[发明专利]带有用于增加灵敏度的分阶段加热器的气体传感器

说明书

发明背景

本发明涉及气体监测装置，更具体地涉及检测和鉴定在样品气流中的各种气体成分和/或测定这些成分浓度的方法和设备。

由于检测装置和测量仪器灵敏度方面的限制，低浓度的气体和蒸气的检测通常是困难的。如果在检测前能够浓缩这些成分，可以大大增强检测气体样品中低浓度的各种成分的方法。Kindlund等人在“传感器和激励器”，6(1984)第1-17页中的“带有气体浓缩阶段的石英晶体气体监测器“中描述了一种浓缩所选气体成分的方法。Kindlund等人提出，在检测器前面提供气体浓缩器来增大在检测器中所需的气体成分的浓度。Kindlund等人的气体浓缩器包括一种涂敷在腔壁上的厚的有机吸附剂层。在冷却时，该吸附剂层从流过腔体的气体样品中吸附所需的气体成分。然后对吸附剂层施加加热脉冲，使得吸附的成分解吸进入腔体，以产生短时间的浓度脉冲。这种浓度脉冲被引到石英晶体气体监测器，以最后记录该成分的存在。

Kindlund等人的局限性是典型的吸附剂材料只能聚集有限量的气体成分。因此，在加热吸附剂层时，也限制了产生的浓度脉冲，从而限制了检测器的有效灵敏度。所以，希望的是可以进一步增大在检测器中所需的气体成分的浓度水平的浓缩器和/或传感器组件，以便产生增大有效灵敏度的检测器。

发明概述

本发明通过提供一种使用分阶段的加热器的浓缩器和传感器组件，来增大或倍增超过具有吸附剂材料的单一交互作用元件所获得的浓度水平，以克服现有技术相关的许多缺点。一般来说，通过提供以时间分段的次序选择性加热的两个或多个交互作用元件，从而使得就在通过加热一个或多个上游的交互作用元件产生的上游浓度脉冲到达该交互作用元件时，每个交互作用元件被加热，并解吸成分气体，使其进入样品流体流中。正如可以看到的那样，这产生了可以明显增大在检测器中的气体成分浓度的倍增效果，从而提高了检测器的有效灵敏度。

在第一种例证性实施方案中，提供一种浓缩器，用于浓缩样品流体流中的一种或多种成分。浓缩器优选的是有两个或多个沿着样品流体流隔开布置并暴露于样品流体流的交互作用元件。每个交互作用元件包括一种交互作用物质，它根据交互作用元件的温度，可以吸附和解吸样品流体流中选定的成分。提供了两个或多个加热器元件，每个加热器元件与相应的交互作用元件以热相通。

控制器以时间分段的次序为加热器元件供电。控制器优选的是为加热器元件供电，使得相应的交互元件的每一个被加热并解吸所选定的成分，使这些成分就在由一个或多个上游的交互作用元件产生的上游浓度脉冲到达该交互作用元件时进入样品流体流中。预计可以使用大量的，即N个交互作用元件，来获得在浓度脉冲中所希望的成分气体的浓缩倍增为N。

所得的浓度脉冲然后可以直接提供到检测器，用于检测和分析。该检测器可以是热导率检测器、放电电离子检测器、或者任何其它类型的检测器如在气相色谱仪中常用的那些检测器。但是，更优选的是所得的浓度脉冲首先提供到分离器。该分离器把所得的浓度脉冲中选定的气体成分分离成各个组成成分。检测器然后检测从分离器中流出的每种成分的浓度。

加热器元件优选的是由具有常见电阻和沿流动方向的长度的电阻材料形成。因此，控制器可以通过向每个加热器元件提供相等的电压、电流或电脉冲，为加热器元件同样地供电。电压、电流和电脉冲可以具有任何希望的形状，包括三角形、正方形、钟形或任何其它形状。甚至可以选择电压、电流和功率脉冲的形状和高度，以产生从吸附剂材料仅解吸选定的气体成分的温度分布。

还仔细考虑加热器元件长度可以沿着样品流体流增大。相对于上游的加热器元件，每个加热器的长度的增大量对应于预计的由于扩散引起的上游加热器元件的浓度脉冲长度的增大。为了与这种扩散作用匹配，更好地利用在浓缩器中增高的浓度波，每个加热器元件的长度可以类似地增大，以产生相同的电阻，从而适应用于每个加热器元件的相同的电压、电流或电脉冲，以获得相同的温度分布。另外，所有的加热器可以具有与第N个元件相同的长度，从而使控制器可以为所有的加热器提供适合分段时间的相同的电压、电流或电脉冲，从而产生相同的温度分布。

还仔细考虑两个或多个交互作用元件不必是分开的元件，而是可以由单一的交互作用层形成。两个或多个加热器元件然后可以与交互作用层的不同部分以热连接。这种构形可以简化浓缩器的制造。