用於確定二組分混合物中氣體濃度的氣體傳感器和方法

2023-12-06 10:05:11 3

專利名稱：用於確定二組分混合物中氣體濃度的氣體傳感器和方法
技術領域：
本發明涉及熱氣體傳感器的領域，更具體地，涉及用於確定在變化壓力下的二組分混合物中的氣體濃度的熱氣體傳感器。還涉及用於確定在變化濃度的二組分混合物中的氣體濃度的方法。
背景技術：
熱氣體傳感器利用氣體的熱傳導性提供關於氣體性質或者其在氣體混合物中的濃度的信息。氣體的熱導率λ是其在溫度梯度的影響下的傳熱能力。其為氣體在給定壓力和溫度下的固有量值並且這也是其測量能夠提供氣體混合物的成分的指示原因。熱氣體傳感器具體地用於測量在如氧氣(02)、氮氣(Ν2)、氬氣(Ar)、二氧化碳(CO2)甚至空氣(假設其具有固定成分)的其它氣體中的氫氣(H2)濃度，因為氫氣與其它氣體差異巨大，這是由於與其它較重分子氣體的熱導率相比其具有高熱導率。給出下面的值用於提供信息目的:
權利要求
1.一種用於在變化壓力下確定二組分混合物中的氣體的濃度的傳感器，包括測量元件(1 )，位於所述二組分混合物中，包括低熱慣性的膜(12)，在所述膜(12)上並 排安排用於所述膜(12)的加熱裝置(13)和提供表示所述膜(12)的溫度TM的信號的測量 裝置(14)，頻率f 的交流電源(20)，旨在向所述加熱裝置(13)供電以及 電子電路(30)，其特徵在於，選擇所述頻率f以使得所述加熱裝置(13)加熱並且交替地使所述膜(12) 冷卻以便其溫度Tm通過瞬態模式從第一穩定值變到第二穩定值並且反之亦然，並且安排所 述電子電路(30)測量所述信號以從其提取分別與所述第一穩定值和所述瞬態模式相關的 第一和第二參數，並且在預先建立的數學函數和所述傳感器的特性係數的幫助下從這些參 數計算所述氣體的濃度值和所述二組分混合物的壓力值。
2.根據權利要求1的傳感器，其特徵在於，所述第一和第二穩定值分別是所述膜的高 穩定溫度Th和低穩定溫度Tb，並且所述瞬態模式是所述膜的瞬態冷卻模式tHB。
3.根據權利要求2的傳感器，其特徵在於，所述第一參數表示所述高穩定溫度Th並且 所述第二參數表示所述膜(12)在所述瞬態冷卻模式期間的冷卻速率ptHB。
4.根據權利要求3的傳感器，其特徵在於，所述膜(12)的所述冷卻速率ptHB由下列函 數給出ptHB=d/dt (In ((Th-Tb) / (Ti-TB))(1)其中，在所述膜(12)的所述瞬態冷卻模式tm期間以不同間隔選擇點凡。
5.根據權利要求4的傳感器，其特徵在於，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下 列類型的表示所述高穩定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數的多項式函數A*TH+B*TH2+C*ptHB+D*ptHB2+E* (TH/ptm)+F (3)其中，A、B、C、D、E和F包括在所述傳感器的所述特性係數中並且通過所述傳感器的校準獲得。
6.根據權利要求4的傳感器，其特徵在於，所述二組分混合物的所述壓力是下列類型 的表示所述高穩定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數的多項式函數a*TH+b*TH2+c*ptHB+d*ptHB2+e* (1^^) +f (2)其中，a、b、c、d、e和f包括在所述傳感器的所述特性係數中並且通過所述傳感器的校準獲得。
7.根據權利要求4的傳感器，其特徵在於，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下 列類型的表示所述高穩定溫度TH、所述冷卻速率ptHB、環境溫度TA、參考溫度TMf和參考壓 力PMf的所述參數的多項式函數G^VH^ptHB+I^pC+J* (TH/ptHB)+K* (TA-Tref)* (P-Pref)+L* (TA_Tref) * (P_Pref) 2+M(4)其中，G、H、I、J、K、L和M包括在所述傳感器的所述特性係數中並且通過所述傳感器的 校準獲得，並且其中TMf是進行所述校準時的參考溫度，並且PMf是作為所述膜(12)的所述 溫度的函數校準所述信號時的參考壓力。
8.根據權利要求1到7中的一項的傳感器，其特徵在於，附加地包括提供表示所述氣體 混合物的所述環境溫度Ta的信號的測量器件(15)，並且首先從表示所述環境溫度的信號修正表示所述膜(12)的所述溫度的所述信號。
9.一種通過氣體傳感器在變化壓力下確定二組分混合物中的氣體的濃度的方法，包括: 測量所述二組分混合物的傳導性的第一特性參數的步驟， 測量所述二組分混合物的擴散率的第二特性參數的步驟， 在預先建立的數學函數和所述傳感器的特性係數的幫助下從所述參數計算所述氣體的濃度值和所述二組分混合物的壓力值的步驟。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於，所述第一和第二參數以頻率f的交變模式測量並且分別表示在穩定模式中的所述傳感器的元件的高溫度Th和在瞬態冷卻模式tHB中的所述傳感器的元件的冷卻速率ptHB。
11.根據權利要求 10的方法，其特徵在於，所述傳感器的元件的所述冷卻速率ptHB由下列函數給出:
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下列類型的表示所述高穩定溫 度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數的多項式函數:
13.根據權利要求11的方法，其特徵在於，所述二組分混合物的所述壓力是下列類型的表示所述高穩定溫度Th和所述冷卻速率ptHB的所述參數的多項式函數:
14.根據權利要求11的方法，其特徵在於，所述二組分混合物的氣體的所述濃度是下列類型的表示所述高穩定溫度TH、所述冷卻速率ptHB、環境溫度Ta、參考溫度Tref和參考壓力PMf的所述參數的多項式函數:
全文摘要
本發明涉及用於確定二組分混合物中氣體濃度的氣體傳感器和方法。所描述的傳感器允許通過測量擴散率和熱導率確定在變化壓力下的二組分混合物中的氣體的濃度。提供傳感器以交替加熱導熱元件(1)的膜(12)和使其冷卻以便膜的溫度TM通過瞬態模式從第一穩定值變到第二穩定值並且反之亦然。該單元產生表示膜的溫度TM的信號並且傳感器從信號提取分別與信號的所述第一穩定值和所述瞬態模式相關的第一和第二參數。從這兩個參數計算所述氣體的濃度值和所述二混合物的壓力值。
文檔編號G01N25/20GK103105412SQ20121037147
公開日2013年5月15日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月29日
發明者Y·德庫隆, V·德馬爾納 申請人:巴萊諾斯清潔能源控股公司