Un método para analizar al menos un componente gaseoso individual en una mezcla de gases multicomponente,

que comprende: (a) proporcionar un arreglo de al menos dos materiales de detección conectados en circuitería en paralelo, mostrando cada material de detección de una característica respuesta eléctrica después de la exposición al componente gaseoso individual diferente de un material de detección distinto, en el que al menos un material de detección es un óxido metálico; (b) exponer el arreglo a la mezcla de gases; (c) determinar una respuesta eléctrica de cada material de detección después de la exposición del arreglo a la mezcla de gases; (d) determinar un valor para la temperatura de la mezcla de gases independientemente de la determinación de las respuestas eléctricas de los materiales de detección; y (e) digitalizar las respuestas eléctricas y el valor de la temperatura, y calcular un valor a partir de las respuestas eléctricas digitalizadas y un valor de la temperatura para determinar la concentración dentro de la mezcla de gases del componente gaseoso individual, caracterizado porque el arreglo está situado dentro de la mezcla de gases, que tiene una temperatura de 400ºC o más, en el que la temperatura de cada material de detección se determina sustancialmente sólo mediante la temperatura variable de la mezcla de gases.

Método para analizar mezclas de gases.

Campo de la invención La presente invención es un método para detectar y analizar ciertos gases, incluidos NOx, hidrocarburos, monóxido de carbono y oxígeno en un sistema gaseoso multicomponente que usa arreglos de sensores químicos. Los arreglos de sensores usan materiales quimio/electro-activos para calcular la concentración de gases individuales dentro de un sistema gaseoso multicomponente.

Antecedente de la técnica

Es bien conocido el uso de dispositivos de detección de productos químicos para detectar ciertos gases. Se han hecho muchos intentos para encontrar un material con selectividad y sensibilidad por un gas específico. Por ejemplo, el documento US 4.535.316 describe un sensor resistivo para medir oxígeno. Véase también H. Meixner et al., Sensors and Actuators, B 33 (1996) 198-202. Es evidente que para cada gas que va a ser detectado deben usarse materiales diferentes. Sin embargo, cuando un gas es parte de un sistema multicomponente, el uso de un material para detectar un gas específico es difícil debido a las sensibilidades cruzadas del material con los diversos gases componentes de la mezcla.

Un ejemplo de un sistema gaseoso multicomponente es una emisión de gases de combustión, que puede incluir oxígeno, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, CO2, H2S, dióxido de azufre, hidrógeno, vapor de agua, halógenos y amoníaco. Véase H. Meixner et al., de Fresenius J. Anal. Chem., 348 (1994) 536-541. En muchos procesos de combustión, existe la necesidad de determinar si las emisiones de gases cumplen los requisitos establecidos por los reglamentos federales y estatales de calidad del aire en varias jurisdicciones. Se han desarrollado varios tipos de sensores de gases para dirigirse a esta necesidad. Véanse los documento US 5.630.920, Friese et al., que describe un sensor electroquímico para el oxígeno; US 4.770.760, Noda et al., que describe un sensor para detectar oxígeno y óxidos de nitrógeno; y US 4.535.316, que describe un sensor resistivo para medir oxígeno. Sería ventajoso poder analizar simultáneamente dos o más componentes de una mezcla tal como una emisión de gases de combustión, calcular la concentración por ejemplo en términos sólo de datos generados por contacto directo de los gases con un sensor y sin tener que separar cualquiera de los gases en la mezcla. Los métodos de la técnica anterior no cumplen actualmente esta necesidad.

El documento US 4.457.161 describe un dispositivo de detección de gases que tiene sensores de óxido metálico.

El documento EP 0527258 describe un arreglo de sensores de gases que usa óxido de galio como material detector.

El documento US 6.109.095 describe un sensor de hidrocarburos basado en materiales de detección de óxido metálico.

El documento EP 0293255 describe un instrumento detector de gases que usa materiales de detección de óxido metálico.

El documento US 5.832.411 describe una red automática de unidades sensoras para el control, en tiempo real, de compuestos en un fluido sobre una superficie repartida.

Se han descrito numerosos sensores para detectar gases que se desprenden de los alimentos y de otras aplicaciones a temperatura relativamente baja. Véase K. Albert et al., Chem. Rev., 200 (2000) 2595-2626. También se han descrito arreglos de varios sensores de óxido de estaño sin impurezas y con impurezas para usarlos en la detección de varios gases de combustión hasta 450ºC. Véase C. Di Natale et al., Sensors and Actuators, B 20 (1994) 217-224; J. Getino et al., Sensors and Actuators, B33 (1996) 128-133; y C. Di Natale et al., Sensors and Actuators, B 23 (1995) 187-191. Sin embargo, a temperaturas superiores y en entornos muy corrosivos en los que se usaran sensores químicos para controlar gases de combustión, la temperatura de funcionamiento puede alterar o deteriorar el rendimiento del arreglo de sensores. Siendo éste el caso, los entornos con alta temperatura requieren el uso de materiales que sean estables tanto química como térmicamente y que mantengan respuestas a los gases de interés medibles. El efecto de la temperatura de funcionamiento sobre la respuesta de óxido de estaño basado en arreglos de sensores se estudió hasta 450ºC. Véase C. Di Natale, Sensors and Actuators, B23 (1995) 187-191. Sin embargo, además de los previamente conocidos en la técnica todavía se necesitan materiales que puedan proporcionar un método y aparato capaces de controlar directamente las emisiones gaseosas de sistemas de gases multicomponente a elevadas temperaturas, tal como se encontrarían en el funcionamiento de los sistemas de gases de combustión.

Dirigirse esta necesidad permitiría el uso de un sensor químico que midiera las emisiones de combustión, tal como las emisiones de los automóviles, y determinar si las emisiones cumplen los requisitos funcionales y obligatorios. Además, se ha encontrado sorprendentemente que el método y aparato de esta invención que son útiles para analizar gases a alta temperatura, tal como las emisiones en automoción, pueden usarse con igual efecto al analizar gases a baja temperatura.

Sumario de la invención

Esta invención proporciona un método para analizar al menos un componente gaseoso individual en una mezcla de gases multicomponente, que incluye las etapas de:

(a) proporcionar un arreglo de al menos dos materiales sensores conectados en circuitería en paralelo, exhibiendo cada material de detección después de una característica respuesta eléctrica después de la exposición al componente gaseoso individual diferente a la de uno y otro material sensor en el que al menos un material de detección es un óxido metálico;

(b) exponer el arreglo a la mezcla gaseosa;

(c) determinar una respuesta eléctrica de cada material de detección después de la exposición del arreglo a la mezcla gaseosa;

(d) determinar un valor para la temperatura de la mezcla gaseosa independientemente de la determinación de respuestas eléctricas de los materiales de detección; y

(e) digitalizar las respuestas eléctricas y el valor de la temperatura, y calcular un valor de las respuestas eléctricas digitalizadas y un valor de temperatura para determinar la concentración del componente gaseoso individual dentro de la mezcla de gases,

caracterizado porque el arreglo está situado dentro de la mezcla de gases, que tiene una temperatura de 400ºC o más, en donde la temperatura de cada material de detección es determinada sustancialmente sólo por la temperatura variable de la mezcla de gases.

Descripción de los dibujos La Figura 1 representa el concepto de arreglo de sensores.

La Figura 2 es un diagrama esquemático del modelo de electrodos entrelazados recubiertos con una cubierta dieléctrica, formando dieciséis pocillos de control.

La Figura 3 representa el modelo de electrodo, el modelo dieléctrico, y el modelo de material sensor usados en la preparación chips del arreglo para la medición.

Descripción detallada de la invención La presente invención es un método para detectar directamente uno o más gases analito en sistemas de gases multicomponente en condiciones de temperatura variable. Por “detectar directamente” se pretende indicar que un arreglo de materiales detectores de gases se expondrá a una mezcla de gases lo que constituye un sistema de gases multicomponente, tal como en una corriente de gases en circulación. El arreglo puede estar situado dentro de la mezcla de gases, y más particularmente dentro de la fuente de la mezcla de gases, si se desea. Alternativamente, el arreglo puede establecerse en una cámara a la que se dirija la mezcla de gases desde su origen en otra posición. La mezcla de gases puede introducirse y retirarse de la cámara por tuberías, conductos o cualquier otro equipo adecuado del traslado de los gases.

Una respuesta puede obtenerse después de exponer los materiales de detección de los gases a la mezcla de gases multicomponente, y la respuesta será función de las concentraciones de uno o más de los propios gases analitos en la mezcla de gases. Los materiales sensores se expondrán de forma sustancialmente simultánea a cada uno de los gases analito, y el gas o gases analito no tendrán que estar físicamente separados de la mezcla de gases multicomponente para ser analizados. Esta invención puede usarse, por ejemplo, para detectar y/o medir las concentraciones de los gases de combustión, tal como oxígeno, monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos tal como... [Seguir leyendo]

1. Un método para analizar al menos un componente gaseoso individual en una mezcla de gases multicomponente, que comprende:

(a) proporcionar un arreglo de al menos dos materiales de detección conectados en circuitería en paralelo, mostrando cada material de detección de una característica respuesta eléctrica después de la exposición al componente gaseoso individual diferente de un material de detección distinto, en el que al menos un material de detección es un óxido metálico;

(b) exponer el arreglo a la mezcla de gases;

(c) determinar una respuesta eléctrica de cada material de detección después de la exposición del arreglo a la mezcla de gases;

(d) determinar un valor para la temperatura de la mezcla de gases independientemente de la determinación de las respuestas eléctricas de los materiales de detección; y

(e) digitalizar las respuestas eléctricas y el valor de la temperatura, y calcular un valor a partir de las respuestas eléctricas digitalizadas y un valor de la temperatura para determinar la concentración dentro de la mezcla de gases del componente gaseoso individual,

caracterizado porque el arreglo está situado dentro de la mezcla de gases, que tiene una temperatura de 400ºC o más, en el que la temperatura de cada material de detección se determina sustancialmente sólo mediante la temperatura variable de la mezcla de gases.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la mezcla de gases es una emisión de un proceso de combustión.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que los gases componentes en la mezcla de gases no son separados.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la respuesta eléctrica se selecciona del grupo constituido por resistencia, impedancia, capacitancia, voltaje o intensidad de corriente.