CN108603871B - 使用气体调制的气体检测 - Google Patents
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Abstract
一种气体检测系统，包括：样本气体入口(12)，基准气体入口(14)，以及将所述样本气体入口(12)和所述基准气体入口(14)中的一个交替地连接到气体传感器(24)的气体调制阀(16)；其特征在于：选择性转移过滤器(28)位于连接所述气体调制阀(16)和所述气体传感器(24)的气流路径(22)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体检测系统以及使用在基准气体入口和样本气体入口之间切换的气体调制阀的相应方法。
背景技术
这种气体调制阀和相应的气体调制在US7,030,381B2中进行了描述，其内容通过引用并入本文。根据US7,030,381B2的气体检测器可以包括：用于吸入待检测气体（目标气体）的样本气体入口，以及用于从周围大气吸入气体作为基准气体的样本气体入口。气体调制阀将样本气体入口和基准气体入口连接到气体传感器（例如红外气体传感器）的入口。红外气体传感器可以，例如，具有包括用于待分析气体的入口以及相应出口的试管，红外光源和红外检测器。从气体调制阀到气体传感器（试管）入口的气流路径通过气体调制阀交替地连接到样本气体入口和基准气体入口。如US7,030,381B2所述，通过气体调制阀在样本气体入口和基准气体入口之间的切换优选为以周期性地方式在周期性频率下进行。
世界各地的法规都要求对燃气管网进行定期检查，以检查可能的泄漏。其原因主要是为了保护公众免受建筑物和其他密闭空间内聚集的气体所引起的火灾和爆炸。泄漏检查通常是在输送气体的管道上方的地面移动对气体的某一主要成分敏感的检测器进行。
用于此目的的大多数检测器采用仅仅一个入口，而没有辅助的基准入口。
这种类型的检测器中经常使用的典型红外传感器是非分散红外吸收检测器（NDIR传感器）。可以根据气体调制原理用于气体检测的另一种传感器种类是金属氧化物半导体传感器，例如SnO2传感器。NDIR和MOS传感器都会经受对水蒸气的有限的选择性。因此，当用手持式探头行走时，存在一个普遍问题，当气体传感器从沥青表面移动到湿度更高的草地表面或从阳光区域进入阴凉区域时，气体传感器会做出反应，反之亦然。在大多数种类的气体传感器上观察到类似的选择性问题。因此，本发明并不意味着被限于特定的传感器类型。
已知有多种过滤器用于从气体样本去除或捕获湿气和/或不需要的可燃气体。这些过滤器需要足够大的容量以持续可接受的时间量。所述过滤器需要经常更换、烘烤或重新生成。
发明内容
本发明的一个目的是改进气体调制型气体检测器的选择性，而不需要定期更换过滤器。
本发明的气体检测系统包括：样本气体入口，基准气体入口，以及将所述样本气体入口和所述基准气体入口中的一个交替地连接到气体传感器的气体调制阀。该系统的特点在于：位于连接所述气体调制阀和所述气体传感器的气流路径中的选择性转移过滤器，所述选择性转移过滤器可以作为用于不感兴趣的气体的低通过滤器，所述不感兴趣的气体引起系统中多余信号。最常见的这种气体是水或湿气。
术语“选择性转移过滤器”意味着不同的气体成分或气体类型以不同的转移时间通过过滤器被选择性地转移。由此，控制特定气体成分的气体转移时间，以便通过该气体成分相比其他气体成分的相应转移时间来实现过滤器对特定气体成分的选择性。选择性转移过滤器可以针对不同的气体种类或组分实现不同的转移时间，例如，通过过滤器对各气体或气体种类进行吸附和脱附的不同时间行为，该不同的时间行为引起不同气体种类以特定的转移时间或通过时间通过过滤器。不同的转移时间可以用滤波器对各种气体或种类的过滤时间常数来表示。选择性转移过滤器因此也可以被称为“截留过滤器”或“物理低通过滤器”。
选择性转移过滤器的用于干扰种类（即，非所需的气体或湿气）的过滤时间常数显著长于目标气体（gasorgases）的过滤时间常数以及气体调制阀在样本气体入口和基准气体入口之间切换的时间，优选前者是后者的五倍以上。
特别地，选择性转移过滤器可以是湿气和/或气体过滤器。过滤器可以包括表面活性材料、香烟过滤材料、活性炭材料和/或硅胶中的至少一种或者由其制成。
气体传感器可以是红外传感器，并且优选为非分散红外传感器，其被光学调谐以检测甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或LPG气体。气体传感器可以是非分散红外（NDIR）传感器和至少一个另外的气体传感器（例如金属氧化物半导体（MOS）传感器）的组合。
本发明的用于气体检测的方法使用如上所述并且根据权利要求中任一项所述的气体检测系统。根据本发明，所述气体调制阀交替地将所述基准气体入口和所述样本气体入口与气流路径连接，所述气流路径通过选择性转移过滤器通向所述气体传感器。该过滤器用作低通过滤器，以减缓样本气体入口与基准气体入口之间切换时气体湿度的变化。特别地，过滤器的容量不需要足够大以干燥气体，即降低气体的湿度。只有在切换周期内的湿度变化需要被抑制。
总体思路是：采用诸如湿气过滤器的选择性转移过滤器，并不是为了从气体样本中去除或捕获整个湿气，而是作为气体调制阀与气体传感器之间的气流路径中的低通过滤器。湿气过滤器的容量只需足够大以抑制当气体调制阀在样本气体入口和基准气体入口之间切换时湿度的变化。典型地，例如，当接近潮湿的地面，比如草地时，样本气体入口吸入湿气。因为基准气体入口位于用于从测量位置的周围吸收气体，该测量位置可以包含当样本气体入口检测到在测量位置吸收的测试气体时所要考虑的测试气体背景，所以基准气体入口同时不吸入相同量的湿气。湿气过滤器不用于干燥气体。湿气过滤器的低通过滤效果仅发生在与潮湿气体和更低湿度基准气体之间切换的气体调制阀结合使用。
湿气仅是在通过选择性转移过滤器时受到选择性转移过滤器影响的气体或气体属性的一个示例。因此湿气被认为是气体成分，与目标气体相比，其通过选择性转移过滤器的转移时间显著增加。在湿气过滤器的示例中，过滤器因此对于“气体”湿度具有与目标气体不同（显著更长）的时间常数，因此用作干扰气体种类湿度的低通过滤器。如果被分析的气体是可能的目标气体以及具有不同湿度但仍为不希望的其他气体成分的混合物，则选择性转移过滤器可以适用于针对那些不需要的气体成分而言实现比目标气体更长的转移时间。所述更长的转移时间可以通过更大的过滤时间常数来实现。
附图说明
在下文中，参照附图讨论本发明的实施例。
图1示出了本发明的系统的总体布局；以及
图2示出了在采用湿气过滤器的实施例中随时间变化的湿度百分比。
具体实施方式
样本气体入口12和基准气体入口14经由相应的样本气体导管18和基准气体导管20连接到气体调制阀16上。所述气体调制阀16交替地将所述样本气体导管18或所述基准气体导管20连接到所述气流路径22，所述气流路径22将所述气体调制阀16和气体传感器24连接。在图1所示的实施例中，所述气体传感器24可以是包括吸收试管的非分散红外传感器。所述气流路径22包含样品真空泵26和选择性转移过滤器28。所述选择性转移过滤器28位于所述气体调制阀16和所述气体传感器24之间。所述选择性转移过滤器28也位于所述真空泵26和所述气体传感器24之间。所述真空泵26位于所述气体调制阀16和所述过滤器28之间。
所述气体调制阀16以循环的方式打开和关闭，从而交替地且周期性地将所述样本气体入口12或所述基准气体入口14连接到所述气流路径22。该切换在适于应用的频率下进行，该频率取决于所述应用所需的信号更新频率和/或气体检测传感器24的时间常数。所选频率通常是应用需求（通常为几赫兹或更高）与气体传感器24的时间常数之间的折衷，实际上，对于大多数传感器种类而言，是几秒或几分钟。
所述气体调制阀16用于产生信号调制，用于降噪和信号放大。由此，阀门16以交替循环的方式在实际感兴趣点处的从样本气体入口12中获取气体或者在背景空气中从基准气体入口14处获取气体。气体传感器24的输出信号相对于切换频率以及有时也相对于相位进行分析，以便提高灵敏度并降低背景噪声。
由于样本气体入口12和基准气体入口14都从环境空气中获取气体，所以环境空气中的湿度增加将被抑制。与气体无关的噪音也将被抑制，因为这通常不会与气体信号在频率和相位上发生重合。
现有技术中，采用样本气体入口和基准气体入口之间的气体调制切换的系统的主要问题在于，分离的气体入口之间的环境条件可能不同。这种情况发生在，例如，当用手持式探头在检查地表以探测从地下管道泄漏的气体时。这通常是通过在表面上拖拽一地毯状设备来完成。然后通常将样本入口放置在地毯下方，并将基准气体入口放置在地毯上方。因此，当地毯在不同湿气的区域之间移动时，分别进入样本气体入口12和基准气体入口14的样本气体和基准气体在湿度上会立即产生差异。该样本气体与基准气体在湿度上的差异将导致与调制相同的频率的信号，因此，该湿度差异可能无法通过过滤算法被充分抑制。这至少是当湿度差异大到足以在气体传感器24中引起信号时的情况。
气体调制阀16和气体传感器24之间的选择性转移过滤器28是表面活性湿气过滤器。连续空气流经过的过滤器28不需要具有从样品中除去所有湿气的能力。过滤器28减缓由气体调制引起的湿气变化是相当足够的，因此充当湿气低通过滤器。过滤器的时间常数显著大于气体调制循环的时间段。因此，过滤器后的湿度水平将最终适应样本气体和基准气体的平均湿度，但是，由于时间常数明显长于气体调制周期，因此这可以通过信号算法来抑制。
典型的过滤材料，如表面活性过滤材料、香烟过滤材料、活性炭材料或硅胶不仅可以减缓湿度变化，而且还可以改变较重碳氢化合物或其他可燃气体的浓度。因此，当采用传统的表面活性过滤材料时，本发明对检测轻质气体如氢气和甲烷的效果最好。然而，也可以使用化学定制的过滤器对其他气体实施本发明。
碳氢化合物通常影响大多数气体传感器，包括红外传感器，如NDIR传感器。其他易燃气体通常影响大多数通用气体传感器，但对NDIR传感器的影响程度更小。
传感器24需要对环境大气中的实际平均湿度或平均气体浓度中的待检测的目标气体具有足够大的差分灵敏度。例如，可以指定气体传感器24来检测1ppm的甲烷。如果传感系统可以区分51ppm和50ppm，则气体检测系统可以在50ppm甲烷的背景下工作。这同样适用于湿气和其他干扰性气体。
图2示出了当气体调制阀16在湿度大于基准气体的样本气体之间切换时，不同种类的测量信号（没有过滤器以及有过滤器的情况）和各自的湿度。
当样本气体入口12接近潮湿表面时，且当气体调制阀16切换到样本气体入口12时，样本气体的湿度在循环期间增加。没有过滤器28情况下的测量信号在阀门16切换到样本气体入口12时将在循环期间相应地增加，并且在阀门16切换到基准气体入口14时将减小。
在设置有选择性转移过滤器28的情况下，气体传感器24的测量信号保持在几乎恒定的低水平，在气体调制阀16切换到样本气体入口12的周期期间仅略微增加。
Claims (11)
1.气体检测系统，包括：样本气体入口（12），基准气体入口（14），以及将所述样本气体入口（12）和所述基准气体入口（14）中的一个交替地连接到气体传感器（24）的气体调制阀（16）；
其特征在于：
选择性转移过滤器（28）位于连接所述气体调制阀（16）和所述气体传感器（24）的气流路径（22）中，所述选择性转移过滤器被配置为以不同的时间常数选择性的转移不同的气体成分或气体种类。
2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其中，所述过滤器（28）具有用于干扰气体种类的过滤时间常数，所述过滤时间常数显著长于目标气体的过滤时间常数和所述气体调制阀（16）在所述样本气体入口（12）和所述基准气体入口（14）之间切换的时间。
3.根据权利要求2所述的气体检测系统，其中，所述过滤时间常数超过五倍于目标气体的过滤时间常数和所述气体调制阀（16）在所述样本气体入口（12）和所述基准气体入口（14）之间切换的时间。
4.根据权利要求1或2所述的气体检测系统，其中，所述选择性转移过滤器（28）包括表面活性材料、香烟过滤材料、活性炭材料和/或硅胶中的至少一种或者由表面活性材料、香烟过滤材料、活性炭材料和/或硅胶中的至少一种制成。
5.根据权利要求1或2所述的气体检测系统，其中，所述气体传感器（24）是光学调谐的红外传感器（24），以检测甲烷、乙烷、丙烷、丁烷或LPG气体。
6.根据权利要求1或2所述的气体检测系统，其中，所述气体传感器（24）是非分散红外传感器（24）。
7.根据权利要求1或2所述的气体检测系统，其中，所述气体传感器（24）是非分散红外传感器（24）和至少一个另外的气体传感器（24）的组合，所述至少一个另外的气体传感器（24）基于另一检测原理。
8.使用根据权利要求1所述的气体检测系统进行气体检测的方法，其中，所述气体调制阀（16）交替地将所述基准气体入口（14）和所述样本气体入口（12）与所述气流路径（22）连接，所述气流路径（22）经由选择性转移过滤器（28）通向气体传感器（24）。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述选择性转移过滤器（28）的过滤时间常数显著长于目标气体的过滤时间常数和气体调制时间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述选择性转移过滤器（28）的过滤时间常数超过五倍于所述目标气体的所述过滤时间常数和气体调制时间。
11.根据权利要求8-10中的任意一项所述的方法，其中，所述选择性转移过滤器（28）被用作低通过滤器，从而当在所述样本气体入口（12）以及基准气体入口（14）之间切换时减慢气体的特定性质的变化。
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