CN107430081A - 臭氧浓度分析仪及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

用于分析臭氧浓度的方法，包括步骤：提供至少一个催化室，所述催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径；通过所述至少一个催化室的所述入口部沿着所述臭氧分解路径接收含有臭氧的气流样品；沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将所述气流样品中的全部臭氧分解成氧气；测量第一位置的第一温度值，并测量第二位置的第二温度值，所述第一和第二位置与所述入口部和出口部相关；基于所述第二温度值和所述第一温度值之间的温差以及校准数据，评估所述气流样品的臭氧浓度；以及产生指示评估的臭氧浓度的信号。

Description

臭氧浓度分析仪及其使用方法
技术领域
该改进通常涉及热催化效果的气流的臭氧浓度的测量领域，更具体地涉及工业级臭氧浓度的测量。
背景技术
一种用于测量大气级臭氧的浓度的已知技术包括使气流沿着腔室流动并且使用热敏电阻测量腔室的上游位置处的参考温度值和用催化剂覆盖的热敏电阻测量腔室的下游位置处的瞬时温度值之间的温差。随着气流沿着腔室流动，与催化剂覆盖的热敏电阻接触的气流中的臭氧可以在放热反应中分解，该放热反应引起催化剂覆盖的热敏电阻的加热和温差的升高。大气级臭氧浓度的评估可以取决于气体压力、流量、腔室内热敏电阻的瞬时位置等各种参数。
此外，一种用于测量工业级臭氧浓度的已知技术包括将气流分成保持不变的参考流，以及测量流，测量流通过穿过活性炭床使臭氧放热分解成氧气。为了适当地比较参考流和测量流，后者必须表现出相对相似的温度和压力值。然而，由于臭氧的化学分解倾向于在测量流内产生过量的热量，所以在比较热导率和评估气流中的臭氧浓度之前，通常必须使用冰水浴将后者冷却至参考流的温度。虽然适用于工业臭氧级，但是由于参考流和测量流的不同性质，通常引入偏差(biases)。
虽然本领域已知的技术在一定程度上是令人满意的，但仍有改进的余地。例如，现有技术通常需要补偿压力和温度的变化。一般来说，在简化臭氧浓度测量方面仍有改进的余地。
发明内容
提供一种用于分析工业臭氧浓度的方法，沿着热绝缘的催化室的臭氧分解路径提供气流，该热绝缘的催化室包括多个催化颗粒。气流穿过多个催化颗粒引起放热反应，该放热反应沿着臭氧分解路径将气流中的全部臭氧分解成氧气。通过测量催化室的入口部的第一温度值，以及测量催化室的出口部的第二温度值，可以基于催化室的出口部和入口部之间的温度的上升评估臭氧浓度。催化室内部的臭氧的全部分解可以防止温度和压力补偿，从而减少与温度和压力补偿的评估相关的复杂性。
根据一方面，提供一种用于分析臭氧浓度的方法，包括步骤：提供至少一个催化室，所述催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径；通过所述至少一个催化室的所述入口部沿着所述臭氧分解路径接收含有臭氧的气流样品；沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将所述气流样品中的全部臭氧分解成氧气；测量第一位置的第一温度值，并测量第二位置的第二温度值，所述第一和第二位置与所述入口部和出口部相关；基于所述第二温度值和所述第一温度值之间的温差以及校准数据，评估所述气流样品的臭氧浓度；以及产生指示评估的臭氧浓度的信号。
根据另一方面，提供臭氧浓度分析仪，其包括：至少一个催化室，该催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径，所述至少一个催化室通过所述入口部接收含有臭氧的气流，并在所述催化室中具有多个催化颗粒，每个所述催化颗粒与所述气流中的臭氧进行催化反应，以沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将全部的所述臭氧分解成氧气；入口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第一位置处的第一温度值；出口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第二位置处的第二温度值；和与所述至少一个催化室的所述传感器通信的分析仪，所述分析仪用于接收所述第一温度值和所述第二温度值，所述分析仪基于所述第二温度值和第一温度值之间的温差以及校准数据评估所述气流的臭氧浓度。
根据另一方面，提供用于分析臭氧浓度的方法，包括步骤：沿着第一位置和第二位置之间的臭氧分解路径提供气流，所述臭氧分解路径引起放热反应，沿着所述臭氧分解路径该放热反应将所述气流中全部的臭氧分解成氧气；测量第一位置处的第一温度值，并测量第二位置处的第二温度值，并基于所述第一温度值和所述第二温度值评估臭氧浓度。
根据另一方面，提供用于分析臭氧浓度的催化室，所述催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径，所述催化室通过所述入口部接收含有臭氧的气流，并在所述催化室中具有多个催化颗粒，每个所述催化颗粒与所述气流中的臭氧进行催化反应，以沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将全部的所述臭氧分解成氧气；入口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第一位置处的第一温度值；出口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第二位置处的第二温度值；所述催化室的所述入口和出口传感器适于与分析仪通信，该分析仪基于所述第二温度值和第一温度值之间的温差以及校准数据评估所述气流的臭氧浓度。
在阅读本公开之后，本领域技术人员将了解关于本发明改进的进一步的特征及其组合。
附图说明
在附图中，其中
图1为根据本发明的臭氧浓度分析仪的第一实施例的示意图；
图2为根据本发明的臭氧浓度分析仪的第二实施例的示意图；
图3为根据本发明的臭氧浓度分析仪的第三实施例的示意图；和
图4展示了根据本发明的用于分析臭氧浓度的方法的步骤的方框图。
具体实施方式
图1展示了根据本发明的臭氧浓度分析仪10的第一实施例。臭氧浓度分析仪10通常可连接在气源12和向空气开放的气体出口14之间，用于测量由气源12供应的气流样品的臭氧浓度。测量方法是破坏性的，因此仅需要气流样品。通常通过阀16控制气流样品，阀16通常位于臭氧浓度分析仪的下游位置处，以便在臭氧浓度分析仪内保持相对恒定的压力。
在图1的实施例中，如图1所示，臭氧浓度分析仪10具有催化室18，催化室18在其内具有多个催化颗粒20。这些催化颗粒20中的每一个适于在与接触臭氧时在放热反应中反应。可以发现许多适用于该功能的臭氧破坏催化剂。例如，锰和铜氧化物可以适合，因为它们不添加到反应中，而炭可以被认为是不合适的，因为它分解并因此转化为CO和CO2时是另一个热源。因此，一旦臭氧化气体接触催化颗粒20，气体的全部臭氧(O3)可以在氧气(O2)中分解并产生热量。因此，具有较高臭氧浓度的气流样品将在催化室18内产生比具有较低臭氧浓度的气流样品更多的热量。发现在氧气流过催化室18的情况下，放热反应产生的热量与热载体温度的升高成比例(如下所述)。因此臭氧浓度分析仪10可以测量催化室18中的臭氧产生的热量，并进一步评估臭氧的浓度。在一般的工业应用中，臭氧浓度可高达臭氧的20质量％(％m)和少量的氮，臭氧的分解可以产生每1重量％气流样品的臭氧，温度上升32.4℃。温度的升高是臭氧分解能和氧气的热容量的函数。只要气流样品的全部臭氧分解并且催化室18的热量损耗最小化，则所评估的臭氧的浓度与催化颗粒20的性能无关。
催化室18具有位于其两个不同的和/或相对端的入口部22和出口部24，其在催化室18中界定臭氧分解路径26，在使用臭氧浓度分析仪10期间，在催化室18中，气流样品将沿着臭氧分解路径流动。可以理解的是，尽管催化室18如图1所示水平定向，它也可以垂直定向。当处于垂直取向时，催化室18可以在其底部压实催化颗粒20，这可以迫使气流穿过催化颗粒20以进行分解。入口部22和出口部24可以分别用入口传感器28和出口传感器30探测，以通过分析仪32监测在入口部22中流动的气流样品的第一温度值和在出口部24中流动的气流样品的第二温度值。如图1所示的第一实施例中，入口传感器28设置在入口部22的入口导管34中，出口传感器30设置在出口部24的出口导管36中。因此，入口传感器28可与催化室18沿着入口导管34间隔开以便最小化入口传感器28的加热。虽然传感器28,30被示出为在导管34,36的外部，但是容易理解的是传感器28,30在导管34,36内延伸，用于测量在其中流动的气流样品的温度。然而，应注意的是，入口和出口部22,24分别覆盖催化室18的相对较大的区域，因此，传感器28,30的位置不严格限于入口和出口导管34,36。
可以基于第一温度值和第二温度值来评估气流样品的臭氧浓度。此外，当由催化室18的热损耗引起的偏差(bias)最小时，可以认为第二温度值和第一温度值之间的温差与臭氧浓度直接成比例地(线性地)变化。考虑到与催化室18相关的热损耗，可以根据其已知参数(例如，其形式、其结构材料、其尺寸等)来校准催化室18。实际上，臭氧的浓度可以作为第一温度值和第二温度值之间的温差的函数而变化。因此，催化室18通常设置有指示臭氧浓度和温差之间的校准的校准数据，并补偿催化室18的已知热损耗。
当每个催化颗粒20将在催化室18内产生的热量从出口部24传导至入口部22时，热损耗可以包括沿着多个催化颗粒20(参见传导损耗箭头A)的热传导损耗。当这种情况发生时，第一温度值由于催化室18中存在的臭氧而产生的热量被错误地增加，并且因此倾向于降低第二温度值和第一温度值之间的温差。为了防止沿着多个催化颗粒20发生传导损耗，发现将催化室18设置成沿着臭氧生成路径(例如，线性路径或曲线路径)具有细长形状是有利的。实际上，通过使催化室18具有直径D和长度L并呈现小比D/L的细长圆柱形形状，可以防止热量从催化室18的出口部24传导到入口部22。虽然催化室18具有细长形状(如矩形棱柱或圆柱形)时是优选的，然而它可以具有任何合适的形状。因此，臭氧分解路径26不限于如图1所示的线性路径。
热损耗还可以包括从催化室18到其外部环境发生的绝热损耗或壁损耗Qwall(见绝缘损耗箭头B)。因此，可以通过将催化室18热绝缘或通过绝热材料制造来最小化绝缘损耗。应该记住，测量10质量％的臭氧浓度可能在催化室18内产生324℃的温度升高。因此，具有差绝缘性的催化室18可能不仅导致不准确测量，维修人员也可能有风险。
在图1所示的实施例中，分析仪32通过电连接器(见黑点)可拆卸地连接到催化室18。分析仪32可以与入口传感器28和出口传感器30进行无线或有线通信，以分别接收第一温度值和第二温度值。分析仪32可以具有彼此连接的处理器38、存储器40和显示器42。优选地，基于催化室18将校准数据存储在分析仪32的存储器40上，从而允许分析仪32基于第一和第二温度值来评估臭氧的浓度，或者替代地提供校准存储器44(如图3所示)，校准存储器44直接连接到在制造和校准时存储校准数据的催化室18。测量的臭氧浓度可以显示在显示器42上和/或通过适当的串行链路或4-20mA电流回路在外部设备上传输。
虽然入口和出口传感器28,30可以可拆卸地连接到催化室18，但应注意的是，传感器28,30可以与催化室18一体形成。因此，可以仅通过将入口部22与气源12断开，将出口部24与气体出口14断开(利用导管连接器，见白色圆圈)，将入口和出口传感器28,30(利用电连接器，参见黑色点)与分析仪32断开，并将入口部22、出口部24和新催化室的入口和出口传感器28,30连接到其相应位置，即可用新催化室更换臭氧浓度分析仪的旧催化室。为了易于使用和易于制造，催化室18可以安装在印刷电路板(PCB)46上，该印刷电路板包含位于催化室18的入口部22和出口部24处的入口传感器28和出口传感器30。
下面描述在这种臭氧浓度分析仪中控制温度升高的臭氧浓度的等式。事实上，已知臭氧的分解和/或破坏的放热反应由下式给出：
在1atm压力下，
已知臭氧的摩尔能量为143kJ/mol，已知臭氧的摩尔质量为48g/mol，特异性臭氧分解能为2.98kJ/g。换句话说，对于在催化室18中分解的每克臭氧，在催化室18中以热的形式产生2.98kJ的能量。在这种产生的能量中，其中的一些在催化室18中被热载体(即氧气)吸收并携带，其中一些将由于热损耗而损耗。当热量经由加热的氧从催化室18除去时，更多的臭氧进入催化室，从而产生更多的热量。催化室18中的能量的净变化ΔQnet是由臭氧的分解产生的能量Qozone减去被加热的氧气带走的能量Qremoved和热损耗Qlosses：
ΔQnet＝Qozone-Qremoved-Qlosses. (2)
当热损耗最小化时，Qlosses趋向于零，因此可以忽略。在稳态下，即ΔQnet＝0，可以得到：
Qozone＝Qremoved. (3)
在被忽视的热损耗中，值得注意的是，可以发现通过催化室18的壁损耗的能量，其可以使用以下关系式来计算：
其中Qwall是通过壁损耗的热量，Tinside是催化室18内的平均温度，Toutside是催化室18外的平均温度，Rwall是形成催化室壁的材料的热阻。另外的热损耗可以是催化颗粒20吸收的热量，以下将讨论其对能量净变化的影响。其他热损耗包括臭氧损耗Qozone，当气流样品的全部臭氧分解成氧气时，臭氧损耗趋向于零，压力变化损耗Qp，流量变化损耗Qv和辐射热损耗Qr。应注意，当热损耗最小化时，与臭氧分解能量乘以质量流量相比，Qlosses可以忽略。
因此，Qlosses可以表示为：
Qlosses＝Qwall+Qpellets+Qozone+Qp+Qv+Qr. (5)
回到等式(3)，可以使用以下关系式计算臭氧分解产生的能量Qozone：
其中c是臭氧浓度[g臭氧/100g气体]的百分比，是在催化室18中流动的气体的气体质量流量[g/s]，e是单位质量的臭氧分解能量[kJ/g]。此外，由热载体携带的能量由下式给出：
其中h02是热载体的比热容[J/g/℃]，即氧气，是在催化室18中流动的氧气质量流量[g/s]，ΔT是热载体的温差，即出口传感器的第二温度值减去入口传感器的第一温度值。用等式(6)和(7)求解臭氧浓度c时，可以发现：
由于氧气质量流量和气体质量流量的比率近似等于单位，可以简化等式(8)，并获得：
基于等式(9)，可以看出，臭氧浓度可以直接与温差ΔT成比例。实际上，通过测量这种系统中的温差，并最小化热损耗Qlosses，可以测量可靠的臭氧浓度。此外，利用上面给出的值，通过计算比例hO2/e，可以获得hO2/e＝0.03质量％的臭氧/℃。例如，通过测量100℃的温差，可以通过简单将温差ΔT乘以臭氧的0.03质量％/℃来发现臭氧浓度为3质量％。也可以指出，热载体的温度增加32.4℃每臭氧质量百分比，因此将温差(即100℃)除以32.4℃每臭氧质量百分比，得到臭氧浓度为3质量％。
现在参考等式(2)，能量的净变化ΔQnet在瞬态中是非零的，在稳态中为零。通常，将达到稳态所需的时间称为时间常数。通常，可以在三次时间常数之后适当地评估平衡温度。要注意的是，系统的时间常数至少取决于催化颗粒20的材料。催化颗粒的热量可以影响催化室18的时间常数。例如，催化颗粒的比热容可以为0.8J/g/℃。由于这些考虑，可以根据形成催化颗粒20的材料(及其总质量)和其总质量在更短或更长的时间段内实现稳态。应当注意，时间常数通常与催化室18中使用的催化颗粒20的质量成反比。因此，可以使催化颗粒20的质量最小化以实现更短的时间常数，从而能够实现更高的时间分辨率的测量的臭氧浓度。
从这些等式可以看出，等式(5)中给出的Qlosses中的每一项都要被最小化，以便臭氧浓度的评估是可靠的。例如，将阀16放置在催化室18下游有助于使压力变化损耗Qp和流量变化损耗Qv最小化。实际上，可以有助于最小化Qp和Qv，或者替代地使入口部22处的流量和出口部24处的流量平衡的任何其它合适的方式可以使得以上近似值更可靠。
评估臭氧浓度的实施例
例如，如果在臭氧浓度分析仪中提供气流样品，并且传感器读取20℃的第一温度值和85℃的第二温度值，则分析仪可以确定温差为65℃。基于催化室的校准数据，65℃的温差可以指示一定量的分解成氧分子的臭氧分子，其可以指示65℃的臭氧浓度乘以0.03质量％的臭氧/℃，得到2质量％的臭氧。在另一个实施例中，130℃的温差可以表示4质量％的臭氧。测量的臭氧浓度与气流样品的流量和催化室18的体积无关，但是这些变量可能影响臭氧浓度分析仪响应的速率。
图2示出了根据本发明的臭氧浓度分析仪10的第二实施例。在该实施例中，臭氧浓度分析仪10具有散热系统48，该散热系统48可拆卸地连接到催化室18，用于使用氧气作为热载体来除去其中的热量。在图2所示的第二个实施例中，散热系统48适于冷却从催化室18出来的热载体(氧气)，并通过内部导热导管50将冷却的热载体重新引入催化室18中，以便从其中吸取热量。由于使用相同的热载体来冷却催化室18，所以当热损耗最小化时，可以使用简单的计算来评估臭氧浓度。
具体地，散热系统48具有外部导热导管52，其连接到催化室18的出口部24，并且在连接到内部导热导管50之前以绝缘方式从催化室18延伸出。外部导热导管52接收热载体，然后将热载体沿其在催化室18外部的外部导热导管52中的通道冷却。当冷却的热载体经内部导热导管50流回催化室18时，它可以吸收热量并通过接头导管61将其输送到催化室18外部。
更具体地，内部导热导管50可安装为从第一任意部分54到第二任意部分56穿过催化室18。为了避免散失的热量改变臭氧浓度的评估，在散热系统48中设置第三温度传感器58，其用于测量第一任意部分54的第三温度值；和第四温度传感器60，用于测量第二任意部分56的第四温度值。因此，可利用与校准数据相关的第三温度值和第四温度值来评估气流中的臭氧浓度，以修改臭氧浓度。为了最大化加热的氧气(热载体)的冷却过程，可以沿着外部导热导管52安装散热器62。此外，催化室18可以与散热器62隔离，以避免从散热系统48移除的热量从外部加热催化室18。在图2所示的实施例中，外部导热导管52经由可选的绝缘导管64和66连接到内部导热导管50。如上所述，只要沿着系统的热损耗最小化，那么获得的温差可以与臭氧的浓度相关联。因此，优选使沿导管64,66的泄漏最小化，以及在每个导管50,52,64和66之间提供密封的接头。
尽管在图2所示的实施例中仅提供一个导热导管50，但是散热系统48的其它实施例可以具有多于一个导热导管50穿过催化室18，以实现更高的散热能力。为了实现散热系统48，可以使用独立构造或环路构造。在独立构造中，给定体积的热载体在催化室18内只能通过一次。实际上，在该构造中，催化室18的出口部24连接到多个(多于一个)散热系统48，彼此独立地连接到催化室18。多个散热系统48中的每一个具有彼此串联连接的一组相应的导管66,52,68,50和61。此外，所得到的接头导管61可以连接到位于阀16上游的歧管(未示出)，该歧管将接头导管61组合成单个导管。在环形构造中，一定体积的热载体可以多次通过催化室18。实际上，在这种构造中，催化室18的出口部24连接到具有导管66,52,68,50和61的散热系统48的第一通道。散热系统48的第二通道(未示出)具有第二绝缘导管，第二外部导热导管，另一个第二绝缘导管和第二内部导热导管，它们分别串联连接到接头导管61，因此使得热载体经内部导热导管50第一次通过催化室，并经第二内部导热导管第二次通过，等(如果使用多于两个的内部导热导管)。应注意，在独立构造和环路构造中，每个内部导热导管可能需要相应的温度传感器来评估每次通过散热系统48的冷却，但是能够平衡每次通过的冷却，以获得一致的结果，从而避免需要多个传感器。
沿着外部导热导管52，散热器62的污垢积累的缓慢变化，风或环境温度变化不影响臭氧浓度测量，因为沿着散热系统48使用相同的气体热载体。当它们的时间段在臭氧测量的时间常数的范围内时，瞬态事件对测量确实具有影响。可以通过用正确的增益(gain)和时间常数通过高通滤波器(未示出)从散热器中增加气体温度来补偿这些变化，以补偿臭氧测量的响应时间。此外，散热系统48可以包括诸如风扇的受控冷却装置(未示出)，以基于第二温度值或任何其它合适的参数来修改分析仪32的灵敏度。通过改变受控冷却装置的冷却速度(例如增加/减少风扇叶片的转速)，臭氧浓度分析仪10可适用于不同的情况。实际上，为了测量低浓度的臭氧，当受控冷却装置的冷却速度低时，可以获得更高的灵敏度。或者，当臭氧浓度高且可接受较低的灵敏度时，在受控冷却装置的冷却速度较高的应用中，可以获得较低的灵敏度。
由于在穿过催化室18的每个导热导管50,52中使用相同的气体质量流，因此可以将第四和第三温度传感器58,60之间的温度升高与28和30之间差相加，得到用于获得臭氧浓度的温差。
此外，应当注意，散热系统48应该与催化室18绝缘，以便催化室18的冷却仅由热载体即氧气进行。实际上，如果散热系统48与催化室18物理接触，则可以增加通过催化室18壁损耗的能量Qwalls，这将使近似值不准确。为了有助于实现催化室18与散热系统48之间的绝缘，绝缘导管64和66可由例如硅树脂或聚四氟乙烯(PTFE)的耐臭氧绝缘材料制成。
使用散热系统的实施例
例如，如果在臭氧浓度分析仪10中提供气流样品，并且入口和出口传感器28,30读取第一温度值为20℃，第二温度值为45℃，第三和第四温度传感器58,60读取30℃的第三温度值和42℃的第四温度值，分析仪32可以确定25℃+12℃＝37℃的温差。基于催化室18的校准数据，37℃的温差可以指示37℃的臭氧浓度除以32.4℃/臭氧的质量百分比，得到1.14质量％的臭氧。
仍然在该实施例中，发现使用湿度传感器70监测出口部24处的湿度值是有用的。实际上，如果气流样品包含水蒸气，则可以基于湿度值调整臭氧浓度。实际上，当热载体是氧气时，上述的控制等式更准确。在水蒸气也将作为沿着催化室18的热载体的情况下，上面做出的近似值可能不太有效。然而，校准数据可以补偿水蒸汽的存在。这可以解释为，单位重量的水蒸气的热容(2.08J/g/K)是氧气的热容(0.918J/g/K)的两倍，水蒸汽密度(在标准温度和压力为0.804g/L)约为氧气密度的一半(1.42g/L)，即使在相对潮湿的气流样品中也能导致小的热传输能力的差异。事实上，在这种情况下，水蒸气的特征在于热传输能力为2.08J/g/K乘以0.804g/l等于1.67J/l/K，而氧气的热传输能力为0.918J/g/K乘以1.42g/l等于1.30J/l/K。在气流样品主要包含水蒸气的较不典型的情况下，这种调节比当气流样品不含水蒸气时高22％。在涉及室温下的气流的大多数实际情况下，饱和度将湿度水平限制在单位重量2-3％(100％RH＝环境条件下每公斤空气15克水)，产生全刻度(full scale)的0.6％的饱和度误差。应当注意，在高湿度应用中，可以在催化室18的上游安装预热器(未示出)，以便预热潮湿的气流样品，以避免湿气流样品冷凝到催化颗粒20上，否则会降低其分解效率。
氮气含量对结果几乎没有影响，因为氮气和氧气具有相似的热容量。当氮气在气流样品中大量存在时，结果通常可以作为包括氮气的总质量流量的函数变化。如果氮气的分数已知，则可以在分析仪中手动输入，以将臭氧分数的结果仅调整为氧气。
应注意，虽然臭氧浓度分析仪10的第二实施例同时结合了散热系统48和湿度传感器70，但是臭氧浓度分析仪10的其它实施例可以仅包括散热系统48或湿度传感器70。实际上，涉及湿度传感器70的低臭氧浓度测量(残余臭氧测量)可能不需要散热系统48，因为仅涉及低的臭氧浓度，从而在测量过程中产生少量的热量。为避免不必要的成本，可以根据特定的应用来提供和/或省略散热系统48和湿度传感器70。
图3示出了根据本发明的臭氧浓度分析仪10的第三实施例。在该实施例中，印刷电路板46可以具有三个彼此串联连接的催化室18,18'，18”，以测量总温差ΔTtotal。这些催化室中的每一个可以安装在独立的PCB上(例如参见47,47'，47”)，用于每个催化室的简单和快速的互换性。换句话说，图3所示的三个催化室中的每一个通过导管连接器(用白色圆圈示出)和电连接器(例如用黑点示出)以即插即用的方式可拆卸地连接到印刷电路板46。任何催化剂的即插即用可以在相当短的时间段内进行，例如15分钟。气流样品可以由可以沿着第一催化室18，第二催化室18'和第三催化室18”流动的气源提供。可以使用入口传感器28，28'，28”和出口传感器30,30',30”监测每个催化室的第一和第二温度值，并用于确定气流样品的臭氧浓度。换句话说，入口和出口传感器28,30用于评估第一温差ΔT1，入口和出口传感器28'，30'用于评估第二温差ΔT2，并且入口和出口传感器28”,30”用于评估第三温差ΔT3。此外，在图3的实施例中，如上所述，第一催化室18设置有用于使用加热的氧气作为热载体来冷却催化室的散热系统48。为此，散热系统48使用内部传导导管50，外部传导导管52，绝缘导管66,64以及第三温度传感器58和第四温度传感器60。因此，第三和第四温度传感器58,60适于评估附加温差ΔThrs，则分析仪32例如可以通过使每个温差相加来评估ΔTtotal。在该实施例中，每个催化室18,18',18”设置有以44,44'和44”表示的校准存储器。校准存储器44,44',44“可以预先存储有校准数据，用于使分析仪32基于每个催化室18的性质以合适的方式正确地评估臭氧浓度。
串联的催化室18,18',18”允许检测和补偿无效的催化室。实际上，如果第一催化室18的多个催化颗粒20饱和，并且不能再将全部的臭氧分解为氧气，则分析仪32可以检测到第二催化室18'，也可能是第三催化室18”的第一温度值和第二温度值之差明显大于零。在这种情况下，分析仪32可以在显示器42上显示错误信息，建议用户改变无效的催化室。换句话说，测量到增加的ΔT2表示催化室18效率低下，需要更换。因此，测量到增加的ΔT3表示催化室18'效率低下，需要更换。在一个实施例中，当ΔT2增加时，由分析仪32启动的错误信息可能变为黄色，并且当ΔT3增加时，变为红色。
此外，发现提供具有低密度(例如多孔材料)的催化颗粒20可以增加接触表面，因此允许气流样品中的更多的臭氧沿臭氧分解路径分解。大部分气流样品与多个颗粒20的接触可以有助于更好的结果。气流样品的压力对测量的臭氧浓度的影响较小，因为较高的压力值倾向于臭氧的量，该臭氧的分解与气流样品的除热能力成比例。类似地，只要接触时间足够长以确保臭氧的完全分解，气流样品的流动具有可忽略的影响。
由于臭氧，特别是工业级臭氧可以是强氧化剂，所以使用耐臭氧的材料如陶瓷，不锈钢或阳极氧化铝是重要的。此外，气源、臭氧浓度分析仪和气体出口之间的连接或臭氧浓度分析仪内部的连接优选地包括耐臭氧的垫片和耐臭氧的绝缘体，以防止其过早老化。
基本上，最佳操作依赖于使用恰好足够的催化颗粒来破坏气流样品中的所有臭氧，但不能太多以增加室的热质量，并因此减慢它的速度。
虽然一般工业应用涉及臭氧浓度低于15％m，但是研究应用可达到高达100％m的臭氧浓度。如果需要，臭氧浓度分析仪10可以使用适当的散热系统48来处理任何浓度的臭氧。实际上，臭氧浓度分析仪10可以处理更高的臭氧浓度，尽管它可能需要较大的散热系统48以将内部温度保持在催化室18的操作范围内。实际上，仅15％的臭氧浓度可以使催化室18的温度增加为487.5℃。因此，根据应用来调整散热系统48的种类。在另一个实施例中，可以使用彼此串联连接几对内部和外部导热导管50,52，以便尽可能多地从催化室18中除去热量。在另一个实施例中，散热系统48不是如图2所示的平行流式，它可以是可以提高除热率的反流式。应当注意，可以使用其它合适的手段来增加散热系统48的除热速率。例如，导热导管50,52可以具有蛇形路径形状或任何其它合适的形状。在另一个实施例中，散热系统48可以设置成双管热交换器(平行流或反流)、壳管式热交换器或本领域已知的任何合适的热交换系统的形式。
图4展示了根据本发明的用于分析臭氧浓度的方法100的步骤的框图。该方法通常具有步骤102，其提供至少一个催化室18，该催化室18具有位于其入口部22和出口部24之间的臭氧分解路径26；步骤104，通过至少一个催化室18的入口部22沿着臭氧分解路径26接收含有臭氧的气流；步骤106，沿着催化室18的臭氧分解路径26在放热反应中将气流中的全部臭氧分解成氧气；步骤108，测量第一位置的第一温度值；步骤110，,测量第二位置的第二温度值，第一和第二位置与入口部和出口部22,24相关；和步骤112，基于与校准数据相关的第一温度值和第二温度值，评估臭氧浓度。
方法100还可以包括测量出口处的湿度值的步骤。之后，步骤112可以基于与补偿湿度值的校准数据相关的测量值。
此外，方法100还可以包括从至少一个催化室18除去热量的步骤(例如使用如上所述的散热系统)，并且其中步骤112还可以包括基于与校准数据相关的第三温度值和第四温度值评估气流的臭氧浓度。此外，方法100可以包括将多个催化室18彼此串联连接的步骤，其中所述评估步骤112基于多个催化室18中的每一个的第一和第二温度值。方法100还可以包括通过比较多个催化室中的每一个的第一和第二温度值来评估多个催化室中的每一个的分解效率的步骤。
因此可以看出，上述和示出的实施例仅仅是示例性的。应该注意，结合在催化室中的校准数据可以包含与其中的催化颗粒的构成相关的数据。校准数据也可以是查找表，其中分析仪可以将臭氧浓度与测量的温差作为函数关联。此外，校准数据可以对应于由分析仪32执行的数学运算，作为测量的温差的函数。此外，校准数据可以是电气部件(例如放大器的特定方案)的组合，其可以对测量的温差进行数学运算以获得臭氧浓度。校准数据可以进一步以任何其它合适的形式提供。虽然上文广泛讨论了臭氧，但是可以用浓度分析仪10测量能够被催化剂分解的其它气体混合物的浓度。所述范围由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.用于分析臭氧浓度的方法，包括以下步骤：
提供至少一个催化室，所述催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径；
通过所述至少一个催化室的所述入口部、并且沿着所述臭氧分解路径接收含有臭氧的气流样品；
沿着所述催化室的所述臭氧分解路径，在放热反应中将所述气流样品中的全部臭氧分解成氧气；
测量第一位置处的第一温度值，并测量第二位置处的第二温度值，所述第一和第二位置与所述入口部和出口部相关联；
基于所述第二温度值和所述第一温度值之间的温差以及校准数据，评估所述气流样品中的臭氧浓度；以及
产生指示所评估出的臭氧浓度的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
将从所述至少一个催化室的所述出口部排出的加热的氧气提供至所述至少一个催化室内的外部导热导管中；
将在所述外部导热导管中流动的所述加热的氧气冷却；
用内部导热导管将冷却的氧气送回所述至少一个催化室，所述内部导热导管设置为穿过所述至少一个催化室、从第一任意部分穿到第二任意部分；
测量第一任意部分处的第三温度值，并测量第二任意部分处的第四温度值；
其中，所述评估所述气流样品中的臭氧浓度进一步基于所述第四温度值和所述第三温度值之间的温差来进行。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在提供所述加热的氧气的步骤和提供所述冷却的氧气的步骤中，将所述外部导热导管与所述至少一个催化室热隔离。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量进一步包括测量湿度值；且其中所述评估进一步包括基于与补偿所述湿度值的校准数据相关的所述测量值，评估所述气流中的臭氧浓度。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将多个催化室彼此串联连接，且其中所述评估是基于所述多个催化室中的每个催化室的所述第一和第二温度值来进行的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述评估进一步包括通过比较彼此串联连接的所述多个催化室中的每个催化室的所述第一和第二温度值，评估所述多个催化室的各自的分解效率。
7.臭氧浓度分析仪，其包括：
至少一个催化室，该催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径，所述至少一个催化室通过所述入口部接收含有臭氧的气流，并且所述催化室中具有多个催化颗粒，每个所述催化颗粒与所述气流中的臭氧进行催化反应，以沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将全部的所述臭氧分解成氧气；入口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第一位置处的第一温度值；出口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第二位置处的第二温度值；和
与所述至少一个催化室的所述传感器通信的分析仪，所述分析仪用于接收所述第一温度值和所述第二温度值，所述分析仪基于所述第二温度值和所述第一温度值之间的温差以及校准数据来评估所述气流中的臭氧浓度。
8.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，进一步包括至少一个散热系统，该散热系统利用由所述放热反应加热的氧气作为热载体来为所述至少一个催化室散热，所述至少一个散热系统中的每一个具有：
外部导热导管，其一端连接至所述至少一个催化室的所述出口部，用于从该出口部接收加热的氧气，另一端连接至所述至少一个催化室的第一任意位置；
内部导热导管，所述内部导热导管设置为从所述第一任意部分到第二任意部分穿过所述至少一个催化室，其中，所述散热系统适于从流过所述外部导热导管的所述加热的氧气处移除热量，以便冷却所述氧气，并适于从所述至少一个催化室中、从流过所述内部导热导管的冷却的氧气中吸收热量；
第三温度传感器，其用于测量所述第一任意部分处的第三温度值；以及第四温度传感器，其用于测量所述第二任意部分处的第四温度值，所述分析仪进一步基于所述第四温度值和所述第三温度值之间的温差评估所述气流中的臭氧浓度。
9.根据权利要求8所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个散热系统具有第一绝缘导管和第二绝缘导管，所述第一绝缘导管连接在所述至少一个催化室的所述出口部与所述外部导热导管的一端之间，所述第二绝缘导管连接在所述外部导热导管的另一端与所述至少一个催化室的所述第一任意位置之间，从而将所述外部导热导管与所述至少一个催化室热绝缘。
10.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个催化室与所述外部环境热绝缘，以防止热量损耗。
11.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述第一位置与所述入口部相关联，所述第二位置与所述至少一个催化室的所述出口部相关联。
12.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述校准数据包括至少一列参考浓度值，该至少一列参考浓度值为用于具有特定尺寸的所述至少一个催化室的所述第二温度值和所述第一温度值之间的温差的函数。
13.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述多个催化颗粒以多孔颗粒的形式提供。
14.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个催化室进一步包括湿度传感器，其用于测量所述第二位置处的第一湿度值，所述分析仪接收所述湿度值并基于与补偿所述湿度值的校准数据相关的测量值，进一步评估所述气流中的臭氧浓度。
15.根据权利要求8所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述外部导热导管热连接至冷却装置。
16.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个催化室具有校准储存器，其连接至所述分析仪并具有与所述校准数据相关的数据。
17.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个催化室与可拆卸地连接至所述分析仪的印刷电路板一体形成。
18.根据权利要求7所述的臭氧浓度分析仪，其特征在于，所述至少一个催化室串联连接至至少一个其他催化室。
19.用于分析臭氧浓度的方法，包括以下步骤：沿着第一位置和第二位置之间的臭氧分解路径提供气流，所述臭氧分解路径引起放热反应，沿着所述臭氧分解路径该放热反应将所述气流中全部的臭氧分解成氧气；
测量第一位置处的第一温度值，并测量第二位置处的第二温度值，并基于所述第一温度值和所述第二温度值评估臭氧浓度。
20.用于分析臭氧浓度的催化室，所述催化室具有位于其入口部和出口部之间的臭氧分解路径，所述催化室通过所述入口部接收含有臭氧的气流，且所述催化室中具有多个催化颗粒，每个所述催化颗粒与所述气流中的臭氧进行催化反应，以沿着所述催化室的所述臭氧分解路径在放热反应中将全部的臭氧分解成氧气；入口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第一位置处的第一温度值；出口传感器，其用于测量沿着所述臭氧分解路径的第二位置处的第二温度值；所述催化室的所述入口传感器和出口传感器适于与分析仪通信，该分析仪基于所述第二温度值和第一温度值之间的温差以及校准数据评估所述气流中的臭氧浓度。
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