CN106687796A - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

用于测量气体(1)的性质的气体传感器(2)，其包括气体粘度传感器(4)以及测量室系统(15)，气体粘度传感器(4)包括与要测量的气体(1)接触的气体接口部分(20)，测量室系统(15)包括测量室(16)、使测量室(16)与气体接口部分(20)流体连接的第一阻力通道(18)、被配置为在测量室内产生压力变化的压力发生器(25)，以及被配置为测量测量室内的气体压力的随时间变化的压力传感器(28)，测量室内的压力因通过阻力通道的气流所致的随时间变化与气体的粘度相关。气体粘度传感器还包括基准室系统(21)，该基准室系统(21)包括基准室以及使基准室(22)与气体接口部分(20)流体互连的第二阻力通道(24)，基准室(22)被耦接至测量室的压力传感器(28)，使得该压力传感器被配置为测量测量室内的压力与在基准室内的压力之间的压差。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及用于确定气体(特别是可燃气体)的性质的传感器，从而优化其燃烧。
背景技术
在许多应用中，例如通过本发明来测量以确定气体参数是有用的。特别地，在天然气的情形中，除了其它应用以外，尤其有用的是已知天然气的一些性质从而优化燃烧并且以安全的方式来操作燃烧器或引擎，以监测天然气或沼气的生产或混合，或者监测遍及天然气供应链所传递的能量。
天然气来自各种来源，并且在到达其使用点之前被网络操作者多次混合。这意味着天然气的成分可能显著地变化，并且这对于为了确保优化的燃烧的空气需求有影响。为了确保系统内的优化的燃烧所需的优化的空气(氧气)随着天然气成分的变化以及感兴趣的两个参数λ值和沃泊指数(Wobbe index)(Wo)而变化。
可以通过测量气体粘度来确定沃泊指数，这将在下文更详细地描述。但是，气体粘度与沃泊指数的关系并不是完美的，并且这也就是为什么可以通过使用相同气体的热传导率的测量结果或者二氧化碳含量的测量结果来校正气体粘度的测量结果，如同下文所描述的。
燃料的化学计量空气需求量是完全燃烧1摩尔燃料气体所需的干燥空气(空气仅含20.9％的氧气)的量。对于每摩尔烃类燃料CxHy，为了实现完全燃烧所需的空气/燃料(A/F)比由下式限定：
下面的表1示出了所选的烃以及它们相应的空气需求量：
表1：对于所选的链烷烃的燃烧的空气-燃料比需求
对于具有成分[Xi]的气体混合物，空气-燃料比可以根据下式来计算：
λ值由下式定义：
在燃烧时，燃料和空气流的容积V’通过以下关系依赖于密度ρ：
其中是进气口两侧的压降，并且C是某个常数。由于对密度的依赖关系，因而必须通过以下定义来引入燃烧空气需求指数CARI：
如果CARI是已知的，则可以调整空气流以获得所需的λ值。沃泊指数Wo确定所需的空气流，并且沃泊指数被定义为
其中H0是热值。
结果是，对于天然气的成分范围，可发现沃泊指数和CARI的关系如下：
W＝97.732CARI-29.692
由于各种原因，在文献中通常经由沃泊指数而非CARI来讨论获得λ的校正值的要求。对于工业应用，沃泊指数是气体的可交换性的重要标准。当沃泊指数几乎保持恒定时，气体成分变化不改变燃烧的速度和空气需求量。但是，沃泊指数与粘度之间的关系并非是完美的。
对λ的校正值的选择还取决于应用。在天然气设备或引擎内，燃料的质量经受变化，因此为了控制燃烧，知道沃泊指数是有用的。可以在燃烧之前、期间及之后测量沃泊指数。在燃烧期间测量的方法基于火焰发射的电离电流和/或温度探测。燃烧后方法使用氧气传感器(过量空气比)以确定燃烧的空气/燃料比。这些方法的缺点在于它们是复杂的且昂贵的。此外，可靠性也是问题，因为它们位于燃烧室内或者燃烧的排气装置内，并且使它们倾向于漂移。而且，那些方法当中没有一种对点火应用有帮助。将传感器安装在入口内允许在设备启动之前改变空气/燃料比从而避免点火问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供能够准确测量气体的粘度，同时为紧凑的且生产和组装成本低的传感器。
对于与可燃气体(特别是天然气)相关的应用，本发明的一个更具体的目的是提供能够准确测量气体的沃泊指数，同时为紧凑的且生产和组装成本低的传感器。
有益的是提供可靠的、容易实现的且使用成本低的气体传感器。
有益的是提供在其预期使用寿命内鲁棒且稳定的气体传感器。
如同在出版物“Natural gas:physical properties and combustion features”中所示出的，Bonne等人(2006)提出了以下通用公式
其中λ是热传导率(cal/s m℃)，而TL、TH分别为低温和高温(℃)，η是气体粘度(微泊(μpoise))。
通过在两个温度处测量气体的热传导率，可以确定较高的加热值(HHV)，并且可以提高沃泊指数测量的准确度。
而且，还可以使用二氧化碳传感器来提高沃泊指数测量的准确度。
根据本发明的实施例的气体传感器被配置为测量气体的粘度，以及选自气体的热传导率、二氧化碳含量、温度、压力、湿度和沃泊指数的一个或多个额外参数。这些额外参数对于获得λ的校正值是有用的。
存在众多应用实例，在这些应用实例中系统可以获益于可靠的、鲁棒的、紧凑的、节约成本的，且可以在天然气设备或引擎的入口内工作的，或者用于天然气生产、混合或分配的沃泊指数传感器。实例的非穷尽性列表包括：锅炉、炉子、热水器、热电联产引擎(co-generation engine)、涡轮机、微涡轮机、燃料电池。
具有可调整的空气/燃料比的天然气设备和引擎可以获益于根据本发明的实施例的沃泊指数传感器。传感器可以被集成于设备或引擎的天然气入口内，并且确保燃烧保持为高效的。在天然气的成分改变时，设备或引擎的优化的空气需求量可以基于在设备或引擎的入口内测得的沃泊指数来调整。此外，由于沃泊指数甚至在设备启动之前测量，因而点火问题得以减少，并且设备或引擎可以从恰好优化的空气需求量启动。沃泊指数传感器是可靠的，因为它不与气体反应，是鲁棒的且不具有任何移动部分，是紧凑且节约成本的，使其可被集成于各种天然气设备或引擎内。
对于在天然气交通工具(卡车、汽车、摩托车、船、飞机)中的应用，用于交通工具的天然气燃料的成分依赖于加气站的位置存在着强烈的变化，并且在冬天与夏天之间成分还存在着重要的季节性变化。这使得天然气交通工具的燃料箱(tank)内的不同燃料成分的混合效果难以预测。为了克服与燃料成分的变化相关联的点火和燃烧问题，可以集成根据本发明的沃泊指数传感器以测量天然气交通工具的燃料的参数。因此，成分的空气/燃料比可以在点火之前或者在燃烧期间被调整为优化状态。
对于沼气生产和火炬气(gas flare)的应用，需氧、厌氧及混合型生物反应器由于各种生物降解材料的发酵而产生沼气。要控制给料速率并且确保反应的稳定性，对所产生的气体的甲烷含量的监测是必要的。对于生物消化反应的控制，一个重要的参数是测量所产生的沼气的甲烷含量。由于甲烷含量可以与沃泊指数相关，因而根据本发明的实施例的气体传感器可以被应用于沼气生产监测。原料被给送到生物消化器内的速率可以由所产生的沼气的沃泊指数的输出测量结果控制。此外，本传感器可以测量流过燃烧出口的气体的沃泊指数，并且气体基于该信息被燃烧或释放。
对于在天然气分配或者被集成在气体计内的应用，根据本发明的实施例的气体传感器可以与气体流量计集成在一起。这样的系统可以提供关于在天然气网的某点处所输送的体积和能量含量的数据。
对于便携式应用，根据本发明的实施例的气体传感器足够紧凑和低功耗以便集成于便携式沃泊指数计内。这样的手持式仪器可以用电池来运行，并且可以连接至天然气管线以测量气体的沃泊指数。
在需要时，本发明还可以简单地用于对气体粘度的测量。
本文公开了一种用于测量气体的性质的传感器，其包括气体粘度传感器以及测量室系统，气体粘度传感器包括与要测量的气体接触的气体接口部分，测量室系统包括测量室、使测量室与气体接口部分流体连接的第一阻力通道(resistive passage)、被配置为在测量室内产生压力变化的压力发生器，以及被配置为测量测量室内的气体的压力随时间变化的压力传感器，在测量室内的压力因通过阻力通道的气流所致的随时间变化与气体的粘度相关。气体粘度传感器还包括基准室系统，基准室系统包括基准室以及使基准室与气体接口部分流体互连的第二阻力通道，基准室被耦接至测量室的压力传感器，使得压力传感器被配置为测量测量室内的压力与基准室内的压力之间的压差。
在一种有益的实施例中，第一阻力通道和第二阻力通道为毛细管道的形式。
在一种有益的实施例中，压力传感器包括弹性可变形膜，该弹性可变形膜的位移提供了压差的测量值，可变形膜形成了测量室内容纳的一定量的气体与基准室内容纳的一定量的气体之间的界面。
在一种有益的实施例中，测量室系统的压力发生器包括位于测量室内且被配置为加热其中的气体的加热器，以及用于冷却测量室内的气体的热量排出器(heatevacuator)。
在一种有益的实施例中，热量排出器的形式为由大量导热材料形成的散热器，其中该导热材料的热容显著大于测量室内容纳的气体的热容。
在一种有益的实施例中，散热器由热扩散率大于8×10-5m2/s的金属块制成。
在一种有益的实施例中，气体传感器还包括包含电路板的信号处理电路。
在一种有益的实施例中，测量室在设置于测量室系统的散热器内的腔体内形成。
在一种有益的实施例中，压力发生器包括加热器，该加热器包括电阻元件，该电阻元件被形成为电路板上的电阻电路迹线，或者被形成为直接安装在电路板上的电阻元件。
在一种有益的实施例中，基准室被布置在电路板上与测量室相对的一侧上。
在一种有益的实施例中，压力传感器被安装在基准室内并且经由电路板内的孔口与测量室流体连接。
在一种有益的实施例中，气体接口部分包括外壳，外壳限定气体接收室，该气体接收室经由入口和出口连接到要测量的气体流过的气流系统。
在一种有益的实施例中，传感器还可以包括选自CO2传感器、湿度传感器、温度传感器、热传导率传感器、绝对压力传感器的一个或多个辅助传感器。
在一种有益的实施例中，辅助传感器至少包括CO2传感器。
在一种有益的实施例中，至少一些辅助传感器位于气体接口部分的气体接收室内。
在一种有益的实施例中，至少一些辅助传感器被安装在电路板上。
附图说明
根据权利要求书、具体实施方式及附图，本发明的其他目的和有益特征将是显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的一种实施例的气体传感器的示意图；
图2a、3a和4a是根据本发明的一种实施例的气体传感器的局部的透视截面图，而图2b、3b和4b是图2a、3a和4a的相应部分的详细视图；
图4a是图2a的气体传感器的另一个局部的透视截面图，而图4b是图4a的一部分的详细视图；
图5是在根据本发明的一种实施例的气体传感器的测量室内的压力-时间关系的图形表示；
图6是在根据本发明的一种实施例的气体传感器的测量室内的压力-时间关系的图形表示；
图7是不同的气体N2、CO2和CH4的粘度-沃泊指数值的图形表示；
图8是根据本发明的一种实施例的气体传感器的测量室的温度-时间关系的图形表示；
图9a、9b是根据本发明的一种实施例的气体传感器在组装期间的透视图；
图10是表示在不同温度处不同可燃气体的动态粘度和沃泊指数之间的已知关系的图示；
图11a是示出用风扇吹动空气且使用没有基准室和毛细管的气体传感器(即根据现有技术)的实验装置的所测量的压力随时间变化的试验结果的图示；
图11b是示出用风扇吹动空气且使用根据本发明的一种实施例的具有基准室和毛细管的气体传感器的实验装置的所测量的压力随时间变化的试验结果的图示。
具体实施方式
参照附图，主要从图1和2a至4b开始，根据本发明的一种实施例的气体传感器2被配置为用于测量气体1的粘度，并且可以被进一步配置为测量气体的其他性质，包括例如温度、湿度、热传导率、某些气体组分(特别是CO2(二氧化碳))的比例及其绝对压力。对气体的粘度以及前文所提及的其他参数的测量对于确定气体的沃泊指数以优化其燃烧特别有用。如同上文在介绍部分所讨论的，天然气可以包括各种可燃成分，使得为获得化学计量(stoichiometric)燃烧所需的氧气或空气的量不仅根据气体的成分而变化，而且也根据气体的温度和压力而变化。然而，可以注意到，在本发明的范围内，在气体传感器中对粘度的确定以及对其他参数(例如，压力、温度、湿度、CO2含量、绝对压力)的确定可以用于与对沃泊指数的确定无关的其他应用，例如，用于评估气体成分的纯度，例如在形成N2和H2的气体混合物时。
根据本发明的一种实施例，气体传感器2包括气体粘度传感器4、辅助传感器6和信号处理电路8，信号处理电路8被配置为对传感器的操作进行电子控制并处理所测量的信号，从而输出与气体1的所测量的性质相关的一个或多个测量值。测量值可以包括粘度、湿度、温度、压力、热传导率以及其他测量值中的任何一个或多个，或者从各种基础测量值的计算得出的或者从与它们的相互关系得出的复合测量值，例如沃泊指数值。所输出的一个或多个测量值可以由外部控制系统用来控制例如可燃气体在发热设备中或者在引擎或基于气体燃烧的任何设备中的燃烧过程。
气体传感器4可以形成安装在共同外壳内或共同支撑结构14上的单个单元，但是在本发明的范围内还可以具有多个结构上独立的且可分离的传感器或构件。例如，气体粘度传感器和辅助传感器可以是单独的构件，尽管在优选的实施例中，各种传感器被集成于单个单元内以用于紧凑且节约成本的布置。信号处理电路8可以包括电路板10以及安装在电路板上且与传感器(例如，气体粘度传感器4和辅助传感器6)电互连的一个或多个微处理器或微控制器12。
辅助传感器6可以有益地包括二氧化碳传感器44、湿度传感器46、温度传感器48、热传导率传感器50和绝对压力传感器52。这些辅助传感器可以有益地安装在气体接口部分20的外壳36内，该气体接口部分20包括与气体接收室48通信的入口40和出口42，其中辅助传感器可以安装在气体接收室48内。如上所述，还可以将一些或全部辅助传感器安装在气体传感器的其他单元内或者其他部分内。
要测量的气体1经由入口40流入气体接收室38内，并经由出口42流出，辅助传感器6与要测量的气体接触。
气体粘度传感器4包括测量室系统15，测量室系统15包括通过至少一个阻力通道18与气体接收室38流体互连的测量室16，测量室16还包括压力发生器25和压力传感器28。阻力通道形成限制气体流入和流出测量室的流体阻力。测量室封闭一定量的气体，在该测量室内压力可以相对于气体接口部分正向或负向变化。
在优选的实施例中，压力发生器包括加热器26和热量排出器30。
加热器是可以将热量传递到腔体内的气体以促使压力增加的构件。加热器可以是各种类型的，例如，电阻加热器、超声波发射器、微波发射器、红外灯或感应加热器。在一种有益的实施例中，加热器可以包括具有电阻导电区的薄隔膜，该电阻导电区由支撑结构大致保持于测量室的中央。加热器被配置为相对于热量排出器有低热容，以确保在加热器关闭时气体的快速冷却。
热量排出器30可以是由高导热性材料制成的被动散热器的形式，其中高导热性材料的热容高于测量室16内容纳的气体的热容。热量排出器可以通过自然对流被冷却，或者可以通过流体冷却系统被主动冷却，尽管根据本发明在优选的实施例中由例如相对大的金属块构成的被动冷却式散热器提供了充分有效的冷却效果以确定气体的粘度。要提高传感器的精确度，重要的是在测量室内的气体与加热器(相应地，热量排出器)之间具有高的热传导率。图8针对两种热导率不同的散热材料示出了测量室内的气体的温度从加热器关闭的时刻起的衰减。较长的温度衰减将会对测量室内的压力正常化的时间常数有较大的影响，因而如果绝对温度在测量之间不受控制，则压力增加的时间常数将会变化。由于精确地控制腔体内的气体的温度将会是困难的，因而使在气体与测量室热量排出器之间的热量传递最大化提高了传感器的精确度。
在优选的实施例中，测量室16至少部分地形成为散热器30内的腔体，散热器30可以由可以保持气体并高效地将热量从气体传导出去的任何材料构成，所述材料例如是金属(如铜、铝)或者陶瓷(如氧化铝、氮化铝)、复合材料(如碳和石墨填料)及石墨(如热解石墨)。测量室的内部应当具有高的表面积与体积比，以使从气体的热传导最大化，因而薄的扁平表面是有益的。体积/表面积比优选地极小化为小于40cm，更优选地小于35cm。散热器块可以由具有高热导率和高热容的单个材料或者材料的组合(如铝、碳钢或铜)制成。包含测量室的散热器可以被进一步安装在或附接于具有高的热容和热导率(例如铝或铜)的其它散热器元件以将热量从测量室排出，从而确保在加热器关闭之后室内的温度快速返回至环境温度。
共同支撑结构14可以有益地充当传感器的主散热板。可以选择共同支撑结构的材料和质量使得它的具体比热容被配置为使得在测量期间温度不会显著升高，例如，小于0.5℃。
特别地且在优选的实施例中，阻力通道18可以为毛细管道形式，即长的小直径管道，该管道被配置为提供以指数时间常数限制流入和流出测量室16的流体阻力，其中指数时间常数允许在气体由于测量室内的压力与气体接收室38内的压力之间的压差而流入和流出测量室时对测量室内的压力的变化进行充分准确的测量。在气体粘度传感器中，毛细管道的概念本身是众所周知的，并且其尺寸和特性并不需要进一步公开。毛细管是导致对流过例如材料块(如硅、金属、塑料或陶瓷)内的直的或弯曲的管道或通道的气体的流体阻力的任何结构。还可以存在形成阻力通道的多于一个的毛细管道。然而，在本发明的范围内，也可以使用其它类型的气流阻力通道，例如，利用过滤元件阻塞的通道、气体透过膜或者简单地具有小孔口的壁。
压力传感器28被配置为测量测量室内的压力，并且特别地用于测量测量室内的压力根据压力发生器25的操作而变化的变化。
根据本发明的一个方面，气体粘度传感器4还包括基准室系统21，基准室系统21包括经由第二阻力通道24与气体接口部分20(更具体地，与气体接收室38)流体连接的基准室22，基准室22经由接口部分32耦接至压力传感器28。在前述配置中，压力传感器28被配置为测量测量室16与基准室22之间的压差。这有益地允许针对气体接收室38内的压力变化进行调整，特别是允许消除气体接收室内的压力变化对粘度测量的影响。在这方面，阻力通道24可以具有与第一阻力通道18相似或相同的配置，从而对于流入和流出基准室的气体具有与对流入和流出测量室的气体的阻力行为相似的阻力行为。
选择基准室22和第二阻力通道24的尺寸使得基准室的时间常数优选地不小于测量室的时间常数的10％。
在一种有益的实施例中，压力传感器28可以包括膜传感器，膜传感器包括形成测量室16与基准室22之间的界面的柔性膜，使得该膜直接受测量室与基准室之间的压差影响。相似的或相同的阻力通道18和24确保气体接收室38内的压力波动对阻力通道18、24的测量室端(相应地，基准室端)处的压力具有相似或相同的时变效应(具有相似的时间常数)。从而，第二阻力通道和基准室抑制在第一阻力通道的与测量室连接的端部处的压力的快速变化。这降低了压差测量中的噪声，并保护压差变送器免受压力冲击(外部压力快速变化至极高值或极低值)影响。
有益地，基准室系统还可以包括热量排出器34(例如，以被动散热器的形式)，热量排出器34包括例如充分大量的导热材料，使得基准室散热器的温度与测量室散热器30的温度基本相同或非常接近，从而使温度变化对压差测量的影响极小化。
在一种实施例中，有益地，测量室16和基准室22可以被布置在电路板10的相对侧，由此，热量排出器34位于电路板的与热量排出器30相对的一侧，其中热量排出器34的形式为基准室系统22的散热器，热量排出器30的形式为测量室系统15的散热器。热量排出器可以由金属(优选为铜或铝或其合金)的块形成，该金属块可以接合到电路板的表面或者焊接或钎焊到电路板上。
测量室系统15的压力传感器28可以有益地位于基准室系统21的基准室22内，通过电路板10内的孔口53与测量室16通信。
压力传感器28可以有益地安装在专用电路板54上，专用电路板54还形成了测量室16的外壳的一部分，测量室外壳通过安装在独立电路板54上的帽部56完成。独立电路板可以设置有电路迹线以及其它电子构件(如果需要)，电路迹线具有用于连接到信号处理电路8的电路板10的接触焊盘。
例如测量室系统15、基准室系统的热量排出器34、微控制器12、气体接收室38的外壳36等各种构件可以由自动装配机器的拾取与放置工具58放置在电路板10上，从而降低组装成本。辅助传感器6也可以借助于拾取与放置工具被放置在电路板上。
如图4a所示的支撑结构14可以形成气体传感器2的外壳(未示出)的一部分，气体传感器2适于位于流过要测量的气体1的环境中，或者适于经由入口和出口连接到流过或容纳要测量的气体1的导管或容器。
绝对压力传感器52可以被用来针对通过毛细管的气流因样品气体的绝对压力的水平所致的变化进行校正。
温度传感器48可以被用来针对通过阻力通道18的气流因温度变化所致的变化进行补偿。
湿度传感器46可以被用来针对通过阻力通道18的气流因要测量的气体1的水分含量的变化所致的变化进行补偿。
根据所要求的准确度，可以添加热导率传感器50以通过在两个温度处测量气体的热导率来提高沃泊指数测量的准确度。
还可以使用CO2传感器44来提高沃泊指数测量的准确度。图7示出了N2、CO2和CH4的混合物之间的关系，其中标记了每种气体的100％混合物。可以看出，CO2的粘度低于N2，因而在测量中将会引入较大的误差，因为该粘度较接近于CH4的粘度。因而，测量CO2的浓度以降低从气体的粘度到其沃泊指数的转换中的误差是有益的。
信号处理电路8可以包括用于存储来自传感器的基于时间的数据的存储单元。然后可以处理数据以根据压差数据的曲线来确定粘度并将该粘度与所存储的校准值比较，其中使用来自绝对压力、温度和湿度变送器的数据来补偿该压差数据。另外，电路可以具有用于开启和关闭加热器并且在加热器开启时控制加热器的温度的设施。此外，信号处理单元可以存储查找表或公式以将粘度测量结果转换成沃泊指数值。使用来自热导率传感器的数据，可以提高沃泊指数测量的准确度，并且可以确定较高的加热值(HHV)。替代地或者与热导率变送器相结合，CO2变送器还可以被用来提高沃泊指数测量的准确度。在沃泊指数和HHV被计算出之后，信号处理电路可以将数据传送给其它装置或人类操作者。
压差传感器28可以包括柔性膜55(例如硅膜)，柔性膜55具有压阻元件以测量表示测量室内部与外部之间的压力差的膜的形变。在没有噪声扰动的情况下，膜外侧的压力应当与阻力通道18的气体接收侧处的压力基本相等。
用于绝对压力、温度、湿度、热导率和CO2的变送器可以被实现为单独的硅管芯或表面安装构件，并且可以使用模拟或数字信号将它们的输出传送给信号处理电路。信号处理电路可以包括数字微控制器12，数字微控制器12可以从变送器读取模拟和数字输出，并且进一步将数据存储于存储器并执行对压差测量结果、绝对压力数据、湿度数据和温度数据的分析，以确定气体粘度。然后，利用热导率测量结果和CO2测量结果，可以使用存储于存储器内的查找表或数学公式来计算沃泊指数和较高的加热值。
要测量粘度、沃泊指数和较高的加热值，可以以例如以下两种操作模式中的任一种来操作信号处理电路：
1.加热器26被开启并向气体供应热量，并且气体的温度被保持恒定。这造成测量室与毛细管的气体接收端之间的压力差初始快速上升。由于测量室内的气体的温度保持恒定，因而气体流过毛细管，导致压力差以指数衰减的方式下降，由此测量时间常数。当压力差返回至零时，加热器被完全关闭，导致热量通过测量室的壁被传递到散热器30时气体温度快速下降。这导致测量室与毛细管端部之间的压力快速下降，从而导致气体通过毛细管流回。在气体流回时，压力以逆指数衰减增加至零，由此测量时间常数。传感器可以通过再次开启加热器并重复该方法来连续测量，从而允许两个时间常数测量结果——一个在气体离开测量室时测得，而另一个在测量室吸入气体时测得。
2.第二个模式是，如同上文那样加热测量室内的气体，但是不必然要控制温度。出于安全原因限制最大温度(以防止燃烧或碳化)。这导致压力快速增加并且后续的气体通过毛细管流出腔体。在短时间段内允许气体的流动继续进行，之后关闭加热器。气体中的热量通过测量室的壁快速传递到散热器，从而导致测量室与毛细管端部之间的负压力差。在气体通过毛细管流回时，压力差以逆指数衰减的方式返回至零。测量该指数衰减的时间常数。
对于这两种模式，粘度η按照η＝α×τ×P0来计算，其中α被定义为传感器常数——毛细管和测量室的尺寸，τ为压差测量的时间常数，并且P0是传感器外部的气体的绝对压力。使用温度数据来补偿α值的变化，α值相应于温度变化而变化。
传感器可以被组装到单个或多个平面基板上，例如印制电路板10、混合厚膜或低温共烧陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic)。这将会允许粘度计、毛细管、压差变送器、加热器和测量室与构造信号处理电路和附加的变送器(绝对压力、温度、湿度、热导率和CO2变送器)所必需的电子器件组装在一起。这些构件可以作为焊接表面安装构件或者作为硅管芯被组装在基板上，以形成多芯片模块(Multi Chip Module,MCM)。传感器的平面结构使得传感器可以使用自动化方法来组装，例如，通常用于组装电子器件的机器人拾取与放置机器。这允许以低成本来制造传感器。
参照图11a和11b，传感器被置于室内以测量空气的粘度。使用风扇以生成湍流(即随机扰动空气压力)。在可与(US2009/0229351 A1)所描述的气体传感器的配置相当的配置中，传感器仅配备有一个与测量室16连接的毛细管，并且使基准室26对湍流空气开放。
压差测量的输出由图11a底部的曲线示出，并且其自然对数示于上方。由湍流空气产生的噪声在两个图示中清晰可见。
根据本发明的一种实施例，第二传感器装配有基准室26和毛细管24，并且在与上述实验相同的条件下测试第二传感器。测试结果如图11b所图示，并且表明在没有改变瞬态信号的情况下压力测量结果的平滑度有提高。这可以从压差曲线以及上方示出的压差的自然对数中看出。

Claims (15)

1.一种用于测量气体(1)的性质的气体传感器(2)，所述气体传感器(2)包括气体粘度传感器(4)以及测量室系统(15)，所述气体粘度传感器(4)包括与要测量的所述气体(1)接触的气体接口部分(20)，所述测量室系统(15)包括测量室(16)、使所述测量室(16)与所述气体接口部分(20)流体连接的第一阻力通道(18)、被配置为在所述测量室内产生压力变化的压力发生器(25)以及被配置为测量所述测量室内的气体的压力的随时间变化的压力传感器(28)，所述测量室内的压力因通过所述阻力通道的气流所致的所述随时间变化与所述气体的粘度相关，其特征在于，所述气体粘度传感器还包括基准室系统(21)，所述基准室系统(21)包括基准室以及使所述基准室(22)与所述气体接口部分(20)流体互连的第二阻力通道(24)，所述基准室(22)被耦接至所述测量室的所述压力传感器(28)，使得所述压力传感器被配置为测量所述测量室内的压力与所述基准室内的压力之间的压差。
2.根据以上权利要求所述的气体传感器，其中所述第一阻力通道(18)和第二阻力通道(24)的形式为毛细管道。
3.根据以上权利要求中的任一项所述的气体传感器，其中所述压力传感器包括弹性可变形膜(55)，所述弹性可变形膜(55)的位移提供了所述压差的测量值，所述可变形膜形成了在所述测量室内容纳的一定量的气体与所述基准室内容纳的一定量的气体之间的界面。
4.根据以上权利要求中的任一项所述的气体传感器，其中所述测量室系统的所述压力发生器(25)包括位于所述测量室内并且被配置为加热其中的所述气体的加热器(26)，以及用于冷却所述测量室内的所述气体的热量排出器(30)。
5.根据以上权利要求所述的气体传感器，其中所述热量排出器(30)的形式为由大量导热材料形成的散热器，所述导热材料的热容显著大于所述测量室内容纳的所述气体的热容。
6.根据以上权利要求所述的气体传感器，其中所述散热器由热扩散率大于8×10-5(m2/s)的金属块制成。
7.根据以上权利要求中的任一项所述的气体传感器，还包括信号处理电路(8)，所述信号处理电路(8)包括电路板(10)。
8.根据任一以上权利要求所述的气体传感器，其中所述测量室(16)形成于设置在所述测量室系统的散热器(30)内的腔体中。
9.根据与权利要求7结合的任一以上权利要求所述的气体传感器，其中所述压力发生器包括加热器(26)，所述加热器包括电阻元件，所述电阻元件被形成为所述电路板上的电阻电路迹线，或者被形成为直接安装在所述电路板上的电阻元件。
10.根据与权利要求7结合的任一以上权利要求所述的气体传感器，其中所述基准室(22)被布置在所述电路板的与所述测量室(16)相对的一侧上。
11.根据以上权利要求所述的气体传感器，其中所述压力传感器(28)被安装在所述基准室内，并且经由所述电路板内的孔口(53)流体连接至所述测量室。
12.根据以上权利要求中的任一项所述的气体传感器，其中所述气体接口部分(20)包括外壳(36)，所述外壳(36)限定气体接收室(38)，所述气体接收室(38)经由入口(40)和出口(42)连接到要测量的所述气体(1)流过的气流系统。
13.根据以上权利要求中的任一项所述的气体传感器，还包括选自CO2传感器(44)、湿度传感器(46)、温度传感器(48)、热导率传感器(50)、绝对压力传感器(52)的一个或多个辅助传感器(6)。
14.根据以上权利要求所述的气体传感器，其中所述辅助传感器至少包括CO2传感器。
15.根据前两项权利要求中的任一项所述的气体传感器，其中所述辅助传感器中的至少一些位于所述气体接口部分(20)的气体接收室(38)内。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110018107A (zh) * 2019-05-08 2019-07-16 贵州大学 一种可改变混合气体黏度的等温吸附装置及操作方法
CN110220636A (zh) * 2019-07-05 2019-09-10 中国计量大学 一种毛细连通管式差压传感器及测量方法
TWI676012B (zh) * 2018-10-19 2019-11-01 國立彰化師範大學 氣體對流熱傳導量測系統
CN114487305A (zh) * 2018-03-07 2022-05-13 霍尼韦尔国际公司 气体检测器中的抽水冷却系统

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE1550220A1 (sv) 2014-02-28 2015-08-29 Scania Cv Ab Avgasbehandlingssystem och förfarande för behandling av en avgasström
SE539803C2 (en) * 2015-06-05 2017-12-05 Scania Cv Ab A method and a system for determining a composition of a gas mix in a vehicle
DE102015117468A1 (de) 2015-10-14 2017-04-20 Endress+Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
DE102016121226A1 (de) 2016-11-07 2018-05-09 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zum Bestimmen von Eigenschaften eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches und Vorrichtung dafür
US11054329B2 (en) * 2017-09-18 2021-07-06 Apple Inc. Electronic devices having pressure sensors with heaters
JP2019127524A (ja) * 2018-01-24 2019-08-01 東京瓦斯株式会社 バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法
WO2019226272A1 (en) * 2018-05-21 2019-11-28 Bloom Energy Corporation Fuel cell system including wobbe index detector and method of operating same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
EP1707940A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-04 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Gas viscosity sensor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080087070A1 (en) * 2006-10-12 2008-04-17 Van Putten Mauritius H P M Gas-energy observatory with Wobbe-index
RU2348918C2 (ru) * 2007-03-19 2009-03-10 Закрытое акционерное общество Научно-производственная фирма "СейсмоСетСервис" (ЗАО НПФ "СейсмоСетСервис") Плотномер жидких или газообразных сред

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311447A (en) * 1991-10-23 1994-05-10 Ulrich Bonne On-line combustionless measurement of gaseous fuels fed to gas consumption devices
EP1707940A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-04 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Gas viscosity sensor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
小林比吕志: "用毛细管法绝对测定氮气的粘度", 《国外计量》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114487305A (zh) * 2018-03-07 2022-05-13 霍尼韦尔国际公司 气体检测器中的抽水冷却系统
TWI676012B (zh) * 2018-10-19 2019-11-01 國立彰化師範大學 氣體對流熱傳導量測系統
CN110018107A (zh) * 2019-05-08 2019-07-16 贵州大学 一种可改变混合气体黏度的等温吸附装置及操作方法
CN110220636A (zh) * 2019-07-05 2019-09-10 中国计量大学 一种毛细连通管式差压传感器及测量方法
CN110220636B (zh) * 2019-07-05 2020-12-15 中国计量大学 一种毛细连通管式差压传感器及测量方法

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