热导率感测设备、其操作方法及其使用技术

公开了一种热导率感测设备(1)，连同用于操作该热导率感测设备的方法和在用于气相色谱分析的系统中的该热导率感测设备的使用，以及进行气相色谱分析的方法。该热导率感测设备用于感测流动气态环境中的一个或更多个气态组分。该设备具有暴露于相同的流动气态环境(G)的第一传感器(4B)和第二传感器(4A)。第一传感器具有相关联的流动改变装置(20)，以影响至少在第一传感器的表面的部分处的气体流动，从而不同于第二传感器的表面处的气体流动。每个传感器提供与传感器表面和气态环境之间的热传递有关的输出。该设备可操作以比较第一传感器和第二传感器的输出。该传感器能够减少流动气体的整体对流对热导率测量的影响。

Thermal conductivity sensing device, method of operation and use thereof

Disclosed is a thermal conductivity sensing device (1), together with a method for operating the thermal conductivity sensing device and used in gas chromatography analysis system used in the thermal conductivity sensing device, and analyzed by gas chromatography method. The thermal conductivity sensing device is used to sense one or more gaseous components in a flowing gaseous environment. The device has a first sensor (4B) and a second sensor (4A) exposed to the same flowing gaseous environment (G). The first sensor has an associated flow change device (20) to influence gas flow at least at the part of the surface of the first sensor, which is different from the flow of gas at the surface of the second sensor. Each sensor provides output related to heat transfer between the sensor surface and the gaseous environment. The device is operable to compare the output of the first sensor and the second sensor. The sensor can reduce the influence of the overall convection of the flowing gas on the thermal conductivity measurement.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热导率感测设备、其操作方法及其使用专利技术背景专利
本专利技术涉及热导率感测设备、涉及用于该热导率感测设备的操作方法以及涉及该热导率感测设备的使用。本专利技术特别让人感兴趣的是作为气态环境中的传感器，其用于感测可以提供关于气体组分的信息的气态环境的热导率。本专利技术在气相色谱分析和/或医学分析领域中具有特别但非排他性的适用性。相关技术气相色谱分析是用于分离和检测气体混合物的组分的技术。气相色谱分析通常使用分离柱进行。待分离成其组成组分的气体混合物使用载运气体(“移动相”)被携带穿过该柱。该柱设置有固定相(例如，柱的内表面上的涂层)。固定相以常规已知的方式将气体混合物的不同组分延缓到不同程度。因此，不同的组分以不同的速率通过分离柱，并在不同的特征时间(称为保留时间)从柱中洗脱。当分离的组分从柱中洗脱时，提供给气体流的检测器检测从柱中洗脱的组分。已知检测气态环境的热导率的合适的检测器。这些在本领域中被称为热导率检测器(TCD)。这些依赖于以下事实：不同的气体组分具有不同的热导率，并且特别是具有与移动相不同的热导率。当一个组分到达检测器时，气态环境的热导率的变化将表现为峰值。然后可以使用气态环境的热导率的变化连同保留时间来识别组分。TCD的一个益处在于它们不依赖于任何一种化学反应。它们不仅能够检测环境中不同组分的存在，而且考虑到对预期组分的识别，它们还能够提供与组分的浓度相关的信息。典型的已知TCD的基本运行原理是将加热的细丝定位成与气态分析物热接触。分析物的组成的变化通常改变分析物的热导率。因此，加热的细丝对分析物的损失热量的速率也改变，导致加热的细丝的温度变化。这种温度变化通常被测量作为加热的细丝的电阻的变化。依赖于热导率来测量低气体压力的设备的熟知示例是皮拉尼规(Piranigauge)，其具有暴露于气体的加热的细丝。压力越低，对周围环境的热损失的速率越低。因此，通过测量细丝的温度，可以推断出气体压力(即，真空的程度)。如上所述，TCD可以用于气相色谱分析，但也可以用于任何气体混合物的传感器，例如，氢气和天然气，或燃烧系统中的空气和燃料。Xensor集成bv(Distributieweg28，2645EJ德尔夫高(Delfgauw)，荷兰，www.xensor.nl)的热导率规XEN-TCG3880是市售传感器。它是薄膜热电堆TCD。该设备具有与热电堆的热接点接触的加热膜。冷接点连接到芯片的厚周缘。WO2011/044547公开了微型TCD，其由内部具有悬浮加热器的室与电流触点和电压触点构成。在一个实施方案中，存在沿气体流动路径定位的一系列的三个加热元件。沿气体流动路径流动的分析物带(analyteband)被第一元件检测并且随后由第二元件和第三元件检测，每个元件的检测之间的延迟提供了对流量的测量。Kaanta等人(2010)和Kaanta等人(J.Micromech.Microeng2011)讨论了利用热导率测量来推断检测器内样本气体的流量的传感器。该设备由数个检测器元件组成，它们都被同时加热和测量。这允许直接测量在样本前进穿过检测器的微通道时的样本峰值。这通过将加热的细丝保持在恒定温度并且监控维持温度所需的功率来起作用。功率越低，样本的热导率越低。通过将微型TCD连接成惠斯通电桥的四个部件中的一个来提供维持恒定温度所需的反馈系统。Rastrello等人(2012)和Rastrello等人(2013)公开了微加工TCD。在这里，两对相同的铂电阻器被布置在界定在悬浮介质膜上的惠斯通电桥中。电桥的一个臂被指定为参考通道，并且第二个臂被指定为分析通道。在使用过程中，分析通道接收气相色谱柱的气体流输出，而参考通道仅连接到空的熔融石英毛细管或载运气体。US2013/0256825A1公开了一种集成电路，其包括气体传感器。本文档中描述的传感器特征为电阻传感器元件，其位于其暴露于样本气体的位置中。该电路还包括屏障，其形成用于传感器位于内部的沟槽，其目的是抑制由将传感器直接暴露于流动气体而引起的有害影响。Romero等人(2013)讨论了用于流量和热导率测量的结合的测热方法。测热流量传感器通常特征为加热器和加热器的上游和下游的两个温度传感器，其中传感器之间的温度差表示流动速度。在本文中，通过以固定频率正弦地生成热量来测量热导率，允许在没有预先了解流量的情况下进行测量。如果气体的热扩散系数已知，则该设备还能够以DC模式测量气体的流量。专利技术概述影响一些已知TCD的问题是它们易受经过它们的气体流动的影响。当位于流动的气态环境中时，热量不仅由通过气体的传导来传递，而且还由因为气体自身的整体运动(bulkmotion)导致的平流传递。上面讨论的许多已知设备依赖于气体热传导的效应是主导的假设。然而，在快速流动和慢速流动的气体流动路径中，存在这种假设不成立的许多情况。这可以导致不正确的热导率测量，这是由于到气体中的热损失还包括来自气流的平流效应的实质性贡献。许多应用中的气体流可以是高度非线性的，并且可以强烈地依赖于诸如温度和压力的变量。因此，为了解释平流热损失效应，准确建模系统的流体动力学是非常复杂的。关于本专利技术感兴趣的是研究包括天然存在的气体(即，永久性气体)和/或挥发性有机化合物的气态环境。人们认为已知的气相色谱系统容许进一步改进。人们还认为，在医疗诊断装备领域中，例如关于呼吸分析方面，存在对于提供关于用于诊断目的的呼吸的组分的信息的未满足的需要。本专利技术已经被设想成以便解决以上问题中的至少一个。优选地，本专利技术减少、改善、避免或克服以上问题中的至少一个。本专利技术人已经认识到，可以通过在相同的气态环境中提供两个不同的传感器并比较两个传感器的输出来降低流动对热导率测量的影响。在本专利技术的一般方面中，本专利技术比较了相同气态环境中的两个传感器的输出，第一传感器具有相关联的流动改变装置，其影响至少在第一传感器的表面的部分处的气体流动来与气态环境进行热接触以便不同于第二传感器的表面处的气体流动，该设备可操作以比较第一传感器的输出和第二传感器的输出。因此，在第一优选方面中，本专利技术提供了一种用于感测流动气态环境中的一个或更多个气态组分的热导率感测设备，该设备具有暴露于气态环境的第一传感器和第二传感器，每个传感器提供用于与气态环境热接触的表面，每个传感器提供与所述表面和气态环境之间的热传递相关的输出，第一传感器具有相关联的流动改变装置，其影响至少在第一传感器的所述表面的部分处的气体流动以便不同于第二传感器的表面处的气体流动，该设备可操作以比较第一传感器的输出和第二传感器的输出。在第二优选方面中，本专利技术提供了一种用于测量流动气态环境中的一个或更多个气态组分的热导率的方法，该方法包括：将第一传感器的表面暴露于流动气态环境，用于第一传感器和气态环境之间的热接触；生成与第一传感器的所述表面和气态环境之间的热传递有关的第一输出；将第二传感器的表面暴露于相同的流动气态环境，用于第二传感器和气态环境之间的热接触；生成与第二传感器的所述表面和气态环境之间的热传递有关的第二输出；比较第一传感器的输出和第二传感器的输出；其中，第一传感器具有相关联的流动改变装置，其影响至少在第一传感器的所述表面的部分处的气体流动以便不同于第二传感器的表面处的气体流动。在第三优选方面中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热导率感测设备，其用于感测流动气态环境中的一个或更多个气态组分，所述设备具有暴露于所述气态环境的第一传感器和第二传感器，每个传感器提供与所述气态环境热接触的表面，每个传感器提供与所述表面和所述气态环境之间的热传递相关的输出，所述第一传感器具有相关联的流动改变装置，所述流动改变装置影响至少在所述第一传感器的所述表面的部分处的气体流动，从而不同于所述第二传感器的所述表面处的气体流动，所述设备可操作以比较所述第一传感器的输出和所述第二传感器的输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.27 GB 1421102.31.一种热导率感测设备，其用于感测流动气态环境中的一个或更多个气态组分，所述设备具有暴露于所述气态环境的第一传感器和第二传感器，每个传感器提供与所述气态环境热接触的表面，每个传感器提供与所述表面和所述气态环境之间的热传递相关的输出，所述第一传感器具有相关联的流动改变装置，所述流动改变装置影响至少在所述第一传感器的所述表面的部分处的气体流动，从而不同于所述第二传感器的所述表面处的气体流动，所述设备可操作以比较所述第一传感器的输出和所述第二传感器的输出。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一传感器和所述第二传感器设置有相应的加热元件。3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述加热元件中的至少一个由钨或钨基合金制成。4.根据权利要求2或权利要求3所述的设备，其中，所述加热元件嵌入到提供与所述气态环境热接触的表面的膜结构中，所述加热元件具有用于向所述加热器提供电功率的电触点，其中所述膜结构被支撑在硅或SOI衬底上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述第一传感器和所述第二传感器用于定位在具有与所述传感器表面相对的壁的通道中，其中，所述传感器表面和所述通道壁之间的距离为至多10000μm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，除了所述流动改变装置之外，所述第一传感器和所述第二传感器大体上相同。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述流动改变装置包括在所述第一传感器的表面中的至少一个凹部。8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述凹部是凹槽。9.根据权利要求7或权利要求8所述的设备，其中，多个凹部被提供。10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述设备具有多个凹槽。11.根据权利要求10所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦桑特·拉马钱德兰·库马尔，索哈布·萨尔夫拉兹，弗罗林·乌德雷亚，
申请(专利权)人：剑桥企业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB