TW202009461A - 利用氣體密度感測器對氣體混合物組成進行測量與控制之方法與裝置 - Google Patents
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Abstract
一種用於測量含已知成分之氣體混合物之組成之裝置，包括一第一氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第一混合物之密度，該第一混合物係透過將一氣態第一成分與一氣態第二成分結合所製得；一第二氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第二混合物之密度，該第二混合物係透過將第一混合物與一氣態第三成分結合所製得；以及一處理器，其係經程式化以根據來自第一氣體密度感測器之資料判定第一混合物中第一成分與第二成分之相對組成，根據來自第二氣體密度感測器之資料判定第二混合物中第一混合物與第三成分之相對組成，並以判定第二混合物中第一成分、第二成分與第三成分之相對組成。
Description
本發明係有關一種測量氣體混合物組成之裝置與方法，包括具有二種以上成分之混合物。
可利用以熱導為基礎之感測器作為二元氣體混合物分析儀。舉例而言，因氫之導熱性大於氮，因此可使用熱導分析儀（thermal conductivity analyzer）測量氮氫氣體混合物之組成。
可使用紅外線或雷射測量技術或氣相層析測量含兩種以上成分之氣體混合物之組成。然而，該等方法成本高昂並且大部分需要泵與/或取樣系統以獲得用於分析之氣體樣本。此外，設備通常需較大佔用面積或特別保護與維護。
有時為測量具有兩種以上成分之氣體混合物之組成，可將各種技術組合成一分析組件以對各成分之濃度進行測量。
長期可靠度、高昂設備、頻繁維護以及安全考量為氣體混合物組成之測量中主要議題。此外，若需泵或取樣系統時，響應時間通常相對較長且無法滿足某些應用中之要求。
氣體密度感測器係用以測量二元氣體混合物之組成。於一範例中，氣體密度感測器連續測量天然氣之氣體密度以預測特定天然氣流之潛在熱值，但無法測定組成。
目前，利用氣體密度感測器測量氣體組成係限於二元氣體混合物，而非用以測量含兩種以上成分之氣體混合物之組成。舉例而言，目前密度、壓力與溫度感測器係用於熱處理產業以測量燒結爐中之爐內氣氛（N2-H2混合物）。然而，利用氣體密度感測器對已混合之氣體混合物之組成進行測量之此種應用僅能用於二元氣體混合物。
於此所述之系統及方法為利用經設置以測量密度，較佳亦測量壓力與溫度之感測器對具有至少三種成分之氣體混合物之組成進行測量與控制。透過共同測量壓力、溫度與氣體密度，可準確計算氣體之分子量。（若可對溫度與壓力進行合理估計，則亦可僅透過測量密度進行此計算）。若已知二元、三元或更多元氣體混合物之成分，更具體而言，若已知各組成之分子量，則可透過利用此種感測器之系統測量氣體組成（即各成分之相對比例）。因氣體密度感測器成本低廉且可經構建為可靠，因此該種類型感測器係優於現有測量氣體混合物組成之方法，特別是對於具兩種以上成分之氣體混合物中。
於此所述為一種系統與方法，其等係利用至少一氣體密度感測器測量由各具有已知或可得知分子量之成分氣體所製成之氣體混合物之組成。較佳地，亦可測量各氣體混合物之溫度與壓力同時測量氣體密度，以提升分子量計算之準確度。利用此系統與方法，可準確且低成本測量出具有兩種、三種或更多成分之氣體混合物之組成。
於圖1中顯示氣體組成測量系統10之實施例，其用於測量n個氣體成分（或至少n個已知分子量之成分）之混合物。一供給管線將各成分供應至系統10。於所描繪之實施例中，供給管線20攜帶成分-1，供給管線30攜帶成分-2，供給管線40攜帶成分-3，供給管線50攜帶成分-4，並且用於說明目的，供給管線60攜帶成分-n。
成分-1與成分-2係於接合處25混合以形成一第一氣體混合物，並且第一密度感測器82測量第一氣體混合物之密度。成分-3與第一氣體混合物於接合處35混合以形成一第二氣體混合物，並且第二氣體密度感測器84測量第二氣體混合物之密度。成分-4與第二氣體混合物於接合處45混合以形成第三氣體混合物，並且第三氣體密度感測器（未顯示出）測量第三氣體混合物之密度。最終，n-2個氣體混合物，其密度係透過n-2個氣體密度感測器86所測量，係與成分-n於接合處55進行混合，並且n-1個氣體密度感測器88測量n-1個氣體混合物之密度。
各該等感測器82、84、86與88可為一組合感測器，其不僅可測定氣體密度，並且可測定氣體之溫度與壓力。壓力與溫度可用以準確計算出分子量，並且亦可用以將校正因子應用至密度測量以提升準確度，特別於高壓或對於可能背離理想氣體定律之某些氣體。利用所測量之壓力、溫度與氣體密度，可計算混合物之分子量，並且由此可計算進入混合物（即氣體組成）之各成分之相對量。
將來自各感測器82、84、86與88之資訊提供至一處理器，其可為一PLC或控制器或電腦，或可收集來自感測器82、84、86與88之訊號並運行數學計算以判定各氣體混合物之組成之任何種類資料處理器。透過處理數列計算，處理器依序重複解開一元一次方程式，以判定中間與最終混合物之組成。因此，對於含n個成分之氣體混合物，需要n-1個感測器並且執行n-1個分子量計算。
系統將於螢幕上顯示各氣體混合物經計算之組成或將其記錄至檔案，或經由另一種資料存取方法使資訊為可用。舉例而言，各氣體密度感測器可將其測量結果經由有線或無線通訊方式傳送至一中央電腦（或資料登錄器），則中央電腦（或資料登錄器）可運行計算並且顯示程序控制或監控所需之氣體組成資訊。
於圖2所示之進一步實施例中，氣體組成測量與控制系統110係經顯示用於測量n個已知氣體成分（或至少n個已知分子量之成分）之混合物，並且控制混合物之組成。除圖1系統10中之成分外，系統110亦包括一中央控制器100以及控制閥體22、32、42、52與62，其等分別位於用於成分-1、成分-2、成分-3、成分-4與成分-n之供給管線20、30、40、50與60上。控制器100接收來自各感測器82、84、86與88之資料，計算中間與最終混合物之組成，將所計算之混合物組成中至少一者與一目標混合物組成進行比較，接著反覆調整控制閥體22、32、42、52與62中至少一者以完成目標混合物組成。
雖然上述已結合較佳實施例對本發明之原理進行描述，但應明確理解此描述僅透過例示方式進行，而非作為本發明範圍之限制。
10‧‧‧系統
20‧‧‧供給管線
22‧‧‧控制閥體
25‧‧‧接合處
30‧‧‧供給管線
32‧‧‧控制閥體
35‧‧‧接合處
40‧‧‧供給管線
42‧‧‧控制閥體
45‧‧‧接合處
50‧‧‧供給管線
52‧‧‧控制閥體
55‧‧‧接合處
60‧‧‧供給管線
62‧‧‧控制閥體
82‧‧‧感測器
84‧‧‧感測器
86‧‧‧感測器
88‧‧‧感測器
100‧‧‧中央控制器
110‧‧‧系統
以下將結合所附圖式對本發明進行描述，其中相同標號表示相同元件：
圖1為判定一多成分混合物組成之系統之示意圖，當各相繼成分經加入時，其利用複數個氣體密度感測器連續測定二元混合物密度（及此組成），其中，氣體密度感測器之數量相較於待檢測之混合物成分之數量係少於一個。
圖2為如圖1所示系統之示意圖，其進一步包括一控制器，用以接收來自氣體密度感測器之資料，判定中間與最終混合物組成，並且控制各輸入管線上之閥體以控制混合物組成。
10‧‧‧系統
20‧‧‧供給管線
25‧‧‧接合處
30‧‧‧供給管線
35‧‧‧接合處
40‧‧‧供給管線
45‧‧‧接合處
50‧‧‧供給管線
55‧‧‧接合處
60‧‧‧供給管線
82‧‧‧感測器
84‧‧‧感測器
86‧‧‧感測器
88‧‧‧感測器
Claims (12)
- 一種用於測量含已知成分之一氣體混合物之組成之裝置，包含： 一第一氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第一混合物之密度，該第一混合物係透過將一氣態第一成分與一氣態第二成分結合所製得； 一第二氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第二混合物之密度，該第二混合物係透過將該第一混合物與一氣態第三成分結合所製得；以及 一處理器，其係經程式化以根據來自該第一氣體密度感測器判定該第一混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成，並且以根據來自該第二氣體密度感測器判定該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，並以判定該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成。
- 如請求項1所述之用於測量含已知成分之氣體混合物之組成之裝置，進一步包含一第三氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第三混合物之密度，該第三混合物係透過將該第二混合物與一氣態第四成分結合所製得，其中該程序係進一步經程式化以根據來自該第三氣體密度感測器之資料判定該第三混合物中該第二混合物與該第四成分之相對組成，並以判定該第三混合物中該第一成分、該第二成分、該第三成分與該第四成分之相對組成。
- 如請求項1所述之用於測量含已知成分之一氣體混合物之組成之裝置，其中，該第一成分、該第二成分與該第三成分各具有一相對應已知分子量。
- 如請求項1所述之用於測量含已知成分之一氣體混合物之組成之裝置，進一步包含： 一第一溫度感測器，其係經設置並經排列以測量該第一混合物之溫度，與一第一壓力感測器，其係經設置並經排列以測量該第一混合物之壓力；以及 一第二溫度感測器，其係經設置並經排列以測量該第二混合物之溫度，與一第二壓力感測器，其係經設置並經排列以測量該第二混合物之壓力； 其中，該處理器係進一步經程式化以於判定該第一氣體混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成時，將來自該第一溫度感測器與該第一壓力感測器之資料納入考量；以及 其中，該處理器係進一步經程式化以於判定該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，以及該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成時，將來自該第二溫度感測器與該第二壓力感測器之資料納入考量。
- 一種用於控制含已知成分之氣體混合物之摻合之裝置，包含： 一第一控制閥體，其用於控制一第一成分之流動； 一第二控制閥體，其用於控制一第二成分之流動； 一第一氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第一混合物之密度，該第一混合物係透過將該第一成分與該第二成分結合所製得； 一第三控制閥體，其用於控制一第三成分之流動； 一第二氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第二混合物之密度，該第二混合物係透過將該第一混合物與該第三成分結合所製得；以及 一控制器，其係經程式化以根據來自該第一氣體密度感測器判定該第一混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成，並且以根據來自該第二氣體密度感測器之資料判定該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，並以判定該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成；以及 該控制器係進一步經程式化以控制該第一控制閥體、該第二控制閥體與該第三控制閥體，以獲得該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之期望相對組成。
- 如請求項5所述之用於控制含已知成分之一氣體混合物之摻合之裝置，進一步包含： 一第四控制閥體，其用於控制一第四成分之流動； 一第三氣體密度感測器，其係經設置並經排列以測量一第三混合物之密度，該第三混合物係透過將該第二混合物與該第四成分結合所製得；以及 該控制器係進一步經程式化以根據來自該第三氣體密度感測器之資料判定該第三混合物中該第二混合物與該第四成分之相對組成，並以判定該第三混合物中該第一成分、該第二成分、該第三成分與該第四成分之相對組成；以及 該控制器係進一步經程式化以控制該第四控制閥體以獲得該第三混合物中該第一成分、該第二成分、該第三成分與該第四成分之期望相對組成。
- 如請求項5所述之用於控制含已知成分之一氣體混合物之摻合之裝置，其中，該第一成分、該第二成分與該第三成分各具有一相對應已知分子量。
- 如請求項5所述之用於控制含已知成分之一氣體混合物之摻合之裝置，進一步包含： 一第一溫度感測器，其係經設置並經排列以測量該第一混合物之溫度，與一第一壓力感測器，其係經設置並經排列以測量該第一混合物之壓力；以及 一第二溫度感測器，其係經設置並經排列以測量該第二混合物之溫度，與一第二壓力感測器，其係經設置並經排列以測量該第二混合物之壓力； 其中，該控制器係經進一步程式化以於判定該第一氣體混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成時，將來自該第一溫度感測器與該第一壓力感測器之資料納入考量；以及 其中，該控制器係經進一步程式化以於判定該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，以及該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成時，將來自該第二溫度感測器與該第二壓力感測器之資料納入考量。
- 一種用於測量一氣體混合物之組成之方法，包含： 測量一第一混合物之密度，該第一混合物係透過將一第一成分與一第二成分結合所製得； 測量一第二混合物之密度，該第二混合物係透過將該第一混合物與一第三成分結合所製得；以及 根據該第一混合物之經測量密度計算該第一混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成，並且根據該第二混合物之經測量密度計算該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，以及該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成。
- 如請求項9所述之用於測量一氣體混合物之組成之方法，進一步包含： 測量一第三混合物之密度，該第三混合物係透過將該第二混合物與一第四成分結合所製得； 根據該第三混合物之經測量密度計算該第三混合物中該第二混合物與該第四成分之相對組成，以及該第三混合物中該第一成分、該第二成分、該第三成分與該第四成分之相對組成。
- 如請求項9所述之用於測量一氣體混合物之組成之方法，其中該第一成分、該第二成分與該第三成分各具有一相對應已知分子量。
- 如請求項9所述之用於測量一氣體混合物之組成之方法，進一步包含： 測量該第一混合物之溫度； 測量該第一混合物之壓力； 測量該第二混合物之溫度； 測量該第二混合物之壓力； 根據該第一混合物之經測量密度、溫度與壓力計算該第一混合物中該第一成分與該第二成分之相對組成，並且根據該第二混合物之經測量密度、溫度與壓力計算該第二混合物中該第一混合物與該第三成分之相對組成，以及該第二混合物中該第一成分、該第二成分與該第三成分之相對組成。
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