CN112534252B - 火焰离子化探测器和分析含氧测量气体的方法 - Google Patents

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Abstract

在基于火焰离子化分析含氧测量气体(3)时，在存在空气(7)并在供应含氢的燃烧气体(4)的情况下，测量气体(3)在气体火焰(6)中燃烧并测量和评估从气体火焰(6)到电极(10)的离子流(I)。另外，测量气体火焰(6)的温度(T)并且利用所测量到的温度(T)补偿测量到的离子流(I)对测量气体(3)中氧气的交叉敏感性。

Description

火焰离子化探测器和分析含氧测量气体的方法
技术领域
本发明涉及一种火焰离子化探测器和一种分析含氧测量气体的方法。
背景技术
火焰离子化探测器(FIDs)用于测量和监测有机化合物，例如气体中的碳氢化合物，其中，含碳分子在气体火焰中被离子化并通过对电流的测量来验证。为此，在存在空气并提供氢气的情况下，测量气体中包含的碳氢化合物在燃烧器中燃烧。在燃烧时，有机结合的碳氢化合物含量被离子化。通过两个电极之间产生的电场将离子转换成离子流，然后在评估装置中对其进行测量和评估，以确定测量气体的总碳氢化合物浓度。借助于温度传感器探测气体火焰是否是燃烧的或熄灭的。
由DE 7107607 U或US 7,704,748 B2已知，通过使用例如氢气/氦气混合物或氢气/氮气混合物作为燃烧气体代替纯氢气来补偿火焰离子化探测器对氧气的交叉敏感性。由于利用这种燃烧气体混合物进行火焰离子化探测器的连续运行比较昂贵，因此，DE7107607 U提出了一种在燃烧器处针形阀或毛细管装置以避免氧气交叉敏感性，通过该针形阀或毛细管装置从燃烧器尖端内部供应一定的空气流。
为了解决相同的问题，从DE 203 20 366 U1或DE 10 2015 121 534 A1中已知一种特殊的燃烧器喷嘴，其中设有多个喷嘴开口用于形成多个火焰，或者助燃空气甚至在火焰之前通过燃烧器喷嘴中的凹口到达燃烧气体和测量气体的气体混合物中。
从US 2003/0085714 A1或US 8,587,319 B1已知，在火焰上方的区域中测量火焰离子化探测器中的温度，并根据测量到的温度调节到火焰离子化探测器的气体流入(测量气体、燃烧气体、助燃空气)，从而保持其工作点稳定。如果像从US 2003/0085714 A1中已知的那样，当火焰离子化探测器是过程气相色谱仪的一部分，并且以时间上分开的方式获得待测量的气体的组分时，则火焰离子化探测器对氧气的交叉敏感性上述问题不会得到解决或不会出现。
从DE 10 2013 205 139 B3已知，在火焰离子化探测器中结合火焰离子化探测和火焰温度分析(FTA)的测量原理并为此测量火焰的温度。通过评估测量到的离子流可确保快速响应时间。另一方面，火焰温度的评估确保了精确的测量。评估单元从两个测量值中确定一个输出值作为对测量气体中易燃物质浓度的尺度。没有公开如何将来自火焰离子化探测和火焰温度分析的两个单个结果彼此关联以形成一个输出值。并且在此，火焰离子化探测器对氧气的交叉敏感性的问题也未解决。
最后，从JP H05 119006A中已知，借助于单独的氧气计来测量测量气体中的氧气含量，并且因此补偿火焰离子化探测器的氧气交叉灵敏度。
发明内容
本发明基于以下目的，降低火焰离子化探测器对氧气的交叉敏感性，而无需氧气计、特殊的燃烧气体混合物或特殊的燃烧器喷嘴来。
根据本发明，该目的通过本发明所述的火焰离子化探测器和本发明所述的方法来实现。
根据本发明的火焰离子化探测器和方法的有利的改进方案由各个实施例得出。
因此，本发明的主题是一种火焰离子化探测器，具有：燃烧器，在存在空气并且在供应含氢燃烧气体的情况下，燃烧器用于使含氧测量气体在气体火焰中燃烧；测量装置，以测量从气体火焰到电极的离子流；评估测量到的离子流的评估装置；以及测量气体火焰的温度的温度传感器，其中，评估装置设计用于评估测量到的离子流时利用所测量到的温度补偿测量到的离子流对测量气体中氧气的交叉敏感性。
本发明还涉及一种基于火焰离子化对含氧测量气体进行分析的方法，其中，在存在空气并在供应含氢燃烧气体的情况下，测量气体在气体火焰中燃烧，并且测量和评估从气体火焰到电极的离子流，其中，测量气体火焰的温度，并且其中，利用测量到的温度补偿测量到的离子流对测量气体中氧气的交叉敏感性。
本发明基于以下观察，即很难从测量气体中的碳氢化合物含量来测量气体火焰的温度，而是取决于其氧气含量。本发明通过使用测量到的火焰温度来补偿火焰离子化探测器对测量气体的氧气含量的交叉敏感性，来利用该观察结果。不再需要特殊和昂贵的燃烧气体混合物，也不需要特别构造的燃烧器喷嘴。
由于火焰温度随氧气含量的变化仅微小变化，因此根据本发明的氧气交叉敏感性的补偿能够通过气体流入(测量气体、燃烧气体、助燃空气)的波动或长期变化被歪曲。为阻止这种情况，能够将所供应的气体的压力调节至恒定的绝对压力。当使用相对压力调节器时实现相对于大气压力(环境压力)的调节，然而该大气压力能够改变。在这种情况下，能够以有利的方式测量环境压力，以便因此校正用于补偿氧气交叉敏感性的火焰温度的测量值。
附图说明
下面借助实施例参考附图更详细地解释本发明；图中示出：
图1示出了火焰离子化探测器，以及
图2示出了离子流和火焰温度对贫氮水煤气的氧含量的依赖关系的示例。
具体实施方式
图1在简化的示意图中示出了具有燃烧室1和布置在燃烧室中或者伸入其中的燃烧器(燃烧喷嘴)2的火焰离子化探测器。在入口侧将含氧的测量气体3和含氢的燃烧气体4、优选是纯氢气提供给燃烧器2，它们在燃烧器2的前面或内部混合并在燃烧器2的输出侧的出口5处在火焰6中燃烧。另外，含氧的助燃空气7优选是清洁的、不含碳氢化合物的环境空气，以恒定的21体积％的速率被导入燃烧室2中。
当测量气体3燃烧时，有机结合的碳氢化合物部分被离子化。为了测量该碳氢化合物含量，提供了具有两个电极9、10的测量装置8，气体火焰6在两个电极之间燃烧。作为所示示例的替代，电极之一能够由燃烧器2形成，电极中的另一个能够布置在火焰6上方。借助于电压源11，在电极9、10之间产生电场，由于该电场，来自气体火焰6的离子以离子流I流向电极9、10之一。借助于高度敏感的放大器12测量离子流I，将其数字化(ADC 13)并在评估装置14中对其进行评估，以确定测量气体3中的总碳氢化合物浓度。
在气体火焰6中或上方紧接着布置有温度传感器15，例如热敏电阻或热电偶，其检测火焰温度T并将其经由温度测量电路16输送给评估装置14。
火焰离子化探测器对测量气体3中的氧气具有交叉敏感性，因为测量的离子流I不仅取决于测量气体3中的碳氢化合物含量，而且还取决于其氧气含量。
图2示例性地示出了测量到的离子流I和火焰温度T对不含碳氢化合物的贫氮水煤气的氧含量O2％的依赖关系，其中，氧含量O2％在此从左到右以十个阶段从0％升高到21％。火焰温度T随着氧含量O2％的增加而降低，然而离子流I则增加。
在含碳氢化合物的测量气体3的情况下，离子流I和火焰温度T随着测量气体3的氧含量O2％的增加而降低。这意味着，在(与校准期间的氧含量相比)较高的氧含量O2％的情况下，指示测量气体3的总碳氢化合物浓度的FID测量信号过低，并且在较低的氧含量O2％的情况下，该测量信号过高。然而，此外，能够确定测量气体3的碳氢化合物含量的变化对火焰温度T没有影响或仅有很小的影响。因此，火焰温度T使得能够实现间接测量氧含量O2％，并且因此校正FID测量信号。因此，如果火焰温度T在测量操作中比在校准时更低，则由离子流I得出的测量气体3的总碳氢化合物浓度将向上校正，反之则向下校正。
因此，评估装置14包括校正装置17，在校正装置中，在对所测量到的离子流I评估时，利用测量到的火焰温度T补偿其对测量气体3中的氧气的交叉敏感性。从测量到的离子流I相应地校正的评估结果作为测量气体3的总碳氢化合物浓度的确定的结果18被输出。因此，能够使用纯氢作为燃烧气体4来代替比较昂贵的氢气/氦气混合物。
借助于包括测量气体泵19、压力调节器20、21和毛细管构成的系统，测量气体3、燃烧气体4和助燃空气7的流入保持恒定。压力调节器20、21能够是绝对压力调节器或相对压力调节器。在后者的情况下，相对于环境压力进行调节，从而产生与环境压力无关的体积流量。然而，质量流量取决于气体密度，并因此取决于环境压力，其中，当环境压力降低时，气体的质量流量也降低，并且因此火焰温度也降低。空气压力传感器22检测环境压力patm，并将其经由压力测量电路23输送给评估装置14。在校正装置17中，利用测量到的环境压力patm来校正测量到的火焰温度T。如果在测量操作中测量到的环境压力patm低于校准期间的环境压力，则用于校正FID测量信号的所测量到的火焰温度T的值将被向上修正，反之被向下修正。

Claims (7)

1.一种火焰离子化探测器，具有：燃烧器(2)，所述燃烧器在存在空气(7)的情况下并且在供应含氢燃烧气体(4)的情况下使含氧测量气体(3)在气体火焰(6)中燃烧；测量装置(8)，所述测量装置测量从所述气体火焰(6)到电极(10)的离子流(I)；评估装置(14)，所述评估装置评估测量到的所述离子流(I)；温度传感器(15)，所述温度传感器测量所述气体火焰(6)的温度(T)，其中，所述评估装置(14)设计用于，在评估测量到的所述离子流(I)时利用测量到的所述温度(T)补偿测量到的所述离子流对于所述测量气体(3)中的氧气的交叉敏感性。
2.根据权利要求1所述的火焰离子化探测器，其特征在于，设有用于燃烧气体(4)和助燃空气(7)的绝对压力调节器(20、21)。
3.根据权利要求1所述的火焰离子化探测器，其特征在于，设有用于燃烧气体(4)和助燃空气(7)的相对压力调节器(20、21)和测量环境压力(Patm)的空气压力传感器(22)，其中，所述评估装置(14)还设计用于，利用测量到的所述环境压力(Patm)来校正所述气体火焰(6)的测量到的所述温度(T)。
4.一种用于基于火焰离子化分析含氧测量气体(3)的方法，其中，在存在空气(7)的情况下并在供应含氢燃烧气体(4)的情况下使所述测量气体(3)在气体火焰(6)中燃烧，并且测量和评估从所述气体火焰(6)到电极(10)的离子流(I)，其中，测量所述气体火焰(6)的温度(T)，并且利用测量到的所述温度(T)补偿测量到的离子流(I)对于所述测量气体(3)中的氧气的交叉敏感性。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，供应纯氢气作为所述含氢燃烧气体(4)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将燃烧气体(4)和助燃空气(7)的压力调节至恒定的绝对压力。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将燃烧气体(4)和助燃空气(7)的压力调节至相对于环境压力(Patm)恒定的相对压力，测量所述环境压力(Patm)并利用测量到的所述环境压力(Patm)校正所述气体火焰(6)的测量到的所述温度(T)。
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