CN104956221A - 用于测量残留油的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测气体中的烃量的测量装置，其包括：第一传感器(22)，用于确定第一测量气流(38)中的烃量并产生对应的第一测量结果；第二传感器(24)，其用于确定第二测量气流(39)中的烃量并产生对应的第二测量结果；以及评价单元，其用于对两个传感器(22、24)的测量结果进行评价；所述第一传感器(22)是金属氧化物半导体气体传感器并连续地进行测量，所述第二传感器(24)是光致电离传感器并间歇地进行测量。(图1)本发明还涉及记录气流中的烃量的方法。

Description

用于测量残留油的装置

本发明涉及用于检测气体中的烃含量的测量装置和方法。

此类测量装置已知具有各种传感技术，并且用于检测例如空气或压缩空气中的油、烃类和可氧化气体的含量。

例如，通常使用具有半导体氧化物材料的可电加热的金属氧化物半导体气体传感器，其在加热的状态下，取决于空气中所含的烃量改变其电阻。金属氧化物半导体气体传感器的最重要的优势包括：非常高的灵敏度，因而具有能够测量甚至低至ppt范围的最微小的烃含量的可能性。它们具有非常长的操作寿命，非常好的长期稳定性，并且购置成本相当低。

但是，金属氧化物半导体气体传感器的缺点在于，它们具有指数特性曲线，这是它们的偏移点难以确定的原因。测量结果较难重现，传感器对于水蒸气和无机气体具有高的横向灵敏度。最终值的响应时间高，并且在零空气校准直至到达零线的情况下，恢复时间较长。

另一种方法是通过光致电离的方式检测烃浓度。在该过程中，用紫外光辐射烃类。在此情况下，光能量必须足够高，以迫使电子离开烃分子。可以电子方式测量它们的数量。光致电离传感器具有良好的长期稳定性、对于水蒸气和无机气体具有较低的横向灵敏度。最终值的响应时间短，并且在零空气校准直至到达零线的情况下，恢复时间也短。特性曲线是线性的，从而提供了高水平的可重现性。

但是，这种传感器的缺点在于，它们具有低水平的灵敏度，特别是在低浓度范围的情况下。此外，无法在没有测试气体的情况下可靠地确定老化状态；然而，约为1年的使用寿命无论如何也是相当短的。由于磨损导致测量精确性下降，这是维护成本高的原因。此外，光致电离传感器的购置成本较高。

通过光致电离传感器的方式产生的测量值仅允许对测量物质的量进行间接总结，因为测量值还取决于化合物的分子构造并且变化程度相当大，甚至是在同一分子式的情况下也是如此。但是，如果在待测量的化合物是恒定、已知、如果可能的话均匀的情况下，可以较为可靠地测量烃含量的浓度。但是，随着烃类浓度下降，测量精确度下降。具体来说，在过程中，空气的水分含量的影响增加。随着烃含量下降，空气湿度的影响逐渐变大；无法足够精确地进行较低的mg/m₃范围(特别是μg/m³范围)内的烃含量的测量。

不同压缩气体的应用对于油含量要求不同阈值。油含量由滴状油气溶胶构成以及由油蒸汽构成。可以通过各种方式从压缩空气流部分或大量地消除油气溶胶和油蒸发。

本发明的目的是提供一种用于检测气体中的油、烃类和可氧化气体的含量的测量装置，其甚至可靠地测量最低永久浓度。设想能够容易地确定和纠正可能的测量误差。本发明的另一个目的是提供相对于现有技术的改进地检测气体中的油、烃类和可氧化气体的含量的方法。

所述方法通过用于检测气体中的烃类含量的测量装置得以实现，其包括：

-第一传感器，其用于确定测量气流中的烃含量，并用于产生相应的第一测量结果，

-第二传感器，其用于确定测量气流中的烃含量，并用于产生相应的第二测量结果，

-评价单元，其用于对两个传感器的测量结果进行评价，

-催化剂单元(34)，其用于产生催化剂气流(36)，

其中

-所述第一传感器配置成金属氧化物半导体气体传感器并连续地进行测量，

-所述第二传感器配置成光致电离传感器，并不连续地进行测量，

-可以将所述催化剂气流(36)进料到所述第二传感器(22)。

此外，通过检测气流中的烃含量的方法实现所述目标，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-将测量气流连续地进料到第一传感器，所述第一传感器配置成金属氧化物半导体气体传感器，

-确定所述测量气流中的烃含量并通过第一传感器的方式产生第一测量结果，

-将测量气流不连续地进料到第二传感器(24)，所述第二传感器(24)配置成光致电离传感器，

-确定所述测量气流中的烃含量并通过第二传感器的方式产生第二测量结果，

-对两个传感器的测量结果进行评价，

-产生催化剂气流(36)，其中，当所述第二传感器(24)关闭或未使用时，将催化剂气流(36)进料到第二传感器(24)。

本发明这是第一次在测量装置中结合两种不同的传感器，它们通常被人为地排除在一个测量装置中。迄今为止，认为在单个测量装置中同时使用两个传感器是多余的。

相对于光致电离传感器(简写为PID传感器)，金属氧化物半导体气体传感器(简写为MOX传感器)的优势在于，在无需任何维护的情况下提供长寿命预期以及低的购置成本。理论上来说，对于油蒸汽测量装置，可以实现数年使用而无需任何维护和重新校准。

对于横向灵敏度、可重现性和长期稳定性，PID传感器是更为精确的传感器，其实现更为精确的测量并具有较低的横向灵敏度。

本发明的一个本质方面在于，对两个传感器进行不同的使用。MOX传感器永久运行，并进行连续测量。相反地，PID传感器仅以循环间隔进行测量，例如每天一次，作为MOX传感器的补充和并行。PID传感器确定的测量值起了例如纠正MOX传感器的斜率或偏移的作用。在此情况下，在之前进行的零空气校准(优选自动进行)之后，直接进行PID传感器测量。

通过PID传感器的不连续、额外激活，实现了相当长的使用寿命，否则的话这是相当短寿命的传感器。

两种传感器对于水都具有较高的横向灵敏度。在MOX传感器的情况下，该横向灵敏度导致对其指数特性曲线的操作点的移动，从而导致偏移和/或增益误差。

相反地，PID传感器的情况下已知两种效应，一种是所谓的水淬灭效应，这导致斜率误差。此外，由于电极堆叠件上的沉积或污染可能发生漏电流，这导致水分依赖性偏移误差。因此，根据本发明，可以在测量装置的气体进口上提供干燥元件(例如，膜)，其显著降低了水含量。已知的膜干燥器可用于该目的，其对空气自身进行干燥并使用膨胀吹洗空气用于干燥过程。也可以使用吸附干燥剂。

在初始气流(测量气流)中使用干燥元件(例如，膜干燥器)对于PID传感器的使用以及MOX传感器的使用都具有优势，其对于通常不使用这两种传感器类型的组合的现有技术更具有优势。

原理上来说，使用吸附干燥剂也是可以的。必要的是，干燥元件具有高的干燥能力，这通常对于吸附干燥剂是不足以实现的。

此外，根据本发明提供了催化剂单元，其实现了PID传感器的零空气的偏移稳定化。根据本发明，当不使用和关闭的时候，用催化剂气流(催化的测量气体)对PID传感器进行冲洗。因此，PID传感器总是保持干净，增加了稳定性和使用寿命。仅在紧接与MOX传感器平行的PID传感器操作之前，向PID传感器施加电压，其灯打开。在充分的稳定化时间之后，进行自动调零。在该调节之后，将初始气流分成第一和第二测量气流，将第二测量气流进料到PID传感器。然后以与MOX传感器平行的方式，PID传感器对该第二测量气流进行测量，所述MOX传感器对第一测量气流进行测量。

采用该PID传感器的测量结果，可以对MOX传感器的偏移进行补偿或者对MOX传感器的增益误差进行补偿，或者对MOX传感器进行校准。

催化剂单元的使用不仅实现了PID传感器的单纯偏移稳定化，根据本发明，还实现了MOX传感器的横向灵敏度补偿以及MOX传感器对于其特性曲线的偏移点的确定。

通过PID传感器的方式对MOX传感器的横向灵敏度的补偿是基于传感器操作的不同方式。MOX传感器具有指数特性曲线，其在传感器的制造过程中进行校准并储存在装置中。相反地，PID几乎以线性操作，并用零空气校准。因此，PID传感器能够在约为1级(ISO 8573：低于0.01mg/m³气体的油蒸汽含量)的测量过程中，非常精确地测量零值。

如果测量值劣于1级的话，通过PID传感器的测量值的校准点(也是之前测量的点)，对MOX的横向灵敏度进行补偿，所述校准点绘制在MOX传感器的指数曲线上。将现有测量值(current measured value)用于过程中作为所有先前确定的校准点的统计概率计算的参照量；从测量点的集合去除不可能的点。对于所有其他(即，可能的点、校准点)的平均值，确定新的斜率，通过筛选(filter)缓慢地调节系统斜率。

相反地，对于优于1级的测量值，对偏移值进行纠正并对于偏移值在MOX传感器的指数特性曲线上确定操作点。通过数学算法的方式，可以，甚至是在MOX传感器的情况下(其实际上对于1级测量具有太大的横向灵敏度)，测量低至1级和更好。

测量装置具有评价单元，用于评价测量结果。在第一实施方式中，可以将两个传感器连接至单个评价单元；但是，也设想各个传感器分配有其自己的评价单元。评价单元具有进行必要计算的处理器。可以通过一个或多个传感器测量单独的气流或所有气流的总和，或者通过评价单元进行评价。

此外，提供了显示单元，其显示传感器的测量结果或者通过评价单元计算的值和/或其他信息。优选地，显示单元还可配置成触摸屏形式的输入单元。

通过使用两个传感器，甚至还可在两个传感器中的一个失效的情况下，实现测量装置以紧急模式继续运行。评价单元还能够自主地关闭两个检测传感器中的一个或者气体路径，从而使得测量装置继续是可操作的。有利地，评价单元通过显示单元输出对应的信息，从而可以在第二气体路径或传感器失效以及伴随的整体失效之前，对测量装置进行修复。与之而来的另一个必然优点在于，如果需要的话，可以在无论如何来到的稍后的运行停顿过程中进行相应的修理。

最后，利用相应的误差分析程序，测量装置能够对气体路径中的所有组件自发地进行检查。还可以通过测量装置在正常循环中自发地初始化传感器的参比气体的冲洗，或者由于测量结果的偏差或可疑的测量结果进行传感器的参比气体的冲洗。

此外，根据本发明的测量装置可以配置成如下方式，可以将来自例如储瓶的参比气体分别施加到两个传感器。因而，除了未改变的测量气体和催化的测量气体，参比气流还用于例如对来自传感器的信号强度进行定期地再确定。校准气体(例如，异丁烯)具有规定的烃含量但是不含水分或仅含有非常低的水分。因此，根据本发明，可以对由于测量装置的老化和污染导致的信号强度和测量灵敏度的变化进行可靠的补偿。可以定期自动进行校准测量；但是，也可在任意时候通过用户触发该校准测量。具体来说，可以在误差分析情况下，通过误差分析程序使用它。储存校准测量情况下确定的数据并在任意时候通过评价单元进行取回和使用。

根据本发明，可以将参比气体同时施加到PID传感器和MOX传感器。该功能不仅可用于装置的循环自动校准，还可用于服务情况下的重新校准。参比气体的浓度通常在测量范围上限中，例如500ppb。在开始向两个传感器进料参比气体之后，在合适的稳定化时间之后，对两个传感器的增益值都进行校准。

在向两个传感器平行进料参比气体的情况下，在增益校准期间，不能进行烃含量的测量。但是，根据本发明，对于两个传感器可提供分开的值，这实现了仅向两个传感器的一个进行进料，从而可以分开地进行增益校准，并可将另一个传感器继续用于连续测量。

如果以构件块的形式将技术单元相互结合，则可以特别廉价地生产测量装置。这可涉及，例如阀、节流件、催化剂和传感器。相应的元件和组件是由例如金属制造。

PID传感器具有含取样探针的传感器单元；优选地，两个传感器共同地使用取样探针。在此情况下，传感器单元与评价单元通过信号线相连，或者通过无线方式相连。优选地，取样探针可从上以中心方式安装到升降器中，从而能够从待监测的气流的中心取回气体。传感器单元具有限定的阻流器，其提供单个测量气体的恒定压力和恒定的体积流，并且是通过例如具有限定的孔的节流件或烧结金属形成。它们具有特别低的维护并且易于清洁。此外，提供了警报功能，在气流压力过低或过高的情况下，其以视觉或声音的方式提醒用户。

可以用对应的节流件、阀或减流器对不同气流的流速进行影响。它们优选是可替换的，并且在一个特别有利的实施方式中，它们是可控的，从而能够在一方面对传感器的流速进行调节，并在另一方面，可靠地确保待混合气流的所需的混合比。

由于气体路径中的阀是可单独转换的，还可以同时转换到达传感器的参比气体和测量空气，并稀释测量气体。因而，如果测量空气被极端地污染的话，可以向上扩大测量范围。

常用的氧化催化剂可用作催化剂气体单元；但是，也考虑其他装置或方法，为气体提供所需的性质。例如，可以在没有任何困难的情况下将镀铂的石英棉插入出于该目的的容器中，作为氧化催化剂。也可设想使用活性炭。在一个特别有利的变化形式中，将参比气体产生器整合到测量装置中，从而可以仅在现场连接各种流体和气体进料。

因此，测量装置具有对于相应气体管道的所有连接以及电连接，从而其可以在现场的任意位置进行灵活安装。具体来说，将根据本发明的测量装置分成具有传感器(例如，光致电离原理情况下的取样探针)的传感器单元和具有操作面板(显示器)的评价单元，扩大了对于其位置具有灵活性的现场安装的可能性。具有操作面板的评价单元是小型构造，能够被安装在几乎任何地方，优选安装在易于达到的位置，而略大的传感器单元可放置在与评价单元分开的测量气体取回点的位置。但是，也设想两个组件的组合，并且是有利的。在此情况下，装置是压缩且廉价的，并且因为油蒸汽存在于其气相中，也可使用管或管道进行进料。此外，出于维护目的，组合的单元更易于达到。

优选地，根据本发明的测量装置可用于生产压缩空气或压缩气体的无油压缩压缩机；但是，如果相应的催化剂安装在其下游的话，也可设想用于油润滑的压缩机。优选地，提供旁路进行维护工作。但是，从原理上来说，测量装置也适用于其他使用领域，例如压缩气瓶。

下面将参考附图更详细地解释本发明。在此情况下，附图仅仅以极为简化的示意图的方式显示有利的实施方式；在任意情况下都不将本发明限于此。在附图中：

图1显示测量装置的气体路径的示意图，

图2显示测量装置的测量循环的示意图，

图3显示MOX传感器的特性曲线，用于解释横向灵敏度的补偿，

图1显示测量装置20的气体路径的示意图。其具有两个传感器，作为第一传感器22的金属氧化物半导体气体传感器(下文称作MOX传感器)，以及作为第二传感器24的光致电离传感器(下文称作PID传感器)。

通过气体管道和阀27的方式，将初始气流26分成第一测量气流38和第二测量气流39。

在所示的示例性实施方式中，将(产生催化剂气流36的)催化剂单元34连接在第二传感器24的上游。类似地，将(产生第二催化剂气流32的)第二催化剂单元30连接在第一传感器22的上游。

过滤元件40进行过滤，干燥元件42对初始气流26进而对两个测量气流38、39进行干燥。干燥元件42优选配置成膜干燥器。

此外，在初始气流26中提供压力调节器44和安全阀48。节流件46(优选膨胀节流件)连接在传感器22、24的上游。

第一阀27-1将第二测量气流39切换至第二传感器24，第二阀27-2将催化剂气流36切换至第二传感器24。第三阀27-3将第一测量气流38切换至第一传感器22，第四阀27-4将第二催化剂气流32切换至第一传感器22。

可以将参比气流50通过第五阀27-5进料到两个传感器22、24。其优选来源于外部连接的气瓶，该气瓶含有具有已知烃浓度的气体，例如300-1000ppb，优选500ppb。

任选地，测量装置具有吸声器51。

因此，通过第一阀27-1和第二阀27-2，第二传感器24可交替地供给有第二测量气流39或催化剂气流36。类似地，通过第三阀27-3和第二阀27-4，第一传感器22可交替地供给有第一测量气流38或第二催化剂气流32。可以将参比气流50通过第五阀27-5同时进料到两个传感器。

通过过滤器元件40从初始气流26去除颗粒，通过压力调节器44的方式，将初始气流调节至例如3.8巴。然后通过干燥元件42的方式对初始气流进行干燥，其中烃含量没有变化。因此，在干燥器元件的出口处，可得到露点约为负70℃且烃含量未改变的干燥的初始气流26。两个传感器22、24都可以该干燥的初始气流26运行。

在运行过程中，将第一测量气流38(即，干燥的初始气流26)连续地提供到第一传感器22(MOX传感器)。第一阀27-1关闭，第二阀27-2打开，从而永久地用催化剂气流36对传感器24进行冲洗。在此情况下，第二传感器24在一开始是关闭的。第三阀27-3打开，第四阀27-4和第五阀27-5关闭。

对于第二传感器24的参比测量，其首先打开。在充足的稳定化时间之后，即恒定的基线之后，在没有阀的任意其他切换的情况下，记录第二传感器24的偏移值。由于第二阀27-2已经打开，第二传感器24被催化剂气流36冲洗(即零空气)，并且不含烃类。

在记录了零点之后，关闭第二阀27-2，打开第一阀27-1。现在以第二测量气流39运行第二传感器24(PID传感器)，其与第一传感器22平行工作。

在第二传感器24确定了测量值之后，进行如下决定：

如果测量值低于特定值(其通常对应1级，约5ppb)，通过算法的方式纠正第一传感器22的偏移点。所述算法考虑第一传感器22的指数特性曲线。

如果测量值高于1级，则通过算法的方式纠正第一传感器22的特性曲线的斜率。该算法也考虑第一传感器的指数特性曲线。

在第二传感器24的该参比测量之后，其切换回零空气(即，催化剂气流36)，并关闭运行电压。

可以在第一传感器22中通过第四阀27-4的方式进行零点校准。出于该目的，第三阀27-3关闭，第四阀27-4打开。因此，将第二催化剂气流32(即，零空气)施加到第一传感器22。在充足的稳定化时间之后，可以校准其偏移。

可以通过第五阀27-5的方式，将参比气流50同时施加到两个传感器22、24。这可在装置的自动校准的情况下循环进行，但是也可以在使用过程的情况下进行再校准。

可以通过参比气流50的方式进行增益校准。出于该目的，第一阀27-1至27-4关闭，仅第五阀27-5打开。在合适的稳定化时间之后，可以确定两个传感器22、24的增益值。

根据本发明，可以根据本发明提供另一个阀，其实现两个传感器22、24的分开的增益校准。

图2显示上文所述的测量过程的时序。

图3显示基于第二传感器24的测量结果的第一传感器22的横向灵敏度的补偿的计算。

组界(class boundary)52将曲线分为偏移纠正范围和增益(斜率)纠正范围。除了使用组界52，其他算法也可用于修改偏移和增益或者甚至是指数特性曲线。

如果第二传感器24测得的测量值劣于1级，即如果浓度较高，则第二传感器的现有测量值用作所有先前确定的校准点或测量值的统计概率计算的参照量。然后从测量值的集合去除最不可能的测量值，使用其他、更为合适的测量值的平均值，确定与基准特性曲线53相关的新的斜率和曲线54，通过筛选的方式缓慢地调节系统斜率。

如果测量值优于1级，进行偏移校准，对于偏移值确定第一传感器22的指数特性曲线上的操作点。因此，可以用第一传感器22(其实际上具有太大的横向灵敏度)，测量低至1级并获得可靠的测量结果。

本发明不限于上文所述的示例性实施方式；其仅作为描述作用，不理解为限制作用。

Claims (15)

1.用于检测气体中的烃含量的测量装置(20)，其包括：

-第一传感器(22)，其用于确定测量气流(38)中的烃含量，并用于产生相应的第一测量结果，

-第二传感器(24)，其用于确定第二测量气流(39)中的烃含量，并用于产生相应的第二测量结果，

-评价单元，其用于对两个传感器(22、24)的测量结果进行评价，

-催化剂单元(34)，其用于产生催化剂气流(36)，

其中

-所述第一传感器(22)配置为金属氧化物半导体气体传感器并连续地进行测量，

-所述第二传感器(24)配置为光致电离传感器，并且不连续地进行测量，

-能够将所述催化剂气流(36)进料到所述第二传感器(22)。

2.如权利要求1所述的测量装置(20)，其特征在于，提供了用于产生第二催化剂气流(32)的第二催化剂单元(30)，所述第二催化剂气流(32)能够被进料到所述第一传感器(22)。

3.如权利要求1或2所述的测量装置(20)，其特征在于，通过氧化催化剂形成所述催化剂气体单元(30、34)。

4.如权利要求1-3中任一项所述的测量装置(20)，其特征在于，能够将烃浓度处于所述两个传感器(22、24)的测量范围上限中的参比气流(50)进料到所述两个传感器(22、24)。

5.如权利要求1-4中任一项所述的测量装置(20)，其特征在于，在流动方向中位于所述传感器(22、24)的上游提供过滤器元件(40)，用于对所述测量气流(26)进行过滤。

6.如权利要求1-5中任一项所述的测量装置(20)，其特征在于，在流动方向中位于所述传感器(22、24)的上游提供干燥元件(42)，用于对所述测量气流(38、39)进行干燥。

7.如权利要求5所述的测量装置(20)，其特征在于，所述干燥元件(42)配置为膜干燥器。

8.一种用于检测气流中烃含量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-将第一测量气流(38)连续地进料到第一传感器(22)，所述第一传感器(22)配置成金属氧化物半导体气体传感器，

-确定所述第一测量气流(38)中的烃含量并通过第一传感器(22)的方式产生第一测量结果，

-将第二测量气流(39)不连续地进料到第二传感器(24)，所述第二传感器(24)配置成光致电离传感器，

-确定所述第二测量气流(39)中的烃含量并通过第二传感器(24)的方式产生第二测量结果，

-对两个传感器(22、24)的测量结果进行评价，

-产生催化剂气流(36)，当所述第二传感器(24)关闭或未使用时，将所述催化剂气流(36)进料到所述第二传感器(24)。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

-仅在紧邻使用之前激活所述第二传感器(24)，

-在充足的稳定化时间之后，进行自动调零，

-在所述调零之后，进料所述测量气流(39)。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在两个传感器(22、24)的平行测量之后，对所述两个传感器(22、24)的测量结果进行对比，并且如果需要的话对所述第一传感器(22)进行校准。

11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其特征在于，在进料到所述两个传感器(22、24)之前，通过过滤器元件(40)的方式对所述测量气流(38、39)进行过滤。

12.如权利要求8-11中任一项所述的方法，其特征在于，在进料到所述两个传感器(22、24)之前，通过干燥元件(42)的方式对所述测量气流(38、39)进行干燥。

13.如权利要求8-12中任一项所述的方法，其特征在于，通过参比气流(50)的方式，对所述两个传感器(22、24)进行校准，所述参比气流(50)的烃浓度处于所述两个传感器(22、24)的测量范围上限中。

14.如权利要求8-13中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述第二传感器(24)的测量值劣于1级(ISO 8573)，则通过如下方式对所述第一传感器(22)的横向灵敏度进行补偿：

a.将所述第二传感器(24)的现有测量结果用作对于所述第一传感器(22)的先前确定的校准值的统计概率计算的参照量，

b.从先前的校准值的集合去除最不可能的校准值，

c.通过从去除了最不可能的校准值之后的所述先前的校准值的集合得到的平均值，确定测量曲线的斜率，

d.通过筛选的方式调节系统斜率。

15.如权利要求8-14中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述第二传感器(24)的测量值优于1级(ISO 8573)，则通过如下方式对所述第一传感器(22)的偏移值进行纠正：

a.从所述第一传感器(22)的测量结果，确定测量曲线上的操作点，

b.计算用于纠正所述第一传感器(22)的所述偏移值的数值，

c.在所述偏移值的确定中，考虑所述第一传感器(22)的指数特性曲线。