专利名称：用于确定二组分混合物中气体浓度的气体传感器和方法
技术领域：
本发明涉及热气体传感器的领域，更具体地，涉及用于确定在变化压力下的二组分混合物中的气体浓度的热气体传感器。还涉及用于确定在变化浓度的二组分混合物中的气体浓度的方法。
背景技术：
热气体传感器利用气体的热传导性提供关于气体性质或者其在气体混合物中的浓度的信息。气体的热导率λ是其在温度梯度的影响下的传热能力。其为气体在给定压力和温度下的固有量值并且这也是其测量能够提供气体混合物的成分的指示原因。热气体传感器具体地用于测量在如氧气(02)、氮气(Ν2)、氩气(Ar)、二氧化碳(CO2)甚至空气(假设其具有固定成分)的其它气体中的氢气(H2)浓度，因为氢气与其它气体差异巨大，这是由于与其它较重分子气体的热导率相比其具有高热导率。给出下面的值用于提供信息目的:
权利要求
1.一种用于在变化压力下确定二组分混合物中的气体的浓度的传感器，包括测量元件(1 )，位于所述二组分混合物中，包括低热惯性的膜(12)，在所述膜(12)上并 排安排用于所述膜(12)的加热装置(13)和提供表示所述膜(12)的温度TM的信号的测量 装置(14)，频率f 的交流电源(20)，旨在向所述加热装置(13)供电以及 电子电路(30)，其特征在于，选择所述频率f以使得所述加热装置(13)加热并且交替地使所述膜(12) 冷却以便其温度Tm通过瞬态模式从第一稳定值变到第二稳定值并且反之亦然，并且安排所 述电子电路(30)测量所述信号以从其提取分别与所述第一稳定值和所述瞬态模式相关的 第一和第二参数，并且在预先建立的数学函数和所述传感器的特性系数的帮助下从这些参 数计算所述气体的浓度值和所述二组分混合物的压力值。
2.根据权利要求1的传感器，其特征在于，所述第一和第二稳定值分别是所述膜的高 稳定温度Th和低稳定温度Tb，并且所述瞬态模式是所述膜的瞬态冷却模式tHB。
3.根据权利要求2的传感器，其特征在于，所述第一参数表示所述高稳定温度Th并且 所述第二参数表示所述膜(12)在所述瞬态冷却模式期间的冷却速率ptHB。
4.根据权利要求3的传感器，其特征在于，所述膜(12)的所述冷却速率ptHB由下列函 数给出ptHB=d/dt (In ((Th-Tb) / (Ti-TB))(1)其中，在所述膜(12)的所述瞬态冷却模式tm期间以不同间隔选择点凡。
5.根据权利要求4的传感器，其特征在于，所述二组分混合物的气体的所述浓度是下 列类型的表示所述高稳定温度Th和所述冷却速率ptHB的所述参数的多项式函数A*TH+B*TH2+C*ptHB+D*ptHB2+E* (TH/ptm)+F (3)其中，A、B、C、D、E和F包括在所述传感器的所述特性系数中并且通过所述传感器的校准获得。
6.根据权利要求4的传感器，其特征在于，所述二组分混合物的所述压力是下列类型 的表示所述高稳定温度Th和所述冷却速率ptHB的所述参数的多项式函数a*TH+b*TH2+c*ptHB+d*ptHB2+e* (1^^) +f (2)其中，a、b、c、d、e和f包括在所述传感器的所述特性系数中并且通过所述传感器的校准获得。
7.根据权利要求4的传感器，其特征在于，所述二组分混合物的气体的所述浓度是下 列类型的表示所述高稳定温度TH、所述冷却速率ptHB、环境温度TA、参考温度TMf和参考压 力PMf的所述参数的多项式函数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包括在所述传感器的所述特性系数中并且通过所述传感器的 校准获得，并且其中TMf是进行所述校准时的参考温度，并且PMf是作为所述膜(12)的所述 温度的函数校准所述信号时的参考压力。
8.根据权利要求1到7中的一项的传感器，其特征在于，附加地包括提供表示所述气体 混合物的所述环境温度Ta的信号的测量器件(15)，并且首先从表示所述环境温度的信号修正表示所述膜(12)的所述温度的所述信号。
9.一种通过气体传感器在变化压力下确定二组分混合物中的气体的浓度的方法，包括: 测量所述二组分混合物的传导性的第一特性参数的步骤， 测量所述二组分混合物的扩散率的第二特性参数的步骤， 在预先建立的数学函数和所述传感器的特性系数的帮助下从所述参数计算所述气体的浓度值和所述二组分混合物的压力值的步骤。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，所述第一和第二参数以频率f的交变模式测量并且分别表示在稳定模式中的所述传感器的元件的高温度Th和在瞬态冷却模式tHB中的所述传感器的元件的冷却速率ptHB。
11.根据权利要求 10的方法，其特征在于，所述传感器的元件的所述冷却速率ptHB由下列函数给出:
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述二组分混合物的气体的所述浓度是下列类型的表示所述高稳定温 度Th和所述冷却速率ptHB的所述参数的多项式函数:
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述二组分混合物的所述压力是下列类型的表示所述高稳定温度Th和所述冷却速率ptHB的所述参数的多项式函数:
14.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述二组分混合物的气体的所述浓度是下列类型的表示所述高稳定温度TH、所述冷却速率ptHB、环境温度Ta、参考温度Tref和参考压力PMf的所述参数的多项式函数:
全文摘要
本发明涉及用于确定二组分混合物中气体浓度的气体传感器和方法。所描述的传感器允许通过测量扩散率和热导率确定在变化压力下的二组分混合物中的气体的浓度。提供传感器以交替加热导热元件(1)的膜(12)和使其冷却以便膜的温度TM通过瞬态模式从第一稳定值变到第二稳定值并且反之亦然。该单元产生表示膜的温度TM的信号并且传感器从信号提取分别与信号的所述第一稳定值和所述瞬态模式相关的第一和第二参数。从这两个参数计算所述气体的浓度值和所述二混合物的压力值。
文档编号G01N25/20GK103105412SQ20121037147
公开日2013年5月15日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者Y·德库隆, V·德马尔纳 申请人:巴莱诺斯清洁能源控股公司