[发明专利]沃泊指数传感器系统

说明书

技术领域

本发明大致涉及监测燃气涡轮发动机系统，并且更具体地说，涉及一种用于测量较低的燃料热值和沃泊指数(Wobbe Index)的系统。

背景技术

目前存在对燃气的燃烧系统的日益增加的需求，这种燃烧系统可以很容易地在液化天然气(LNG)、管道天然气和LNG的混和物，以及各种低BTU(英国热量单位)燃料下进行操作。因此，需要一种系统，其可确定较低的燃料热值或沃泊指数，以确保发动机特性与燃料的特性相匹配。

其中一种用于确定沃泊指数的通用系统包括气体色谱仪(GC)系统。GC系统包括分离燃料成分的玻璃毛细管系统，以及定量地识别成分的热导检测器或火焰离子化检测器(FID)。然而，GC系统提供的测量是不连续的，而是间隔大约10分钟以上。此外，该系统是相对较为昂贵的，并且难以操作。

另一通用的系统包括用于确定燃料品质的量热计系统，其中燃料燃烧的能量是直接测量的。这些系统对于燃料成分和环境温度是很敏感的，当环境温度变化时，会产生大的误差。

一种用于对气体浓度进行精确测量的方法是使用微制造热板。微热板通常覆有气敏覆层，并对该覆层与所关心的气体的反应进行量热测量。对于许多应用，在高温下操作微热板是有利的，其可使反应发生或使气体吸附到气敏覆层上。通常，微热板是由位于陶瓷层例如氮化硅顶面上的金属加热层例如铂(Pt)组成的。因为微热板工作在高温下，所以组成微热板的非相似材料的温度膨胀系数会造成高的应力，其可能导致微热板的故障。另外，这些装置可能在结构上由于微热板在制造期间所产生的高的残留应力而容易碎裂。

因此，存在对一种用于确定燃料品质的改进系统的需求，其可解决上面陈述的一个或多个问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量燃料沃泊指数的传感器。这种传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其配置成可感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅(poly-silicon carbide)。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。传感器还包括设置于隔膜层上，具有催化剂的感测层。传感器还包括通过除去衬底而在隔膜层下面形成的空腔。这提供了加热元件与衬底的隔热。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量燃料沃泊指数的系统。该系统包括流量控制装置，其配置成控制至少空气流率和燃料流率中的其中一个，以便提供一种可燃的空气-燃料混合物。该系统还包括与流量控制装置保持流动相通的第一传感器。第一传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其构造成感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅层。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。第一传感器还包括在隔膜层下面形成的第一空腔，其提供了所述至少一个加热元件与衬底的隔热。该系统还包括与流量控制装置保持流动相通的第二传感器。第二传感器包括衬底和隔膜层。隔膜层包括具有至少一个加热元件的第一层，其构造成感测燃料中的能含量，其中加热元件包括设置在衬底上的掺杂的多晶碳化硅层。隔膜层还包括第二层，其包括不掺杂的多晶碳化硅层，其配置成可防止第一层的氧化。第二传感器还包括设置于隔膜层上，具有催化剂的感测层。第二传感器还包括在隔膜层下面形成的第二空腔，其提供了所述至少一个加热元件与衬底的隔热。该系统还包括传感器排气口，其与传感器流动相通，并配置成可测量燃烧产物的体积流率。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优点，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：

图1是根据本发明的一个实施例，用于测量燃料沃泊指数的传感器的截面图；

图2是图1中传感器的俯视图；

图3是根据本发明的一个实施例，利用图1传感器测量燃料沃泊指数的系统的示意图；且

图4是两个样本沃泊指数传感器的电阻作为温度函数的曲线图。

具体实施方式

如以下详细论述的那样，本发明的一个实施例包括用于测量燃料的沃泊指数和较低热值(LHV)的传感器。虽然当前的论述集中于用于工业环境的燃气涡轮发动机的传感器，但是本系统并不局限于燃气轮机，而是适用于其它应用，例如喷气发动机中的燃料品质的测量或管道中的燃料成分的测量。此外，这里陈述原理和知识适用于各种气态和液态燃料，例如但不局限于天然气、汽油、煤油、柴油燃料和喷气燃料。