利用热导检测器实时检测混合气体组分含量的方法及装置

摘要

本发明公开了利用热导检测器实时检测混合气体组分含量的方法及装置。该装置的计算机数据采集系统与热导检测器的信号输出端连接；气瓶之一、压力调节阀之一、质量流量控制仪之一和热导检测器依次连接，采样探头通过管道与热导检测器的待测气进口连接。该方法测试前先对气体含量与TCD检测系统电压输出值进行标度，检测时，将待测气通过采样探头进入采样系统，对照标度所产生的电压与气体某组分在混合气体中的浓度关系，即可得到所要检测混合气体中某组分的浓度。本发明利用不同气体导热系数的不同，为实时检测混合气体中某组分的浓度变化提供了行之有效的方法。检测迅速、快捷，操作简单，分析结果准确，适用范围广，稳定性好。

说明书

技术领域

本发明涉及混合气体组分含量的检测，特别是涉及一种利用热导检测器实时检测混合气体中某一组分含量的方法及装置。

背景技术

在化工、能源等行业中经常需要实时检测混合气体中某组分随时间及空间位置的变化情况。例如在研究反应器中气体的混合规律中，经常需要在反应器的冷态模型中注入示踪气体，检测示踪气体在反应器中的分布规律。传统的气相色谱分析技术测试气体的浓度需要的时间较长，很难达到实时检测的要求。本发明利用不同气体的导热系数的差异，采用热导检测器(ThermalConductivity Detector，TCD)实时检测混合气体的导热系数，并输出相应的电压值，根据标度的热导检测器输出电压与混合气体中某组分浓度的关系，得到待测气体中该组分的浓度。

中国发明专利96190402.X公开了一种测定混合物组分浓度的装置，具有一第一部分体积，在这一体积中，组分浓度不受通过扩散阻力与混合气体中浓度进行耦合的影响而保持恒定不变。上述耦合影响由一可控制的组分泵电流通过处于第一部分体积和气体混合物之间用作抽吸装置的固体电解质予以补偿。泵电流的强度是气体混合物中所要求浓度的量度。上述泵电流可作为第一部分体积与基准气体体积之间的能斯脱传感器输出电压的偏差函数而受到额定值的控制。这一装置特征是，可有目的地影响依赖于抽吸装置固体电解质两端可测电压的额定值。但是该专利技术在测试过程中，需要在第二部分体积中充装带有基准待测气体浓度的气体，即该专利技术在测试氧气之外的气体浓度时，必须同时使用标准气，这就使得测试过程复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种测试范围广、适用性强、快速实时的检测混合气体中组分含量的方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述方法的利用热导检测器检测混合气体中某组分含量的装置。

本发明实时检测混合气体中某组分浓度的方法是利用不同气体导热系数的不同，采用热导检测器(TCD)检测混合气体的导热系数，并输出相应的电压值，根据标度的热导检测器输出电压与混合气体中某组分浓度的关系，得到待测气体中该组分的浓度。

本发明的目的通过采用如下技术方案实现：

利用热导检测器实时检测混合气体组分含量的方法，包括如下步骤：

(1)标准气配比确定：将气瓶之二中的含有待测气体中某组分的纯气体和气瓶之三中的待测气体中其余组分的气体分别经压力调节阀之二、压力调节阀之三引出，再分别用质量流量控制仪之三和质量流量控制仪之四控制其流量，得到的标准气配比混合气体；

(2)待测气体浓度与TCD电压的标度：将采样探头插入配比好标准气的混合罐，使用质量流量控制仪之一控制参比气体流量，使用质量流量控制仪之二控制标准气流量，分别检测待测气体不同浓度时TCD输出的电压值；

(3)待测气体浓度的检测：将采样探头分别插入待检测试样内，使用质量流量控制仪之一控制参比气流量如步骤(2)标度时的流量，使用质量流量控制仪之二控制待测气流量为步骤(2)标度时的标准气流量，记录TCD输出的电压值，对照步骤(2)标度所产生的电压与气体某组分在混合气体中的浓度关系，即可得到所要检测混合气体中某组分的浓度。

利用热导检测器实时检测混合气体组分含量的装置，包括参比气源及流量控制子统、采样系统、热导检测器及数据采集系统和标准气配比系统；

所述热导检测器及数据采集系统包括热导检测器和计算机数据采集系统，计算机数据采集系统与热导检测器的信号输出端连接；

所述参比气源及流量控制系统包括依次连接的气瓶之一、压力调节阀之一和质量流量控制仪之一，质量流量控制仪之一与热导检测器的参比气进口连接；所述采样系统包括通过管道连接的采样探头和待测气质量流量控制仪之二；采样探头通过管道与热导检测器的待测气进口连接，质量流量控制仪之二与热导检测器的待测气出口连接；

标准气配比系统包括含有待测组分气体A的气瓶之二、压力调节阀之二、质量流量控制仪之三、含有混合气体中其余组分B的气瓶之三，压力调节阀之三、质量流量控制仪之四、气体A与气体B混合罐、针形调节阀；气瓶之二、压力调节阀之二和质量流量控制仪之三依次连接，并与混合罐连接；气瓶之三，压力调节阀之三和质量流量控制仪之四依次连接，并与混合罐连接；针形调节阀与混合罐连接；混合罐上设有采样口。

相对于现有技术，本发明有如下优点和有益效果：

1.对于测试混合气体中的某组分浓度，与传统的色谱气体浓度分析技术相比，取消了色谱柱分离的过程，使得测试过程可快速实时进行。

2.含有标度系统及测试系统，对混合气体中某一组分浓度的变化，都可通过标度系统得到其浓度变化与热导检测器输出电压的对应关系，测试适应的气体范围广，通用性强

附图说明

图1为利用热导检测器实时检测混合气体组分含量的装置结构示意图。

图2为热导检测器工作原理图。

图3为标准气配比系统。

图4为利用氦气研究流化床反应器中气体混合情况的装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表达的范围。

如图1所示，利用热导检测器实时检测混合气体中某组分含量的检测装置包括参比气源及流量控制子统、采样系统和热导检测器及数据采集系统。

所述热导检测器及数据采集系统包括：热导检测器1和计算机数据采集系统2，计算机数据采集系统2与热导检测器1的信号输出端112连接。如图2所示，热导检测器是由热电阻传感器组成的一种检测装置，它由两个热导池及检测电路组成，两个热导池有气体的进出口。其中热导池之一106的气体进口为参比气进口108，出口为参比气出口109。热导池之二107的气体进口为待测气进口110，出口为待测气出口111。检测电路为典型的惠斯顿电桥电路，即固定电阻之一102和参考臂电阻104串接，固定电阻之二103与测量臂电阻105串接，两串接电路并联后与电源101连接。根据进入热导池之一106和热导池之二107的参比气体及待测气体的流量及导热系数的不同，检测电路的输出端112可输出不同的电压。考虑到氧化性的气体可能导致参考臂电阻104的氧化，所以本发明中的参比气体选用非氧化性气体，如氮气、氢气、氩气等。

参比气源及流量控制系统包括依次连接的气瓶之一7、压力调节阀之一8、质量流量控制仪之一9和热导检测器1。参比气依次通过气瓶之一7、压力调节阀之一8和质量流量控制仪之一9，调节控制参比气的流量保持稳定后接入热导检测器1的参比气进口108，由参比气出口109排出。

采样系统包括通过管道连接的采样探头3和待测气质量流量控制仪之二5。待测气依次通过采样探头3和待测气质量流量控制仪之二5，连接至热导检测器1的待测气进口110，并从待测气出口111排出。若待测气体中含有粉尘，则在采样探头3后安装过滤器4；若待测气压力过低，不能保证采样气体以一定的速度流过热导检测器1，则在质量流量控制仪之二5后安装真空泵6，为待测气体的流动提供动力。为保证检测的实时性，采样系统的连接管路即采样探头3至热导检测器1的管路需要采用小管径管路(内径小于2毫米)；且管路要尽量短，气体流通速度要尽量快，以保证待测气体从采样探头3到热导检测器1的流动时间尽量短，通常小于1秒。

本发明还包括标准气配比系统，用于混合气体中某组分含量与TCD检测系统输出电压值的标度。根据待检气体在混合气体中的组分含量范围，配比一系列已知待测气体浓度的混合气体(称为标准气)，将系列已知浓度的标准气通入测试系统，读取热导检测器1的输出端112的电压值，得到电压与标准气中待测气体含量的关系(一般为线性)，在检测时即可根据此关系，通过检测系统读取的电压值对应计算出混合气体中某一组分的含量。

如图3所示，标准气配比系统包括含有待测组分气体A的气瓶之二201、压力调节阀之二203、质量流量控制仪之三204、含有混合气体中其余组分B的气瓶之三202，压力调节阀之三207、质量流量控制仪之四208、气体A与气体B混合罐205、针形调节阀206。混合罐205内填充玻璃珠之类的填充物，以便使气体充分混合均匀，混合罐205上设有采样口209。气瓶之二201、压力调节阀之二203和质量流量控制仪之三204依次连接，质量流量控制仪之三204与混合罐205连接；气瓶之三202，压力调节阀之三207和质量流量控制仪之四208依次连接，质量流量控制仪之四208与混合罐205连接；针形调节阀206与混合罐205连接。

标度时，用质量流量控制仪精确控制气体A及气体B的流量，得到已知气体A浓度的混合气体。将采样探头3插入采样口209，用质量流量控制仪之一9控制参比气的流量稳定，用质量流量控制仪之二5控制标准气的流量稳定，从数据采集系统2读取在含有不同气体A浓度时的标准气的TCD输出电压值，得到电压与A气体浓度的对应关系。

应用上述装置实时检测混合气体中A组分含量时，将采样探头3插入需要检测的气体中，调节质量流量控制仪之一9和质量流量控制仪之二5使得参比气和待测气的流量标度时的流量一致。通过数据采集系统2记录TCD输出的电压值，对照标度所产生的电压与气体组分A在混合气体中的浓度关系，即可得到所要检测混合气体中组分A的浓度。

本发明利用不同气体导热系数的不同，为实时检测混合气体中某组分的浓度变化提供了行之有效的方法。测试时不需要用色谱柱对气体进行分离，所以检测迅速、快捷。对任何混合气体中某组分的浓度的测定，其浓度的变化必然会引起导热系数的变化，所以都可用本发明的方法测试其浓度的变化，适用范围广。

实施例：某流化床反应器中氦气浓度的测试

应用背景：利用示踪气体氦气在床层中的浓度变化规律研究流化床反应器中气体的流动规律。

如图3所示，某流化床反应器由以下几个部分组成：流化气体(此处用空气)入口301，风箱302，气体分布板303，流化床床体304，氦气分布器305，气体过滤器306，气体出口313。床层312内装有平均粒径为60微米的固体颗粒。气体分布板303为烧结多孔金属板。氦气分布器305为一直径6毫米的不锈钢管，其插入反应器内的部分钻有5个直径0.5毫米的孔，用于向流化床内引入氦气。过滤器306为一烧结金属管，用于排出流化床内的气体，同时防止催化剂流失。床体304上在不同高度处配置了气体五个采样口307、308、309、310、311。氦气分布器305距气体分布板303的距离为0.5米，采样口308、309、310、311离气体分布板303的距离分别为0.4、0.3、0.2、0.1米。采样口307位于气体分布风板上方1.5米处的无催化剂自由空域。从氦气分布器305将氦气引入流化床床层，在采样口307、308、309、310、311处插入采样探头3，测试各点的氦气浓度，可反映出从氦气分布器305引入流化床中气体的运动规律。

该实施例中，利用热导检测器实时检测混合气体中某组分含量的检测系统的热导检测器1选用上海科创GC910型色谱的内置热导检测器；质量流量控制仪都选用北京汇博隆公司S49-33MT质量流量控制器；真空泵6选用温岭市飞越仪器公司FY-1C型真空泵；过滤器4选用北京熊川SS-2237型过滤器；针形阀26选用北京熊川SS-3M6F型；参比气为高纯氮气；气体A为高纯氦气；气体B为空气。

检测包括如下两个步骤

(1)标准气配比确定。将气瓶之一201中的氦气和气瓶之二202中的空气两路气体分别从高压气瓶经压力调节阀之二203、调节阀之三207引出，再分别用质量流量控制仪之三204、质量流量控制仪之四208控制其流量，在混合罐205得到的已知浓度的标准气。

(2)氦气浓度与TCD电压的标度：如图1、2所示，将测试系统的采样探头3插入配比好标准气的混合罐205，使用质量流量控制仪之一9控制参比气氮气流量10ml/min；开启真空泵6，使用质量流量控制仪之二5控制步骤(1)得到的空气和氦气组成的标准气流量80ml/min，由计算机数据采集系统2检测TCD信号输出端112的电压值。

(3)重复步骤(1)和(2)，分别配比氦气浓度为1％、2％、3％...9％的标准气(如表1所示)，并分别检测TCD在上述标准气浓度时输出的电压值，结果如表2所示：

表1

表2第6列是对标准气浓度的4次平行测定结果，第7列列出了测量最大偏差。由表2可以看出分析结果最大偏差小于2.0％。

表2

(4)流化床冷态模型中氦气浓度的检测：如图4所示流化床，从入口301进入的空气流量为10.5标准立方米/小时(床层中气体空速为0.05米/秒)，从氦气分布器305引入的氦气流量为0.3标准立方米/小时。将采样探头3分别插入采样口307、308、309、310、311内，探头3端部离床体304内壁135毫米，使用质量流量控制仪之一9控制参比气氮气流量如步骤(2)TCD标度时的流量10ml/min，使用质量流量控制仪之二5控制待测气流量为步骤(2)标度时的标准气流量80ml/min，检测各采样点氦气浓度，得到数据如下表3：

表3

表3数据表明流化床内示踪气体氦气将会向下运动，但越往下，氦气浓度越低。采样口307处探头所测得的氦气浓度符合理论计算出口处的氦气浓度。

测试时发现，当氦气分布器305引入的氦气流量发生变化时，热导检测器1的输出电压随即发生变化，响应时间在0.5秒以内，即本发明可实时检测混合气体中某组分含量的变化。如果进行谱图的气相色谱分析，则色谱柱一般需要15分钟左右的时间才能完成对气体组分的分离，不能对组分的浓度进行实时检测。本发明的测试技术将气体浓度的标度与测试过程分开，在测试过程中不必使用标准气，使得测试过程变得简单可行。