用於確定流動氣體介質的分數的方法和系統與流程

2023-07-30 03:26:32 2

本發明涉及一種確定流動氣體介質的分數的方法。本發明進一步涉及一種用於實現這種方法的系統。

對流動氣體的組成的了解在許多技術領域是重要的。這種情況，例如，在製造藥物或組合用於醫療目的的期望的混合氣體過程當中。

例如，在醫療輸液泵中，特別是在新生兒學領域，必須知道介質的流速和組成，例如，新出生的孩子是否接受了正確的種類和正確的量的藥物和/或營養。這裡的一個問題是流速非常低，這使得難以實現所需的測量精度。

但是在天然氣的情況中，知道天然氣組成也是同樣重要的，例如用於確定其能量含量。用於確定氣體燃料的能量含量的常規裝置，例如沃泊指數儀或氣相色譜儀，比較龐大且昂貴。

預計國家電網中天然氣的組成和質量將因各國天然氣的混合以及由此導致的周期性變化而顯著變化。質量控制和質量保證在這方面至關重要。這更加相關的是有必要將生物氣引入國家電網。

從上文顯而易見的是，需要一種快速、廉價和可靠的方法來確定多個技術領域中的氣體介質的組成。相應地，本發明的目的是提供一種方法，通過該方法可以確定流動氣體介質的(體積)分數(fractions)，並且通過該方法可以連續(實時地)進行所述分數的確定，特別是為了質量保證和安全的目的。

為了實現該目的，本發明提供一種如權利要求1所述的方法。根據本發明的確定分數，特別是體積分數的方法包括提供流動氣體介質的步驟，其中流動氣體介質的組成待確定。流動氣體介質至少基本上由已知的n種已知組分構成。本文中的術語「組分」在任何情況下表示純的、未混合的流體，例如水、氫、氧、二氧化碳、氮和烷類如甲烷、乙烷、丙烷等。

根據該方法，確定所提供的氣體介質的至少n-1個參數。在一實施例中，例如，所述參數中的一個或多個從包括質量流量、密度、粘度和熱容量的一組量中選擇。供替代的量顯然是可想到的。可以直接測量參數，或者可選地從其他測量推導得到參數。

對於n個已知組分中的每一個，提供與確定的每個n-1個量相關的至少n-1個參考值。換句話說，為氣體介質的每種已知組分提供參考值。例如，如果確定或測量甲烷、二氧化碳和氮氣的混合物的密度，則提供甲烷、二氧化碳和氮氣的相應密度作為參考值。如果測量補充的參數，例如粘度，則提供用於確定的量的參考值，因此在這種情況下，對於每種組分都是粘度。

根據本發明的方法，包括通過求解至少n個方程式來確定所提供的氣體介質的每種已知組分的分數的步驟，該方程式包括：

至少n-1個方程式，其將每個確定的參數描述作為介質的每個已知參數的分數的函數，以及作為氣體介質的每種已知組分的所提供的參考值的函數，以及

至少一個方程式，其設置每種已知組分的分數之和至少基本上等於100％。

上述方法使得可以以相對簡單和快速的方式確定流動氣體的組成。解決根據本發明的方程式基本上使得組成立刻被確定。這使得特別是可以連續監測(實時)流動的氣體介質。由此實現了本發明的目的。

在從屬權利要求2至12中定義了該方法的有利實施例。這些實施例的優點將在下面討論。

在一實施例中，該方法包括實質上連續地提供流動的氣體介質並且實質上連續地確定至少n-1個參數的步驟。因此，該方法可以實質上連續地進行，以實質上實時地確定流動氣體介質的分數。確定參數和確定組分的分數的步驟至少重複一次，使得連續流動的氣體介質的組成在兩個時刻是已知的。這使得可以隨時間觀看組合物，從而可以監測氣體的質量。這增強了安全方面，特別是在醫療應用中。

根據本發明的方法通過確定n-1個參數和求解n個方程式而產生非常快速的結果。與替代方法相比，已知的方法，例如氣相色譜法，其中測量結果在大約3分鐘後變得可用，根據本發明的方法使得可以非常快有結果，達到0至60秒，特別是0至15秒，更特別是0至5秒。此外，氣體可以根據本發明提供，而沒有預處理的必要性(例如，組分的分離和/或載氣的添加，如在氣相色譜中)。沒有預處理以及使用該方法可以實現的速度使得可以連續或半連續地使用該方法。這在需要或期望監測氣體的情況下是特別有利的。

在一實施例中，在隨後求解的矩陣方程式中描述該方程式。解決這種矩陣方程式的有效、快速和可靠的方法是本身已知的最小二乘法。優選地使用處理單元來求解矩陣方程式，以獲得組分的分數。

在一實施例中，其為被監測的氣體介質中的不期望的組分。因此，例如，可以檢測氣體介質中氧氣或氫氣的存在。在這種情況下，即使所述組分的初始分數等於零，也規定氣體介質含有相關組分。因此，根據本發明的方法還明顯地涉及其中一種已知組分尚未存在於氣體中的情況，但是其中該已知組分將來可能存在。換句話說，已知組分的分數可以等於零。

根據本發明的方法特別適用於確定基本上包含三種或四種已知組分的流動氣體介質的分數，儘管它也可以本質上應用於多於四種組分的存在。上述表述「基本上包含三種或四種已知組分」意在表示所述三種或四種組分的分數之和基本上等於100％。可以想像，在氣體中存在另外已知或未知的組分，該另外組分僅佔總分數的一小部分。該組分可以例如以低於5％，優選低於2％，特別是低於1％的濃度存在。在這種情況下，該方法包括在等式中忽略該另外的組分的步驟。

可以想到，已知組分之一是ch4、c3h8、n2和/或co2，特別是在天然氣或類似氣體的情況下。另外可以想到，已知組分之一是o2或h2。然而，包括已知組分的其他組成也是可能的。

在一實施例中，根據本發明的方法包括確定兩個參數，特別是氣體介質的密度和熱容量的步驟。兩個參數的確定適用於確定具有三種已知組分的氣體介質的分數。

這兩個參數可以通過來自熱流量傳感器和科裡奧利型流量傳感器的信號確定。

此外，在該方法的一實施例中，流動的氣體介質的熱值的測量從這樣確定的分數推導出。

在進一步的實施例中，氣體介質的沃泊指數wi由熱值確定如下：

其中h(j/m3)是由給定體積的包含氣體混合物和空氣的介質完全燃燒產生的熱能的量，並且gs(-)是氣體混合物和空氣的質量密度之比。介質的組成由具有高精度的根據本發明的系統確定，使得可以例如根據上述方程式精確地確定沃泊指數。

還可以想到，該方法包括基於其確定的分數來控制流動氣體介質的質量流量的步驟。這裡可能的是，控制包括將質量流量完全降低到零的步驟，例如在檢測到不期望的組分時。此外，還可以想到，該方法包括當所確定的一個或幾個分數是高於或低於預設標準值時發出警告信號的步驟。

根據一方面，本發明提供了一種可以實現該方法的系統，所述系統被限定在權利要求13中。根據本發明的系統包括具有分別用於特別是以連續方式供應和排出流動氣體介質的入口和出口的流管，所述介質的組成必須確定。傳感器裝置被提供用於確定供應的氣體介質的至少n-1個參數。所述傳感器裝置優選地連接到流管或形成為其一部分。該系統進一步包括連接到傳感器裝置的處理單元，該處理單元具有存儲在其中的至少n-1個參考值，並被設計用於通過求解至少n個方程式來確定所提供的氣體介質的每種已知組分的分數。

根據本發明的系統因此被設計用於確定n種已知組分的混合物的氣體介質的組成。處理單元包含n個方程式，n個方程式將與至少n-1個參數相關聯的各自的量描述作為介質中的n種組分的分數的函數。

首先，處理單元包含描述介質組分的總和等於100％或至少基本上等於100％的方程式。此外，處理單元包含由傳感器裝置確定的用於至少n-1個量的n-1個方程式，作為組分的分數的函數。因此，例如，密度和粘度都可以作為組分的線性函數來存儲，組分的線性函數為處理單元中的方程式形式。

以這種方式在處理單元中存在n個未知數的n個方程式。處理單元被設計用於求解這些方程式，以獲得每個組分的分數。求解具有相同數量未知數的多個方程式的方法本身是已知的。

在從屬權利要求14至20中限定了該系統的有利實施例。下面將說明這些實施例以及其他實施例的優點。

在一施例中，傳感器裝置和處理單元被設計成以重複的方式，特別是連續地確定n-1個參數和分數。也就是說，所供給的氣體的參數和分數可以基本上連續/半連續/間歇地確定。

該系統可以被設計為例如以在0和60秒之間、特別是在0和15秒之間、更特別地在0和5秒之間的時間間隔重複地確定分數。這使得系統比目前已知的系統快許多倍，例如氣相色譜法。在一實施例中，處理單元設置有參考表或資料庫，其中存儲著參考值。這些參考表和資料庫通常是已知的，並且包括比如已知流體的密度、粘度和比熱容的特性和參數的值。處理單元能夠將這些數據與為介質確定的參數進行比較。然後，處理單元能夠使用所存儲的用於參數的方程式來確定已知組分的分數。可以想像的是，處理單元被設計用於比較、擬合或插值。這簡化並加速了方程式的求解。

一實施例中的傳感器裝置包括以下至少一個：密度傳感器、科裡奧利型流量傳感器、熱流量傳感器和/或壓力傳感器。壓力傳感器可以是例如差壓傳感器，並且在一實施例中，科裡奧利型流量傳感器可以同時形成壓力傳感器。處理單元被優選構造成在這種情況下，進一步通過計算或模擬，從上述傳感器測量的參數確定以下的一個或幾個：粘度、比熱容和熱導率。傳感器向處理單元發送信號。在這方面，可以提供信號處理裝置來處理信號，例如通過降噪、信號校正或比如積分和/或變換的數學運算。

在相對便宜、小且高效的一特殊實施例中，傳感器裝置包括以下中的每個：密度傳感器、科裡奧利型流量傳感器、熱流量傳感器和壓力傳感器。這種傳感器可商購，例如以avenisens，bronkhorstcori-techm13，bronkhorstel-flow和bronkhorstel-press命名的。其他品牌和/或類型的傳感器顯然是可以想到的。

在傳感器裝置至少包括熱流量傳感器和科裡奧利型流量傳感器的實際實施例中，處理單元被設計成基於來自熱流量傳感器和來自科裡奧利型流量傳感器的信號來確定介質的比熱容。申請人的荷蘭專利申請nl2012126，該文件將被認為完全包括在本申請中作為參考，其描述了如何根據熱流量傳感器的信號相對於科裡奧利型流量傳感器的信號繪製的斜率來確定介質的比熱容，如j.c.等人也描述的那樣，2014,integratedmulti-parameterflowmeasurementsystem,in2014ieee27thinternationalconferenceonmicroelectromechanicalsystems(mems)[doi:10.1109/memsys.2014.6765806]。

在傳感器裝置至少包括科裡奧利型流量傳感器和壓力傳感器的一實施例中，處理單元被設計用於基於來自科裡奧利型流量傳感器和來自壓力傳感器的信號確定介質的粘度。引用的nl2012126描述了如何根據來自科裡奧利型流量傳感器的信號相對於來自壓力傳感器的信號繪製的信號的斜率來確定介質的粘度。這再次在j.c.等人有描述，2014,integratedmulti-parameterflowmeasurementsystem,in2014ieee27thinternationalconferenceonmicroelectromechanicalsystems(mems)[doi:10.1109/memsys.2014.6765806]。

在傳感器裝置至少包括壓力傳感器和熱流量傳感器的實施例中，壓力傳感器被設置成使得其確定穿過熱流量傳感器的壓差。

下面給出了使用方程式確定組分分數的許多示例。

示例1

在第一個例子中，三個(體積)分數用表示，用於確定具有三個分量的介質，其給出以下方程式(其中n＝3)：

根據該方法，n-1＝2的參數將被測量或推導出。這些介質的至少兩個參數可以是例如介質的密度ρ和粘度η。介質的密度和粘度是已知組分的分數和相關已知組分的密度和粘度的函數。

每個組分的密度和粘度分別表示為ρi和ηi,我們得到以下相關性：

這些相關性可以寫成矩陣方程：

在一實施例中，每個組分的密度ρi和粘度ηi被存儲在處理單元中，例如在一參考表中，並且測量介質的密度ρ和粘度η。

由於只有分數未知，這導致三個未知數的一組三個方程式。可以求解該集合，以便例如通過反轉矩陣來確定分數的值。除了上述以外的參數的另外的組合，例如密度和比熱容、粘度和比熱容等同樣可以設想到。此外，至少兩個參數的組可以包括熱導率。

示例2

為了確定具有四種已知組分的介質的組成，一實施例包括另外的組分的確定。根據該方法，介質的三個參數隨後被確定。介質是這裡的四種組分的混合物，介質的三個參數取決於組分的分數。

在該示例中另外確定介質的比熱容cp。每個組分的比熱容表示為cpi，我們得到以下矩陣方程式：

可以求解該方程式，以獲得四個未知數的值，即分數從而確定四種組分的混合物的組成。

遵循上述原理，可以通過確定取決於組分的分數(例如熱導率)的另外的參數來確定具有五種組分的介質的組成。該原理可以擴展到具有n種分量的介質，在這種情況下要確定n-1個參數。還可以想到，通過除了如上所述求解方程式之外的方法來確定分數，例如通過參數的擬合或插值。

下面將參照附圖更詳細地解釋本發明，其中：

圖1示意性地示出了根據本發明的系統；

圖2示意性地示出了根據本發明具有多個傳感器的系統；

圖3示出了作為co2和n2的函數的生物氣的沃泊指數的相關性；

圖4是作為粘度η的函數的沃泊指數wi的曲線圖；和

圖5至圖8示出了根據本發明的系統進行的測量的結果。

圖1示意性地示出了根據本發明的系統100，其中可以確定包括至少基本上已知的n種已知組分的流動氣體介質的分數。系統100包括用於介質的流管2，介質的分數將要被確定。該系統包括傳感器裝置30，其連接到流管2或形成為其一部分。傳感器裝置30被設計用於確定介質的至少n-1個參數。所述參數選自包括密度、粘度和比熱容的組，用相應符號p，η和cp在圖1表示。該系統進一步設置有處理單元40，該處理單元40連接到傳感器裝置30，該處理單元被設計成基於測量的和/或確定的參數來確定每個組分的分數。在所示實施例中的處理單元40設置有參考表60或資料庫60，其在圖1中示意性地示出，其中存儲已知組分的測量的和/或確定的參數的參考值。

以下將說明系統100的操作。具有已知組分的氣體介質通過流管2引導。傳感器裝置30用於確定至少n-1個參數，無論是進行直接測量還是基於來自傳感器裝置30的信號來確定相關參數。或者可能的是，信號被直接饋送到處理單元40，在其中參數被確定。圖1的處理單元40被設計用於利用來自參考表60的數據來確定介質2的組成，例如通過將介質2的至少兩個參數與來自參考表60的數據進行比較。參考表60優選地還包括組分的至少兩個參數和相應分數之間的相關性的信息，例如以公式或函數的形式。

圖1的處理單元40包括方程式，其中一方面存在介質的至少兩個參數，另一方面存在來自參考表60的組分的分數和相關數據，比如上述的方程式(1)、(2)、(3)和(4)。換句話說：介質的至少n-1個參數的每一個，例如ρ、η和/或cp中的每一個是參考表60中相應組分的分數和相關聯的數據的函數。圖1的處理單元40能夠為n-1個參數求解這一組方程式。

在一實施例中，處理單元被設計用於實時地，即基本上瞬時地確定組分的分數。為了實現這一點，可以通過處理單元40的簡單且快速的解決方案，以方程式(3)或(4)的矩陣方式的形式來設置方程式組。

在一實施例中，處理單元40還被設計成確定介質的熱值。特別地是可以確定介質的沃泊指數wi。可以通過上述方程式從介質的分數與來自參考表60的數據組合來計算沃泊指數。

圖2示意性地示出了根據本發明的系統100，其具有傳感器裝置30，傳感器裝置30包括設置在流管2上或鄰近流管2的傳感器5、6、7和8。所述傳感器裝置30特別包括熱流量傳感器5、科裡奧利型流量傳感器6、密度傳感器7和壓力傳感器8。

圖2的傳感器裝置30包括傳感器處理單元10。後者具有多個計算模型15、16、17、18，其中介質的多個參數包括比熱容cp、質量流率m、介質密度p和粘度η，可以基於傳感器5、6、7、8的信號來確定。以上引用的申請人的專利nl2012126非常詳細地描述了如何通過上述傳感器5、6、7和8來確定多個參數，如j.c.等人描述的，2014,integratedmulti-parameterflowmeasurementsystem,in2014ieee27thinternationalconferenceonmicroelectromechanicalsystems(mems)[doi:10.1109/memsys.2014.6765806].以下給出簡要說明是為了簡潔起見。

熱流量傳感器5的輸出信號是對氣體混合物的流量和熱容量的測量。熱流量傳感器5上的壓降由壓力傳感器8來測量，壓力傳感器8尤其是差壓傳感器8。科裡奧利型流量傳感器6的輸出信號提供質量流率，並且密度從密度計7獲得。

通過比較科裡奧利型流量傳感器6和壓力傳感器8的輸出信號，考慮密度，可以計算粘度(viscosity)。

比較熱流量傳感器5和科裡奧利型流量傳感器6的輸出信號可以計算氣體介質的熱容量。

這樣獲得的一個或多個參數20被饋送到存儲在處理單元40中的方程式45。通過求解方程式45，可以確定組分的分數並且優選地確定沃泊指數wi。

處理單元40例如被設計為用於繪製比如參考方程式(3)和(4)所描述的矩陣方程45。處理單元通過由傳感器1的集合確定的值來完成介質參數值的向量，並通過參數輸出20傳送到處理單元40。除了分數之外的組分的量由處理單元40從參考表60推導出並輸入到方程式45中。處理單元40隨後求解方程式45，其結果是確定介質的組分的分數。

可以想像的是，根據引用的荷蘭專利申請nl2012126的流量測量系統連接到根據本發明的處理單元，以形成根據本發明的系統。在一實施例中，傳感器信號處理單元10與處理單元40是一體的。

圖3示出氣體的沃泊指數在co2和n2分數上的相關性。這樣的氣體可以是例如供給到氣體供應網的天然氣。圖3示出了沃泊指數在氣體的氮和二氧化碳含量上的相關性。考慮到氣體混合物組成的如此強烈的變化，需要的是準確和快速地確定該組合物。

圖4是示出垂直軸上的沃泊指數wi作為水平軸上的粘度的函數的曲線圖。發現如果二氧化碳是混合物中唯一的惰性氣體，粘度和沃泊指數之間存在很強的相關性。然而，如果還有n2存在，則由於較高的粘度，相關性變得不那麼強。這導致了實際沃泊指數所在的相對較寬的範圍。沃泊指數可以處於的範圍由圖4中的下限指標限制a和上限指標限制d指示。

根據本發明的方法和系統使得可以通過考慮氣體混合物的密度來區分co2和n2，使得沃泊指數的實際值可能位於該範圍內的範圍可以變窄，以便位於修正後的下限指標限制b和修正後的上限指標限制c之間。根據本發明，通過確定介質的多於一個的參數，沃泊指數的測定變得更精確，並且基於此確定組成，從而確定沃博指數。

圖5至圖8示出了使用根據本發明的系統進行測量的進一步結果。在約1.5巴(絕對壓力)的壓力下，向系統中加入約500mln/min量的甲烷、丙烷、二氧化碳和氮氣。在測量期間記錄密度傳感器、壓力傳感器、熱傳感器和科裡奧利型流量傳感器的輸出信號，並通過根據本發明的方法進行處理。

圖5示出了具有ch4、co2和n2的氣體混合物的組成的測定。已知數量被提供給系統。添加的分數(所謂的施加的分數)的已知值相對於圖5中的時間t繪製：所施加的ch4分數ch4(a)，所施加的co2分數co2(a)和施加的n2分數n2(a)。例如通過流量計設置所施加的分數「(a)」，並逐步地改變時間，如在施加的分數ch4(a)、co2(a)和n2(a)的方形波中所能看到的。根據本發明的系統測量的值被表示為「(m)」。測量的ch4分數ch4(m)、測量的co2分數co2(m)和測量的n2分數n2(m)在圖5中相對於時間t作圖。明顯從圖5看出，根據本發明的系統確定的分數ch4(m)、co2(m)和n2(m)的值遵循所施加的，即實際分數ch4(a)、co2(a)和n2(a)。所測量的分數ch4(m)、co2(m)和n2(m)的值在施加的值ch4(a)、co2(a)和n2(a)的5％以內。因此，根據本發明的系統不僅快速，而且準確。

圖6顯示了圖5的氣體混合物的沃泊指數的測定。由於氣體混合物的組成是已知的，作為它的密度，沃泊指數可以被計算。氣體混合物的所施加的沃泊指數表示為wi(a)。明顯從圖6看出，沃泊指數在時間上逐步變化。根據本發明的系統因此確定了氣體混合物的沃泊指數，其相關值表示為wi(m)。圖6示出了確定的沃伯指數的曲線遵循所應用的即實際沃泊指數wi(a)的曲線。通過對所確定的沃泊指數wi(m)的適應，基本上瞬時地遵循沃泊指數施加的值內的變化。偏差e標繪在圖6的下部。所確定的值wi(m)相對於施加的值wi(a)在5％的偏差範圍內。因此，根據本發明的系統相應地被設計用於瞬時和準確地確定沃泊指數值wi(a)。

圖7顯示了包含ch4、c3h8和n2的氣體混合物的組成的測定。通過根據本發明的系統測量的分數的值ch4(m)、c3h8(m)和n2(m)以及所施加的，即實際值ch4(a)、c3h8(a)和n2(a)在縱軸上相對於時間t繪製，時間t繪製在橫軸上。再次，測量的值ch4(m)、c3h8(m)和n2(m)快速準確地遵循實際值ch4(a)、c3h8(a)和n2(a)。測量值「(m)」與施加值「(a)」之間的偏差低於5％。

圖8顯示了包含ch4、c3h8和n2的氣體混合物的沃泊指數的進一步的測定。該測量對應於圖6的測量，但是不同之處在於，在圖8中，施加的沃泊指數wi(a)給出比圖6中更平坦的波形。再次，確定的值wi(m)相對於施加的值wi(a)處於5％的偏差內。

對於本領域技術人員清楚的是，上面參考幾個被認為是優選的可能實施例描述了本發明。然而，本發明決不限於這些實施例。在本發明的範圍內，許多修改是可能的。所申請的保護由所附權利要求限定。