[发明专利]确定混合气中各气体浓度的方法和测量导热率的传感器

说明书

本发明涉及一种通过测量由两种以上的N种气体组成的混合气导热率来确定混合气中各气体浓度的方法以及为实施此方法的测量混合气导热率的传感器。

众所周知，利用各种气体有不同的导热率，可以确定混合气中每种气体的浓度。所有测量方法的共同点是，如果出于信号处理方面的原因，测量温度被模化了的话，则导热率只能在一个固定的气体温度下即在一个固定的气体平均气体温度下进行测量。由于这一基本原因，只能测定双成分混合气。当出现另一种已知或未知气体种类的气体成分时，测量信号将出错。

测量导热率用的分析器一般按以下原则设计：一个作为热源的热敏电阻利用通过的电流加热到比环境温度高的值。气体将热量经过一个几何形状确定的导热区从热源传往一个保持为定温的冷端。通过从热源到冷端的热传导，消耗了热源的能量，其消耗的值用来度量气体的导热率，并可用恰当的方法测出。

气体的热传导与温度有关，为了排除热传导中温度的影响因素，测量室是恒温的，亦即通过电调节保持为恒定温度。除了测量室的温度之外，导热区中的平均气体温度由热源温度来定，所以热源温度也调整为保持常数。

传统的导热率传感器存在的问题是，一方面气体必须不断流过导 热区，以便迅速地更换气体;另一方面气体流动影响热传导，从而影响测量值。所以在DE-OS    3502440中介绍了补偿流动的方法。由DE-PS    2952137中还已知一种测量室，这种测量室中并不流过气体，而是通过扩散进行更换。但是测量室的体积和气体通道比较大，所以在测量室中的气体更换时间对于某些测量任务而言太长。

本发明的目的是介绍一种确定由两种以上的气体组成的混合气中各气体浓度的方法，并给出一种传感器，它的气体更换时间低于1秒钟以及适用于本方法。

按本发明，达到此目的所采用的方法为至少在（N-1）种气体温度下测量混合气的导热率，根据所获得的导热率测量值，用现有的数学方法求解非线性方程组，以算出各种气体的浓度或存在的未知气体成分。

通过在一种以上的气体温度下测量出混合气的导热率，可以确定含两种以上成分混合气中各种气体的浓度，或辨认出存在着另一种未知成分，从而得知受干扰的情况。

按本发明的方法，导热率传感器的使用范围明显增大。

本方法的突出优点是，在不同的气体温度下测量导热率不是通过采用多个保持不同温度的传感器，而是只采用一个传感器。因此首先可以节省用于一个完整测量装置的费用，更主要的是可以排除由于各不同传感器的漂移不同可能造成的误差。

只用一个传感器进行测量的前提是，该传感器的温度时间常数要足够小，从而可以迅速地调整气体温度。由于热敏和测量元件以及支托它们的薄膜（几个微克）质量极小，故按本发明的传感器它的温度 时间常数在1毫秒的范围之内。因此传感器满足使用本方法的前提条件。

此传感器的另一优点是，采用一种极薄的测量和热敏元件的支托层，使经过气体的传热量比经过热敏元件或其支托物的散热量要大得多，因此传感器对于气体导热率的改变非常敏感。由于经厚度较小的薄膜散热量小，通过选择热源和冷端之间较低的温差和恰当的几何尺寸还可以减少经气体的散热，从而使传感器电功率的损耗对许多混合气而言可低于10毫瓦。因而这种传感器特别适用于带微电元件的控制装置。

传感器小型化可使气体容积小于1微升，由于测量室孔的结构，使气体不是通过流动而是通过扩散到达此容积中。适当选择扩散孔和测量室容积之间的大小比例关系，可使气体更换时间低于100毫秒，而传感器外部的气流不会影响测量值。

组合进的测温电阻可对传感器中可能出现的温度变化作电修正。

具有例如SiO₂或Si₃N₄的传感器的钝化可使之用于含有腐蚀性成分的混合气中。

用硅作原材料以及采用半导体元件加工中行之有效的方法，如喷镀、蒸发、照相、腐蚀和钝化等技术，可以用一块单一的硅片非常便宜地制造出多个传感器。

在现有测量方法中利用导热率的测量来确定双成分混合气中两种成分的比例关系。含两种以上成分的混合气只有一个测量值时，由于测量方法本质上的原因，因而完全不能确定它们之间的关系。根据气体导热率通常是气体温度的函数，而且对于不同的气体这种函数关系多少有些区别这一情况，可以找到一个解决办法。按照前面所述的方 法，在一定的前提条件下，可以通过测量一种混合气在不同气体温度时的导热率，来确定各种气体成分的浓度。