用于測定氣體的物理性質(zhì)的方法和裝置制造方法
【專利摘要】提出了一種確定氣體物理性質(zhì)的方法，其中，氣體或氣體混合物在壓力下從氣體貯存器(4)流過臨界噴嘴(6)，并且經(jīng)過微熱傳感器(7)；其中測量氣體貯存器(4)中的壓力下降，作為關于時間的函數(shù)；其中由壓力下降讀數(shù)確定氣體特性系數(shù)；其中由微熱傳感器(7)的流量信號確定第二氣體特性系數(shù)；其中借助微熱傳感器(7)確定氣體或氣體混合物的熱導率；并且由第一氣體特性系數(shù)和第二氣體特性系數(shù)以及熱導率通過關聯(lián)來確定所需的氣體物理性質(zhì)。
【專利說明】用于測定氣體的物理性質(zhì)的方法和裝置
[0001]本發(fā)明涉及用于測定氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)和燃燒相關量的方法和測量裝置。氣體物理性質(zhì)具體是指密度、熱導率、熱容和粘度，以及燃燒相關量，例如氣體或氣體混合物的能含量、熱值、沃泊指數(shù)、甲烷數(shù)和/或空氣需要量。
[0002]在氣體燃料燃燒控制系統(tǒng)中，重要的是即使在改變?nèi)剂蠚怏w品質(zhì)時也保持燃燒器的負荷恒定。沃泊指數(shù)(Wobbe index)由熱值、和空氣與該氣體之間的密度比的平方根組成，是顯示氣體互換性的合適指標。相同的沃泊指數(shù)將會導致恒定的燃燒器的熱負荷。
[0003]在調(diào)節(jié)(天然氣)氣體發(fā)動機時，為了得到性能或效率的提升，需要了解在不同(天然氣)氣體品質(zhì)下的熱值，同時使用氣體的甲烷數(shù)(類比于汽油的辛烷值)評價點火性能(爆震效應或偏時點火(misfiring))。
[0004]最佳的燃燒過程需要適當?shù)娜剂蠚怏w和空氣之間的混合比，其被稱作“氣體需要量”。煙垢(煙道氣)通常在空氣過少時形成，這尤其可能損壞燃料單元。過多的空氣在燃燒期間導致性能下降。最優(yōu)值取決于所關注的應用，但其隨著氣體品質(zhì)改變而再次變化。
[0005]學術文獻中已描述了用于計算燃燒相關量的關聯(lián)方法，例如參見U.Wernekinck,"Gasmessung und Gasabrechnung^ (氣體計量和氣體計價)，Vulkan publishers, 2009,ISBN 978-3-8027-5620-7。就此使用了以下測量變量的組合。
[0006]A.介電常數(shù)，聲速，CO2含量
B.2個壓力下的聲速，CO2含量
C.2個溫度下的熱導率，聲速
D.熱導率，熱容，動力粘度
E.熱導率，紅外吸收(非色散)
F.紅外吸收(色散)
目前僅有少量市售可得的裝置已證實能用于熱值讀數(shù)，例如RMG-Honeywell制的EMC500裝置(D型加CO2含量)或Elster-1nstromet制的Gas-1ab Ql裝置(E型加CO2含量)。然而，由于高的購置成本，這些裝置均不適合大量配置。
[0007]集成CMOS熱絲式風速計能夠進行熱導率和質(zhì)量流量的微熱測量。對于該技術，參照 D.Matter, B.Kramer, T.Kleiner, B.Sabbattini, T.Suter 的出版物“Mikroelektronischer Haushaltsgaszahler mitneuer Technologie，，(使用新技術的微電子家庭氣體計)，發(fā)表于Technisches Messen 71,3 (2004), 137-146頁。其與常規(guī)熱式質(zhì)量流量計不同，直接在氣流中實施測量，而非從包圍氣流的金屬毛細管的外側(cè)實施測量。
[0008]EP 2015056A1描述了用于測定燃燒相關量的熱流傳感器，其基于基本上已知質(zhì)量流量的情況下的熱導率讀數(shù)。使用臨界噴嘴保持質(zhì)量流量恒定，其目的是通過熱導率校正臨界噴嘴對氣體類型的相關性。然而，關于關聯(lián)燃燒相關量的信息被限制在2個或多或少地獨立的測量變量，因此不容許驗證所測定變量。
[0009]WO 2004/036209A1描述了一種用于測定燃燒相關量的傳感器，其中，質(zhì)量流量保持恒定，通過熱測量確認與熱容成比例的值。由于所描述的傳感器不是微熱傳感器，不能得出關于熱導率的結(jié)論；這意味著熱容和由此得出的燃燒相關量的測定可能只取決于一個比例系數(shù)。因此，需要使用已知的氣體組合物進行附加的校準。另外，省略了熱導率的信息、以及由此將熱導率A與燃燒相關量關聯(lián)的手段。此外，出現(xiàn)無法得到的熱導率λ的變化限制了該方法的精度。
[0010]因此，本發(fā)明目的在于，提出方法和測量裝置，用于測定氣體和氣體混合物的物理性質(zhì)，以得到比來自上述引用的專利文獻中的傳感器更高的精確度；另外，本發(fā)明的目的在于，以比證實能用于熱值讀數(shù)的需要校準的市售可得裝置更低的成本生產(chǎn)測量裝置。
[0011]本發(fā)明的目的是通過權利要求1的方法和權利要求13的測量裝置而實現(xiàn)的。
[0012]本發(fā)明的構思是通過臨界噴嘴結(jié)合能夠測定流量和熱導率的微熱傳感器，基于測定特定氣體體積的壓力下降，以測定氣體物理性質(zhì)。由于用于臨界噴嘴的相同質(zhì)量流量也應用于微熱傳感器，可驗證壓力下降和流量兩者的測定的一致性。
[0013]能夠由這3種測量變量通過關聯(lián)確定其它值。
[0014]使用臨界噴嘴測定規(guī)定氣體體積的壓力降低:
通過臨界噴嘴的質(zhì)量流量?由下式所示:
,?J M
m (1)
其中，Cd表示“流出系數(shù)”、即實際臨界噴嘴相比于理想臨界噴嘴的損失系數(shù)，P表示入口壓力，A*表不噴嘴橫截面積，T表不入口溫度，Rm表不普適氣體常數(shù)，#表不氣體分子量，并且表示臨界流量系數(shù)的最大值。后者是等熵系數(shù)f = Cp/Gv (等壓熱容與等容熱容的比率)的函數(shù)，


r-4-f-

? V 4* 1、2?*Ι—V I
ψ = ^Jr ? ' '.(2)。
V2 j
[0015]若通過臨界噴嘴從高壓釋放氣體的已知體積V的氣體(例如從9巴至4巴)，則根據(jù)理想氣體定律，該體積中的壓力取決于時間t，如下所示:
P T..M ’ V '1 句
[0016]因此，壓力變化的速率為
dp{{) dm(i) !L.■ T , t、Rlt.T
?.............................................................................................................................■—*.--? jff I I f I * —----------------1 Λ \
dt di M ■ VM-F 11
并且與等式(?) 一起得到
dt <rP'd
—Γ 廣^ Κ± Ι7(?.(5)
[0017]因此，若以時間相關的方式測定壓力的進程，則由積分得到的相關指數(shù)函數(shù)的時間常數(shù)T可定義為:
【權利要求】
1.用于確定氣體和氣體混合物的物理性質(zhì)和/或燃燒相關量的方法，該方法中: -所述氣體或氣體混合物從氣體貯存器(4)流過臨界噴嘴￠)，并且經(jīng)過微熱傳感器，其中，對所述臨界噴嘴和所述微熱傳感器應用相同的質(zhì)量流量； -測量所述氣體貯存器(4)中的壓力下降，作為關于時間的函數(shù)； -基于所述壓力下降的測量值確定第一氣體特性系數(shù)Γ %所述系數(shù)Γ ?與所述氣體或氣體混合物的第一組物理性質(zhì)相關，其中，該第一氣體特性系數(shù)例如得自所述壓力下降的時間常數(shù)； -由所述微熱傳感器的流量信號確定第二氣體特性系數(shù)Γ，所述系數(shù)Γ與所述氣體或氣體混合物的第二組物理性質(zhì)相關，其中，該第二氣體特性系數(shù)包含例如所述氣體或氣體混合物的熱容Cp，或者與熱容Cp相關； -利用所述微熱傳感器(7)確定所述氣體或氣體混合物的熱導率A.;并且-由所述第一氣體特性系數(shù)Γ *和/或第二氣體特性系數(shù)Γ以及熱導率又通過關聯(lián)來確定所需物理性質(zhì)或燃燒相關量。
2.權利要求1的方法，其中，起點為所測量的壓力的指數(shù)遞減，并且由所述壓力下降的時間常數(shù)得出所述第一氣體特性系數(shù)?'%其中，所述第一氣體特性系數(shù)具體是通過測定溫度T以及省略所有與氣體無關的變量而形成的。
3.權利要求1或2的方法，其中，所述第二氣體特性系數(shù)Γ包含熱容Cp除以所述氣體或氣體混合物的熱導率λ的商，或者與所述商相關，其中，所述第二氣體特性系數(shù)是通過另外測量溫度T以及省略所有與氣體無關的變量而形成的。
4.權利要求1-3中任一項的方法，其中，通過比較所釋放的氣體或氣體混合物的總體積的值來驗證氣體特性系數(shù)Γ *、Γ,其如下進行: -在壓力下降讀數(shù)起始和結(jié)束時測量所述氣體貯存器(4)中的壓力和溫度，并且參照所述氣體貯存器的已知體積確定所釋放的標準體積； -累加在所述壓力下降讀數(shù)起始和結(jié)束之間的時間間隔期間由所述微熱傳感器(7)測量的標準流量； -將所釋放的標準體積與累加標準體積進行比較；并且 -為了防止偏差，通過例如調(diào)節(jié)所述壓力信號或所述微熱傳感器(7)的標準流量變量，調(diào)節(jié)所述第一氣體特性系數(shù)I ?'和/或第二氣體特性系數(shù)Γ。
5.用于確定氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)和/或燃燒相關量的方法，該方法中: -所述氣體或氣體混合物在壓力下流過臨界噴嘴出)，并且經(jīng)過微熱傳感器(7)進入氣體貯存器(4)，其中，對所述臨界噴嘴和所述微熱傳感器應用相同的質(zhì)量流量； -測量所述氣體貯存器(4)中的壓力增加，作為關于時間的函數(shù)； -參照所述壓力增加的測量值確定第一氣體特性系數(shù)【'％所述系數(shù)Γ ?與所述氣體或氣體混合物的第一組物理性質(zhì)相關； -由所述微熱傳感器的流量信號確定第二氣體特性系數(shù)Γ，所述系數(shù)Γ與所述氣體或氣體混合物的第二組物理性質(zhì)相關，其中，該第二氣體特性系數(shù)包含例如所述氣體或氣體混合物的熱容Cp，或者與熱容Cp相關； -利用所述微熱傳感器(7)確定所述氣體或氣體混合物的熱導率A ;并且 -由所述第一氣體特性系數(shù)Γ *和/或第二氣體特性系數(shù)F以及熱導率λ通過關聯(lián)來確定所需物理性質(zhì)或燃燒相關量。
6.權利要求5的方法，其中，起點為所測量的壓力的線性增加，并且由所述壓力增加的比例常數(shù)得出所述第一氣體特性系數(shù)丨_ 其中，所述第一氣體特性系數(shù)例如是通過另外測定溫度T和噴嘴入口壓力P—以及省略所有與氣體無關的變量而形成的。
7.權利要求5或6的方法，其中，所述第二氣體特性系數(shù)Γ包含熱容Cp除以所述氣體或氣體混合物的熱導率I的商，或者與所述商相關，其中，所述第二氣體特性系數(shù)具體是通過另外測量溫度T以及省略所有與氣體無關的變量而形成的。
8.權利要求5-7中任一項的方法，其中，通過比較供入所述氣體貯存器(4)的氣體或氣體混合物的總體積的值，驗證氣體特性系數(shù)Γ 'Γ，其如下進行: -在壓力增加讀數(shù)起始和結(jié)束時測量所述氣體貯存器(4)中的壓力和溫度，并且參照所述氣體貯存器的已知體積來確定供入所述氣體貯存器的所釋放的標準體積； -累加在所述壓力增加讀數(shù)起始和結(jié)束之間的時間間隔期間由所述微熱傳感器(7)測量的標準流量； -將供入所述氣體貯存器(4)的標準體積與累加標準體積進行比較；和 -為了防止偏差，通過調(diào)節(jié)所述第一氣體特性系數(shù)和/或所述第二氣體特性系數(shù)，例如通過調(diào)節(jié)所述壓力信號或所述微熱傳感器(7)的標準流量變量。
9.前述權利要求中任一項的方法，其中，該方法用于校準所述微熱傳感器(7)的流量信號，其如下進行: -針對特定的校準氣體或氣體混合物校準所述微熱傳感器(7)的流量信號； -針對未知的氣體或氣體混合物確定所述第二氣體特性系數(shù)相對于所述第一氣體特性系數(shù)的比率ir/所述第二氣體特性系數(shù)是基于所述微熱傳感器的流量信號確定的；并且 -比較來自所述壓力下降或壓力增加的讀數(shù)以及所述微熱傳感器(7)的累加標準流量的讀數(shù)的標準體積值，然后用來調(diào)節(jié)所述第二氣體特性系數(shù)相對于所述第一氣體特性系數(shù)的比率，并且使該值匹配所述第二氣體特性系數(shù)Γ。
10.前述權利要求中任一項的方法，其中，所需物理性質(zhì)是所述氣體或氣體混合物的密度或熱導率或熱容或粘度，和/或所述燃燒相關量是所述氣體或氣體混合物的能含量或熱值或沃泊指數(shù)或甲烷數(shù)或空氣需要量。
11.前述權利要求中任一項的方法，其中，通過關聯(lián)函數(shù) Q - /rttr,(Γ, r' I) - comt -r-r5.兄f確定所需物理性質(zhì)或燃燒相關量Q，式中，r、s和t為指數(shù)，const為常數(shù)。
12.前述權利要求中任一項的方法，其中所述壓力下降讀數(shù)起始時所述氣體貯存器(4)中的壓力高于所述臨界噴嘴(6)的臨界壓力Prait，并且所述臨界噴嘴下游的外壓低于所述臨界壓力的一半；或者在壓力增加讀數(shù)起始時所述氣體貯存器(4)中的壓力低于所述臨界噴嘴(6)的臨界壓力Prait，并且所述臨界噴嘴上游的壓力高于所述臨界壓力。
13.用于確定氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)和/或燃燒相關量的測量裝置，其包括:分析單元(11)，其被設置用于實施權利要求1-12中任一項的程序；氣體貯存器(4)，其配備有壓力傳感器(8)、臨界噴嘴(6)和測量流量和熱導率的微熱傳感器(7)，其中，出于測量的目的，所述氣體貯存器與所述臨界噴嘴和所述微熱傳感器相連接。
14.氣體貯存器⑷和臨界噴嘴(6)在確定氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)和/或燃燒相關量中的用途，其中: -所述氣體或氣體混合物在壓力下從所述氣體貯存器(4)流過所述臨界噴嘴(6)； -測量所述氣體貯存器(4)中的壓力下降，作為關于時間的函數(shù)； -基于壓力下降的測量值確定氣體特性系數(shù)Γ%其例如由所述壓力下降的時間常數(shù)得出，所述氣體特性系數(shù)Γ *與所述氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)相關；并且， -基于所述氣體特性系數(shù)Γ *通過關聯(lián)來確定所需物理性質(zhì)或燃燒相關量。
15.氣體貯存器(4)和針對特定校準氣體或氣體混合物進行過校準的微熱傳感器(7)在確定氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)和/或燃燒相關量中的用途，其中: -所述氣體或氣體混合物在壓力下從所述氣體貯存器(4)流經(jīng)所述微熱傳感器(7)；-利用針對特定校準氣體或氣體混合物進行過校準的微熱傳感器確定流速\和由此得到的累加體積流量Kr A ；-將所述累加體積流量與從所述氣體貯存器釋放的氣體體積進行比較，其中，基于這兩個體積的比較來確定氣體特性系數(shù)S/Zx,所述氣體特性系數(shù)s/zx與所述氣體或氣體混合物的物理性質(zhì)相關，同時在該系數(shù)中^^表示基于所釋放的氣體體積而算出的流速，同時該氣體特性系數(shù)包含例如所述氣體或氣體混合物的熱容Cp，或者與熱容Cp相關；并且，-基于該氣體特性系數(shù)通過關聯(lián)來確定所需物理性質(zhì)或燃燒相關量。
【文檔編號】G01N31/12GK104181074SQ201410213182
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權日:2013年5月24日
【發(fā)明者】P.普雷特雷, A.肯普, T.蘇特 申請人:Mems股份公司