CN108885188A - 用于确定气体混合物中的气体成分的浓度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定具有至少N种气体成分的气体混合物中的N种气体成分的浓度的方法和设备，其中N大于2，其中一个传感器元件（1）或多个传感器元件（1）达到N‑1个预定温度值以便确定温度相关的热导率，并且其中所述至少一个传感器元件（1）至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值（Tmin），并且达到在大于大约350°的范围中的最大温度值（Tmax）。

Description

用于确定气体混合物中的气体成分的浓度的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于确定气体混合物中的气体成分的浓度的方法和设备。本发明特别涉及用于确定渗氮或氮碳共渗气氛中的过程相关气体成分的浓度的方法和设备。本发明还涉及热处理炉。
从现有技术已知用于确定气体浓度的多种方法和设备。
例如，DE 3711511C1描述了通过使用不同气体的不同热导率来确定气体混合物中的气体浓度的方法，其中，为了确定N种气体成分的浓度，在N-1个气体温度下进行测量。此处使用的分析仪包括散热器和待分析的气体混合物能够流动通过的热源。用作热源的电阻加热元件借助通电达到比其周围环境温度高的温度。由气体混合物经由由几何结构限定的热传导部分将热从热源传导到散热器，该散热器保持在恒定的温度。由于从热源到散热器的热传输，从热源提取能量，该能量是气体混合物的热导率的量度并且可以使用已经设置和/或设计的方法来测得。为了消除热传导的温度系数的影响，所述测量单元是恒温的，也就是说测量单元通过电子调节保持在恒定温度。除了测量单元的温度以外，热传导部分中的平均气体温度由热源的温度确定。因此，热源的温度也保持恒定或设置成可再现的。
EP 1222454B1公开了为温度时间函数确定热导率的方法，该温度时间函数以周期性的方式在最小和最大温度值之间变化，并且为温度时间轮廓获得的热导率是作为时间的函数被连续地确定的，并且其中对热导率的时间函数进行傅里叶分析并从该傅里叶分析的系数确定气体成分的浓度。
发明内容
本发明的目标是提供用于高准确度地确定气体混合物中的至少一种气体成分的浓度的方法和设备。
根据第一方面提供的是用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度的方法，所述气体混合物具有至少N种气体成分，其中N大于2，其中一个传感器元件或多个传感器元件达到至少N-1个预定温度值以确定温度相关的热导率，并且其中所述至少一个传感器元件至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值，特别是到大约120°，以及达到在大于大约350°的范围中的最大温度值，特别是在从大约350°到大约550°的范围中。
根据第二方面提供的是用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度的设备，所述气体混合物具有至少N种气体成分，其中N大约2，所述设备包括一个传感器元件或多个传感器元件，所述传感器元件设置成和/或设计成达到至少N-1个预定温度值以确定温度相关的热导率，其中所述至少一个传感器元件设置成和/或设计成至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值，特别是到大约120°，以及达到在大于大约350°的范围中的最大温度值，特别是从大约350°到大约550°。
在一级近似中，从混合法则获得具有N种成分并具有物质量X的气体混合物的热导率。通过至少N个不同的温度值来检测N重气体混合物的热导率。优选地，由于对各气体成分在对应的温度下的标准化标定，消除了温度相关的热导率，因此每种气体的传感器信号被确定为气体分数的函数。为了标准化，具体使用的是在各个气体成分为0%和100%的情况下的热导率。
借助至少N-1次测量在大气压力下对N重气体混合物进行标定和测量，因此完全确定描述气体组合物的方程组并且该方程组因此可使用已知方法唯一地求解以得到相应的体积分数。
除其他外，上述情况在如下约束下成立，该约束为：温度相关的热导率彼此独立并且物质特有的用于测量信号的传递函数是严格单调的。在所选择的气体的情况下满足所述约束。
传统方法和设备在大约60°到大约115°的范围中工作以用于检测不同的热导率。与传统方法和设备相比，明显更大的该范围允许实现对各个气体成分的更准确的测量。
可以根据气体混合物适当地选择最小和最大温度。在这种情况下，应当考虑的是，在存在氧气的情况下执行对可燃气体成分的测量最高可达该气体的点火下限。在没有氧气存在的保护气体气氛中，所述测量可以不受所述限制的约束并且不依赖实际的组合物。
优选地，使所述至少一个传感器元件达到最大温度值，所述最大温度值高于所述气体混合物的至少一种气体成分的分解温度。相比之下，选择最小温度值使得其低于该气体成分的分解温度。此处，利用的是这样的效果：随着分解，该气体成分的分子要求可测量的额外能量贡献。这因此导致准确度的增大，而所述分子的分解对浓度不具有影响或只具有非常小的影响。
这对于确定渗氮和/或氮碳共渗气氛中的过程相关气体成分的浓度来讲是特别有利的，其中存在于气体混合物中的氨（NH3）分解成氮和氢并且由此可以对成分氨和氢进行更准确的测量。因此。例如，氨的热导率仅被列为最高为大约400℃，因为，高于这个温度，所述气体由于开始分解而不稳定。对于其他气体而言，比如以CH4为例，相应地适用其他温度极限。
在有利的构造中，所述至少一个传感器元件包括镍线或铂线，其中在一构造中，所述线被嵌入陶瓷材料中。这些材料允许在本发明的温度范围中运行。
热导率通常既是与温度相关又是与压力相关。因此，在一有利的构造中，借助压力传感器检测压力、特别是分布在测量腔室中的压力，以便补偿气体成分的热导率的压力相关性。
所述一个传感器元件或多个传感器元件能够由本领域技术人员以适当的方式设计并且能够与其他部件一起安装在合适的电路中。在有利的构造中，所述至少一个传感器元件暴露给气体混合物，并且分配给所述传感器元件的参考元件暴露给参考气体，例如空气。如果使用了多个传感器元件，则它们中的每一个优选地配有一个暴露给参考气体的参考元件。
在一构造中，提供了N个传感器元件，每个传感器元件在定义的恒定温度下运行。因此，还能够确定低真空（1-1013 mbar）中的气体浓度，其中防止了对传感器元件的不允许的加热，不允许对传感器元件加热是由于热导率在低真空中大幅降低。
在一构造中，在测量腔室中布置有所述至少一个传感器元件和（如果存在的话）所述参考元件，其中所述测量腔室的温度被控制到恒定温度。测量腔室中的温度优选地低于所述至少一个传感器元件所达到的最小温度值。因此，在一构造中，所提供的是将所述测量腔室加热到在从大约40°到大约50°的范围中的温度。
根据第三方面提供的是热处理炉，所述热处理炉具有用于执行所描述的方法的装置和/或具有如所描述的设备，以确定渗氮或氮碳共渗气氛中的过程相关的气体成分的浓度。所述热处理炉用于例如对钢部件的比如气体渗氮、气体氮碳共渗或气体碳氮共渗的热处理。
附图说明
本发明的其它优势和方面将从权利要求并从如下对本发明的优选的示例性实施例的描述显现，基于附图在下文解释这些实施例。
在图中：
图1示意性地示出了设备的用于确定热导率的传感器元件，所述设备用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度，
图2示意性地示出了传感器元件1的温度的轮廓，以及
图3示意性地示出了热处理炉处的用于确定气体混合物中的N种气体种成分的浓度的设备。
具体实施方式。
图1示意性地示出了设备的用于确定热导率的传感器元件1，所述设备用于确定围绕传感器元件1的气体混合物中的N种气体成分的浓度。
所图示的传感器元件1包括具有连接件12、14的镍线或铂线10，镍线或铂线10被陶瓷嵌入特征16包围。所述类型的传感器元件1允许在传感器元件1达到在大于350°的范围中的最大温度值下运行。为了在这些温度值下的安全运行。提供了例如由不锈钢烧结材料组成的灭火器2。
借助连接件12、14，传感器元件1至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值，或达到在大于350°的范围中的最大温度值。在这种情况下，选择所述最小和最大温度值使得所述最小温度值低于气体成分的分解温度且所述最大温度值高于气体成分的分解温度。
在一构造中，传感器元件1交替地达到最小温度值和最大温度值，其中温度轮廓优选地是矩形信号。
图2示意性示出了传感器元件1的目标温度T的轮廓，其中传感器元件1交替地达到最小温度值Tmin和最大温度值Tmax。例如在由点所表示的测量时间或测量点处实现对热导率的检测。
在另一构造中，提供了两个传感器元件1，其中一个传感器元件1永久地运行以用于设定最小温度值Tmin并且一个传感器元件1永久地运行以用于设定最大温度值Tmax。图2中，所述传感器元件1的恒定温度轮廓由虚线说明。
在又一构造中，传感器元件1以逐级的方式重复地达到最小温度值、至少一个中间值和最大温度值。
在一构造中，传感器元件1在大气压力下在惠斯通电桥中运行。不过，还可以想到其他的电路。
基于所检测的N-1个测量值，在评价单元（未示出）中检测围绕传感器元件1的气体混合物中的N种气体成分的浓度。
图3示意性示出了热处理炉（未示出）处的用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度的设备3。设备3包括具有壳体30的测量腔室3。测量腔室3的温度被控制到恒定温度。为了防止水凝结，所述温度优选地是100℃。取决于气体混合物，例如还可以将所述温度固定在大约70-80℃以利用NH3在100℃下的影响。优选地借助被加热的壳体30实现对测量腔室3的加热。
在所图示的示例性实施例中，传感器元件1和参考元件5布置在测量腔室4中，其中所述传感器元件暴露给待分析的气体混合物并且所述参考元件暴露给参考气体，例如空气。
箭头示意性地示出了待分析的气体混合物的流动。
测量腔室4是例如凸缘安装在所述热处理炉（未示出）的壳体上，其中实现了由物理原因产生的气体流动的穿过具有传感器元件1的测量腔室的通流，使得流过不具有活性元件的处于与所述热处理炉相比相对低的温度的测量腔室40，并且所述气体经由有利地布置在中部的气体返回线路流回热处理炉。

Claims (13)

1.一种用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度的方法，所述气体混合物具有至少N种气体成分，其中N大于2，其中一个传感器元件（1）或多个传感器元件（1）至少达到N-1个预定温度值以确定温度相关的热导率，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值（Tmin），并且达到在大于大约350°的范围中的最大温度值（Tmax）。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最大温度值（Tmax）高于所述气体混合物的至少一种气体成分的分解温度，并且所述最小温度值（Tmin）低于所述气体混合物的该气体成分的分解温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助压力传感器检测压力以便补偿所述气体成分的热导率的压力相关性。
4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）暴露给所述气体混合物，并且分配给所述传感器元件（1）的参考元件（5）暴露给参考气体，特别是空气。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，提供了N-1个传感器元件（1），每个所述传感器元件（1）在定义的恒定温度下运行。
6.一种用于确定气体混合物中的N种气体成分的浓度的设备，所述气体混合物具有至少N种气体成分，其中N大于2，所述设备包括一个传感器元件（1）或多个传感器元件（1），所述一个传感器元件（1）或多个传感器元件（1）设置成和/或设计成至少达到N-1个预定温度值以确定温度相关的热导率，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）设置成和/或设计成至少达到在从大约60°到大约350°的范围中的最小温度值（Tmin），以及达到在大于大约350°的范围中的最大温度值（Tmax）。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）设置成和/或设计成达到高于所述气体混合物的分解温度的最大温度值（Tmax）。
8.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）包括镍线（10）和/或铂线（10），其中所述镍线（10）和/或所述铂线（10）嵌入特别是陶瓷材料中。
9.如权利要求6、7或8所述的设备，其特征在于，提供了压力传感器以用于检测压力。
10.如权利要求6至9中的任一项所述的设备，其特征在于，提供了参考元件（5）和暴露给所述气体混合物的至少一个传感器元件（1），其中所述参考元件（5）暴露给参考气体，特别是空气。
11.如权利要求6至10中的任一项所述的设备，其特征在于，提供了N-1个传感器元件（1），所述N-1个传感器元件（1）中每一个都设置成和/或设计成在定义的恒定温度下运行。
12.如权利要求6至11中的任一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个传感器元件（1）布置在测量腔室（4）中，其中所述测量腔室（4）的温度被控制到恒定温度。
13.一种热处理炉，所述热处理炉具有用于实施如权利要求1至5中的任一项所述的方法的装置和/或具有如权利要求6至12中的任一项所述的设备（3），以确定渗氮或氮碳共渗气氛中的过程气体成分的浓度。
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Application publication date: 20181123

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