TWI712774B - 用於量測氣體的裝置及用於量測氣體的方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種用於量測氣體之流動速率或質量的裝置及一種用於量測氣體之流動速率或質量的方法。在一個例示性實施例中，該裝置可包括量測複數種氣體之流動速率的分析器、以預定流動速率將參考氣體恆定地噴射至分析器中的第一噴射器、將待分析之樣品氣體噴射至分析器中的第二噴射器及藉由使用以下等式校準由分析器量測之樣品氣體流動速率來推導樣品氣體之實際流動速率的算術運算單元： [樣品氣體之實際流動速率] =[由分析器量測之樣品氣體流動速率]/[由分析器量測之參考氣體流動速率] × [第一噴射器之預定流動速率]

Description

用於量測氣體的裝置及用於量測氣體的方法

本發明係關於一種用於量測氣體的裝置及其方法，且更特定言之，係關於一種用於量測氣體之流動速率或質量的裝置及其方法。

用於分析氣體組分及含量之各種裝置為已知的。隨著此等裝置的操作時間逐漸增加，由於相關部件的劣化，其靈敏度可能降低，使得氣體濃度分析不正確。

為了克服該缺點，已提出藉由乘以均勻的任意常數將量測值調整至期望值。然而，此方法基於以下假設：所提出的分析裝置在分析正在進行時不會劣化。因此，在長時間使用該裝置的情況下，可能難以適當地應對其操作的初始階段與最終階段之間發生的劣化且難以補償劣化。

本發明之實施例提供一種氣體量測裝置及其方法，其可準確且容易地獲得待分析之樣品氣體的實際流動速率（或質量）。

根據本發明之一態樣，提供一種氣體量測裝置，其包括量測複數種氣體之流動速率的分析器、以預定流動速率將參考氣體恆定地噴射至分析器中的第一噴射器、將待分析之樣品氣體噴射至分析器中的第二噴射器及藉由使用以下等式校準由分析器量測之樣品氣體流動速率來推導樣品氣體之實際流動速率的算術運算單元： [樣品氣體之實際流動速率] =[由分析器量測之樣品氣體流動速率]/[由分析器量測之參考氣體流動速率] × [第一噴射器之預定流動速率]

氣體量測裝置可進一步包括計算單元，其在第一噴射器將參考氣體噴射至分析器中之後推導由分析器量測持續預定時間之參考氣體流動速率的平均流動速率，其中該算術運算單元使用以下等式推導樣品氣體之實際流動速率： [樣品氣體之實際流動速率]=[由分析器量測之樣品氣體流動速率]/[由分析器量測之參考氣體流動速率]×[由計算單元推導之參考氣體流動速率的初始平均流動速率]

另外，參考氣體可為惰性氣體。

另外，分析器、第一噴射器及第二噴射器可與外部熱絕緣。

另外，第一噴射器可包括彼此串聯連接的複數個洩漏閥。

另外，第一噴射器可包括洩漏閥及安裝在洩漏閥後端的毛細管。

根據本發明之另一態樣，提供一種氣體量測方法，其包括以下步驟：（1）以預定流動速率將參考氣體恆定地噴射至分析器中，（2）將待分析之樣品氣體噴射至分析器中，（3）分別量測噴射至分析器中之參考氣體及樣品氣體的流動速率，及（4）藉由使用以下等式校準步驟（3）中量測之樣品氣體流動速率來推導樣品氣體之實際流動速率： [樣品氣體之實際流動速率] = [步驟（3）中量測之樣品氣體流動速率] / [步驟（3）中量測之參考氣體流動速率] × [步驟（1）之預定流動速率]

另外，氣體量測方法可進一步包括以下步驟：（A）在步驟（1）之後量測分析器之參考氣體的流動速率持續預定時間，及（B）推導在步驟（A）中量測之參考氣體流動速率的平均流動速率，其中步驟（4）包含使用以下等式推導樣品氣體之實際流動速率： [樣品氣體之實際流動速率]=[步驟（3）中量測之樣品氣體流動速率]/[步驟（3）中量測之參考氣體流動速率]×[步驟（B）中推導之參考氣體流動速率的初始平均流動速率]

另外，參考氣體可為惰性氣體。

如上所述，在根據本發明之氣體量測裝置及方法中，噴射參考氣體及待分析之樣品氣體以量測其流動速率（或質量），且參考氣體以預定流動速率（或質量）恆定地噴射至分析器中。隨後，偵測實際參考氣體流動速率（或質量）與由分析器量測之參考氣體流動速率（或質量）之間的差異，且基於所偵測之差異校準由分析器量測之樣品氣體流動速率（或質量），進而獲得樣品氣體之實際流動速率。

此處，由於將在參考氣體噴射至分析器中之後由分析器量測持續預定時間的參考氣體流動速率的平均流動速率用於參考氣體的實際流動速率（或質量），進而適當地應對定量噴射器噴射參考氣體發生錯誤的任何情況，最終更精確地獲得樣品氣體之實際流動速率（或質量）。

在下文中，現將參考隨附圖式詳細描述根據本發明之實施例的氣體量測裝置10及20以及氣體量測方法。

圖1為根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置10的示意圖。

參照圖1，氣體量測裝置10包括第一噴射器11、第二噴射器12、分析器13及算術運算單元14。

第一噴射器11連接至分析器13且將參考氣體噴射至分析器13中。此處，參考氣體為幾乎不與待分析之樣品氣體（亦即，分析目標氣體）反應的氣體，且可為惰性氣體，諸如氦氣、氬氣或其類似物。然而，此類參考氣體之種類可根據各個樣品氣體之特性而變化，且沒有具體限定。

第一噴射器11可包括洩漏閥。因此，洩漏閥響應於分析器13之壓力，換言之，洩漏閥之相對端之間的壓力差而適當地變化，進而恆定地維持常壓之參考氣體之流動速率。舉例而言，在常壓下噴射參考氣體之情形下，若參考氣體之流動速率增加，則分析器13之壓力可增加，使得洩漏閥之相對端之間的壓力差降低。在此情況下，洩漏閥可操作以具有減小的開口面積，進而控制參考氣體流動速率減小。相反，若參考氣體流動速率減小，則分析器13之壓力降低，使得洩漏閥之相對端之間的壓力差增加。

因此，洩漏閥可操作以具有增加的開口面積，進而控制參考氣體流動速率增加。亦即，洩漏閥可適當地可變地操作，使得若參考氣體流動速率增加至超過預定流動速率，則減小其開口面積，且若參考氣體流動速率減小至低於預定流動速率，則增加其開口面積，進而恆定地維持常壓之參考氣體之流動速率。

另外，第一噴射器11可包括彼此串聯連接的複數個洩漏閥。因此，可分多個步驟調節參考氣體流動速率，進而更加恆定地維持常壓參考氣體之流動速率。

另外，第一噴射器11可進一步包括安裝在洩漏閥後端的毛細管。如上所述，參考氣體流動速率可主要地經由洩漏閥控制，且可進一步經由毛細管最後控制。

第二噴射器12連接至分析器13且將樣品氣體噴射至分析器13中。

分析器13可包括例如電子倍增管（EMTs），且可藉由分級分離參考氣體及樣品氣體來量測由第一噴射器11噴射之參考氣體及由第二噴射器12噴射之樣品氣體的流動速率。然而，由於分析器13之具體組態與此項技術中已知的相同，因此將不給出其詳細描述。

第一噴射器11、第二噴射器12及分析器13與外部熱絕緣，進而恆定地維持其溫度。

同時，若分析器13長時間操作，例如長於約3至4小時，則由分析器13量測之氣體流動速率可由於與分析器13相關之各種組件的劣化而低於實際流動速率。

算術運算單元14使用參考氣體流動速率及由分析器13量測之樣品氣體流動速率來校準樣品氣體流動速率。現將描述用於校準樣品氣體流動速率之方法。

為了更好地理解，首先將依次描述整體氣體量測方法。

圖2為根據本發明之一個實施例的氣體量測方法的流程圖。

參照圖2，首先，第一噴射器11以預定流動速率恆定地將參考氣體噴射至分析器13中（S11）。

另外，第二噴射器12將待分析之樣品氣體噴射至分析器13中（S12）。

此處，第一噴射器11首先噴射參考氣體，第二噴射器12隨後噴射樣品氣體，但此不必一定如此。實際上，第一噴射器11及第二噴射器12可分別同時噴射參考氣體及樣品氣體。

接著，分析器13分別量測由第一噴射器11噴射之參考氣體的流動速率及由第二噴射器12噴射之樣品氣體的流動速率（S13）。

此處，由於使用第一噴射器11（亦即，定量噴射器）噴射參考氣體，因此理論上應將由分析器13量測之參考氣體流動速率記錄為恆定水平。然而，如上所述，由於分析器13之劣化，參考氣體流動速率可隨時間推移記錄為逐漸減小的值，如圖3中所示。

在此情況下，可如圖4中所示記錄由分析器13量測之樣品氣體流動速率，表明所量測之樣品氣體流動速率隨時間推移記錄為低於實際流動速率。

算術運算單元14藉由使用以下等式（1）校準由分析器13量測之樣品氣體流動速率來推導樣品氣體之實際流動速率（S14）： [由分析器13量測之參考氣體流動速率]:[由分析器13量測之樣品氣體流動速率]=[實際參考氣體流動速率]: [實際樣品氣體流動速率]           …等式（1） 其中由於實際參考氣體流動速率為第一噴射器11之預定流動速率，因此用於推導樣品氣體之實際流動速率的最終等式如下： [樣品氣體之實際流動速率] =[由分析器13量測之樣品氣體流動速率]/[由分析器13量測之參考氣體流動速率] × [第一噴射器11之預定流動速率]…等式（2）

可記錄樣品氣體之實際流動速率，如圖5中所示。

因此，基於差異校準由分析器13量測之樣品氣體流動速率，進而獲得樣品氣體之實際流動速率。

圖6為根據本發明之另一個實施例的氣體量測裝置20的示意圖。

參照圖6，氣體量測裝置20包括第一噴射器21、第二噴射器22、分析器23、計算單元24及算術運算單元25。

此處，第一噴射器21、第二噴射器22及分析器23與上文已參照圖1描述之根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置10的第一噴射器11、第二噴射器12及分析器13實質上相同。然而，根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置10與根據本發明之另一個實施例的氣體量測裝置20之間的差異，若存在，將在後文描述，可預期由熟習此項技術者自然地修改，且將不給出其冗餘描述。

在第一噴射器21將參考氣體噴射至分析器23中且隨後開始量測參考氣體流動速率之後，計算單元24可獲得由分析器23量測持續預定時間的參考氣體流動速率的平均流動速率。此處，預定時間可為分析器23在其開始操作之後尚未劣化的時間，例如一小時。然而，時間可根據分析器23之設計或使用條件而不同，且將不具體限定。

算術運算單元25使用由分析器23量測之參考氣體及樣品氣體的流動速率以及由計算單元24推導之參考氣體流動速率的初始平均流動速率來校準樣品氣體流動速率。現將描述用於校準樣品氣體之流動速率的方法。

圖7為根據本發明之另一個實施例的氣體量測方法的流程圖。

參照圖7，首先，第一噴射器21以預定流動速率恆定地將參考氣體噴射至分析器23中（S21）。

隨後，分析器23量測由第一噴射器21噴射之參考氣體的流動速率（S22）。

此處，在第一噴射器21開始噴射參考氣體之後，計算單元24推導由分析器23量測持續預定時間的參考氣體流動速率的平均流動速率，亦即，參考氣體流動速率之初始平均流動速率（S23）。

接著，第二噴射器22將樣品氣體噴射至分析器23中（S24）。

接著，分析器23分別量測由第一噴射器21噴射之參考氣體的流動速率及由第二噴射器22噴射之樣品氣體的流動速率（S25）。

算術運算單元25藉由使用以下等式（3）校準由分析器23量測之樣品氣體流動速率來推導樣品氣體之實際流動速率（S26）： [由分析器23量測之參考氣體流動速率]:[由分析器23量測之樣品氣體流動速率]=[參考氣體之實際流動速率]:[樣品氣體之實際流動速率]    …等式（3） 其中由計算單元24推導之參考氣體流動速率的初始平均流動速率用於參考氣體之實際流動速率。因此，推導樣品氣體之實際流動速率的最終等式如下： [樣品氣體之實際流動速率] = [由分析器23量測之樣品氣體流動速率]/[由分析器23量測之參考氣體流動速率] × [由計算單元24推導之參考氣體流動速率的初始平均流動速率]     …等式（4）

利用此組態，在第一噴射器21之預定流動速率與由第一噴射器21噴射之參考氣體的實際流動速率之間由於第一噴射器21發生的錯誤而存在差異的情況下，可採取適當的動作以應對此類問題。因此，可更精確地獲得樣品氣體之實際流動速率。

雖然在前述實施例中已描述參考氣體由第一噴射器21噴射，參考氣體流動速率之初始平均流動速率首先由計算單元24推導，且樣品氣體隨後由第二噴射器22噴射，但參考氣體及樣品氣體可分別由第一噴射器21及第二噴射器22同時噴射。

在此情況下，在第一噴射器21及第二噴射器22分別同時噴射參考氣體及樣品氣體之後的預定時間，由分析器23量測之樣品氣體流動速率視為樣品氣體之實際流動速率，因為分析器23在開始操作之後不會在預定時間內劣化。

同時，計算單元24推導參考氣體流動速率之初始平均流動速率。在預定時間之後，如上所述，由算術運算單元25推導之流動速率視為樣品氣體之實際流動速率。

本發明之前述實施例不限制本發明之精神及概念，且本發明之範疇由隨附申請專利範圍限定。同時，熟習此項技術者將以各種方式對本發明概念進行改進或變化。舉例而言，雖然已在前述實施例中關於氣體流動速率量測裝置及方法展示及描述本發明，但熟習此項技術者可根據本文所示及所述之氣體流動速率量測裝置及方法容易地實施氣體質量量測裝置及方法。只要本發明概念之改進或變化對熟習此項技術者顯而易見，此類改進或變化就屬於本發明之範疇及精神內。

10:氣體量測裝置

11:第一噴射器

12:第二噴射器

13:分析器

14:算術運算單元

20:氣體量測裝置

21:第一噴射器

22:第二噴射器

23:分析器

24:計算單元

25:算術運算單元

S11-S14:步驟

S21-S26:步驟

圖1為根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置的示意圖。

圖2為根據本發明之一個實施例的氣體量測方法的流程圖。

圖3為示出由根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置的分析器量測的參考氣體流動速率的圖式。

圖4為示出由根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置的分析器量測的樣品氣體流動速率的圖式。

圖5為示出由根據本發明之一個實施例的氣體量測裝置的算術運算單元量測的實際樣品氣體流動速率的圖式。

圖6為根據本發明之另一個實施例的氣體量測裝置的示意圖。

圖7為根據本發明之另一個實施例的氣體量測方法的流程圖。

10:氣體量測裝置

11:第一噴射器

12:第二噴射器

13:分析器

14:算術運算單元

Claims (7)

1. 一種氣體量測裝置，其包含：一分析器，量測複數種氣體之流動速率；一第一噴射器，以預定流動速率將一參考氣體恆定地噴射至該分析器中；一第二噴射器，連同該第一噴射器將該參考氣體噴射至該分析器中，將待分析之一樣品氣體噴射至該分析器中；一計算單元，該計算單元在該第一噴射器將該參考氣體噴射至該分析器中之後，推導由該分析器量測持續預定時間之該等參考氣體流動速率的平均流動速率；以及一算術運算單元，藉由使用以下等式校準由該分析器量測之該等樣品氣體流動速率來推導該樣品氣體之實際流動速率：[該樣品氣體之實際流動速率]=[由該分析器量測之該樣品氣體流動速率]/[由該分析器量測之該參考氣體流動速率]×[由該計算單元推導之該參考氣體流動速率的初始平均流動速率]。
2. 如請求項1之氣體量測裝置，其中該參考氣體為惰性氣體。
3. 如請求項1之氣體量測裝置，其中該分析器、該第一噴射器及該第二噴射器與外部熱絕緣。
4. 如請求項1之氣體量測裝置，其中該第一噴射器包括彼此串聯連接的複數個洩漏閥。
5. 如請求項1之氣體量測裝置，其中該第一噴射器包括該洩漏閥及安裝在該洩漏閥之後端的毛細管。
6. 一種氣體量測方法，其包含以下步驟：(1)以預定流動速率將一參考氣體恆定地噴射至一分析器中； (A)在步驟(1)之後由該分析器量測該參考氣體之流動速率持續預定時間；(B)推導步驟(A)中量測之該等參考氣體流動速率的平均流動速率；(2)連同步驟(1)一起，將待分析之一樣品氣體噴射至該分析器中；(3)分別量測噴射至該分析器中之該參考氣體及該樣品氣體的流動速率；及(4)藉由使用以下等式校準步驟(3)中量測之該等樣品氣體流動速率來推導該樣品氣體之實際流動速率：[該樣品氣體之實際流動速率]=[步驟(3)中量測之該樣品氣體流動速率]/[步驟(3)中量測之該參考氣體流動速率]×[步驟(B)中推導之該參考氣體流動速率的初始平均流動速率]。
7. 如請求項6之氣體量測方法，其中該參考氣體為惰性氣體。

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