用于檢測氣體中的烴組分同時考慮橫向靈敏度的測量設備和方法
【專利摘要】本發明涉及用于確定氣流中的所測值、同時考慮測量用具中由氣流中會干擾所測氣體所測值的至少另一種成分引起的橫向靈敏度的測量設備(20)。該測量設備包括用于將待測原始氣流(26)分成所測氣體第一流(38)和所測氣體第二流(39)的裝置、用于通過改變會影響所測氣體含量的影響變量從而改變所測氣體第二流(39)中的所測氣體含量的裝置、具有用于確定所測值的傳感器的傳感器元件(22)、用于評估所測值的評估單元，其中交替地將所測氣體第一流(38)和經改變的所測氣體第二流(39)供給到傳感器元件(22)從而確定所測氣體第一流(38)中的第一中間所測值和所測氣體第二流(39)中的中間所測值，評估單元根據兩個中間測量結果計算最終所測值。本發明還涉及用于確定氣流中的所測值的對應方法。
【專利說明】用于檢測氣體中的烴組分同時考慮橫向靈敏度的測量設備和方法
[0001]本發明涉及確定氣流中的測量值的測量設備和方法，確定時考慮測量系統中的橫向靈敏度，因為氣流中的至少另一種成分會干擾所測量氣體的測量值。
[0002]橫向靈敏度是測量設備對于除所測變量或所測值以外的變量(即待測變量)的靈敏度。并非所測變量但對測量系統經由所測值傳遞的信息產生影響的變量被稱為影響變量。這意味著當影響變量變化時，只有所測值發生變化。
[0003]橫向靈敏度還包括不完美選擇性，例如是由氣體傳感器產生的。這些經常還對除待測氣體以外的氣體濃度產生響應。
[0004]重要的影響變量的例子是溫度、濕度、空氣壓力、電場或磁場。
[0005]一種考慮橫向靈敏度或校正測量中由橫向靈敏度造成的誤差的可能做法是提供多個傳感器，互相獨立地確定單個所測值，然后比較這些所測值并對它們進行校正。這種做法造成較高的成本和需要大量維護的測量設備。
[0006]本發明的目的是提供用于確定氣流中的所測值的測量設備和方法，這種設備和方法至少基本上、甚至可能完全地消除了測量系統的干擾性的橫向靈敏度，這種橫向靈敏度是由于氣流中的至少另一種成分對所測氣體的所測值產生影響而造成的。該測量設備應能進行安裝并還具有低的誤差易感性。
[0007]通過用于確定氣流中的所測值的測量設備實現了以上目的，該設備考慮了測量系統的橫向靈敏度，這種橫向靈敏度是由于氣流中的至少另一種成分而產生的，該成分會干擾所測氣體的所測值，該設備包括:
[0008]-用于將待測氣體的原始流分成所測氣體第一流和所測氣體第二流的裝置，
[0009]-用于通過改變影響所測氣體含量的影響變量從而改變所測氣體第二流中的所測氣體含量的裝置，
[0010]-具有用于確定所測值的傳感器的傳感器元件，
[0011]-用于評估所測變量的評估單元，
[0012]其中
[0013]-將所測氣體第一流或經改變的所測氣體第二流交替地供給到傳感器元件，從而確定所測氣體第一流中的第一中間所測值并確定所測氣體第二流中的中間所測值，
[0014]-評估單元根據兩個中間測量的結果計算最終所測值。
[0015]還通過用于確定氣流中的所測氣體含量的方法實現了本發明的目的，該方法考慮了測量系統的橫向靈敏度，這種橫向靈敏度是由于氣流中的至少另一種成分而產生的，該成分會干擾所測氣體的所測值，該方法的特征在于以下步驟:
[0016]-將待測氣體的原始流至少分成所測氣體第一流和所測氣體第二流，
[0017]-通過改變影響所測氣體的量的影響變量從而改變所測氣體第二流中的所測氣體含量，
[0018]-交替地將所測氣體第一流和所測氣體第二流供給到傳感器，
[0019]-確定所測氣體第一流中的第一中間所測值，該值代表所測氣體的含量與另一干擾成分的含量之和，
[0020]-確定所測氣體第二流中的第二中間所測值，該值代表所測氣體的含量與另一干擾成分的含量之和，
[0021]-根據兩個中間測量的結果計算最終所測值。
[0022]根據本發明，將待測氣體的原始流分成所測氣體第一流和所測氣體第二流。可通過實際的物理分離例如使用分離器來實現原始氣流的分開；或者，可例如在閥的幫助下以交替方式將原始氣流供給到傳感器元件。
[0023]本發明基于以下假設，原始氣流中存在兩種氣體，它們由于其橫向靈敏度的原因而對最終所測值產生影響。例如，若要確定原始氣流的第一氣體的量，第二氣體的存在會影響最終所測值，則第二氣體構成干擾性的另一成分。
[0024]本發明基于以下概念，在開始時將原始氣流分成兩個所測氣體流，并且通過改變影響所測氣體含量的影響變量來影響所測氣體流之一。通過這種方式，僅使用一個傳感器元件，就能進行導致不同結果的兩個測量。但是，若所測氣體第二流中的改變是已知的，若例如所測氣體減少或被完全除去，則可從兩個中間所測變量來計算實際的所測值。
[0025]本發明特別適合于用于確定還包含二氧化氮(NO2)的所測氣體中的二氧化硫(SO2)的測量設備。二氧化硫傳感器對于二氧化氮具有高的橫向靈敏度。特別困難的是，傳感器對于這兩種氣體具有大致相同的靈敏度，但二氧化氮的輸出信號為負。因此，若所測氣體包含相等量的二氧化硫和二氧化氮，則輸出信號大致為零。
[0026]二氧化硫幾乎完全溶于水中，并且在通過增濕元件之后，優選將該增濕元件與膜聯用，該膜是例如用水沖刷過的一束中空纖維(膜增濕器)，就能幾乎完全地除去二氧化硫。另一方面，二氧化氮不溶于水中，因此離開增濕元件之后，二氧化氮仍然全部存在。
[0027]根據本發明，將所測氣體第一流直接供給到傳感器元件，但僅在所測氣體第二流通過增濕元件之后再對其進行輸送。通過在干燥的所測氣體第一流以及經增濕的所測氣體第二流之間進行切換，則獲得兩個不同的所測變量:
[0028]1.在干燥的所測氣體中，二氧化硫與二氧化氮一起的總體積(第一中間所測值)，其中二氧化氮在總值中為負號。
[0029]2.對于經增濕的氣體，僅為對除了二氧化硫以外的其他氣體的橫向靈敏度值(通常是二氧化氮，第二中間所測值)。
[0030]接下來，若從第一中間所測值中扣除第二中間所測值(為相反符號，即實際上是相加)，則得到對于所測氣體的二氧化硫含量的實際最終所測值。
[0031 ] 其中，通過假設在所測氣體中除了二氧化氮以外不存在二氧化硫傳感器對其表現出橫向靈敏度的其他氣體，發現了本發明的根本優點在于，也可使用二氧化硫傳感器作為二氧化氮傳感器或測量池。因此，顯著降低了成本，并且還降低了測量設備使用壽命內的維護成本。
[0032]使用具有中空纖維膜的膜增濕器來進行氣體增濕是特別有利的，尤其是在呼吸氣體測量領域中。這種類型的膜增濕器能便宜地制造，還能在長期使用中可靠地發揮作用。此夕卜，其比重也較低。
[0033]用水沖刷中空纖維束是有益的，能使其在進入膜增濕器之前變軟，從而防止石灰沉積在膜增濕器中，例如通過使用混合床藥筒(bed cartridge)。
[0034]可經由閥以周期方式供應水；例如，可每小時將閥啟動約10秒。將廢水供給到排水溝。
[0035]根據本發明，以約2巴過壓進行增濕。出口處的濕含量在2巴過壓下幾乎為100%相對濕度。膨脹到環境壓力之后，相對濕度變成約40%相對濕度。
[0036]可通過經由外部壓縮氣瓶提供的一種、優選兩種參比氣體的方式對測量設備進行校準。可以進行增益校正、抵消校正，還可進行組合的增益和抵消校正。
[0037]對于校準，經由閥切斷所測氣體，同時切換到作為校準氣體的一種參比氣體。由此，在校準程序的過程中，可以在經增濕的和干燥的參比氣體之間進行切換。
[0038]在根據本發明的一種優選的測量設備中，傳感器元件提供有另外的傳感器，例如除了二氧化氮和二氧化硫含量以外，還能確定一氧化碳、氧化一氮、二氧化碳和氧氣含量。這些傳感器也能使用參比氣體進行校準。
[0039]二氧化碳傳感器對于濕氣的耐受度較低。因此，根據本發明，這種傳感器僅對干燥的所測氣體進行操作。另一方面，電化學氣體傳感器嚴禁對單獨的干燥空氣進行操作，因為電解質會干透。因此，一氧化碳、二氧化氮和氧氣傳感器總是對經增濕的空氣進行操作。由于這些氣體不溶于水中，所以這種所測值不會因濕氣而失真。
[0040]二氧化硫能溶于水中，因此，當二氧化硫通過增濕元件時，幾乎從氣體中完全吸收。因此，在干燥的和經增濕的所測氣體之間周期性地啟動閥。平均來說，在這種實施方式中，測量氣體以大致20%的相對濕度到達傳感器元件，足以防止測量池在其使用壽命期間干透。
[0041]進行氧氣體積計算(體積％ )是有益的，其中通過所測環境壓力來校正分壓依賴性。這樣做還提高了測量精確度，因為測量池的輸出信號(流動信號)是O2分壓的函數。
[0042]此外，根據本發明，通過所測環境濕度抵消了氧氣體積計算(體積％ )的濕度公差。這樣做還提高了測量精確度，因為氧氣測量池的輸出信號(流動信號)較明顯地取決于氣體相對濕度。
[0043]有益的是，測量設備包括安培計無鉛測氧池，該測氧池具有特別長的壽命。其原因還在于，通常使用的傳感器元件原則上是一種電流鉛-空氣池，其中通過氧測量來消耗鉛電極。鉛池的壽命在很大程度上取決于氧的分壓和溫度，以及儲存期限和儲存條件(儲存時排除空氣)。安培計測量池沒有受到這些缺點的影響；該池無消耗，因為電解質通過反電極處的反應得以再生。
[0044]根據本發明，還進行了二氧化碳體積計算(體積％ )，其中通過所測環境壓力校正了對分壓的依賴性。二氧化碳傳感器的操作原則是光學NDIR測量程序。紅外(IR)光的吸收取決于氣體密度(因此取決于分壓)。通過測量環境壓力，提高了校準間隔之間的測量準確度。
[0045]在根據本發明進行抵消校正的過程中，通過第四電極對安培計測量池(除了測氧之外)的TCO(溫度補償抵消)進行了校正。只有通過測量池的這種優化以及測量電解質的零水平才有可能在測量中得到所需的準確度。
[0046]在根據本發明進行增益校正的過程中，對安培計測量池在使用溫度范圍內的TCG(溫度補償增益)進行了校準。這種校準是通過在多個不同溫度的限制之內測量或校準氣體濃度并且用計算機進行校正而實現的。可通過參考工廠校準對測量池中的增益進行校準來確定校正值。校正值的貢獻可提供關于測量池老化的信息并且可提示需要進行保養。這種方法意味著可以隨著測量池的老化確定其條件。不論老化和降低的靈敏度，校準增益之后，還可測量正確的變量。通過這種方式，可以優化維護間隔。
[0047]周期性地進行設備的自測試。在自測試的過程中，檢查所有的氣體通道和體積流。這是一項提高設備可靠性的重要性能特征。在關閉的氣體通道的情況中，測量池在超出限制時事實上不會發出警報，也不會提示出錯。
[0048]有益的是，經常地對增濕進行監視。若增濕失敗，則切斷氣體通道以保護測量池，否則測量池會在幾小時的干燥操作之后干透。這種特性還提高了設備的可靠性，因為干透的測量池會給出零信號，從而無法保證警報的正常鳴響。另外，干燥操作會引起相當大的破壞。
[0049]根據本發明，可以使用水槽進行操作，從而獨立于外部供水進行操作。理想地，對槽中的水位進行監視，若水平降至太低，則觸發保養要求。這種供水可能性意味著，若設備附近無供水，也能使用戶的安裝成本降低。
[0050]在本發明中，還要對保養間隔進行監視，并向外顯示保養要求。出于操作安全性的原因，規律的維護是必不可少的。由于對保養間隔進行自動監視，所以能避免因忘記進行維護而使設備出故障。
[0051]有益的是，測量了蒸氣重量濃度；在一種優選的實施方式中，通過氧化鋁濕度傳感器的方式進行，該傳感器覆蓋明顯更優于聚合物濕度傳感器的測量范圍。由此得到至-60Ctd，f的測量范圍。聚合物傳感器只能在至大約-40C td，f的范圍內保證準確度。聚合物傳感器的準確度不夠，尤其是在高操作溫度下。
[0052]通過根據本發明的第二參比氣體連接的方式，能對測量池的增益進行校準，從而補償老化，這也使得維護間隔變長。
[0053]有益的是，測量設備提供有內部數據記錄器用于記錄測量數據。這意味著可以在設備中獨立于外部系統進行存檔。在一種特別有益的實施方式中，安裝了內部事件記錄器來記錄事件。這種特性意味著可以對在保養間隔之間發生的一個或多個隱藏錯誤進行分析。
[0054]以下參考附圖更詳細地描述本發明。附圖只以非常簡化的形式顯示了一種有益的實施方式，但是本發明不應以任何方式限于此。附圖顯示:
[0055]圖1:根據本發明的測量設備的第一簡化示意圖；
[0056]圖2:根據本發明的測量設備的第二簡化示意圖。
[0057]圖1顯示了根據本發明的測量設備20的基本元件的示意圖。其包括具有多個傳感器的傳感器元件22。
[0058]在閥27和氣體管線的幫助下將原始氣流26分成所測氣體第一流38和所測氣體第二流39。在所示實施方式中，隨著時間分開原始氣流26 ;也可以將其分成兩個獨立的體積流。
[0059]將所測氣體第一流38直接供應到傳感器元件22，另一方面，在開始時將所測氣體第二流39供給到增濕元件，優選是膜增濕器28。膜增濕器28包括進水口 30和出水口 32。接下來，經增濕的第二氣流39也到達傳感器元件22。可經由閥27周期性地提供供水；例如每小時可開啟約10秒。水量約為100毫升。因此年消耗僅約為876升。提供針對這種水量的合適尺寸的混合床藥筒(未顯示)，該藥筒較小，體積僅約為200毫升。
[0060]傳感器元件包括多個傳感器，包括二氧化硫傳感器34 (SO2傳感器)、氧化一氮傳感器36 (NO傳感器)、二氧化氮傳感器42 (NO2傳感器)、一氧化碳傳感器44 (CO傳感器)、氧氣傳感器(O2傳感器)46、溫度傳感器48和二氧化碳傳感器50 (CO2傳感器)。根據本發明，與所示實施方式對比，假設除了所測氣體中的二氧化氮以外，不存在使二氧化硫傳感器34產生橫向靈敏度的其他氣體，則二氧化硫傳感器34也能確定氮含量，從而可免除二氧化氮傳感器42。
[0061]二氧化氮傳感器42比二氧化硫傳感器34更具選擇性，提供了明顯的益處。對于使用壓縮空氣單元時經常發生氣體污染的情況，這時不會產生橫向靈敏度，選擇性并非絕對必需的，因此，可將二氧化硫傳感器34對經增濕的氣流測得的值同時用于二氧化硫所測值的二氧化氮補償和二氧化氮測量。這種情況中的要求是，增濕元件除去所有的二氧化硫，否則剩余量的二氧化硫會使二氧化氮所測值失真。實驗結果表明的確如此。
[0062]將所測氣體第一流38供給到二氧化硫傳感器34、氧化一氮傳感器36和二氧化碳傳感器50。
[0063]將所測氣體第二流39供給到二氧化硫傳感器34、氧化一氮傳感器36、以及除了二氧化碳傳感器50以外的其他傳感器。
[0064]可使用經由外部壓縮氣瓶提供的兩個參比氣流52、54來校準測量設備20。
[0065]測量設備20還提供有多個流動控制閥56。
[0066]圖2顯示了本發明的第二變化形式。該形式不同于圖1的變化形式，如下所述:
[0067]- 二氧化硫傳感器34和氧化一氮傳感器36能以交替方式進行干/濕操作，
[0068]-存在用于二次所測值(流速、壓力、濕度)的更多測量點，
[0069]-用于代替2/2閥，提供了3/2閥，
[0070]-在原始氣流26中提供了壓力調節器，
[0071]-提供了過壓閥58，
[0072]-在原始氣流26和供水30中提供了止回閥60，
[0073]-獨立地進行二氧化碳測量。
[0074]這些區別基本上都是實用優化，用于擴展應用范圍或用于改進技術安全性。本發明并不限于所述的實施方式，提供的這些實施方式僅用于說明本發明。
【權利要求】
1.一種用于確定氣流中的所測值的測量設備(20)，該設備考慮了測量系統中由氣流中會干擾所測氣體所測值的至少另一種成分引起的橫向靈敏度，該設備包括: -用于將待測原始氣流(26)分成所測氣體第一流(38)和所測氣體第二流(39)的裝置， -用于通過改變會影響所測氣體含量的影響變量從而改變所測氣體第二流(39)中的所測氣體含量的裝置， -具有用于確定所測值的傳感器的傳感器元件(22)， -用于評估所測變量的評估單元， 其中 -交替地將所測氣體第一流(38)或經改變的所測氣體第二流(39)供給到傳感器元件(22)從而確定所測氣體第一流(38)中的第一中間所測值以及所測氣體第二流(39)中的中間所測值， -評估單元根據兩個中間測量的結果計算最終所測值。
2.如權利要求1所述的測量設備(20)，其特征在于，用于改變至少一個影響變量的裝置使得選自濕度、溫度、電場和磁場的值發生變化。
3.如權利要求1或2所述的測量設備(20)，其特征在于，所述設備提供作為醫療呼吸氣體測量設備。
4.如權利要求1-3中任一項所述的測量設備(20)，其特征在于，所述傳感器元件(22)包括至少一個用于確定二氧化硫和二氧化氮含量的傳感器，其中二氧化硫構成所測氣體，所述用于改變所測氣體含量的裝置改變了所測氣體第二流(39)中的二氧化硫含量。
5.如權利要求4所述的測量設備(20)，其特征在于，所述裝置改變了所測氣體第二流(39)的濕度，從而從所測氣體第二流(39)中除去了二氧化硫。
6.如權利要求1-5中任一項所述的測量設備(20)，其特征在于，除了所測氣流(38，39)以外還可將校準氣體供給到傳感器元件(22)。
7.如權利要求1-6中任一項所述的測量設備(20)，其特征在于，所述傳感器元件(22)還包括用于確定另外的不同氣體的含量的傳感器。
8.如權利要求7所述的測量設備(20)，其特征在于，所述傳感器元件(22)包括用于確定一氧化碳、氧化一氮、二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳和氧氣含量的傳感器。
9.如權利要求8所述的測量設備(20)，其特征在于，所述用于確定二氧化硫含量的傳感器排他性地僅處理所測氣體第一流(38)，并且所述用于確定一氧化碳和氧氣含量的傳感器排他性地僅處理所測氣體第二流(39)。
10.如權利要求1-9中任一項所述的測量設備(20)，其特征在于，所述用于改變所測氣體第二流(39)中的所測氣體含量的裝置是由用水沖刷的一束中空膜纖維形成的。
11.一種用于確定氣流中的所測氣體含量的方法，該方法考慮了測量系統中由會干擾所測氣體所測值的至少另一種成分引起的橫向靈敏度，該方法包括以下步驟: -將待測原始氣流(26)分成所測氣體第一流(38)和所測氣體第二流(39)， -通過改變會影響所測氣體量的影響變量來改變所測氣體第二流(39)中的所測氣體含量， -以交替方式將所測氣體第一流(38)和所測氣體第二流(39)供給到傳感器(22)， -確定所測氣體第一流(38)中的第一中間所測值，其代表所測氣體含量與干擾性的另一成分的含量之和， -確定所測氣體第二流(39)中的第二中間所測值，其代表所測氣體含量與干擾性的另一成分的含量之和， -根據兩個中間測量的結果計算最終所測值。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述影響變量是選自濕度、溫度、電場和磁場的變量。
13.如權利要求11或12所述的方法，其特征在于，待測值是二氧化硫含量，干擾成分是二氧化氮。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，干擾性的影響變量的變化是所測氣體第二流(39)的濕度增大，從而從所測氣體第二流(39)中除去二氧化硫。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，通過從第一測量結果中扣除第二測量結果得到對最終二氧化硫測量結果的計算，其中兩個測量結果都分別由二氧化硫和二氧化氮含量之和形成。
16.如權利要求11-15中任一項所述的方法，其特征在于，所述氣流是來自醫療設備的呼吸氣流。
17.如權利要求11-16中任一項所述的方法，其特征在于，除了所測氣流(38，39)以外，還均勻地供應校準氣。
18.如權利要求13-17中任一項所述的方法，其特征在于，確定了一氧化碳、氧化一氮、二氧化碳和氧氣的含量，其中二氧化硫含量排他性地僅在所測氣體第一流(38)中確定，一氧化碳和氧氣含量排他性地僅在所測氣體第二流(39)中確定。
【文檔編號】G01N33/00GK104350382SQ201380027391
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年5月29日 優先權日:2012年5月30日
【發明者】M·弗里德里克斯 申請人:貝科技術有限公司
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