專利名稱：利用預(yù)定量無催化燃燒測(cè)量發(fā)熱量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是確定氣體發(fā)熱量的方法和裝置。
天然氣發(fā)熱量的測(cè)量對(duì)于控制燃燒是重要的，而且是天然氣分配和出售過程中必需的測(cè)量。有四種測(cè)量發(fā)熱量的方法。
測(cè)量發(fā)熱量的第一種方法是一定體積氣體燃燒的熱量計(jì)測(cè)量。熱量通過完全燃燒釋放出來的，并予以仔細(xì)收集和測(cè)量。釋放的熱量通過溫度的變化而顯示出來。這種方法是采用且通常需要對(duì)流量和溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制的原始方法。這種裝置通常需要頻繁的保養(yǎng)。
測(cè)量發(fā)熱量的第二種方法是組分分析。利用氣體色層譜儀，確定氣體中各種化學(xué)組分的百分率。然后根據(jù)各組分的百分比累加各個(gè)組分的發(fā)熱量。組分分析存在的問題是對(duì)裝置的依賴性和其線性度。氣體色層譜儀需要日常保養(yǎng)，而且除非用與樣品氣體很相似的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行計(jì)算，否則還有發(fā)熱量測(cè)量范圍的限制。
測(cè)量發(fā)熱量的第三種方法是化學(xué)計(jì)量法，該法用最合適的氧氣量基本實(shí)現(xiàn)完全燃燒。在此情況下，天然氣在空氣中燃燒，且調(diào)節(jié)燃料空氣之比直到燃燒獲得最大火焰溫度，或最佳燃燒的化學(xué)計(jì)量點(diǎn)，即無殘留氧氣的峰值點(diǎn)。
Clingman的美國專利3，777，562是第三方法的實(shí)例。在Clingman的專利中，發(fā)熱量是通過把空氣量調(diào)節(jié)到產(chǎn)生最大火焰溫度時(shí)燃燒氣體而測(cè)得的。這些內(nèi)容在Clingman的美國專利US4，062，236，US4，125，018和US4，125，123中被進(jìn)一步地公開了。在這些專利中，空氣／氣體混合物的燃燒在燃燒器的頂部有燃燒火焰，并使用了諸如熱電偶等溫度傳感器。某些場(chǎng)合不能使用有明火的設(shè)備。
第四種方法利用了催化燃燒。氣體從加熱的催化劑上方通過并被氧化。所釋放的熱量既可以通過催化反應(yīng)中溫度變化或加熱催化劑的供能變化來測(cè)得，也可以通過測(cè)量催化材料的溫度而測(cè)得。催化燃燒或催化氧化反應(yīng)是烴類化合物公知的現(xiàn)象。烴類氣體與空氣的混合物在有鉑和／或鈀存在的條件下將產(chǎn)生氧化反應(yīng)。該反應(yīng)發(fā)生在低于烴類化合物自燃溫度的溫度。例如，與空氣混合的甲烷在大約730℃的溫度下將發(fā)生自燃，并在高于1600℃的溫度產(chǎn)生明火。催化氧化可以在低至400℃的催化溫度時(shí)發(fā)生，當(dāng)然在近500-600℃的溫度時(shí)將獲得充分的催化作用。
催化氧化帶來的一個(gè)問題是有抑制催化劑作用的潛在可能。某些化學(xué)物質(zhì)，如硫或鉛以及許多其它物質(zhì)，它們可以與催化劑結(jié)合而使其失效，且在發(fā)熱量測(cè)量中不起作用。在許多過程中，如在含塵氣體的回收中(land fill gas recovery)，氣體含有大量的“抑制劑”，以致很可能無法進(jìn)行測(cè)量。
另一個(gè)問題是氣體成分激活能的改變，如果僅僅發(fā)生部分燃燒，則這種改變可以導(dǎo)致由于成分原因造成的誤差。
本發(fā)明目的在于提出用無火焰燃燒法測(cè)量可燃?xì)怏w發(fā)熱量的裝置和方法。
本發(fā)明的裝置具有一個(gè)有一個(gè)或多個(gè)其線度小于可燃?xì)怏w的熄滅線度的空隙的多孔材料體；一個(gè)置于多孔材料體中以便將部分多孔材料體加熱到可燃?xì)怏w自燃溫度以上的加熱元件；一個(gè)用于檢測(cè)燃燒程度并產(chǎn)生其響應(yīng)信號(hào)的傳感器；以及響應(yīng)于來自傳感器的信號(hào)，計(jì)算可燃?xì)怏w發(fā)熱量的處理器。
本發(fā)明利用惰性材料體接收并燃燒由氣體與載氣(如空氣)構(gòu)成的混合物。在正常情況下，氣體將被氧化或燃燒并產(chǎn)生火焰。當(dāng)燃燒產(chǎn)物，二氧化碳和水蒸氣的熱容量不足以使燃燒熱通過對(duì)流和傳導(dǎo)傳遞出去時(shí)，火焰是氧化或燃燒的一個(gè)標(biāo)志。所以，除非輻射熱損耗大到足以平衡氧化產(chǎn)生的熱，否則燃燒產(chǎn)物的溫度將升高。除非燃燒熱等于熱損耗，否則燃燒氣體的溫度將升高。傳導(dǎo)和對(duì)流與溫度呈線性關(guān)系增加，而熱輻射正比于溫度的四次方，并提供一個(gè)穩(wěn)定熱傳導(dǎo)率的附加參數(shù)。對(duì)于天然氣而言，燃燒產(chǎn)物的溫度升高并達(dá)到可見光譜輻射的溫度，即火焰是可見的，而且也富含非可見的紅外輻射。
在本發(fā)明中，惰性材料為一個(gè)包含一些其線度小于氣體熄滅線度的小空隙的物體，以通過快速熱轉(zhuǎn)移熄滅來防止明火。
小空隙周圍的構(gòu)件可以允許在燃燒氣體產(chǎn)物與該構(gòu)件之間有熱轉(zhuǎn)移率，該熱轉(zhuǎn)移率高得足以防止溫度迅速增高和穩(wěn)定燃燒產(chǎn)物溫度。該構(gòu)件必須有足夠的熱容量，以在沒有產(chǎn)生大量輻射的情況下熄滅火焰。
此外，本發(fā)明的氧化或燃燒，在從很低水平直到超過化學(xué)計(jì)量的混和氣體的水平這樣寬的混合物濃度范圍內(nèi)，都可以實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)氣體混合物流入燃燒裝置中時(shí)，可以測(cè)量氣體燃燒功率或燃燒溫度。參考?xì)怏w和樣品氣體可以在各自的測(cè)量循環(huán)過程中被測(cè)量。優(yōu)選實(shí)施例在基本相同的燃燒溫度下比較樣品氣體與參考?xì)怏w的氧化能。
在本文的實(shí)施例中，在(燃燒)氣體稀薄的條件下，將形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于該氣體燃燒所需空氣的空氣流。在預(yù)定量的參考?xì)怏w中通入空氣。參考?xì)怏w—空氣被引導(dǎo)通過預(yù)熱筒，且混合物被氧化。傳感器位于筒中發(fā)出燃燒溫度的信號(hào)，該信號(hào)與燃燒能量值一起受到監(jiān)測(cè)。
樣品氣體循環(huán)在參考?xì)怏w的循環(huán)之后，并采用上述的空氣流速條件。讓預(yù)定量的樣品氣體通過相同的加熱構(gòu)件，并測(cè)量燃燒能。
用樣品氣體燃燒能與參考?xì)怏w燃燒能之比和已知的參考?xì)怏w發(fā)熱量，可以計(jì)算出樣品氣體的發(fā)熱量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，惰性材料是無催化作用的。這使本發(fā)明的裝置和方法可以因不用催化劑而克服催化燃燒的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)包括可能產(chǎn)生的催化劑中毒。
上述討論以及其它的目的和優(yōu)點(diǎn)，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言將可以從下述對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明中得知。在說明書中，對(duì)附圖作了標(biāo)號(hào)，這些附圖作為說明書一部分解釋本發(fā)明。但是，這些實(shí)施例沒有窮盡本發(fā)明的各種實(shí)施例，而且標(biāo)號(hào)也出現(xiàn)在用于確定本發(fā)明范圍的權(quán)利要求書中。


圖1是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的框圖；圖2是圖1催化燃燒裝置中的電路詳細(xì)示意圖；圖3a是圖1裝置所用燃燒器第一實(shí)施例的示意圖；圖3b是在圖3a燃燒器內(nèi)溫度隨縱向位移而變的曲線圖；圖3c是圖1裝置所用燃燒器第二實(shí)施例的示意圖；圖4表示了在圖1裝置工作時(shí)加熱器功率和氣流隨時(shí)間而變的曲線；和圖5是圖1裝置中微處理器的工作流程圖。
參考圖1，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置10具有一個(gè)燃燒裝置8，它通過供給線1接收來自外部供給設(shè)備(空氣)的空氣。在第一實(shí)施例中，燃燒器8具有一個(gè)有多孔惰性顆粒構(gòu)成的物體26(見圖3a)。多孔體26由高溫和高熱容量材料構(gòu)成，且通常由陶瓷材料構(gòu)成。
燃燒器8還包括位于多孔材料26的中心段的加熱器元件9，以提供初始的反應(yīng)開始溫度。溫度傳感器11提供一個(gè)正比于惰性多孔顆粒材料的反應(yīng)表面溫度的信號(hào)。
為了將惰性材料加熱到800℃或更高，用電源19為加熱器元件9饋能。溫度傳感器11埋在惰性材料中，以檢測(cè)該材料反應(yīng)表面的溫度。溫度傳感器11產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，并作為電源19的輸入。代表反應(yīng)溫度的該信號(hào)由電源19進(jìn)行識(shí)別。從燃燒筒25中(圖3a)中抽空排出氣流16。該排出氣流16包括燃燒產(chǎn)物。如本領(lǐng)域公知的，可以采取附加的步驟處理排出氣流，但是，這些步驟不是本發(fā)明的一部分。
流向惰性材料筒25的空氣流速是沒有限制的。在一種流動(dòng)形式中，流速可以10％為單元改變，但是必須在參考?xì)怏w循環(huán)和樣品氣體循環(huán)之間保持穩(wěn)定。也可選擇空氣流速，以產(chǎn)生無火焰條件。流過供給線1的空氣流產(chǎn)生一個(gè)跨越限流器2的壓降。
微處理器12是一個(gè)適合的具有A／D和D／A接口電路的微電子CPU。微處理器12通過執(zhí)行程序指令而工作，一些程序由圖5中流程的方框標(biāo)示，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的指令通常還用標(biāo)號(hào)12表示。
更為具體地，裝置還包括分別用于控制和選擇樣品氣體或參考?xì)怏w的開／關(guān)電磁閥3，14和15，以填充容量腔體4。微處理器12連接到圖1所示的閥3，14和15，并包括由標(biāo)號(hào)17，18代表的連接點(diǎn)。當(dāng)電磁閥3激活時(shí)，電磁閥3使空氣可以從空氣供給線1流過容量腔體4。當(dāng)其未激活時(shí)，閥3阻隔住容量腔體4中的空氣。
參考?xì)怏w供給設(shè)備(參考?xì)怏w)連接到控制閥15上，該閥可以使參考?xì)怏w進(jìn)入容量腔體4。打開流出控制閥5，讓參考?xì)怏w從容量腔體4傾瀉出來。持續(xù)一段時(shí)間使氣體完全傾瀉干凈后，關(guān)閉出口閥5，再用一定量參考?xì)怏w填充容量腔體4。當(dāng)容量腔體4中的氣壓達(dá)到一個(gè)可被壓強(qiáng)傳感器13感知的預(yù)定壓強(qiáng)時(shí)，關(guān)閉輸入閥15。而且，在已知溫度和壓強(qiáng)的情況下，腔體4中的氣體量是一個(gè)預(yù)定的已知量。
接著，關(guān)閉閥15，打開輸出控制閥5和空氣控制閥3，讓氣體通過限流器6從容量腔體4中流出，與空氣流在匯合處7混合并穿過燃燒器8中的筒25(圖3a)。當(dāng)電磁閥3打開時(shí)，流過容量腔體4的空氣流速由限流器2和6的相對(duì)壓強(qiáng)損耗流速關(guān)系確定。流速比通常取為可實(shí)現(xiàn)燃燒器8中的有利于混合條件的值。
在該實(shí)施例中，電源10利用溫度傳感器11調(diào)節(jié)供給加熱器9的功率，以保持傳感器11處的溫度不變。改變加熱器9的設(shè)定電功率，測(cè)量多孔體26上燃燒氣體的燃燒能量和燃燒溫度。隨著時(shí)間的推移，容量腔體4中的氣體由通過閥3的空氣流推出。微處理器12監(jiān)測(cè)燃燒器8中的燃燒反應(yīng)能量。當(dāng)微處理器12檢測(cè)到容量腔體4中的所有氣體已經(jīng)排空時(shí)，它發(fā)出信號(hào)關(guān)閉控制閥5，從而使氣體停止流向燃燒器8。參考?xì)怏w流產(chǎn)生一個(gè)燃燒能脈沖，且該脈沖通過監(jiān)測(cè)加熱器9的供電功率和用傳感器11檢測(cè)燃燒溫度來檢測(cè)。
打開控制閥14，以將樣品氣體從氣體源(樣品氣體)充入到容量腔體4中。再打開閥5讓氣流流過容量腔體4。在經(jīng)過一段適于將所有參考?xì)怏w和空氣從容量腔體4中傾瀉掉的時(shí)間之后，關(guān)閉閥5。進(jìn)入容量腔體4的氣流使容量腔體4中的壓強(qiáng)增加，直到容量腔體4中的壓強(qiáng)到達(dá)預(yù)定值為止，然后關(guān)閉輸入流量控制閥14。所以，在已知溫度和壓強(qiáng)的情況下，容量腔體4中的氣體量是一個(gè)預(yù)定的已知量。
在關(guān)閉閥14之后，微處理器12打開控制閥3，5，以產(chǎn)生流過限流器6通過混合點(diǎn)7并進(jìn)入燃燒器8的樣品氣體流。在該燃燒器中，樣品氣體按與參考?xì)怏w類似的循環(huán)進(jìn)行燃燒。電源19連續(xù)地調(diào)節(jié)為加熱器9提供的功率，以保持傳感器11上的溫度不變。當(dāng)氣體流過時(shí)，加熱器9上所加功率的變化代表了惰性顆粒體26中氣體燃燒的能量。這些能量變化由微處理器12收集，以確定發(fā)熱量。
在所示的實(shí)施例中，使用了單一容量腔體，但是其它實(shí)施例可以使用多個(gè)腔體。使用單一腔體可簡化該流量裝置，但是測(cè)量過程較慢，因?yàn)樵谝粋€(gè)循環(huán)結(jié)束開始下一個(gè)循環(huán)時(shí)腔體必須排空所有氣體。例如，在將樣品氣體導(dǎo)入容量腔體4之前，必須排空參考?xì)怏w。
接著，微處理器12計(jì)算收集到的樣品氣體和參考?xì)怏w檢測(cè)能量之比，并用該比值計(jì)算樣品氣體的發(fā)熱量(1)Hs=Hr∫E·sdt∫E·rdt]]>其中下標(biāo)r和s是發(fā)熱量，H分別用于表示參考和樣品的情況，而E是氣體燃燒的能量比率或功率。
圖2表示出圖1中的電源10，傳感器11和加熱器9的電路。該電路是一個(gè)通過用電裝置加熱和冷卻而保持電阻不變的電橋。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，圖2中的電阻9通常是鉑線圈電阻。選擇鉑是由于它在很寬的溫度范圍內(nèi)都有穩(wěn)定的溫度系數(shù)。電阻9的電阻值R可以表示如下(2)Rh=Rho(1+α△T)電阻器20的阻值被選擇為，電阻9在多孔材料體26選定的工作溫度處所需的阻值。電阻9既是燃燒器8的加熱器9，又是溫度傳感器11。電阻器21是一對(duì)分配電橋所加電壓24的電阻器。在圖2中，電阻器被表示為相等，但是這不是嚴(yán)格的要求。
在圖2中，運(yùn)算放大器22檢測(cè)并放大電橋各段上中心分壓之間的差。其結(jié)果加到功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管23上，并改變電橋上的電壓24，直到兩段的中心分壓相等為止。
加熱器／傳感器9，11的溫度受到控制，以使溫度保持在指定或設(shè)定溫度的容差范圍內(nèi)。當(dāng)為了使加熱器／傳感器9，11的阻值和溫度保持在指定或設(shè)定溫度的容差范圍內(nèi)，而將電功率加到加熱器／傳感器9，11時(shí)，對(duì)電功率也需進(jìn)行控制，以使溫度保持在指定或設(shè)定溫度的容差范圍內(nèi)。當(dāng)氣體發(fā)生燃燒時(shí)，燃燒能的釋放趨于增高加熱器9和傳感器11的溫度。所加的電功率將減小一個(gè)響應(yīng)的量，以保持加熱器／傳感器9，11的指定或設(shè)定溫度。
由于燃燒器8燃燒了氣體／空氣混合器中的全部氣體，另一個(gè)實(shí)施例可以讓加到加熱器9上的電功率保持在設(shè)定值，而測(cè)量和收集傳感器11所產(chǎn)生的溫度升高。這可以產(chǎn)生與溫度恒定方式十分吻合的作用，并可認(rèn)為與其等效。
圖3a表示出一個(gè)燃燒器8的結(jié)構(gòu)，該燃燒器包括一個(gè)多孔惰性材料26的加熱筒25。筒25包括一個(gè)裝塞陶瓷材料球26的管狀組件，這些球的尺寸是遞變的，并有一個(gè)變化的表面特征以控制輻射組件的發(fā)射系數(shù)。這可以控制燃燒產(chǎn)物的熱轉(zhuǎn)移率。一個(gè)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的加熱器27固定在筒25的中心區(qū)段，以將多孔體26的中間段加熱到至少可燃?xì)怏w自燃的溫度。
多孔體顆粒材料26中的小空隙，其特征在于其線度等于或小于氣體火焰熄滅的線度。例如，對(duì)于甲烷，熄滅線度大約是2．5mm(0．060")。當(dāng)顆粒材料體26中的空隙等于或小于2．5mm時(shí)，甲烷不發(fā)生明火燃燒。熱量以足夠的速率通過顆粒材料26轉(zhuǎn)移出去，以防止與明火同時(shí)出現(xiàn)的溫度大幅增高。
燃燒產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水蒸氣?；鹧媸且粋€(gè)燃燒產(chǎn)物的熱容量不足以將燃燒熱通過對(duì)流和傳導(dǎo)傳遞出去的可視標(biāo)志。而且，燃燒產(chǎn)物的溫度必定升高，直至輻射量高到足以輻射出過多的熱為止。傳導(dǎo)和對(duì)流的速率與溫度呈線性增高關(guān)系。輻射與溫度四次方成比例，并為熱轉(zhuǎn)移率提供一個(gè)附加的穩(wěn)定的參數(shù)。燃燒氣體的溫度升高，直至燃燒熱等于熱損耗。對(duì)于天然氣，當(dāng)氣體溫度達(dá)到可見光譜的輻射頻段，就可見到火焰。
在本發(fā)明中，通過燃燒裝置8的氣體流速和流量還受到設(shè)計(jì)的限制，以限制燃燒反應(yīng)的總有效熱量。如果燃燒中得到的能量太大，電功率的減小就不足以控制燃燒。因而，要控制氣體／空氣混合物的流速和流量，以把通過燃燒而得到的熱功率控制在小于將顆粒材料26加熱到自燃溫度以上所需的電功率。
小空隙周圍的顆粒結(jié)構(gòu)可以使燃燒氣體產(chǎn)物與加熱器之間的熱轉(zhuǎn)移率高到足以防止溫度大幅增高，從而穩(wěn)定燃燒溫度。材料體26必須有足夠的熱轉(zhuǎn)移容量，以熄滅火焰而不產(chǎn)生高的輻射溫度。
空氣和氣體從筒的底部引入，并穿過陶瓷材料26。由于熱流發(fā)自筒25中間段，圖3b示出的通過筒25入口段時(shí)的溫度曲線28，隨著空氣／氣體混合物向筒25中心處反應(yīng)區(qū)段的流動(dòng)而增高。
過了反應(yīng)區(qū)段之后，如圖3b所示隨著氣體的排出，筒中區(qū)段溫度冷卻，如溫度曲線29所示。
當(dāng)空氣／氣體混合物到達(dá)反應(yīng)區(qū)段時(shí)，已經(jīng)將溫度加熱到自燃點(diǎn)以上，氣體發(fā)生氧化或燃燒，并以燃燒熱的形式釋放能量。釋放的熱使反應(yīng)區(qū)段的溫度升高，并使鉑加熱器27的電阻值增大。加熱器9的功率控制器19(圖1)檢測(cè)這種溫度升高，并減小電激勵(lì)以保持反應(yīng)區(qū)段溫度恒定。電功率的改變響應(yīng)于燃燒功率或燃燒溫度的增大，并且是燃燒情況的標(biāo)志。
圖3c表示了第二實(shí)施例的燃燒器50。加熱器／傳感器元件51通過點(diǎn)焊到接線柱52上而被安裝在管53內(nèi)。加熱體51與其周圍外圍管53之間的尺寸保持在火焰熄滅距離56以下。端蓋58，59也靠近加熱器51安裝以便熄滅火焰。端蓋58，59具有進(jìn)口和出口60，該進(jìn)口、出口也等于或小于火焰熄滅尺寸。當(dāng)氣體混合物進(jìn)入燃燒器50中時(shí)，它與工作在自燃溫度以上的加熱器51接觸，且氣體被燃燒。氣體分子分解并氧化而釋放氧化熱并形成二氧化碳和水蒸氣。由傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射所致的熱轉(zhuǎn)移，通過有效的熱排放控制著燃燒產(chǎn)物氣體溫度。隨著氣體離開燃燒器50，燃燒氣體和多余的空氣被出口端蓋59冷卻到大大低于氣體自燃的溫度。
圖4表示上述實(shí)施例氣流對(duì)于加熱器電功率的影響。最初，只要空氣流過燃燒器8，50，隨之電功率達(dá)到最大以在燃燒器8，50的反應(yīng)區(qū)段提供恒定溫度。如果需要，當(dāng)只有空氣通過燃燒器8，50時(shí)，可以測(cè)得加熱器功率的基線信號(hào)。當(dāng)參考?xì)饬鞅灰紩r(shí)，混合物迅速氧化，且降低加熱器功率進(jìn)行補(bǔ)償。一般地，參考?xì)怏w／空氣混合物的流束是恒壓的。過一段時(shí)間后，混合物中參考?xì)怏w的比例將減少，最后加熱器功率又變到最大。根據(jù)前述等式(1)中能量之比的分母，測(cè)量和收集參考?xì)怏w循環(huán)過程中的加熱器電脈沖。
然后引燃樣品氣體流，混合物氧化，并降低加熱器功率進(jìn)行補(bǔ)償。一般地，樣品氣體／空氣混合物的流束是恒壓的。過一段時(shí)間后，混合物中樣品氣體的比例將減少，最后加熱器功率又變到最大。根據(jù)前述等式(1)中能量之比的分子，測(cè)量和收集樣品氣體循環(huán)過程中的加熱器電脈沖。由于參考?xì)怏w的發(fā)熱量Hr是已知的，計(jì)算等式(1)中Hs所需的三個(gè)值都可得到，且微處理器可以完成該計(jì)算，并產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)給適合的輸出設(shè)備。
圖5表示了微處理器12實(shí)現(xiàn)其控制程序的操作。開始框30代表操作的開始。微處理器12執(zhí)行指令選擇參考?xì)怏w循環(huán)或樣品氣體循環(huán)，如處理框31所代表的。若選擇參考?xì)怏w循環(huán)，微處理器12進(jìn)一步執(zhí)行處理框32代表的指令，打開閥14并讓參考?xì)怏w充入容量腔體4以備開始參考?xì)怏w循環(huán)。接著，如處理框33所示，微處理器12進(jìn)一步執(zhí)行指令打開閥5讓參考?xì)怏w流到燃燒器8，50。然后，微處理器12執(zhí)行處理框34所示的指令，開始檢測(cè)燃燒器8，50所需電功率的變化(△P)。然后，微處理器12執(zhí)行判斷框35所示的指令，測(cè)試氣體流完成與否。若結(jié)果是“否”，返回繼續(xù)另一個(gè)采樣。若結(jié)果是“是”，則繼續(xù)執(zhí)行框36所示的指令，結(jié)束第一循環(huán)并準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。
如處理框36所示，微處理器12執(zhí)行指令，通過關(guān)閉閥15終止參考?xì)怏w流。然后，微處理器12執(zhí)行處理框37所示的指令，將選擇變?yōu)榱硪环N氣體循環(huán)。然后微處理器12執(zhí)行處理框38所示的指令，排空腔體4和燃燒裝置8。接著，微處理器12執(zhí)行處理框39所示的指令，存儲(chǔ)剛剛完成的循環(huán)中收集的功率值。然后如判斷框40所示，進(jìn)行核對(duì)，看看參考循環(huán)和樣品氣體循環(huán)是否已經(jīng)在最近時(shí)間內(nèi)完成。如果結(jié)果是“是”，數(shù)據(jù)可用于計(jì)算發(fā)熱量，如處理框41所示。然后將發(fā)熱量輸出到可視顯示器上(圖1中未畫出)或其它類型的輸出設(shè)備上。如果數(shù)據(jù)未完成，判斷框40的結(jié)果將是“否”，且程序返回到框32開始新的其它測(cè)量循環(huán)，如樣品氣體循環(huán)。
已經(jīng)進(jìn)行了如何實(shí)施本發(fā)明的舉例說明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)知道，各種細(xì)節(jié)都可以改變，以形成另外的具體實(shí)施例，而這些實(shí)施例均包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
所以，本發(fā)明公開的及實(shí)施例所涵蓋的范圍，由權(quán)利要求書給出。
權(quán)利要求
1．一種用于測(cè)定可燃?xì)怏w發(fā)熱量的裝置，該裝置包括包含一或多個(gè)空隙的多孔材料體，這些空隙的線度等于或小于可燃?xì)怏w熄滅尺度；一個(gè)置于無催化的多孔材料體中、用以將一部分多孔材料體加熱到至少使可燃?xì)怏w自燃的溫度的加熱元件；一個(gè)用于檢測(cè)燃燒程度并產(chǎn)生其響應(yīng)信號(hào)的傳感器；以及一個(gè)響應(yīng)于來自傳感器的信號(hào)，計(jì)算可燃?xì)怏w發(fā)熱量的處理器。
2．如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于其中所述的材料是無催化材料。
3．如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于其中所述的多孔材料體還包括安置在一圓筒中的許多固體顆粒，以得到在所述固體顆粒之間存在許多空隙的多孔材料體。
4．如權(quán)利要求3的裝置，其特征在于其中所述的空隙的線度小于等于約2．5mm(0．060")。
5．如權(quán)利要求3的裝置，其特征在于其中所述的許多固體顆粒是陶瓷材料的小球。
6．如權(quán)利要求5的裝置，其特征在于其中所述的陶瓷材料小球的尺寸是遞變的。
7．如權(quán)利要求6的裝置，其特征在于其中所述的陶瓷材料小球是無催化的材料。
8．如權(quán)利要求1的裝置，其特征在于其中所述的多孔材料體還包括殼體和置于所述殼體中的陶瓷材料體；其中所述的加熱元件被置于所述的陶瓷材料體中；而且其中多孔材料體在所述殼體與所述陶瓷材料體之間有一內(nèi)部空隙，其線度小于等于可燃?xì)怏w熄滅的尺度。
9．如權(quán)利要求8的裝置，其特征在于其中殼體和陶瓷材料為無催化材料。
10．如權(quán)利要求9的裝置，其特征在于其中所述的加熱元件還包括放置在陶瓷材料體中的鉑絲線圈。
11．如權(quán)利要求8的裝置，其特征在于其中所述空隙的線度小于等于約2．5mm(0．060")。
12．如權(quán)利要求8的裝置，其特征在于其中所述殼體有兩個(gè)相對(duì)端，在一個(gè)相對(duì)端上有進(jìn)氣口，而在另一個(gè)相對(duì)端上有出氣口，其中所述的燃燒裝置還包括端蓋，它安置在所述殼體的相對(duì)端，所述端蓋具有線度小于等于可燃?xì)怏w熄滅尺度的通道。
13．一種測(cè)量可燃?xì)怏w發(fā)熱量的方法，該方法包括將材料體加熱到使要接觸地流過被加熱體的氣體能夠自燃的溫度；通入已知量的參考?xì)怏w和助燃?xì)怏w，使之與被加熱到可使參考?xì)怏w無火焰燃燒的被加熱材料相接觸；當(dāng)參考?xì)怏w燃燒時(shí)，檢測(cè)第一燃燒監(jiān)測(cè)信號(hào)；從第一燃燒監(jiān)測(cè)信號(hào)中計(jì)算出參考?xì)怏w發(fā)出的熱能；通入已知量的樣品氣體和助燃?xì)怏w，使之與被加熱到可使樣品氣體無火焰燃燒的被加熱材料相接觸；當(dāng)樣品氣體燃燒時(shí)，檢測(cè)第二燃燒監(jiān)測(cè)信號(hào)；從第二燃燒監(jiān)測(cè)信號(hào)中計(jì)算出樣品氣體發(fā)出的熱能；并依據(jù)參考?xì)怏w的已知發(fā)熱量，并依據(jù)參考?xì)怏w發(fā)出的熱能和樣品氣體發(fā)出的熱能，計(jì)算出樣品氣體的發(fā)熱量。
14．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于還包括傳輸代表樣品氣體發(fā)熱量信號(hào)的步驟。
15．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中氣體量受限制，以使燃燒能比加熱材料體所需電能的量要少。
16．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中助燃?xì)怏w是空氣。
17．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中被加熱的材料體包含有足夠小的空隙，以防止燃燒期間形成明火。
18．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中檢測(cè)的信號(hào)代表為保持被加熱體中傳感器溫度所需電能的減少。
19．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于所述的方法在環(huán)境溫度大約為-40°F至130°F下進(jìn)行。
20．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于還包括通過一個(gè)恒定的電阻橋式電路來加熱材料體和檢測(cè)材料體溫度。
21．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于在僅有空氣流過被加熱材料體的時(shí)候中斷可燃?xì)怏w的通入，以建立一個(gè)基線檢測(cè)信號(hào)。
22．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中燃燒監(jiān)測(cè)信號(hào)是通過使檢測(cè)溫度因氧化而發(fā)生改變來確定的。
23．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于還包括僅讓空氣流過被加熱材料體的步驟，從而為燃燒測(cè)量建立一個(gè)基線值。
24．如權(quán)利要求13的方法，其特征在于其中被加熱的材料體是無催化材料。
25．一種測(cè)量氣體發(fā)熱量的方法，該方法包括提供一種無催化的惰性材料體，它具有防止含可燃?xì)怏w的混合氣體在無催化燃燒期間形成火焰的空隙尺寸；將無催化的惰性材料體加熱到使混合氣體發(fā)生無火焰燃燒的溫度；混合預(yù)定量的標(biāo)準(zhǔn)氣體和助燃?xì)怏w，以形成第一混合氣體；將第一混合氣體通入到惰性材料體中；測(cè)量保持惰性材料體恒溫燃燒所需發(fā)出的熱能的變化；混合預(yù)定量的樣品氣體和助燃?xì)怏w，以形成第二混合氣體；將第二混合氣體通入到惰性材料體中；測(cè)量保持惰性材料體恒溫燃燒所需發(fā)出的熱能的變化；依據(jù)參考?xì)怏w的已知發(fā)熱量，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體和樣品氣體各自發(fā)出的熱能，計(jì)算出樣品氣體的發(fā)熱量。
26．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于還包括傳輸代表樣品氣體發(fā)熱量信號(hào)的步驟。
27．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于還包括僅使空氣流過被加熱材料體，以建立燃燒測(cè)量的基線的步驟。
28．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中在僅使空氣流過被加熱材料體的時(shí)候中斷可燃?xì)怏w的通入，以建立一個(gè)基線檢測(cè)信號(hào)。
29．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中預(yù)定量的標(biāo)準(zhǔn)氣體和預(yù)定量的樣品氣體是受到限制的，以使燃燒能小于加熱材料體所需的電能量。
30．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中助燃?xì)怏w是空氣。
31．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中被加熱的材料體包含有足夠小的空隙，以防止燃燒期間形成明火。
32．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中發(fā)出熱能的變化通過檢測(cè)為保持被加熱體中傳感器溫度所需電能的減少而測(cè)得。
33．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于其中所述的方法在環(huán)境溫度大約為-40°F至130°F下進(jìn)行。
34．如權(quán)利要求25的方法，其特征在于還包括通過一個(gè)恒定電阻橋式電路來加熱材料體和檢測(cè)材料體溫度。
35．一種用于測(cè)定可燃?xì)怏w發(fā)熱量的裝置，該裝置包括一個(gè)可被加熱到能使氣體不產(chǎn)生明火地燃燒的自燃溫度的材料體；用于通入預(yù)定量可燃?xì)怏w和助燃?xì)怏w，使之與所述的被加熱材料體接觸引起所述預(yù)定量可燃?xì)怏w氧化的機(jī)構(gòu)；選擇地讓可燃參考?xì)怏w或可燃樣品氣體流過所述通入機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)；一個(gè)當(dāng)所述可燃?xì)怏w接觸到所述材料體時(shí)響應(yīng)于所述可燃?xì)怏w的燃燒能量而傳輸信號(hào)的傳感器；以及一個(gè)用于接收所述傳感器的信號(hào)的處理器，其中所述的處理器響應(yīng)于所述信號(hào)以計(jì)算出所述可燃樣品氣體的發(fā)熱量。
36．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于其中無催化劑材料體被加熱到氣體—空氣混合物自燃溫度以上的溫度。
37．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于還包括限制氣體流速的機(jī)構(gòu)，以使其所提供能量小于加熱無催化劑材料體所需電能的量。
38．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于其中所述的傳感器檢測(cè)無火焰燃燒的電能。
39．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于其中所述的助燃?xì)怏w是空氣。
40．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于其中所述的流動(dòng)機(jī)構(gòu)包括用于中斷可燃?xì)怏w流束而僅使助燃?xì)怏w流過并與材料體接觸，以建立燃燒溫度基線值的機(jī)構(gòu)。
41．如權(quán)利要求35的裝置，其特征在于其中被加熱的材料體由無催化材料構(gòu)成。
42．如權(quán)利要求41的裝置，其特征在于其中所述的被加熱材料體還包括許多固結(jié)在一起的固體顆粒，以得到固體顆粒材料的多孔體。
43．如權(quán)利要求41的裝置，其特征在于其中所述的被加熱材料體還包括一個(gè)由封閉間隔墻包起來的加熱元件，以防止所述氣體—空氣混合物氧化時(shí)出現(xiàn)火焰。
全文摘要
用微處理器(12)從參考?xì)怏w的發(fā)熱量,并從通過無火焰燃燒過程燃燒氣體確定的氧化能比率,計(jì)算出樣品氣體的發(fā)熱量?？扇?xì)怏w與助燃?xì)怏w,在容量腔體(4)中混合,并被通入到燃燒器(8)中,在該燃燒器中惰性材料體被加熱到氣體混合物的自燃溫度以上。微處理器12接收檢測(cè)燃燒能的信號(hào)并計(jì)算可燃?xì)怏w的發(fā)熱量,產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)G01N25/20GK1206465SQ9719144
公開日1999年1月27日 申請(qǐng)日期1997年10月8日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月8日
發(fā)明者威廉·H·范德·海登, 羅納德·阿瑟·伯杰 申請(qǐng)人:巴杰米特公司