CN217359696U - 一种应用于测量混合气体导热系数的传热功率检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种应用于测量混合气体导热系数的传热功率检测装置，包括：测量气室，设有输入管和输出管，还容纳有温度传感器、气体压力传感器、电加热元件、第一热电阻，电加热元件与第一热电阻温度一致，加热控制电路，中设有电压/电流传感器、开关元件、控制器、数据采集电路，开关元件控制电加热元件与加热控制电路的连接和断开，开关元件信号连接控制器；第一热电阻、温度传感器分别为惠斯特电桥中的可变电阻，惠斯特电桥的输入端连接电源；惠斯特电桥的输出电压和温度传感器所输出的电压分别输入减法运算电路的同相端和反相端计算差值，并反馈给控制器；控制器还信号连接开关元件、温度输入模块。

Description

一种应用于测量混合气体导热系数的传热功率检测装置

技术领域

本实用新型属于加热功率计量领域，尤其涉及一种应用于测量混合气体导热系数的传热功率检测装置。

背景技术

气体传感器是将某种气体浓度，或将混合气体的组分种类、浓度等信息转化成对应电信号的转换器，输出可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的气体数据信息的装置。气体传感器的主要敏感特性包括灵敏度、选择性、稳定性、抗腐蚀性等技术指标，主要由气体传感器的敏感原理、敏感材料的选择来确定。不同应用场景，对气体传感器的敏感特性的不同指标则有所侧重。

单种气体传感器如甲烷传感器、氧气传感器、氢气传感器等对应敏感该种气体，其技术包括半导气体传感器、固体电解质气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器，以及声表面波气体传感器，种类非常多。这些单种气体传感器，除灵敏度指标外，通常希望仅对该种气体敏感，气体的选择性也是关键的技术指标，尽量降低与其它气体的交叉响应。

混合气体传感器需要对组分浓度进行检测，则技术上更为复杂和困难，不同于单种气体传感器，主要方法包括气相色谱法、光学光谱法、具有选择性阵列气体传感器法。气相色谱法是一种色谱分析仪器方案，采用色谱柱将已知气体组分的混合气体进行气体分离，再对分离的气体浓度进行测量，从而得到混合气体的成分和对应的浓度，如“https://www.chem17.com/tech_news/detail/1290742.html”介绍的这是一种“先分离、后检测”的方法，其设备昂贵、体积大、检测时间长，适用于实验室的应用。光学光谱法是气体的光谱分析方案，通过扫描混合气体的红外光谱曲线，基于各种气体的特征谱线，实现气体成分和对应浓度的检测，这是一种根据“特征光谱线”对混合气体进行成分区分和浓度测量的方案，无需进行气体分离，但需要可以鉴别的特征谱线。根据实现的具体光学方案，又可以分为非色散型和色散型两大类，光学光谱气体传感器具有良好的选择性，但成本高、体积大，对于某些气体因没有红外光谱，测量较为困难，例如氢气、氮气。具有选择性阵列气体传感器法也就是俗称的“电子鼻”，将多种具有气体选择的气体传感器组合在一起，基于阵列传感器的气体选择性实现混合气体的检测，通常要求每种气体传感器具备良好的气体选择性，对其它气体的交叉灵敏度小。因此，目前混合气体传感器具有较高的复杂性、较高的成本等特点，极大地限制了混合气体传感器的应用。发展简便、低成本、小体积的混合气体组分浓度传感器，对工农业生产、环保监测、日常生活具有重要意义，市场前景广阔。

气体热导系数是表征气体热传导能力的基本物理参数，每种气体都有对应的热导系数。现有热导气体传感器的基本原理是，微小流动气体被加热器加热升温，测量一定距离的两个点处的气体温度差值，或者是保持气体中两点的温度差值恒定，测量气体加热器的电功率参数，通过温度差值或电功率参数可以测量出被加热气体的热导系数，根据气体热导系数与气体浓度成正比的物理原理，实现对已知种类气体的浓度测量。热导气体传感器对气体种类没有选择性，具有原理简单、成本低、精度高、小体积等优点，其不足之处是气体热导系数通常数值较小，测量有一定的难度，而且气体热导系数随气体温度漂移较大，影响测量精度。热导气体传感器，作为一种无选择性的气体传感器，通常应用在色谱仪中作为已分离组分气体的浓度测量传感器。而对于混合气体，热导气体传感器通常难以区分不同的气体组分，难以进行混合气体组分浓度的测量，仅在特殊的双组分气体或等效双组分气体中，在一种组分气体浓度已知的情况下，通过测量双组分气体的总热导系数来测量另一组分的气体浓度，如在空气中测量某种气体的浓度，这里将空气作为一个气体整体来处理。

燃气包括天然气、煤气、煤层气、石油气、生物气是一类重要的可以燃烧产生大量热量的混合气体。燃气的热值是燃气品质的核心指标。随着能量计量的推广，燃气热值的测量的意义日益突显。燃气热值检测分三类，一类是采用直接燃烧的热量计实测，另一类是色谱仪、红外光谱测燃气组分，通过组分含量计算热值，第三类是采用关联方法，对燃气热值进行定性测量。

采用直接燃烧热量计实测燃气发热量，已形成国家标准GB/T12206《城镇燃气热值和相对密度测定方法》。热量计实测燃气发热量，一般在实验室使用，体积大、设备昂贵，环境温度、水质及流速等可能导致测量系统误差，需要通过采用标准气体进行标校、校正。采用色谱仪测量燃气组分浓度，再计算发热量，相对于热量计检测，气相色谱检测天然气组分的分析方法的精密度更高，重复性更好，在天然气检测中得到更加普及的采用，但存在设备复杂昂贵、技术要求高、体积大等不足，通常应用于实验室或燃气的门站。因此，燃气热值测量，一直存在设备体积大、价格昂贵、需要载气等不足，难以在燃气能量计量中大量推广应该。

实用新型内容

为了解决现有混合气体传感技术、燃气热值测量技术的不足、以及由于成本高、体积大导致的应用范围限制，本实用新型提出了定容气体传热功率检测装置，并将此传感技术应用于测量混合气体导热系数，很好解决了混合气体导热系数测量中加热元件和传热气体温度差难控制恒定的技术困难。

本实用新型的技术构思是：利用温度控器将测量气室内混合气体的温度调控为温度T₁，在测量气室内的加热元件加热，使加热元件的温度为T₁+ΔT（ΔT>0）,同时在距离加热元件距离为L处（测温点）测量混合气体的温度，即传热获得的气体温度T’₁，并反馈调节加热元件的加热功率，保持加热元件的温度恒定为T₁+ΔT，同时保持每次被测量的气体的体积、压力相同，这样，每秒由于气体导热所耗散的热量就等于维持加热元件的温度恒定为T₁+ΔT时所消耗的电功率，即可测出组合气体的导热系数λ_混（T1）。不同气体的导热系数不同，当将待测混合气体通过温控器依次调节到多个温度T₂、T₃、…、T_m时，即实现对待测混合气体温度的扫描，在每个稳定点采用上述测量气体热导系数的方法，测量得到混合气体的导热系数λ_混（T2）、λ_混（T3）、…、λ_混（Tm），然后依据存储的已知组分种类气体的导热系数表格，或与事先测得的组分气体热导系数数据，建立多元一次方程组。该方程组的方程数量大于或等于待测未知量即气体浓度的数量，根据最小二乘法解线性方程组得到混合气体中各气体的浓度。

为了剔除混合气体升温后通过热辐射传热、加热元件固态热传导带来的干扰，在加热待测组合气体时同步用加热元件加热已知导热系数的标准气体，并保持气体温度、加热元件的温度与待测组合气体的气体温度、加热元件温度相同，通过测量标准气体在同样温度下加热元件的电功耗。由于加热元件在温度一定时，其通过红外热辐射传出的热量Q_c，不同气体在相同温度下的Q_c相同，因此可校正组合气体的导热系数。标准气体的加热元件固态热传导热量Q_固态与混合气体测量是一样的，加热元件固态热传导也通过标准气体进行校正而实现消除。因此，采用标准气体可以消除热辐射、固态热传导对热导系数的干扰，从而校正组合气体的导热系数。

本实用新型的技术方案为：一种混合气体的组分浓度检测装置，其包括：

测量气室，是设有输入管和输出管的密闭腔室，输入管和输出管上分别安装有微型电动截止阀，测量气室内还容纳有温度传感器、气体压力传感器、电加热元件、第一热电阻，所述温度传感器为热电阻，所述电加热元件与第一热电阻相互靠近并制作在同一块良导热的衬底上，两者温度一致，所述的温控器设于测量气室内，电加热元件与温度传感器的距离为L，或所述的温控器与测量气室导热接触并设于测量气室外；

加热控制电路，包括串联的直流电源和电加热元件，加热控制电路中还设有测量加热控制电路中电流和电加热元件分压的电压/电流传感器、开关元件、控制器、数据采集电路，开关元件设于加热控制电路中控制电加热元件与加热控制电路的连接和断开，开关元件信号连接控制器；

惠斯特电桥，所述第一热电阻、温度传感器分别为惠斯特电桥中的可变电阻，惠斯特电桥的输入端连接电源；

数据采集电路，将包含第一热电阻的惠斯特电桥的输出电压、温度传感器所输出的电压分别输入减法运算电路的同相端和反相端计算差值，并反馈给所述控制器；

所述控制器还信号连接开关元件、温度输入模块，控制器控制电加热元件的功率保持，所述温控器将样品气体调节温度至多个目标温度，所述的温控器优选为半导体温度调节器，温度传感器用于测量待测混合气体的温度。

优选地，所述温度传感器的数量至少为两个，其中一个温度传感器与电加热元件的距离为L。

优选地，所述的温控器包括半导体温度调节器、或电阻加热器。

优选地，所述电加热元件为加热电阻且被构造为平板型。

优选地，所述控制器为比较器，比较器的同相端信号连接减法运算电路的输出端，比较器的反相端信号连接温度输出模块。

优选地，所述减法运算电路的输出端还信号连接至模数转换电路，将电压差值转换为数字量的温度差值，即电加热元件与温度传感器的检测出的温度差。

所述温度输出模块用于输入设定的电压信号，模拟设定的电加热元件与温度传感器的温度差，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差大于设定值时，比较器输出高电平，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差低于等于设定值时，比较器输出低电平。

优选地，所述开关元件选用常关电磁继电器开关或PMOS管，在比较器输出低电平时导通，在比较器输出高电平时断开。

优选地，还包括：密闭的参考气室，所述参考气室和测量气室内均容纳有所述的温度传感器、所述的气体压力传感器、所述的电加热元件、第一热电阻，所述的温控器设于测量气室和参考气室内，电加热元件与温度传感器的距离为L，或所述的温控器与测量气室导热接触并设于测量气室外。

优选地，所述的检测装置中，所述电加热元件为多晶硅薄膜，测量电加热元件的第一热电阻温度传感器附着在多晶硅薄膜上。

优选地，所述的检测装置中，所述温度传感器和气体压力传感器为微型MEMS温度传感器微型和MEMS气体压力传感器。

优选地，所述的检测装置中，所述参考气室和测量气室优选低温度膨胀系数的材料制作。

本实用新型的控制流程是：

步骤1：打开测量气室的输入微型电动截止阀，注入待测混合气体至设定的气压，气体温度为环境温度；

步骤2：控制温控器对待测混合气体温度调节至T₁，通过温度传感器测量出来；

步骤3：控制电加热元件进行加热，使第一热电阻的温度为T₁+ΔT，并保持恒定，再测量第二热电阻的温度T‘₁,可以计算混合气体在T₁温度时的热导系数λ_混（T1）；

重复步骤2-步骤3，控制温控器对待测混合气体温度调节至T₂、T₃、…、T_m，对待测气体温度进行扫描，并测量得到混合气体在T₂、T₃、…、T_m温度时的热导系数λ_混（T2）、λ_混（T3）、…、λ_混（Tm）；

步骤4：混合气体进行降温，降至接近环境温度时，控制打开输入、输出微型电动截止阀，输入新的待测混合气体，并排除原待测气体至下游管道中；

步骤5：控制数据处理电路进行分析处理，得到混合气体的组分浓度，完成一次测量，可以进行下一次测量。

本实用新型解决的技术问题：

1)本实用新型采用定容气体的热导系数测量，固定容器来替代现有的微流量热导系数测量，避免使用气体流量控制器，降低了成本与体积；采用固定容器，实现对被测气体体积、摩尔量的高精度、高重复性确定，从源头上克服了气体流量控制不准确导致的测量误差；采用固定容器，为气体热导系数的温度扫描测量提供了最佳的测量条件，克服了流动气体在温度变化时气体密度变化对热导系数测量的重大影响，也大幅度降低了气体加热的电功耗。

2)本实用新型采用气体热导系数的温度扫描获得的热导温谱曲线，除常用的温度与压力传感器外，仅需要一种简单的电加热元件和热电阻，另加一只温控器即可，替代色谱法的色谱柱分离、光谱法的特征光谱曲线的获取、“电子鼻”的阵列气体传感器检测，解决了色谱法成本高、体积大、需要载气的不足；也解决了光谱法的成本高、对同类有机气体辨别能力不足、部分气体不能测量的不足；还解决了“电子鼻”所需要的阵列气体传感器的高成本、体积大、检测气体种类受限等不足。

本专利的产生的效果：

1)本实用新型采用除常用的温度与压力传感器外，仅需要一种简单的电加热元件和热电阻，通过一只温控器的温度扫描，即可获得待测气体热导温谱曲线，无需色谱仪、红外光谱仪、“电子鼻”阵列气体传感器，通过对热导温谱曲线的分析，即可获得混合气体的组分浓度，大大简化了检测系统，降低了成本、减小体积、降低测量功耗，而检测精度高，气体适应性广，为混合气体传感器的推广应用提供了技术方案，将产生良好的社会效益和经济效益；

本实用新型解决的技术难点：

原理上讲，流动的气体除气体热传导外，还存在气体的热对流，因此气体的流动会影响气体热导系数的测量精度，即使气体流动控制在很小的范围，由于气体热导系数数值很小，气体流动导致的热对流的影响仍然较大，影响气体热传导系数的测量精度。由于被测气体是流动的，其气体体积是不固定的，气体的加热会导致气体的密度变化，在原理上也是会影响气体热导系数的测量精度。由于被测气体是流动状态的，对被测气体的温度控制、温度扫描实现起来较为困难，也需要消耗较大的温控电功耗。

电加热元件还存在红外热辐射和固体热传导，该热辐射与电加热元件温度T的四次方成正比，固体热传导与电加热元件的温度T成正比，导致传感器中电加热元件温度变化时，电加热元件红外热辐射、固体热传导也变化，严重影响气体热导系数测量准确性和测量精度。为了解决电加热元件温度变化对气体热导系数测量的影响，本实用新型采取了保持在单温度点热导系数测量中电加热元件温度恒定的技术方案，在保持电加热单元温度恒定的情况下，通过测量气体加热器的电功率参数值，测量出被测气体的热导系数λ。再通过与标准气体的校正，理论上可以消除电加热元件红外热辐射、固体热传导对气体热导系数测量的影响。

本实用新型采用全新的定容气体测量气体热导系数，解决了气体流动影响导热系数测量精度的问题。

测量气室是带有输入、输出细管的密闭腔室，容器采用金属、陶瓷、塑料加工，优选低温度膨胀系数的材料，如殷钢。在所述细管上配置微型电动截止阀，实现对输入、输出气体的开通、关断控制，用来输入一定量的待测混合气体进入测量气室，并在测试完成后将被测气体输出。气体电动阀对气体的摩尔量无需准确控制，气体摩尔数通过气体压力传感器、温度传感器准确测量，在计算热导系数进行补偿。

定容测量气室充入被测气体，高精度确定被测气体体积V，气体压力P、气体温度T，可以高精度测量容器内的气体摩尔量，其精度可以到达0.1%，这样混合气体的密度测量可以达到0.1%精度。如果混合气体的密度与标准气体有所不同，可以高精度补偿被测气体摩尔量变化对气体热导系数造成的影响。

所述气体压力传感器、所述温度传感器内置于所述测量气室内部，用于测量被测混合气体的压力与温度，优选基于MEMS技术的微型压力传感器、微型温度传感器，尤其是基于MEMS技术的微型温度-压力复合传感器。微型压力传感器的测量精度可以达到0.1%，微型温度传感器的精度可达0.1℃，甚至可达0.01℃。利用微型温度传感器所测量的温度，可以对微型压力传感器进行温度补偿，可以进一步提供微型压力传感器的气体压力测量精度。

所述温控器置于所述测量气室内部或外部，用于对被测混合气体均匀温度调节，实现被测气体温度T_气体扫描控制，温度控制范围为-20℃至500℃，温度控制器优选具有制冷、加热功能的半导体温控器。控制器实现微型电动截止阀门、温控器的控制，采集、处理气体压力传感器、温度传感器、电加热元件、第一热电阻、第二热电阻的传感信号，并进行模拟-数字转换，获得数字化的混合气体热导温谱曲线，最后计算分析获得气体的组分浓度。

被测气体的升温速率可以根据需要来控制，其升温时间可以从几秒至数千秒，升温速率慢有利于混合气体的温度均匀，对测量精度的提高有利。其升温速率曲线可以为阶梯温度扫描曲线，其阶梯台阶高度、恒温时间、台阶数等根据需要来控制，其台阶高度从几度至数十度，恒温时间从数百毫秒至数十秒，台阶数根据需要获得的气体热导温谱曲线的数据点数来确定，数据点数的增加对测量精度的提高有利。

气体热导测量包括电加热元件、第一热电阻、第二的电阻，分别用于电加热元件温度、测温点温度检测。采用电加热元件与第一热电阻的分离设计，可以避免加热电流对温度测量的干扰，两者制作在导热良好的材料上，如单晶硅、多晶硅，且相距很近，以保证电加热元件与第一热电阻的温度的一致，其温度值为T_热导。热电阻采用惠斯特电桥测量电阻值的变化，根据电阻与温度的关系曲线，得到热电阻的温度值。电加热元件、第一热电阻优选采用MEMS技术在一个MEMS芯片上集成制作，其尺寸小、精度高、功耗低、响应快。温度传感器优选采用MEMS技术制作，其尺寸小、精度高、响应快。

为实现待测混合气体的温度扫描时的热导系数测量，电加热元件的温度值T_热导与被测气体温度T_气体保持同步扫描，两温度值保持固定的温度差ΔT，即T_热导 = T_气体 + ΔT，优选ΔT的取值范围为5度至30度，以便降低误差。形成线性温度扫描曲线，或阶梯温度扫描曲线。

为了减小电加热元件红外辐射、固体热传导对气体热导系数测量的干扰，在单点温度下测量气体热导系数的整个测量过程中，保持电加热元件的温度值不变。通过电路反馈控制，锁定电加热元件恒定的温度值，测量电加热元件的加热功率，可以得到在气体温度T_气体下的热导系数λ_(T气体)。温控器对混合气体进行温度控制实现混合气体温度T_气体扫描，本实用新型的装置在不同温度点或温度连续测量得到待测混合气体热导系数的温度扫描谱即气体热导温谱曲线Λ(T_气体)。

对于混合气体，假设气体组分为n种，其体积浓度(或摩尔浓度)分别为C₁，C₂，…，C_i，…，C_n，每种气体对应的热导温谱为λ_1(T气体)，λ_2(T气体)，…，λ_i(T气体)，…，λ_n(T气体)，则混合气体的热导温谱为λ_{混合(T气体)}如下：

λ_{混合(T气体)}=C₁λ_1(T气体)+ C₂λ_2(T气体)+…+C_iλ_i(T气体)+…+C_nλ_n(T气体) (1)

在本实用新型中，每种组分气体对应的热导温谱为λ_1(T气体)，λ_2(T气体)，…，λ_i(T气体)，…，λ_n(T气体)，可以在传感器开发阶段采用高纯的单组分气体，利用本实用新型的装置进行组分气体热导温谱测量获得，并记录到传感器的“控制器”中，作为具体混合气体组分浓度测量的基础数据。为了获得高精度的组分气体热导温谱数据，优选采用多次测量平均的测量方法，并采用标准气体进行校准。也可以通过查阅气体手册获得各组分气体的热导温谱曲线。

所述待测混合气体的热导温谱曲线λ_(T气体)，采集的测量温度点数m为混合气体组分气体种类数n的u倍，u范围为1~10，优选u=1.5-2，以提高组分浓度测量精度，同时其计算量也比较合理。取采集温度点数m，这里m>n，设气体扫描的温度点分别为T₁，T₂，…，T_i，…，T_m，可以得到：

λ_混(T1)=C₁λ_1(T1)+ C₂λ_2(T1)+…+C_jλ_j(T1)+…+C_nλ_n(T1)

λ_混(T2)=C₁λ_1(T2)+ C₂λ_2(T2)+…+ C_jλ_j(T2)+…+C_nλ_n(T2)

…

λ_混(Tj)=C₁λ_1(Tj)+ C₂λ_2(Tj)+…+ C_jλ_j(Tj)+…+C_nλ_n(Tj)

…

λ_混(Tm)=C₁λ_1(Tm)+ C₂λ_2(Tm)+…+ C_jλ_j(Tm)+…+C_nλ_n(Tm)

共有m个方程，组成n元一次方程组，可以写出如下形式：

[λ_混合] = [λ_ij][C_j] (2)

其中[λ_ij]是n种气体的热导温谱组成的行列式(m行、n列)，用矩阵Λ表示，[C_j]是n种组分混合气体的浓度向量(n行、1列)，用向量C表示，[λ_混合]是混合气体的热导温谱构成的热导系数向量(n行、1列)，用向量λ表示，这样(2)可以表达为矩阵方程：λ = Λ C

根据“最小二乘法”方法，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳匹配，使得求得的气体组分浓度值C^*与实际浓度值C之间误差的平方和为最小。

* = (Λ^TΛ)^-1Λ^Tλ (3)

上式中上标T表示矩阵的转置，上标“-1”表示矩阵求逆。根据(3)式，可以求出n种组分浓度C₁，C₂，…，C_i，…，C_n，因此实现了混合气体组分浓度的检测。由于混合气体热导温谱曲线λ_混合(Tj)的测量存在噪声干扰、随机测量误差，会导致组分气体j的浓度C_j的测量也存在噪声噪声干扰和随机误差。为了提高测量精度，抑制测量噪声、减小测量误差，混合气体热导温谱曲线λ_混合(T)的温度点数为m，取m=n×u，其中u是测量温度点数的“取样指数”，代表气体热导温谱曲线的测量温度点数为混合气体组分n的倍数。u取值可以为非整数，但n×u是整数，优选u=1.5-2。这样可以得到n×u个方程，而待求解n种组分浓度C_j，采用“最小二乘法”进行求解，可以获得最优的n种气体组分的浓度C。理论上，混合气体的组分种类数量n是不受限制的，但在实用新型的实施过程，优选n的取值范围为2至20。n取值过大，会造成计算复杂性增加，同时传感器的测量精度可能会下降。

参考气室内参考气体的选择可以是已知并高精度测量其热导系数温谱曲线的单种气体或混合气体，可以校正测量气室中待测混合气体热导温谱曲线的测量，大幅度提高测量精度。

在本实用新型中，根据被测气体的具体情况，可以配置气体过滤器，如过滤膜、吸附油气的吸附剂、冷井等，对气体的灰尘、杂质、油气等有害成分进行过滤，保证传感器的长期稳定工作。

2、燃气热值仪模块技术方案

燃气热值是标准状态单位体积的燃气充分燃烧所释放的热量，是燃气品质的关键指标。燃气的种类包括天然气、煤气、煤层气、石油气、生物气等多种，其可燃气体、非可燃气体的组分及组分浓度各不相同，而且可燃气体所含的气体组分如甲烷、乙烷、烷烃、氢气、一氧化碳等不同，其燃烧热值不同，每种气体的浓度也不同，因此燃气的燃烧热也不同。燃气热值随燃气品种、产地、品质、气体掺混比例而变化，测量燃气的热值是燃气行业实现能量计量、燃烧控制的基本需求。

本实用新型的装置可应用于分析燃气热值，先测量燃气各组分的浓度，再依据燃气各组分气体的热值，加权计算出被测燃气的热值，进一步可以计算出燃气的沃泊指数。

附图说明

图1是实施例1的混合气体的组分浓度检测装置的示意图；

图2是实施例2的混合气体的组分浓度检测装置的示意图；

图3是样品气体在测量气室内的线性温度扫描曲线；

图4是样品气体在测量气室内的阶梯温度扫描曲线；

图5是不同的高纯气体的热导温谱曲线示意图；

图6是混合气体的组分浓度检测装置的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述，但该实施例不应该理解为对本实用新型的限制。

实施例1：

一种混合气体的组分浓度检测方法的装置，体积固定的测量气室1采用殷钢制造圆柱体，容器内部尺寸为Φ3cm×长5cm，内部容积为35.34ml，殷钢厚度为2mm，殷钢内部表面光洁，采用焊接工艺制作。测量气室1是带有输入管2、输出管3的密闭腔室，输入管2和输出管3为管径Φ3mm的不锈钢管，并配置微型电动截止阀4，实现对输入、输出气体的开通、关断控制，输入35.34ml、1个大气压的待测混合气体进入测量气室1，并在测试完成后将被测气体输出。若待测气体没有压力，则需要增加吸气泵吸入待测气体。

在测量气室1内部配置微型MEMS气体压力传感器6和温度传感器7。气体压力传感器6采用硅电容压力传感器，其量程为0.1-2大气压，相对精度0.1%。温度传感器7为Pt热电阻，其量程为-20℃至520℃，其绝对精度为0.1℃。

温控器8采用半导体温度调节器，温度控制范围为-20℃至500℃，加热升温速率可由控制器控制调节，其升温速率从每秒0.1℃到每秒10℃可调。待测气体的温度在温控器8的加热下线性升温或线性降温，升温速率为1℃/秒，从20度升至500度，耗时480秒，测量气室1内部各处的气体温度差<0.1℃。电加热元件9为平板型，采用多晶硅薄膜电阻制作，通过电流进行电加热元件9的自身加热，其温度利用Pt薄膜制作的第一热电阻92进行测量，电加热元件9的温度控制在比测量气室内气体温度高20℃，测量气室1内气体温度通过温度传感器7测量，通过控制器5反馈加热控制电路，在整个温度扫描过程中始终保持电加热元件温度比温度传感器7的温度高20℃。控制器5选用比较器，如图6，第一热电阻92的温度通过惠斯特电桥来测量，将Pt薄膜热电阻R1作为惠斯特电桥的一个桥路，另外配置三只温度系数低的标准电阻R2、R3、R4，取R1(20℃)= R2= 2kΩ、R3 = R4 = 2kΩ，电桥输出电压经放大电路14放大后为u2，再输入到减法运算电路17的同相输入端，温度传感器7输出的电压经放大电路14放大后为u1，输入到减法运算电路17的反相输入端，减法运算电路17中R1=R2=Rf=R3，减法运算电路17输出值为u2-u1，对应于电加热元件与温度传感器的温度差∆T，减法运算电路17的输出端一路输出至模数转换电路15得到数字量信号的温度差∆T，另一路输出至控制器5的同相输入端，控制器5的反向输入端信号连接温度输出模块16，温度输出模块16用于输入设定的电压信号，模拟设定的电加热元件与温度传感器的温度差，如20℃，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差大于设定值20℃时，比较器5输出高电平，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差低于等于设定值20℃时，比较器5输出低电平。为了实现电加热元件9加热功率的高精度测量，对加热控制电路的电流、电压进行高精度的测量，获得准确的加热功率w，加热控制电路的输入端电连接可调直流电源VCC，其输出端电连接电加热元件9的多晶硅薄膜电阻，加热控制电路中还设有测量电路中电流和电压的电压/电流传感器12、及开关元件13和控制器5，该电压/电流传感器信号输出电路中电流和电压，可换算为电加热元件9的加热功率w，开关元件13设于加热控制电路中控制电加热元件9与加热控制电路的连接和断开，开关元件13信号连接控制器5的输出端，开关元件5选用常关电磁继电器开关或PMOS管，在比较器5输出低电平时导通，在比较器5输出高电平时断开。惠斯特电桥的输入端接电源VCC，在与电加热元件9的垂直距离为5mm的测温点处配置温度传感器实现该处的温度测量，温度传感器7采用Pt薄膜电阻制作，其设计电阻为2kΩ（20℃），采用第一热电阻92相同的惠斯特电桥电路测量。

电加热元件9在控制器的控制下保持电加热元件9比温度传感器7的温度高ΔT=20℃，且温控器8调节温度保持温度传感器7的温度为T₁。温控器8还在控制器控制下将样品气体调节温度至多个目标温度T₁，T₂，…，T_m，实现对样品气体温度的扫描。

为获取待测样品气体的热导温谱曲线，通过控制温控器8加热样品气体，再通过电加热元件和温度传感器7维持温度差ΔT，可得到如图3的线性温度扫描曲线，和如图4的阶梯温度扫描曲线。根据存储待测混合气体中组分气体的热导温谱曲线，基于“最小二乘法”方法，计算出待测气体的组分浓度。

其步骤为：步骤1.将样品气体输送至测量气室；

步骤2.在测量气室中，利用温控器加热样品气体到目标温度T₁，然后利用电加热元件加热样品气体，同时利用热电阻测量电加热元件的温度，并同时测量距离电加热元件距离为L的测温点处的温度T’₁并反馈信号给控制器；

步骤3. 控制器调节电加热元件的实时加热功率w₁，使电加热元件的温度保持恒定温度T₁+20℃，且温控器的温度保持为T₁，温度T’₁处在[T₁, T₁+20℃]区间，ΔT=20℃；

步骤4.处理器根据电加热元件在T₁+20℃下的实时加热功率w₁、电加热元件的面积s、电加热元件和测温点之间的温度梯度(T₁+20℃-T’₁)/L，根据傅立叶定律求样品气体的导热系数λ_混（T1）= (w₁/s)/( (T₁+20℃-T’₁)/L)；

步骤5.利用温控器加热样品气体依次到目标温度：T₂、T₃、…T_m, 然后在每个目标温度下，按照步骤2~步骤4的方法测量处样品气体的导热系数λ_混Tm；

步骤6.处理器根据预存的n种成分气体的导热系数λ_j和各目标温度T_m，建立m个n元一次方程：

λ_混(T1)=C₁λ_1(T1)+ C₂λ_2(T1)+…+C_jλ_j(T1)+…+C_nλ_n(T1)

λ_混(T2)=C₁λ_1(T2)+ C₂λ_2(T2)+…+ C_jλ_j(T2)+…+C_nλ_n(T2)

…

λ_混(Tj)=C₁λ_1(Tj)+ C₂λ_2(Tj)+…+ C_jλ_j(Tj)+…+C_nλ_n(Tj)

…

λ_混(Tm)=C₁λ_1(Tm)+ C₂λ_2(Tm)+…+ C_jλ_j(Tm)+…+C_nλ_n(Tm)

C_j为第j种组分气体的浓度，利用最小二乘法求解方程组，得到n种组分气体的浓度，其中m是温度扫描的目标温度的点数，m=u×n，u代表气体热导温谱曲线的目标温度的点数为混合气体组分n的倍数，n×u是整数，u=1~10。

预存的n种组分气体的导热系数λ_j是在通过本实施例的装置测量高纯的单组分气体的导热系数获得的，如图5。

u优选为1.5~2。

本实施例中，温度传感器7与电加热元件9的设置间隔距离较近，为了使样品气体被均匀加热到目标温度T₁,还可增设一个与电加热元件9的间隔距离较远的温度传感器二，温度传感器二用来辅助温控器加热样品气体到目标温度T₁。本实施例中增加新的温度传感器，来使样品气体被均匀加热到目标温度T₁,不构成对本实用新型保护范围的限制。

实施例2：

一种混合气体的组分浓度检测方法的装置，体积固定的测量气室1和参考气室11采用陶瓷烧制，腔体中分隔形成两个密封的腔体(测量气室和参考气室)，腔体内部表面光洁。两个腔体体积均为20ml，容器内部尺寸为长5cm×宽2cm×2cm，陶瓷厚度为2mm。测量气室1是带有输入管2、输出管3的密闭腔室，输入管2和输出管3为管径Φ2mm的不锈钢管，并配置微型电动截止阀4，实现对输入、输出气体的开通、关断控制，输入20ml、1个大气压的待测混合气体进入容器，并在测试完成后将被测气体输出。在待测气体没有压力，则需要增加吸气泵吸入待测气体。参考气室11是储存有已知导热系数的参考气体的密闭腔室，参考气体的体积为20ml、1个大气压的N₂。

在测量气室1和参考气室11内部分别配置高度一致的微型MEMS气体温度、压力复合传感器。气体压力传感器6采用硅电容压力传感器，其量程为0.2-5大气压，相对精度0.1%。温度传感器7为与气体压力传感器6单片集成的Pt热电阻，其量程为-25℃至520℃，其绝对精度为0.1℃。

温控器8采用半导体温度控制器，位于测量气室1和参考气室11的下方，并测量气室1和参考气室11良好的导热连接，对两个气体腔体进行均匀的温度控制，使测量气室1和参考气室11内部各处的气体温度差<0.1℃。温度控制范围为-20℃至300℃，加热升温速率可通过控制器5控制调节，其升温速率从每秒1℃到每秒10℃可调，同时温控器8可以保持气体恒温。待测气体先通过半导体制冷，将温度下降至-20℃，在控制温度以“阶梯”方式进行升温，升温时速率为1℃/秒，每升高5℃随后恒温10秒钟，从-20度升至300度，耗时960秒。

电加热元件9和第一热电阻92是采用MEMS技术制造的微型加热器和微型温度传感器，两者单片集成在单一MEMS上。微型加热器采用悬空的多晶硅薄膜作为微加热器，在同一多晶硅膜制作Pt热电阻，多晶硅微加热器与Pt热电阻在电气是隔离的，但温度保持高度一致。多晶硅膜的温度控制在比气体温度高30℃，通过控制器反馈控制，在整个温度扫描过程中始终保持温差为30℃。控制器5选用比较器，Pt热电阻的温度通过惠斯特电桥来测量，将测量气室内的Pt热电阻R5作为惠斯通电桥的一个桥路，另外配置三只低温度系数的标准精密电阻R6、R7、R8，取R5(20℃)= R6 = 1.5kΩ，R7 = R8 = 1.5kΩ，获得测量气室内多晶硅微加热器的温度值。在与电加热元件的垂直距离为6mm的测温点处配置温度传感器7（即第二热电阻）实现该处的温度测量，第二热电阻采用Pt薄膜电阻制作，其设计电阻为1.5kΩ（20℃），采用第一热电阻相同的惠斯特电桥电路测量。参考气室11内的电加热元件、Pt热电阻做同样的配置，构成完全相同的惠斯通电桥测量电路。电桥输出电压经放大后为u2，再输入到减法运算电路17的同相输入端，温度传感器7输出的电压经放大电路14放大后为u1，输入到减法运算电路17的反相输入端，减法运算电路17中R1=R2=Rf=R3，减法运算电路17输出值为u2-u1，对应于电加热元件与温度传感器的温度差∆T，减法运算电路17的输出端一路输出至模数转换电路15得到数字量信号的温度差∆T，另一路输出至控制器5的同相输入端，控制器5的反向输入端信号连接温度输出模块16，温度输出模块16用于输入设定的电压信号，模拟设定的电加热元件与温度传感器的温度差，如20℃，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差大于设定值20℃时，比较器5输出高电平，当电加热元件与温度传感器的检测出的温度差低于等于设定值20℃时，比较器5输出低电平。

为了实现多晶硅微加热器加热功率的高精度测量，对加热控制电路的电流进行高精度的测量，获得准确的加热功率w。如图6，加热控制电路的输入端电连接直流电源VCC，其输出端电连接多晶硅微加热器9，加热控制电路中还设有测量电路中电流和电压的电压/电流传感器12、及开关元件13和控制器5，该电压/电流传感器12信号输出电路中电流和电压，可换算为电加热元件的加热功率w，开关元件13设于加热控制电路中控制多晶硅微加热器与加热控制电路的连接和断开，开关元件13信号连接控制器5的输出端，开关元件5选用常关电磁继电器开关或PMOS管，在比较器5输出低电平时导通，在比较器5输出高电平时断开，电加热元件9在控制器的控制下保持电加热元件9比温度传感器7的温度高ΔT=30℃，且温控器8调节温度保持温度传感器7的温度为T₁。温控器8还在控制器控制下将样品气体调节温度至多个目标温度T₁，T₂，…，T_m，实现对样品气体温度的扫描。

参考气室11中高纯氮气的热导温谱曲线的测量，与标准的氮气热导温谱曲线进行比对，可以求出在每个扫描温度点参考气室中电加热元件热辐射传热、固态传导传热的功率，据此对测量气室中在每个扫描温度点电加热元件热辐射传热、固态传导传热的功率进行分别扣除，可以得到高精度的气体热导温谱曲线，其精度与高纯氮气的热导温谱曲线精度相同。

在本实施例的控制器的控制下，获取待测样品气体和参考气体的热导温谱曲线，通过控制温控器8加热样品气体和参考气体，再通过电加热元件和温控器维持温度差，可得到如图3的线性温度扫描曲线，和如图4的阶梯温度扫描曲线。根据存储待测混合气体中组分气体的热导温谱曲线和参考气体的导热系数，基于“最小二乘法”方法，计算出待测气体的组分浓度。

其步骤为：

步骤1. 在测量气室旁的参考气室储存参考气体，将样品气体输送至测量气室，使样品气体在测量气室的体积和压力与参考气体相同；

步骤2. 在测量气室和参考气室中，利用温控器分别加热样品气体和参考气体到目标温度T₁，然后利用测量气室和参考气室中的电加热元件分别加热样品气体和参考气体，同时利用热电阻测量测量气室和参考气室中电加热元件的温度，并同时测量测量气室和参考气室中距离电加热元件距离为L的测温点处的温度T’₁、T’_1c并反馈信号给控制器，测温点为温控器朝向电加热元件的表面；

步骤3.控制器调节测量气室和参考气室中电加热元件的实时加热功率w₁和w_1c，使电加热元件保持恒定温度T₁+30℃，且温控器的温度保持为T₁，测温点的温度T’₁、T’_1c均处在[T₁, T₁+30℃]区间，ΔT=30℃；

步骤4.处理器根据测量气室和参考气室中电加热元件在T₁+30℃下的实时加热功率分别为w₁和w_1c、电加热元件的面积为s、已知参考气体的导热系数λ_c（T1），根据傅里叶定律求参考气体的热辐射和加热器固态热传导所耗散的热功率为：

w_1cf = w_1c-λ_c（T1）*s*（（T₁+ΔT-T’_1c）/L）；

校正热辐射和加热器固态热传导所耗散的热功率，样品气体的导热系数为：

λ_混（T1）= (w₁-w_1cf)/(（T₁+ΔT-T’₁）/L)；

步骤5.利用温控器加热样品气体和参考气体依次到目标温度：T₂、T₃、…T_m, 然后在每个目标温度下，按照步骤2~步骤4的方法测量处样品气体的导热系数λ_混（Tm）；

步骤6.处理器根据预存的n种成分气体的导热系数λ_j和各目标温度T_m，建立m个n元一次方程：

λ_混(T1)=C₁λ_1(T1)+ C₂λ_2(T1)+…+C_jλ_j(T1)+…+C_nλ_n(T1)

λ_混(T2)=C₁λ_1(T2)+ C₂λ_2(T2)+…+ C_jλ_j(T2)+…+C_nλ_n(T2)

…

λ_混(Tj)=C₁λ_1(Tj)+ C₂λ_2(Tj)+…+ C_jλ_j(Tj)+…+C_nλ_n(Tj)

…

λ_混(Tm)=C₁λ_1(Tm)+ C₂λ_2(Tm)+…+ C_jλ_j(Tm)+…+C_nλ_n(Tm)

C_j为第j种气体的浓度，利用最小二乘法求解方程组，得到n种气体的浓度，其中m是目标温度的点数，m=u×n，u代表气体热导温谱曲线的目标温度的点数为混合气体组分n的倍数，n×u是整数，u=1~10；

优选地，u=1.5~2。

本实施例中，温度传感器7与电加热元件9的设置间隔距离较近，为了使样品气体被均匀加热到目标温度T₁,还可增设一个与电加热元件9的间隔距离较远的温度传感器二，温度传感器二用来辅助温控器加热样品气体到目标温度T₁。本实施例中增加新的温度传感器，来使样品气体被均匀加热到目标温度T₁,不构成对本实用新型保护范围的限制。

本实用新型实施例1和实施例2的装置还可应用于分析燃气热值，先测量燃气各组分的浓度，再依据燃气各组分气体的热值，加权计算出被测燃气的热值，进一步可以计算出燃气的沃泊指数。

Claims (7)

1.一种应用于测量混合气体导热系数的传热功率检测装置，其特征在于，包括：

测量气室，是设有输入管和输出管的密闭腔室，输入管和输出管上分别安装有微型电动截止阀，测量气室内还容纳有温度传感器、气体压力传感器、电加热元件、第一热电阻、温控器，所述温度传感器为热电阻，所述电加热元件与第一热电阻相互靠近并制作在同一块良导热的衬底上，两者温度一致，所述的温控器设于测量气室内，电加热元件与温度传感器的距离为L，或所述的温控器与测量气室导热接触并设于测量气室外；

加热控制电路，包括串联的直流电源和电加热元件，加热控制电路中还设有测量加热控制电路中电流和电加热元件分压的电流/电压传感器、开关元件、控制器、数据采集电路，开关元件设于加热控制电路中控制电加热元件与加热控制电路的连接和断开，开关元件信号连接控制器，控制器选用比较器；

惠斯特电桥，所述第一热电阻、温度传感器分别为惠斯特电桥中的可变电阻，惠斯特电桥的输入端连接电源；

数据采集电路，将包含第一热电阻的惠斯特电桥的输出电压将、温度传感器所输出的电压分别输入减法运算电路的同相端和反相端计算差值，并反馈给所述比较器的同相输入端；

所述比较器的反向输入端信号连接温度输出模块，比较器的输出端信号连接开关元件，开关元件选用常关电磁继电器开关或PMOS管，比较器控制电加热元件的加热功率，所述温控器将样品气体调节温度至多个目标温度，所述的温控器为半导体温度调节器，温度传感器用于测量待测混合气体的温度，所述温度输出模块用于输入设定的电压信号，模拟设定的电加热元件与温度传感器的温度差。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述温度传感器的数量至少为两个，其中一个温度传感器与电加热元件的距离为L。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述的温控器包括半导体温度调节器、或电阻加热器。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述电加热元件为热电阻且被构造为平板型。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述减法运算电路的输出端还信号连接至模数转换电路，将电压差值转换为数字量的温度差值，即电加热元件与温度传感器的检测出的温度差。

6.根据权利要求1~5任一一项所述的检测装置，其特征在于，还包括：密闭的参考气室，所述参考气室和测量气室内均容纳有所述的温度传感器、所述的气体压力传感器、所述的电加热元件、第一热电阻，所述的温控器设于测量气室和参考气室内，电加热元件与温度传感器的距离为L，或所述的温控器与测量气室导热接触并设于测量气室外。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述电加热元件为多晶硅薄膜，测量电加热元件的第一热电阻温度传感器附着在多晶硅薄膜上。

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