明的一种优选的测量设备中，传感器元件提供有另外的传感器，例如除了二氧化氮和二氧化硫含量以外，还能确定一氧化碳、氧化一氮、二氧化碳和氧气含量。这些传感器也能使用参比气体进行校准。
二氧化碳传感器对于湿气的耐受度较低。因此，根据本发明，这种传感器仅对干燥的所测气体进行操作。另一方面，电化学气体传感器严禁对单独的干燥空气进行操作，因为电解质会干透。因此，一氧化碳、二氧化氮和氧气传感器总是对经增湿的空气进行操作。由于这些气体不溶于水中，所以这种所测值不会因湿气而失真。
二氧化硫能溶于水中，因此，当二氧化硫通过增湿元件时，几乎从气体中完全吸收。因此，在干燥的和经增湿的所测气体之间周期性地启动阀。平均来说，在这种实施方式中，测量气体以大致20％的相对湿度到达传感器元件，足以防止测量池在其使用寿命期间干透。
进行氧气体积计算(体积％)是有益的，其中通过所测环境压力来校正分压依赖性。这样做还提高了测量精确度，因为测量池的输出信号(流动信号)是O2分压的函数。
此外，根据本发明，通过所测环境湿度抵消了氧气体积计算(体积％)的湿度公差。这样做还提高了测量精确度，因为氧气测量池的输出信号(流动信号)较明显地取决于气体相对湿度。
有益的是，测量设备包括安培计无铅测氧池，该测氧池具有特别长的寿命。其原因还在于，通常使用的传感器元件原则上是一种电流铅-空气池，其中通过氧测量来消耗铅电极。铅池的寿命在很大程度上取决于氧的分压和温度，以及储存期限和储存条件(储存时排除空气)。安培计测量池没有受到这些缺点的影响；该池无消耗，因为电解质通过反电极处的反应得以再生。
根据本发明，还进行了二氧化碳体积计算(体积％)，其中通过所测环境压力校正了对分压的依赖性。二氧化碳传感器的操作原则是光学NDIR测量程序。红外(IR)光的吸收取决于气体密度(因此取决于分压)。通过测量环境压力，提高了校准间隔之间的测量准确度。
在根据本发明进行抵消校正的过程中，通过第四电极对安培计测量池(除了测氧之外)的TCO(温度补偿抵消)进行了校正。只有通过测量池的这种优化以及测量电解质的零水平才有可能在测量中得到所需的准确度。
在根据本发明进行增益校正的过程中，对安培计测量池在使用温度范围内的TCG(温度补偿增益)进行了校准。这种校准是通过在多个不同温度的限制之内测量或校准气体浓度并且用计算机进行校正而实现的。可通过参考工厂校准对测量池中的增益进行校准来确定校正值。校正值的贡献可提供关于测量池老化的信息并且可提示需要进行保养。这种方法意味着可以随着测量池的老化确定其条件。不论老化和降低的灵敏度，校准增益之后，还可测量正确的变量。通过这种方式，可以优化维护间隔。
周期性地进行设备的自测试。在自测试的过程中，检查所有的气体通道和体积流。这是一项提高设备可靠性的重要性能特征。在关闭的气体通道的情况中，测量池在超出限制时事实上不会发出警报，也不会提示出错。
有益的是，经常地对增湿进行监视。若增湿失败，则切断气体通道以保护测量池，否则测量池会在几小时的干燥操作之后干透。这种特性还提高了设备的可靠性，因为干透的测量池会给出零信号，从而无法保证警报的正常鸣响。另外，干燥操作会引起相当大的破坏。
根据本发明，可以使用水槽进行操作，从而独立于外部供水进行操作。理想地，对槽中的水位进行监视，若水平降至太低，则触发保养要求。这种供水可能性意味着，若设备附近无供水，也能使用户的安装成本降低。
在本发明中，还要对保养间隔进行监视，并向外显示保养要求。出于操作安全性的原因，规律的维护是必不可少的。由于对保养间隔进行自动监视，所以能避免因忘记进行维护而使设备出故障。
有益的是，测量了蒸气重量浓度；在一种优选的实施方式中，通过氧化铝湿度传感器的方式进行，该传感器覆盖明显更优于聚合物湿度传感器的测量范围。由此得到至-60C td，f的测量范围。聚合物传感器只能在至大约-40C td，f的范围内保证准确度。聚合物传感器的准确度不够，尤其是在高操作温度下。
通过根据本发明的第二参比气体连接的方式，能对测量池的增益进行校准，从而补偿老化，这也使得维护间隔变长。
有益的是，测量设备提供有内部数据记录器用于记录测量数据。这意味着可以在设备中独立于外部系统进行存档。在一种特别有益的实施方式中，安装了内部事件记录器来记录事件。这种特性意味着可以对在保养间隔之间发生的一个或多个隐藏错误进行分析。
以下参考附图更详细地描述本发明。附图只以非常简化的形式显示了一种有益的实施方式，但是本发明不应以任何方式限于此。附图显示：
图1：根据本发明的测量设备的第一简化示意图；
图2：根据本发明的测量设备的第二简化示意图。
图1显示了根据本发明的测量设备20的基本元件的示意图。其包括具有多个传感器的传感器元件22。
在阀27和气体管线的帮助下将原始气流26分成所测气体第一流38和所测气体第二流39。在所示实施方式中，随着时间分开原始气流26；也可以将其分成两个独立的体积流。
将所测气体第一流38直接供应到传感器元件22，另一方面，在开始时将所测气体第二流39供给到增湿元件，优选是膜增湿器28。膜增湿器28包括进水口30和出水口32。接下来，经增湿的第二气流39也到达传感器元件22。可经由阀27周期性地提供供水；例如每小时可开启约10秒。水量约为100毫升。因此年消耗仅约为876升。提供针对这种水量的合适尺寸的混合床药筒(未显示)，该药筒较小，体积仅约为200毫升。
传感器元件包括多个传感器，包括二氧化硫传感器34(SO2传感器)、氧化一氮传感器36(NO传感器)、二氧化氮传感器42(NO2传感器)、一氧化碳传感器44(CO传感器)、氧气传感器(O2传感器)46、温度传感器48和二氧化碳传感器50(CO2传感器)。根据本发明，与所示实施方式对比，假设除了所测气体中的二氧化氮以外，不存在使二氧化硫传感器34产生横向灵敏度的其他气体，则二氧化硫传感器34也能确定氮含量，从而可免除二氧化氮传感器42。
二氧化氮传感器42比二氧化硫传感器34更具选择性，提供了明显的益处。对于使用压缩空气单元时经常发生气体污染的情况，这时不会产生横向灵敏度，选择性并非绝对必需的，因此，可将二氧化硫传感器34对经增湿的气流测得的值同时用于二氧化硫所测值的二氧化氮补偿和二氧化氮测量。这种情况中的要求是，增湿元件除去所有的二氧化硫，否则剩余量的二氧化硫会使二氧化氮所测值失真。实验结果表明的确如此。
将所测气体第一流38供给到二氧化硫传感器34、氧化一氮传感器36和二氧化碳传感器50。
将所测气体第二流39供给到二氧化硫传感器34、氧化一氮传感器36、以及除了二氧化碳传感器50以外的其他传感器。
可使用经由外部压缩气瓶提供的两个参比气流52、54来校准测量设备20。
测量设备20还提供有多个流动控制阀56。
图2显示了本发明的第二变化形式。该形式不同于图1的变化形式，如下所述：
-二氧化硫传感器34和氧化一氮传感器36能以交替方式进行干/湿操作，
-存在用于二次所测值(流速、压力、湿度)的更多测量点，
-用于代替2/2阀，提供了3/2阀，
-在原始气流26中提供了压力调节器，
-提供了过压阀58，
-在原始气流26和供水30中提供了止回阀60，
-独立地进行二氧化碳测量。
这些区别基本上都是实用优化，用于扩展应用范围或用于改进技术安全性。本发明并不限于所述的实施方式，提供的这些实施方式仅用于说明本发明。

Claims (18)

1.一种用于确定气流中的所测值的测量设备(20)，该设备考虑了测量系统中由气流中会干扰所测气体所测值的至少另一种成分引起的横向灵敏度，该设备包括：
-用于将待测原始气流(26)分成所测气体第一流(38)和所测气体第二流(39)的装置，
-用于通过改变会影响所测气体含量的影响变量从而改变所测气体第二流(39)中的所测气体含量的装置，
-具有用于确定所测值的传感器的传感器元件(22)，
-用于评估所测变量的评估单元，
其中
-交替地将所测气体第一流(38)或经改变的所测气体第二流(39)供给到传感器元件(22)从而确定所测气体第一流(38)中的第一中间所测值以及所测气体第二流(39)中的中间所测值，
-评估单元根据两个中间测量的结果计算最终所测值。
2.如权利要求1所述的测量设备(20)，其特征在于，用于改变至少一个影响变量的装置使得选自湿度、温度、电场和磁场的值发生变化。
3.如权利要求1或2所述的测量设备(20)，其特征在于，所述设备提供作为医疗呼吸气体测量设备。
4.如权利要求1-3中任一项所述的测量设备(20)，其特征在于，所述传感器元件(22)包括至少一个用于确定二氧化硫和二氧化氮含量的传感器，其中二氧化硫构成所测气体，所述用于改变所测气体含量的装置改变了所测气体第二流(39)中的二氧化硫含量。
5.如权利要求4所述的测量设备(20)，其特征在于，所述装置改变了所测气体第二流(39)的湿度，从而从所测气体第二流(39)中除去了二氧化硫。
6.如权利要求1-5中任一项所述的测量设备(20)，其特征在于，除了所测气流(38，39)以外还可将校准气体供给到传感器元件(22)。
7.如权利要求1-6中任一项所述的测量设备(20)，其特征在于，所述传感器元件(22)还包括用于确定另外的不同气体的含量的传感器。
8.如权利要求7所述的测量设备(20)，其特征在于，所述传感器元件(22)包括用于确定一氧化碳、氧化一氮、二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和氧气含量的传感器。
9.如权利要求8所述的测量设备(20)，其特征在于，所述用于确定二氧化硫含量的传感器排他性地仅处理所测气体第一流(38)，并且所述用于确定一氧化碳和氧气含量的传感器排他性地仅处理所测气体第二流(39)。
10.如权利要求1-9中任一项所述的测量设备(20)，其特征在于，所述用于改变所测气体第二流(39)中的所测气体含量的装置是由用水冲刷的一束中空膜纤维形成的。
11.一种用于确定气流中的所测气体含量的方法，该方法考虑了测量系统中由会干扰所测气体所测值的至少另一种成分引起的横向灵敏度，该方法包括以下步骤：
-将待测原始气流(26)分成所测气体第一流(38)和所测气体第二流(39)，
-通过改变会影响所测气体量的影响变量来改变所测气体第二流(39)中的所测气体含量，
-以交替方式将所测气体第一流(38)和所测气体第二流(39)供给到传感器(22)，
-确定所测气体第一流(38)中的第一中间所测值，其代表所测气体含量与干扰性的另一成分的含量之和，
-确定所测气体第二流(39)中的第二中间所测值，其代表所测气体含量与干扰性的另一成分的含量之和，
-根据两个中间测量的结果计算最终所测值。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述影响变量是选自湿度、温度、电场和磁场的变量。
13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，待测值是二氧化硫含量，干扰成分是二氧化氮。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，干扰性的影响变量的变化是所测气体第二流(39)的湿度增大，从而从所测气体第二流(39)中除去二氧化硫。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，通过从第一测量结果中扣除第二测量结果得到对最终二氧化硫测量结果的计算，其中两个测量结果都分别由二氧化硫和二氧化氮含量之和形成。
16.如权利要求11-15中任一项所述的方法，其特征在于，所述气流是来自医疗设备的呼吸气流。
17.如权利要求11-16中任一项所述的方法，其特征在于，除了所测气流(38，39)以外，还均匀地供应校准气。
18.如权利要求13-17中任一项所述的方法，其特征在于，确定了一氧化碳、氧化一氮、二氧化碳和氧气的含量，其中二氧化硫含量排他性地仅在所测气体第一流(38)中确定，一氧化碳和氧气含量排他性地仅在所测气体第二流(39)中确定。
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