CN110823762A - 使用气体密度传感器测量和控制气体混合物组成的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量含有已知组分的气体混合物的组成的装置，包括：第一气体密度传感器，被配置和布置为测量通过组合气态第一组分和气态第二组分制成的第一混合物的密度；第二气体密度传感器，被配置和布置为测量通过将所述第一混合物与气态第三组分混合而制成的第二混合物的密度；和处理器，被编程为基于来自所述第一气体密度传感器的数据确定所述第一混合物中第一组分和第二组分的相对组成，并基于来自所述第二气体密度传感器的数据确定所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成，从而确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。

Description

使用气体密度传感器测量和控制气体混合物组成的方法和 装置
背景技术
本发明涉及一种测量气体混合物组合物(包括含有两种以上组分的混合物)的装置和方法。
基于热导率的传感器可用作二元气体混合物分析仪。例如，因为氢具有比氮更大的导热率，所以可以使用热导率分析仪来测量氮气-氢气体混合物的组成。
红外或激光测量技术或气相色谱可用于测量含有两种以上组分的气体混合物的气体组成。但是这些方法很昂贵，并且大多数时候需要泵和/或采样系统来获取气体样品用于分析。而且，设备通常需要较大的占地面积或特殊的保护和维护。
有时，为了测量具有两种以上组分的气体混合物的组成，可以将各种技术组合成一个分析单元以测量每种组分的浓度。
长期可靠性、昂贵的设备、频繁的维护和安全考虑是测量气体混合物成分的主要问题。此外，如果需要泵或采样系统，通常响应时间相对较长，并且不能满足某些应用中的要求。
气体密度传感器用于测量二元气体混合物的组成。在一个示例中，气体密度传感器连续地测量天然气的气体密度以预测特定天然气流的潜在热值，但不确定组成。
目前，使用气体密度传感器来测量气体成分仅限于二元气体混合物，而不是测量含有两种以上组分的气体混合物的组成。例如，密度、压力和温度传感器目前正在热处理工业中用于测量烧结炉中的炉气氛(N2-H2混合物)。然而，使用气体密度传感器测量已经混合的气体混合物的组成的这种应用只能用于二元气体混合物。
发明概述
本文描述了用于测量和控制具有三种或更多种组分的气体混合物的组成的系统和方法，使用配置成测量密度的传感器，并且优选地还测量压力和温度。通过一起测量压力、温度和气体密度，可以精确地计算气体的分子量。(如果可以合理估算温度和压力，也可以通过仅测量密度来进行计算。)如果已知二元、三元或更多气体混合物的组分，特别是如果已知每种组分的分子量，则可以通过以下方法使用这种传感器的系统测量气体组成(即每种组分的相对比例)。因为气体密度传感器便宜并且可以构造成可靠的，所以这种类型的传感器优于现有的测量气体混合物成分的方法，特别是在具有多于两种成分的气体混合物中。
附图简述
下面将结合附图描述本发明，其中相同的数字表示相同的元件：
图1是用于确定多组分混合物的组成的系统的示意图，该系统使用多个气体密度传感器在连续添加每种连续组分时连续确定二元混合物密度(和组成)，其中气体密度传感器的数量比要检测的混合物成分的数量少一个。
图2是如图1所示系统的示意图，该系统还包括控制器，用于接收来自气体密度传感器的数据并确定中间和最终混合物组成，以及控制每个输入管线上的阀门以控制混合物组成。
发明详述
本文描述了一种系统和方法，用于使用一个或多个气体密度传感器来测量由各自具有已知或可知分子量的组分气体制成的气体混合物的组成。优选地，还在与气体密度同时测量每种气体混合物的温度和压力，以提高分子量计算的准确度。使用该系统和方法，可以精确且廉价地测量具有两种、三种或更多种组分的气体混合物的组成。
用于测量n种已知气体组分(或至少n种已知分子量的组分)的混合物的气体组分测量系统10的实施方案示于图1。供应管线将每种组分供应给系统10。在所示实施方案中。供电线路20承载组件-1，供应线路30承载组件-2，供应线路40承载组件-3，供应线路50承载组件-4，并且为了说明的目的，供应线路60承载组件-n。
组分-1和组分-2在接合点25处混合以形成第一气体混合物，并且第一密度传感器82测量第一气体混合物的密度。组分-3和第一气体混合物在接合处35处混合以形成第二气体混合物，并且第二气体密度传感器84测量第二气体混合物的密度。组分-4和第二气体混合物在接合点45处混合以形成第三气体混合物，并且第三气体密度传感器(未示出)测量第三气体混合物的密度。最后，通过n-2气体密度传感器86测量其密度的n-2气体混合物在结55处与组分-n混合，并且n-1气体密度传感器88测量n-1气体混合物密度。
传感器82、84、86和88中的每一个可以是组合传感器，其不仅确定气体密度而且还确定气体的温度和压力。压力和温度可用于精确计算分子量，也可用于将校正因子应用于密度测量，以提高精度，特别是在高压下或某些可能偏离理想气体定律的气体。利用测量的压力、温度和气体密度，可以计算混合物的分子量，并且由此可以计算进入混合物的每种组分的相对量(即，气体组成)。
来自传感器82、84、86和88中的每一个的信息被提供给处理器，处理器可以是PLC或控制器或计算机或可以从传感器82、84、86和88收集信号的任何类型的数据处理器，并进行数学计算以确定每种气体混合物的组成。通过串联处理计算，处理器依次重复求解一个未知的等式，以确定中间和最终混合物的组成。因此，对于含有n种组分的气体混合物，需要n-1个传感器并进行n-1分子量计算。
系统将在屏幕上显示每种气体混合物的计算组成，或将其记录到文件中，或通过其他数据访问方法提供信息。例如，每个气体密度传感器可以通过有线或无线通信将其测量结果发送到中央计算机(或数据记录器机器)，然后中央计算机(或数据记录器机器)运行计算并显示过程控制或监控所需的气体成分信息。
在如图2所示的另一实施例中，示出了气体成分测量和控制系统110，用于测量n种已知气体组分(或至少n种已知分子量的组分)的混合物，然后控制该混合物的组成。除了图1的系统10中的部件之外，系统110还包括中央控制器100以及控制阀22、32、42、52和62，其分别位于组件-1、组件-2、组件-3、组件-4和组件-n的供应线20、30、40、50和60上。控制器100接收来自传感器82、84、86和88中的每一个的数据，计算中间混合物和最终混合物的组成，将一个或多个计算的混合物组合物与目标混合物组合物进行比较，然后迭代地调节一个或多个控制阀22、32、42、52和62以实现目标混合物成分。
虽然上面已经结合优选实施例描述了本发明的原理，但是应该清楚地理解，该描述仅通过示例的方式进行，而不是作为对本发明范围的限制。

Claims (12)

1.一种用于测量含有已知组分的气体混合物的组成的装置，包括：
第一气体密度传感器，被配置和布置为测量通过组合气态第一组分和气态第二组分制成的第一混合物的密度；
第二气体密度传感器，被配置和布置为测量通过组合所述第一混合物与气态第三组分制成的第二混合物的密度；和
处理器，被编程为基于来自所述第一气体密度传感器的数据确定所述第一混合物中第一组分和第二组分的相对组成，并基于来自所述第二气体密度传感器的数据确定所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成，从而确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。
2.权利要求1所述的装置，还包括第三气体密度传感器，被配置和布置为测量通过组合所述第二混合物和气态第四组分制成的第三混合物的密度，其中该过程进一步编程为基于来自所述第三气体密度传感器的数据确定所述第三混合物中第二混合物和第四组分的相对组成，从而确定所述第三混合物中第一组分、第二组分、第三组分和第四组分的相对组成。
3.权利要求1所述的装置，其中所述第一组分、第二组分和第三组分都具有相应的已知分子量。
4.权利要求1所述的装置，还包括：
第一温度传感器，被配置和布置为测量所述第一混合物的温度，和第一压力传感器，被配置和布置为测量所述第一混合物的压力；和
第二温度传感器，被配置和布置为测量所述第二混合物的温度，和第二压力传感器，被配置和布置为测量所述第二混合物的压力；
其中所述处理器还被编程为在确定第一气体混合物中第一组分和第二组分的相对组成时考虑来自所述第一温度传感器和所述第一压力传感器的数据；和
其中所述处理器还被编程为在确定所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成时考虑来自所述第二温度传感器和所述第二压力传感器的数据，并因此确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。
5.一种控制含有已知组分的混合气体混合物的装置，包括：
第一控制阀，用于控制第一组分的流动；
第二控制阀，用于控制第二组分的流动；
第一气体密度传感器，被配置和布置为测量通过组合所述第一组分和所述第二组分制成的第一混合物的密度；
第三控制阀，用于控制第三组分的流动；
第二气体密度传感器，被配置和布置为测量通过将所述第一混合物与第三组分混合制成的第二混合物的密度；和
处理器，被编程为基于来自所述第一气体密度传感器的数据确定所述第一混合物中第一组分和第二组分的相对组成，并基于来自所述第二气体密度传感器的数据确定所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成，从而确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成；和
所述控制器还被编程为控制所述第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀，以获得所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的期望相对组成。
6.权利要求5所述的装置，还包括：
第四控制阀，用于控制第四组分的流动；
第三气体密度传感器，被配置和布置为测量通过将所述第二混合物与第四组分混合制成的第三混合物的密度；和
所述控制器还被编程为基于来自所述第三气体密度传感器的数据确定所述第三混合物中第二混合物和第四组分的相对组成，从而确定所述第三混合物中第一组分、第二组分、第三组分和第四组分的相对组成；和
所述控制器还被编程为控制所述第四控制阀，以获得所述第三混合物中所述第一组分、第二组分、第三组分和第四组分的期望相对组成。
7.权利要求5所述的装置，其中所述第一组分、第二组分和第三组分都具有相应的已知分子量。
8.权利要求5所述的装置，还包括：
第一温度传感器，被配置和布置为测量所述第一混合物的温度，和第一压力传感器，被配置和布置为测量所述第一混合物的压力；和
第二温度传感器，被配置和布置为测量所述第二混合物的温度，和第二压力传感器，被配置和布置为测量所述第二混合物的压力；
其中所述处理器还被编程为在确定第一气体混合物中第一组分和第二组分的相对组成时考虑来自所述第一温度传感器和所述第一压力传感器的数据；和
其中所述处理器还被编程为在确定所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成时考虑来自所述第二温度传感器和所述第二压力传感器的数据，并因此确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。
9.一种测量气体混合物的组成的方法，包括：
测量通过组合第一组分和第二组分制成的第一混合物的密度；
测量通过组合所述第一混合物与第三组分制成的第二混合物的密度；和
基于所述第一混合物的测量密度来计算所述第一混合物中第一组分和第二组分的相对组成，并基于所述第二混合物的测量密度来计算所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成，从而确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。
10.权利要求9所述的方法，还包括：
测量通过组合所述第二混合物和第四组分制成的第三混合物的密度；
基于所述第三混合物的测量密度来计算所述第三混合物中第二混合物和第四组分的相对组成，从而确定所述第三混合物中第一组分、第二组分、第三组分和第四组分的相对组成。
11.权利要求9所述的方法，其中所述第一组分、第二组分和第三组分都具有相应的已知分子量。
12.权利要求9所述的方法，还包括：
测量所述第一混合物的温度；
测量所述第一混合物的压力；
测量所述第二混合物的温度；
测量所述第二混合物的压力；
基于所述第一混合物的测量密度、温度和压力来计算所述第一混合物中第一组分和第二组分的相对组成，并基于所述第二混合物的测量密度、温度和压力来计算所述第二混合物中第一混合物和第三组分的相对组成，从而确定所述第二混合物中第一组分、第二组分和第三组分的相对组成。
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