CN110582699A - 用于检测烃的紧凑式测量仪器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定压缩空气中的烃浓度的测量仪器，测量仪器包括壳体和布置在壳体中的以下部件：–主气体管线，其带有用于压缩空气的入口；第一气体管线，其从主气体管线分支出来，用于测量压缩空气，其中，第一气体管线将主气体管线连接至第一可切换阀；–用于参考压缩空气第二气体管线，其从主气体管线分支出来，其中，第二气体管线将主气体管线连接至第一可切换阀；–第三气体管线，其将第一可切换阀连接至传感器单元并且由铜制成，其中，传感器单元具有带有测量腔室的光电离检测器；–参考气体单元，其布置在第二气体管线中，在包含氧化催化剂的所述参考气体单元中由压缩空气产生参考压缩空气；–压力控制器，其布置在主气体管线中，用于确保3至16巴范围内的压缩空气的恒定通流；–压力测量仪器，其布置在传感器单元上游，用于确定流入到传感器单元中的相应的压缩空气的压力；–温度传感器，其布置在传感器单元下游，用于确定离开传感器单元的相应的压缩空气的温度；以及–用于冷却参考气体单元的冷却设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定压缩空气中的烃浓度的测量仪器和方法。
背景技术
带有各种传感器技术的这种测量仪器是已知的，并且被用于检测在例如空气或压缩空气中的油、烃和可氧化气体的接触。通常，例如使用可电加热的半导体氧化物材料，取决于空气中所含烃的量在加热状态下半导体氧化物材料的电阻会变化。
另一种方法是借助于弹性体来检测烃浓度。为此，将待测量的气流引导至由加热的催化剂材料制成的主体上，在该主体的内部空间中设有加热的铂螺旋体。可以经由加热的铂螺旋体和第二铂螺旋体的电阻的变化来检测烃浓度，该第二铂螺旋体由于烃的燃烧热而设定在催化剂上。
火焰离子检测器的使用也是已知的。在这种装置的情况下，在气流内焚化这些烃，并测量在火焰中的两个电极之间的电压变化。
另一种方法是借助于光电离检测烃浓度。由此，使用紫外线光照射这些烃。该光的能量的量必须足够高，以使电子被驱出烃。它们的数量可以使用电极来测量。
前述方法特别适用于检测可氧化气体中的高水平浓度；但是，不可能以可靠的方式检测到低μg/Nm3范围内和ppb范围内的低水平浓度。
由于测量值还取决于化合物的原子结构，并且即使在相同的总和公式情况下也可能有很大的变化，因此借助于光电离检测器生成的测量值只能间接建议所测量的物质的量。然而，只要待测化合物是恒定的、已知的并且尽可能最大程度地均匀的，就可以相对可靠地测量烃含量的浓度。但是，随着烃浓度的降低，测量精度下降。由此，特别地，空气湿度含量的影响增加。随着烃含量的减少，空气湿度的影响也变得越来越大；在较低的mg/Nm3，并且特别是在μg/Nm3范围内的烃含量测量不能以足够准确的方式进行。
对于各种压缩空气应用，需要使用不同的油颗粒极限值。油颗粒由液滴状油雾和油蒸气组成。借助于各种方法，可以从压缩空气流中部分地消除或很大程度上消除油雾和油蒸气。但是，到目前为止，对压缩空气中的油进行快速测量一直是一个尚未解决的问题。
市场上出售的仪器通常非常大，或甚至分为两个仪器部件：传感器单元和评估单元。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于确定压缩空气中的烃浓度以及(如果适用)可氧化气体的测量仪器，该测量仪器一方面可靠地测量极低的浓度并且另一方面没有现有技术的缺点。此外，本发明的目的是提供一种相对于现有技术而言改进的方法，该方法用于确定压缩空气中的烃浓度以及(如果适用)可氧化气体。
该任务借助于如下方式来实现，即，具有权利要求1的特征的测量仪器以及具有权利要求10的特征的方法。根据本发明，用于确定压缩空气中的烃浓度的根据本发明的测量仪器具有单个壳体，在该壳体中布置对于本发明至关重要的所有部件。
在本发明的范围内，在以下的压缩空气流之间进行区分。术语压缩空气是指流入测量仪器的包含烃的压缩空气。为此，根据本发明，测量仪器具有带有入口的主气体管线。包含烃的压缩空气可以直接供应到传感器单元，随后作为待测压缩空气。为此，测量仪器具有从主气体管线分支出来的第一气体管线，其中，第一气体管线将主气体管线连接至第一可切换阀。此外，根据本发明，测量仪器具有用于参考压缩空气的从主气体管线分支出来的第二气体管线。参考压缩空气是指其烃浓度在检测极限之下并且因此就本发明而言为零的压缩空气。根据本发明，第二气体管线还将主气体管线连接至第一可切换阀。根据本发明，参考气体单元布置在第二气体管线中，所述参考气体单元具有氧化催化剂，该氧化催化剂将烃氧化为二氧化碳和水。由此，通过从主气体管线分支出包含烃的压缩空气，由此将参考压缩空气供给至参考气体单元。根据本发明，第一可切换阀经由铜组成的第三气体管线连接至传感器单元。
借助于第三气体管线是由铜构成的事实，实现了使流过第三气体管线的相应的压缩空气呈现在壳体内部的主要温度或加热至该温度。
根据本发明，传感器单元具有带有测量腔室的光电离检测器，在测量腔室中可以检测烃浓度。测量仪器借助于可切换阀(优选为电磁阀)交替地将包含烃的压缩空气直接引导至具有光电离检测器的传感器单元，以作为待测的压缩空气，或作为经由参考气体单元的参考压缩空气。根据待测压缩空气与参考压缩空气之间的信号差来确定测量值。
在替代实施例中，参考气体单元还可包括活性炭或合适的膜。
在本文件中，光电离检测器(PID)的测量原理基于借助于紫外线辐射对存在于气相中的烃的电离和由此产生的离子电流的检测。离子电流的强度与电离的烃以及(如果适用的)其它可电离气体的浓度成正比。如果适用，可以以电子放大的方式将测得的信号作为测得的烃的浓度输出。
有利地，光电离检测器(PID)指示样品中包含的所有可光电离的化合物的总浓度，并且不区分各个组分或物质，因此，可检测到具有少于六个碳原子(<C6)的烃化合物，例如诸如异丁烯。
借助于参考压缩空气，集成在测量仪器中的参考气体单元而不仅确保定期确定新的零点，而且还用于定期清洁PID，参考压缩空气不含烃，特别是不含油和油脂。
优选地，这也通过测量腔室的经流动优化的几何形状来支持。为此，测量腔室特别优选为具有沿流动方向减小的直径的漏斗形状。借助于此，有效地减少了分子、油和其它物质在测量腔室的内壁上的沉积。此外，已经示出的是，由于由此产生的压缩空气的停留时间，流入到测量腔室中的沿径向定向的相应的压缩空气流支持了烃以及(如果适用的)其它气体的电离。
例如，布置在储存器中的镀铂石英棉被用作氧化催化剂。
已经示出的是，如果在测量中使用具有10.6eV的光电离灯，则由于参考气体单元中的氧化而引起的湿度的最小增加可以忽略不计，因为在这种测量的情况下，湿度的影响最低。
此外，根据本发明的测量仪器具有布置在主气体管线中的压力控制器，该压力控制器用于确保范围为3至16巴的压缩空气的恒定的通流，从而始终可以确保传感器单元、特别是PID具有相同的运行条件，从而又提高了测量精度。
对检测到的测量值进行温度和压力补偿，用于实现特别精确的测量。为此目的，根据本发明的测量仪器具有压力测量仪器以及温度传感器，压力测量仪器布置在传感器单元上游，用于确定流入到传感器单元中的相应的压缩空气的压力，温度传感器布置在传感器单元下游，用于确定离开传感器单元的相应的压缩空气的温度。由此，检测到的测量值总是涉及20℃的强制性标准温度和1,000毫巴的强制性气压。
根据本发明，测量仪器具有用于冷却被布置在测量仪器内的参考气体单元的冷却装置。以这种方式，可以有效地耗散在操作期间产生的热量。优选地，冷却装置设计为风扇，使得周围的空气流入壳体，且加热的空气从壳体的内部空间流出。
在特别有利的实施例中，为了相关的操作安全，参考气体单元和传感器单元、特别是PID的功能通过显示设备、优选为LED连续监测并用信号通知。如果超过或超过了限定的安全极限，则激活警报，并且使用者收到需要检查该仪器的指示。为此，在功能故障的情况下，LED例如从绿色变为红色。中断至传感器单元、特别是至PID的通流，由此保护光电离检测器免受过度的应力负载。
为此，优选地，测量仪器具有布置在第一可转换阀下游的第三气体管线中的第二可转换阀、特别是电磁阀，以及布置在第二阀和压力测量仪器之间的压力开关。
在另一个有利的实施方式中，测量仪器具有在主气体管线中布置在压力控制器下游的安全阀，所述安全阀在≥4巴的压力下打开。
优选地，另一压力测量仪器，例如压力计，在主气体管线中被布置在压力控制器下游，用于监测压缩空气的压力。
此外，测量仪器优选地具有集成的评估单元，该评估单元具有评估电子设备和操作者界面(显示器)。操作界面可以例如借助于触摸屏同时设计为输入单元。
在下文中，将更详细地阐述本发明的其它方面。为了避免重复，参考对根据本发明的测量仪器的各种实施例的特征和优点的前述讨论，这些测量仪器直接适用于以下对各种实施例和其它实施例的讨论。
在另一方面，本发明涉及一种通过根据本发明的测量仪器来确定压缩空气中的烃浓度的方法，该方法包括以下方法步骤：
-将包含烃的压缩空气引导到测量仪器中，并且在3至16巴的压力下构造恒定的通流，
-将包含烃的压缩空气分为待测压缩空气和参考压缩空气，其中，待测压缩空气直接施加到传感器单元，而参考压缩空气首先被氧化，
-以限定的间隔交替地将待测压缩空气和参考压缩空气馈送到传感器单元中，并确定流入到传感器单元中的相应的压缩空气的压力，
-根据待测压缩空气与参考压缩空气之间的信号差来确定测量值。
-确定离开传感器单元的相应的压缩空气的温度。
根据本发明，将包含烃的压缩空气连续地分为待测压缩空气和参考压缩空气，其中，参考压缩空气也被连续地供应到参考气体单元。如果不需要零级空气或参考压缩空气，则经由布置在参考单元下游的消音器将其排放到环境中。如果测量仪器切换了参考压缩空气的测量，则其可以直接使用，并且可以无时间损耗地使用。由此，不再需要像现有技术中那样启动参考气体单元。
根据本发明，借助于参考压缩空气的PID的校准是根据限定的间隔进行的，优选地，相比较参考压缩空气，待测压缩空气以1.5至5倍范围中的倍数更长时间地供应到传感器单元、优选在2至4倍的范围内。
例如，交替地，将待测压缩空气向传感器单元供应六分钟的时间段，然后将参考压缩空气向传感器单元供应两分钟的时间段。自动零点比较会补偿通常的漂移影响，并且因此，即使在低水平的烃含量、特别是例如油小于0.01mg/m3的情况下，也可以检测到高精度读数。测量范围优选地小于2.5mg/m3，特别优选为0.01至2.5mg/m3。
所检测的测量值是基于参考压缩空气的上次测量的零电压与待测压缩空气的当前测量的信号电压之间的电压差。优选地，可以将该电压差与存储的参考值进行比较，从而可以转换成ppb浓度。
为了能够在处理器中进一步处理PID的信号电压，必须首先对其进行数字化处理。为此，使用被称为模数转换器的电路。该结果是非常精确地测量出的电压，该电压以特定间隔可供处理器使用。该电路需要至少0.4秒才能实现最精确的转换。
但是，由于在这些短的间隔内不需要测量结果，因此优选地由多个确定的检测到的测量值、特别优选的是由它们中的5至15个来形成平均值。
由于测量到的电压非常低，因此存在如下的风险，即，在每次测量期间都可能发生测量误差。通过组合多个测量值，例如10个，在恒定信号下的测量误差比独立的测量值小三倍，也就是说，四秒钟的测量比独立的测量值更精确三倍。
取决于应用，也可以或多或少地考虑测量值以用于形成平均值。
已经示出的是，确定浮动平均值而不是形成平均值会带来更好的结果。由此，除了当前平均值之外，还将考虑先前的平均值。因此，总体而言，该平均值根据当前平均值和之前的先前的平均值来确定，其中，所包括的先前的平均值的数量可以根据应用而变化。
由于这种有利的计算方法，可以有效地防止例如由电源系统中的故障引起的独立的错误测量。
优选地，由多个平均值、特别优选的是其中的15至25个平均值形成浮动平均值。
附图说明
下面参考附图详细描述本发明。由此，这些附图仅示出了有利的实施方式；然而，本发明不应当限于这些。附图示出：
图1：根据本发明的测量仪器的实施例的内部空间的示意图，以及
图2：测量仪器的流体流的功能图或示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的测量仪器20的实施例的内部空间，该测量仪器用于确定在压缩空气中的烃浓度，其中所有部件都布置在单个壳体68中。
测量仪器20具有主气体管线28，该主气体管线具有压缩空气的入口31。第一气体管线38从主气体管线28分支出来，用于待测压缩空气，其中，第一气体管线38将主气体管线28连接至第一可切换阀42。此外，用于参考压缩空气的第二气体管线46从主气体管线28分支出来，其中，第二气体管线46也将主气体管线28连接至第一可切换阀42。此外，测量仪器具有由铜组成的第三气体管线37，该第三气体管线将第一可切换阀42连接至传感器单元26。
传感器单元26具有带有测量腔室(未示出)的光电离检测器40，向其供应相应的压缩空气。
此外，参考气体单元30布置在第二气体管线46中，由此包含氧化催化剂(未示出)。参考压缩空气、即不包含烃的压缩空气，是在参考气体单元30中由包含烃的压缩空气产生的。
此外，在主气体管线28中布置有压力控制器32，以确保范围为3至16巴的压缩空气的恒定的通流。
为了确定分别流入到传感器单元26中或流出传感器单元26的压缩空气的压力和温度，测量仪器20具有布置在传感器单元26上游的压力测量仪器56以及布置在传感器单元26下游的温度传感器62。
此外，测量仪器具有用于冷却参考气体单元30的冷却装置51、53。
在第三气体管线37中，第二可切换阀44布置在第一可切换阀42的下游，并且在第二可切换阀44下游布置有压力开关54。
参考气体单元30还具有带警报功能的温度控制器50和由风扇51以及空气出口53构成的用于冷却的冷却装置。
待测压缩空气和参考压缩空气可以经由消音器52离开测量仪器20。
从图2中阐明了根据本发明的测量仪器20的功能。包含烃的压缩空气通过入口31导入到测量仪器20中。压力控制器32调节入流压力。安全阀36例如在压力≥4巴时打开，该安全阀36接在压力控制器32的下游。
待测压缩空气从在主气体管线28内的包含烃的压缩空气经由第一气体管线38直接供应到传感器单元26或经由第一可切换阀42和第二可切换阀44直接供应到光电离检测器40(PID)
首先将参考压缩空气经由第二气体管线46提供给参考气体单元30，在此之前，它还经由两个阀42、44提供给PID 40。如果不需要参考压缩空气，则将其经由消音器52排放到环境中。
参考气体单元30具有温度控制器50。如果参考压缩空气的温度超过极限值，则第二可切换阀44关闭，并经由警报装置61发出警报。
在两个可切换阀42、44的下游布置了机电压力开关54，该机电压力开关在过压或负压的情况下关闭第二可切换阀44并触发警报。
温度传感器62监视传感器单元26中的各个压缩空气的温度，并在超过极限值时输出警报信号。
此外，在测量仪器20内设置有扼流器60，用于调节各个压缩空气的通过流。此外，测量仪器20具有电源单元45以及带有相关联的印刷电路板的处理器。
Claims (13)
1.用于确定压缩空气中的烃浓度的测量仪器(20)，所述测量仪器包括壳体(68)和布置在所述壳体(68)中的以下部件：
-主气体管线(28)，所述主气体管线带有压缩空气的入口(31)；
-第一气体管线(38)，所述第一气体管线(38)从所述主气体管线(28)分支出来，用于待测压缩空气，其中，所述第一气体管线(38)将所述主气体管线(28)连接至第一可切换阀(42)；
-用于参考压缩空气的第二气体管线(46)，所述第二气体管线(46)从所述主气体管线(28)分支出来，其中，所述第二气体管线(46)将所述主气体管线(28)连接至所述第一可切换阀(42)；
-第三气体管线(37)，所述第三气体管线(37)由铜制成，且将所述第一可切换阀(42)连接至传感器单元(26)，其中，所述传感器单元(26)具有带有测量腔室的光电离检测器(40)；
-参考气体单元(30)，所述参考气体单元(30)布置在所述第二气体管线(46)中，且包含氧化催化剂，在所述参考气体单元(30)中由压缩空气产生参考压缩空气；
-压力控制器(32)，所述压力控制器(32)布置在所述主气体管线(28)中，用于确保范围为3至16巴的压缩空气的恒定的通流；
-压力测量仪器(56)，所述压力测量仪器(56)布置在所述传感器单元(26)上游，用于确定流入到所述传感器单元(26)中的相应的压缩空气的压力；
-温度传感器(62)，所述温度传感器(62)布置在所述传感器单元(26)下游，用于确定离开所述传感器单元(26)的相应的压缩空气的温度；以及
-冷却装置(51、53)，所述冷却装置(51、53)用于冷却所述参考气体单元(30)。
2.根据权利要求1所述的测量仪器(20)，其特征在于，包括第二可切换阀(44)，所述第二可切换阀(44)在所述第一可切换阀(42)下游布置在第三气体管线(37)中。
3.根据权利要求2所述的测量仪器(20)，其特征在于，所述第一可切换阀(42)和所述第二可切换阀(44)是电磁阀。
4.根据前述权利要求2或3中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，包括压力开关(54)，所述压力开关(54)在所述第三气体管线(37)中布置在所述第二可切换阀(44)和所述压力测量仪器(56)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，所述测量腔室是漏斗形的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，用于冷却所述参考气体单元(30)的所述冷却装置(51、53)被设计为风扇，以使周围的空气流入所述壳体(68)，而加热的空气则流出所述壳体(68)的内部空间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，所述测量仪器(20)还具有评估单元。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，包括另外一个压力测量仪器(34)，所述另外一个压力测量仪器(34)在所述主气体管线(28)中布置在所述压力控制器(32)下游。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量仪器(20)，其特征在于，包括安全带(36)，所述安全带(36)在所述主气体管线(28)中布置在所述压力控制器(32)下游，优选地布置在所述另外一个压力测量仪器(34)下游。
10.借助于根据前述权利要求1至9中任一项所述的测量仪器(20)而用于确定压缩空气中的烃浓度的方法，所述方法包括以下方法步骤：
-将包含烃的所述压缩空气引导到所述测量仪器(20)中，并且在3至16巴的压力下构造恒定的通流，
-将包含烃的所述压缩空气分为待测压缩空气和参考压缩空气，其中，所述待测压缩空气直接施加到传感器单元(26)，而所述参考压缩空气首先被氧化，
-以限定的间隔交替地将所述待测压缩空气和所述参考压缩空气馈送到所述传感器单元(26)中，并确定流入所述传感器单元(26)的相应的压缩空气的压力，
-根据所述待测压缩空气与所述参考压缩空气之间的信号差来确定测量值，
-确定离开所述传感器单元(26)的相应的压缩空气的温度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，相比较所述参考压缩空气，所述待测压缩空气以1.5至5倍范围中的倍数更长时间地供应到所述传感器单元(26)、优选长在2至4倍的范围内。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，平均值是由多个检测到的测量值、优选为所述检测到的测量值中5至15个形成的。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，浮动平均值是由多个测量值、优选为所述测量值中15至25个形成的。
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