CN101655472A - 一种用于热导式气体检测的恒温绝热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于热导式气体检测的恒温绝热系统，由热导传感器恒温单元和导气管恒温单元组成，热导传感器恒温单元由导气腔室、固定于导气腔室中的热导传感器和导气腔室加热控温系统组成，导气管恒温单元由导气管和导气管加热控温系统组成，导气管一端通入导气腔室中。本发明通过分别对放置热导传感器的导气腔室和输送待测气体的导气管进行加热控温，使热导传感器的周围温度与导气管中待测气体温度均略高于环境温度并保持恒定，在检测过程中，克服了环境温度变化引起的测量温度漂移，提高了热导式气体检测的精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高热导式气体检测精度的环境温度补偿系统，具体涉及一种用于热导式气体检测的恒温绝热系统。
背景技术
热导传感器是最早被应用于气体检测领域的传感器之一。它的工作原理是基于不同气体具有不同的导热系数，而气体浓度的变化会引起混合气体导热系数的改变。热导传感器的热导具有电阻随温度变化的特性，当有电流通过热导传感器的热导时，热导被加热，由于待测气体的热传导作用使热导的一部分热量被待测气体带走，热导的温度下降。在这个动态的过程中，热导的电阻值和热导内部的电流发生变化，传感器便有信号输出。此时输出的电信号与待测气体的浓度成一定的比例关系，这是热导传感器进行气体浓度测量的基本原理。
中国专利ZL200620098453.3提供一种热导式气体检测器，由热导传感器和热导池组成，热导池设有主气路通道和检测室，主气路通道与检测室之间设有过滤片，热导传感器放置于热导池的检测室中。主气路中的测量气体通过扩散的方式经过滤片进入检测室，与热导传感器充分接触，达到测量的要求。
热导传感器具有检测范围大：最高测量浓度可达100％；工作稳定性好：有较高的可靠性和使用寿命；可以检测几乎所有气体：既可以检测可燃性气体，也可以检测惰性气体；装置结构简单、维护方便等优良特性。这些优良特性是许多其它类型的气体传感器所不具备的。但是，热导传感器在气体检测实地使用中由于受环境温度多变、被测气体温度不稳定，以及热导本身温度变化等因素的影响，存在检测精度差、灵敏度低、温度漂移大等缺陷，限制了其在众多领域中的广泛应用。
目前气体检测技术主要集中在低浓度和极低浓度气体的检测，而中、高浓度气体检测成熟技术的研究在煤炭、化工、环境、军事和科学研究等众多领域都具有迫切性。如何充分发挥热导传感器的优良特性，解决实际应用中存在的诸多问题，便成为深入分析和研究的目标之一。
文献1(黄为勇等，2006，传感技术学报，Vol.19，No.4，973-975)为了克服传统热导传感器气体检测方法中传感器温度随被测气体浓度、温度变化所导致的检测误差大、温度漂移大等诸多缺陷，提出了一种使传感器热导本身保持在恒温状态的气体浓度检测新方法，此方法通过调整电桥的平衡使热导中电流保持恒定，电流补偿的数值反映出气体导热系数的大小，此方法提高了系统的检测性能。
但是环境温度的变化直接影响检测装置的散热条件，改变了待测气体的温度。根据传热学理论可知：气体导热系数不是固定不变的，它是温度的函数，随温度的升高而上升；根据变化的导热系数测定的气体浓度显然是不正确的。而上述文献中并未对环境温度变化影响致使热导传感器检测精度差、灵敏度低、温度漂移大等缺陷提出有效的解决方法。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术中热导传感器受环境温度变化影响大，致使热导传感器检测精度差、灵敏度低、温度漂移大等缺陷，本发明提供一种可消除环境温度变化干扰的恒温绝热系统，实现对被测气体浓度的精确分析和高灵敏度检测。
本发明提供的一种用于热导式气体检测的恒温绝热系统，包括热导传感器恒温单元，所述热导传感器恒温单元由导气腔室、固定于导气腔室中的热导传感器和导气腔室加热控温系统组成。
本发明通过设置热导传感器恒温单元，对内设热导传感器的导气腔室(热导池)进行加热控温，使导气腔室中待测气体温度略高于环境温度并保持恒定，在待测气体与导气腔室中热导传感器充分接触检测时，克服了环境温度变化引发导气腔室内气体温度波动从而引起的测量温度漂移，提高了热导式气体检测的精度和灵敏度。
进一步，所述热导传感器恒温单元中导气腔室为金属材料，可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕其上进行加热，通过导气腔室中的温度传感器实时监测腔室中温度，导气腔室外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层。
进一步，所述恒温绝热系统由热导传感器恒温单元和导气管恒温单元组成，所述热导传感器恒温单元由导气腔室、固定于导气腔室中的热导传感器和导气腔室加热控温系统组成，所述导气管恒温单元由导气管和导气管加热控温系统组成，所述导气管一端通入导气腔室中。
本发明通过在热导传感器中设置热导传感器恒温单元和导气管恒温单元，分别对放置热导传感器的导气腔室和输送待测气体的导气管进行加热控温，使热导传感器的周围温度与导气管中待测气体温度略高于环境温度并保持恒定，在导气管中待测气体进入导气腔室并与热导传感器充分接触检测过程中，克服了环境温度变化引发待测气体及热导传感器周围温度波动从而引起的测量温度漂移，提高了热导式气体检测的精度和灵敏度。
进一步，所述热导传感器恒温单元中导气腔室为铜质材料，可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕其上进行加热，通过导气腔室中的温度传感器实时监测腔室中温度，导气腔室外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层，所述导气管恒温单元中可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕在导气管上进行加热，通过导气管中温度传感器实时监测导气管内温度，导气管外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层。
进一步，所述保温绝热材料为聚氨脂泡沫塑料、石棉或聚苯乙烯泡沫塑料，所述温度传感器为铂电阻、热电耦或热敏电阻。
进一步，所述导气管恒温单元中铜质的导气管置于铜质且外表面具有螺旋状凹槽的螺旋引导槽中，所述电阻丝紧密分布在螺旋引导槽上对导气管进行加热。
螺旋引导槽和导气管均采用铜质材料，电阻丝紧密分布在螺旋引导槽上进行加热，导气管绕在螺旋引导槽的凹槽中，热量将快速传导到整个导气管，气体流过螺旋绕制的导气管时被加热。导气管在螺旋引导槽上的螺旋式分布，在充分保证了被加热的有效长度基础上，大大缩小了导气管的安装空间，便于加热控温，同时减少与外界的热传递，降低热量的损耗。
进一步，所述导气腔室和导气管中控制温度均为35℃-60℃，且温度相同。
进一步，所述导气管恒温单元中铜质的导气管置于铜质且外表面具有螺旋状凹槽的螺旋引导槽中，电阻丝紧密分布在螺旋引导槽上对导气管进行加热，其外围用聚氨脂发泡材料整体包裹的螺旋引导槽为圆筒状，套设于热导传感器恒温单元外，其整体结构横截面形成同心圆状结构。
进一步，所述导气管恒温单元中气体通过U型管状过滤器过滤，电阻丝紧密缠绕在所述管状过滤器上进行加热，所述管状过滤器中填充粉末冶金材料。
管状过滤器有极小的通气孔径，气体从U型的管状过滤器内部进入，流经过滤器时就会被加热，然后到达过滤器外部汇集。
所述粉末冶金材料为铜粉、不锈刚粉或镍合金粉，所述粉末颗粒直径为2-9μ。
本发明中的导气腔室、导气管及螺旋引导槽可采用耐腐蚀且导热性好的不锈钢材料或铜质材料，优选为铜质材料。
本发明中铂电阻采用PT1000，精度±0.5％，可有效实时监测气体的温度变化。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过在热导传感器中设置热导传感器恒温单元和导气管恒温单元，分别对放置热导传感器的导气腔室和输送待测气体的导气管进行加热控温，使热导传感器的周围温度与导气管中待测气体温度略高于环境温度并保持恒定，在导气管中待测气体进入导气腔室并与热导传感器充分接触的检测过程中，克服了环境温度变化引发待测气体温度波动而引起的测量温度漂移，与文献1的方法相结合可最大限度的提高热导式气体检测的精度和灵敏度。
2.本发明采用传热效果好的铜质材料作为导气腔室和导气管的制作材料，采用缠绕其上的电阻丝通过电流控制对其进行加热，导气腔室、导气管中的铂电阻实时监测温度，外围用聚氨脂发泡材料整体包裹，最大限度的减少与外界的热传递，实现对待测气体及热导传感器周围温度的恒温绝热控制。
3.导气腔室和导气管中控制温度相同，避免待测气体进入导气腔室时温度改变，控制温度略高于环境温度，但低于热导的温度，保证测量过程中待测气体恒定的导热系数，保证检测的精度和灵敏度。
4.将热导传感器恒温单元与导气管恒温单元整合到一体，不仅可以缩小两组单元模块的体积，更能够最大程度减小两组单元之间的连接长度，这种同心圆结构形式采用绝热材料层层包裹，使系统与外界环境的接触面积最小，降低热量的损耗，大大增强了在各种恶劣环境下使用的可能性。
5.将电阻丝缠绕的填充粉末冶金材料的管状过滤器作为导气管恒温单元的加热结构，在对待测气体加热的同时对待测气体进行过滤，可有效滤除测量气体中水汽、颗粒等杂质，减少其对测量的影响和对热导传感器的破坏。
附图说明
图1为现有技术热导传感器结构示意图；
图2为本发明用于气体检测的热导传感器恒温绝热系统中热导传感器恒温单元与导气管恒温单元整合为一体，形成同心圆结构示意图；
图3为本发明中管状过滤器作为导气管恒温单元加热结构的示意图；
其中，1-热导池，2-过滤片，3-密封圈，4-前置板，5-热导传感器，6-检测室，7-导流孔，8-主气路，9-导气腔室，10-铂电阻I，11-热导传感器，12-电阻丝I，13-绝热层I，14-导气管，15-铂电阻II，16-螺旋引导槽，17-电阻丝II，18-绝热层II，20-进气管，21-管状过滤器，22-电阻丝III，23-绝热集气室，24-铂电阻III，25-进气口，26-出气口。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
一种热导传感器气体浓度检测的恒温绝热系统，由热导传感器恒温单元和导气管恒温单元组成，热导传感器恒温单元由导气腔室9、固定于导气腔室9中的热导传感器11和导气腔室加热控温系统组成，热导传感器恒温单元中导气腔室9为铜质材料，可调节两端电压的电阻丝12紧密缠绕其上进行加热，导气腔室9中的铂电阻10实时监测腔室中温度，导气腔室外围用聚氨脂发泡材料整体包裹形成绝热层13，导气管恒温单元由导气管14和导气管加热控温系统组成，导气管14一端通入导气腔室9中，使导气管中待测气体与固定于导气腔室9中的热导传感器11充分接触进行气体浓度检测。导气管恒温单元中铜质的导气管14置于铜质且外表面具有螺旋状凹槽的螺旋引导槽16中，电阻丝17紧密分布在螺旋引导槽16上对导气管14进行加热，所述螺旋引导槽16为圆筒状，套设于热导传感器恒温单元外围，其整体结构横截面形成同心圆状结构。
此实施例将热导传感器恒温单元与导气管恒温单元整合到一体，不仅可以缩小两组单元模块的体积，更能够最大程度减小两组单元之间的连接长度，这种同心圆结构形式采用绝热材料层层包裹，使系统与外界环境的接触面积最小，降低热量的损耗，大大增强了在各种恶劣环境下使用的可能性。
实施例2
一种热导传感器气体浓度检测的恒温绝热系统，与实施例1基本相同，所不同之处在于，热导传感器恒温单元与导气管恒温单元为两个独立的单元模块通过管路连接在一起。
实施例3
一种热导传感器气体浓度检测的恒温绝热系统，包括导气管恒温单元，如图3所示，导气管恒温单元采用直接加热一根U型的管状过滤器，此过滤器填充铜粉末，管状过滤器有极小的通气孔径；气体从U型的管状过滤器内部进入，流经过滤器时就会被加热，然后到达过滤器外部汇集，与热导传感器充分接触以检测气体浓度。
尽管通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述恒温绝热系统包括热导传感器恒温单元，所述热导传感器恒温单元由导气腔室、固定于导气腔室中的热导传感器和导气腔室加热控温系统组成。
2.按照权利要求1所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述热导传感器恒温单元中导气腔室为金属材料，可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕其上进行加热，通过导气腔室中的温度传感器实时监测腔室中温度，导气腔室外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层。
3.按照权利要求1所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述恒温绝热系统由热导传感器恒温单元和导气管恒温单元组成，所述热导传感器恒温单元由导气腔室、固定于导气腔室中的热导传感器和导气腔室加热控温系统组成，所述导气管恒温单元由导气管和导气管加热控温系统组成，所述导气管一端通入导气腔室中。
4.按照权利要求3所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述热导传感器恒温单元中导气腔室为铜质材料，可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕其上进行加热，通过导气腔室中的温度传感器实时监测腔室中温度，导气腔室外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层，所述导气管恒温单元中可调节两端电压的电阻丝紧密缠绕在导气管上进行加热，通过导气管中温度传感器实时监测导气管内温度，导气管外围用保温绝热材料整体包裹形成绝热层。
5.按照权利要求4所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述保温绝热材料为聚氨脂泡沫塑料、石棉或聚苯乙烯泡沫塑料，所述温度传感器为铂电阻、热电耦或热敏电阻。
6.按照权利要求1或4所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述导气管恒温单元中铜质的导气管置于铜质且外表面具有螺旋状凹槽的螺旋引导槽中，所述电阻丝紧密分布在螺旋引导槽上对导气管进行加热。
7.按照权利要求3或4所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述导气腔室和导气管中控制温度均为35℃-60℃，且温度相同。
8.按照权利要求4所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述导气管恒温单元中铜质的导气管置于铜质且外表面具有螺旋状凹槽的螺旋引导槽中，电阻丝紧密分布在螺旋引导槽上对导气管进行加热，其外围用聚氨脂发泡材料整体包裹的螺旋引导槽为圆筒状，套设于热导传感器恒温单元外，其整体结构横截面形成同心圆状结构。
9.按照权利要求2或4所述的用于热导式气体检测的恒温绝热系统，其特征在于，所述导气管恒温单元中气体通过U型管状过滤器过滤，电阻丝紧密缠绕在所述管状过滤器上进行加热，所述管状过滤器中填充粉末冶金材料。
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