CN103069260B - 气体传感器壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体传感器壳体（1），它包括：气体传感器（3），该气体传感器由壳体本体（11）保持在初级气体可透过膜（2）下方；至少一个连接器元件（10），该至少一个连接器元件模制到壳体本体（11）中，使得连接器元件的相应端部能够实现与气体传感器（3）的连接，从而信号可以从气体传感器（3）传送到连接器元件（10）；传感器封套（9），该传感器封套提供用于壳体本体（11）的外罩；用来将初级气体可透过膜（2）在气体传感器（3）上方保持到位的装置；间隔件部分（7），该间隔件部分提供在气体传感器（3）与初级气体可透过膜（2）之间的分隔距离（X）。

Description

气体传感器壳体

技术领域

本发明涉及一种气体传感器壳体。另外，本发明涉及一种包括根据本发明的气体传感器壳体的试验气体检测系统以及包括根据本发明的气体传感器壳体的一种泄漏测试系统。

背景技术

在使用示踪气体的泄漏测试和泄漏检测中，待测试泄漏的物体填充有气体或气体混合物，该气体或气体混合物包含借助于泄漏检测器可检测的至少一种成分。这种泄漏检测器将可跟踪成分（通常称作示踪气体）的存在变换成数字、电、声学或光学信号。

示踪气体常常不仅用来检测泄漏的存在和大小，而且一旦检测到泄漏就用来定位泄漏。这通过使用检测器来记录在泄漏附近或直接接近于泄漏的可跟踪物质的增加的量而进行。

为了使检测器能够记录泄漏，逃逸的示踪气体的至少一部分必须与泄漏检测器的气体敏感传感器直接接触。当前用来将逃逸的示踪气体输送到检测器的气体敏感传感器的两种主要原理是已知的：

a）具有管嘴的抽吸管（常常称作检漏头）施加在泄漏地点与气体敏感传感器之间。当抽吸管的进口孔口足够靠近泄漏地点时，示踪气体被从泄漏地点吸入，并且通过抽吸管输送到对于示踪气体敏感的传感器的紧邻附近，从而示踪气体主要通过扩散可以到达传感器，于是检测器布置成发出信号，例如光学和/或声学信号，以向操作人员发出泄漏的警报。

b）气体敏感传感器布置得如此靠近泄漏地点，从而示踪气体主要通过扩散可到达对于示踪气体敏感的传感器，于是检测器布置成发出信号，例如光学和/或声学信号，以向操作人员发出泄漏的警报。

现今传感器芯片或珠条通常安装在标准壳体中，例如安装在TO18中，该TO18通常用来容纳晶体管或其它微电子装置。另一种常用壳体类型呈由FigaroEngineeringInc.对其TGS821-用于氢气的特定传感器（SpecialSensorforHydrogenGas）首先使用的式样，该壳体类型现今由多个传感器制造商使用。

对于全部传感器壳体普遍的是，使它们机械地保护其感测元件免于例如机械碰撞、灰尘及热冲击。

在气体传感器中，气体可以通过将样本气体流引导到感测元件的起作用表面上而到达传感器。尽管这种过程保证了在传感器的起作用表面上快速建立正确的气体浓度，但流量或温度变化的显著危险可能导致错误读数。

将气体流引导到起作用表面上也导致了增大的颗粒污染危险。因此通常是，将感测元件布置成仅通过扩散与环境气体连通。实现其的常见做法是，将精细过滤器（如烧结盘或PTFE膜）布置在感测元件的前面。这种精细过滤器通常也叫做扩散膜。

扩散原理非常可靠，但仍然具有少量缺陷，如在起作用表面上建立正确的气体混合物较慢。

在一种示例性用途（人工泄漏检测）中，常常将传感器带到怀疑泄漏点的紧邻附近，或者简单地扫过待检查泄漏的表面。显然，对于这种使用，高响应速度是有益的。

当将传感器移动到泄漏点时，也有机械碰撞和由污物（例如灰尘、油及油脂）污染的迫近的危险。

现今通常可得到的传感器的壳体典型地不能良好地适于经受这样的环境，并且泄漏检测探针因此通常在探针末端中装有至少一个额外的阻挡物，以用来保护实际的传感器壳体。这种额外的保护阻挡物也增加检测器响应的延迟。

现今可买到的传感器通常驻留在壳体中，这些壳体典型地装有多根触针。泄漏检测探针因而典型地具有匹配的接触窝，传感器壳体的触针插入到该匹配的接触窝中。

这些现今可买到传感器在没有任何另外的保护的情况下几乎不适于应用在探针的末端处。某种保护“帽盖”因此通常搭扣配合或拧到传感器的顶部上。

除增大总距离之外，这种安装导致至少两个过滤器阻挡物在它们之间具有封闭体积。该布置通过将浓度梯度划分成两个较小梯度而进一步减小扩散速度，这两个较小梯度每个均与较靠近起作用表面的体积连通。

通常，各个过滤器阻挡物中的每一个将需要自支撑，并因此要求某种厚度。因而，一个或多个额外过滤器阻挡物的提供通常使厚度增大，超过仅仅厚度的合计。

发明内容

因而，本发明的目的是提供一种改进的气体传感器壳体，该改进的气体传感器壳体能够实现用来检测气体存在的增大的响应速度以及用来实现随后的检测的较短恢复时间。

这个目的借助于一种气体传感器壳体而实现，该气体传感器壳体具有权利要求1的特征。

以上目的由于一种气体传感器壳体的提供而实现，该气体传感器壳体包括：气体传感器，该气体传感器由壳体本体保持在初级气体可透过膜下方；至少一个连接器元件，该至少一个连接器元件模制到壳体本体中，从而其相应端部能够实现与气体传感器的连接，从而信号可以从气体传感器传送到连接器元件；传感器封套，该传感器封套提供用于壳体本体的外罩；用来将初级气体可透过膜在气体传感器上方保持到位的装置；间隔件部分，该间隔件部分提供在气体传感器与初级气体可透过膜之间的分隔距离。

本发明的进一步目的是提供一种改进的试验气体检测系统。

这个进一步目的借助于一种试验气体检测系统而实现，该试验气体检测系统具有权利要求14的特征。

本发明的更进一步目的是提供一种改进的泄漏测试系统。

这个更进一步目的借助于一种试验气体检测系统而实现，该试验气体检测系统具有权利要求15的特征。

优选实施例列在从属权利要求中。

附图说明

仅作为例子，现在将参照附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的气体传感器壳体的外部视图。

图2是穿过根据图1的气体传感器壳体的一个实施例的截面。

图3是穿过根据图1的气体传感器壳体的可选择实施例的截面。

图4是穿过根据图1的气体传感器壳体的又一个可选择实施例的截面。

图5是穿过根据图1的气体传感器壳体的再一个可选择实施例的截面，该气体传感器壳体包括光学传感器。

本发明的另外其它目的和特征由结合附图考虑的如下详细描述将成为显然的。然而，要理解，附图仅仅打算用于说明目的，而不作为本发明的界限的定义，对于本发明的界限的定义应该参考所附的权利要求书。还应该理解，附图不一定按比例画出，除非另外指示，它们仅仅旨在从概念上示出这里描述的结构和过程。相同附图标记将用来示出在不同图中的对应的特征。

具体实施方式

本发明基于如下：按照Fick第二扩散定律，在气体传感器的起作用表面上建立某种浓度所需要的时间，与在起作用表面和扩散膜的外表面之间的距离的平方成比例。

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂t}=D\frac{{\∂}^2\mathrm{\φ}}{{\∂x}^2}$

其中

φ是以mol/m³为单位的浓度

t是以s（秒）为单位的时间

D是以m²/s为单位的扩散系数

x是以m（米）为单位的扩散距离

Fick第一定律示出了穿过扩散膜的气体流量与横过膜的浓度梯度成比例。

$J=-D\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂x}$

其中

J是以mol/(m²s)为单位的流量

扩散的这两种基本性质已经被发现减慢现今已知传感器的响应时间和恢复时间。现今已知传感器的恢复时间位于大约60-70秒的量级大小中。注意，尽管一些检测器现今声称1-10秒的恢复时间，但这是仪器水平，并且通常与t90%相对应。所述仪器加速复位，从而它们将在实际传感器已经恢复之前的一段显著时间显示零。

因而已经认识到，按照Fick定律，应该有利的是，使扩散距离和在扩散膜后面的内部体积最小。

因而，当将气体传感器集成在需要额外的保护阻挡物的人工或其它探针中时，希望的是，使待被检测的气体必须扩散以便到达起作用表面的距离最小。

在图1中示出了根据本发明的气体传感器壳体1的外部视图。气体传感器壳体1具有初级气体可透过膜2（或扩散膜2），待被检测的气体将需要穿过该初级气体可透过膜2扩散。这个初级气体可透过膜2可以例如如示出的那样由传感器封套9的向内突出边缘6保持到位，该传感器封套9例如可以是金属封套。可选择地，初级气体可透过膜2可以通过胶粘或焊接保持到位。一对连接器元件10从气体传感器壳体1的底部突出。

图2示出了穿过根据图1的气体传感器壳体的第一实施例的截面。气体传感器3由壳体本体11保持在初级气体可透过膜2下方。壳体本体11可以由热塑性材料模制，如由至少部分地包括聚醚醚酮（PEEK）的热塑性材料模制，以便保证低生产成本。PEEK对于高达约250°C的温度具有优良的热和机械性能。

两个连接器元件10模制到壳体本体11中，使得连接器元件的相应端部从壳体本体11的底部突出，并且使得这些端部到达壳体本体11的顶部，从而能够实现与气体传感器3的连接。连接器引线5将连接器元件10与气体传感器3相连，从而电信号可以从气体传感器3传送到连接器元件10。连接器引线5可以是贵金属合金丝引线5，并且还可以焊接到连接器元件10。

传感器封套9提供用于壳体本体11的外罩，并且通过向内突出边缘6将初级气体可透过膜2在气体传感器3上方保持到位。传感器封套9的向内突出边缘6因而限制初级气体可透过膜2远离壳体本体11的运动。环形间隔件部分7保证了在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X，该环形间隔件部分7与壳体本体11整体地形成，并且至少部分地围绕气体传感器3，该分隔距离X也提供用来容纳连接器引线5所需的空间。如以上提到的那样，在可选择实施例中，初级气体可透过膜2可以通过胶粘或焊接至传感器封套9和环形间隔件部分7的任一个或两者而保持到位。

如图2所示，气体传感器3可以搁置在壳体本体11的凹入部分8中。在可选择实施例中，气体传感器3当然可以搁置在壳体本体11的非凹入平面表面上，即使这种布置可能是较不利的，因为在壳体本体11与初级气体可透过膜2之间形成的空间的体积可能比在图2中示出的实施例中大。

在更进一步的实施例中，想到的是，甚至进一步使在壳体本体11与初级气体可透过膜2之间形成的空间的体积最小，即，使在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X最小。这通过在壳体本体11的环形间隔件部分7与初级气体可透过膜2之间引入选择性次级气体可透过膜4是可能的。通过施加具有电绝缘性能的次级气体可透过膜4，甚至可以进一步减小分隔距离X，因为该次级气体可透过膜4则能保证连接器引线5不接触可能导电的初级气体可透过膜2。

这种次级气体可透过膜4例如可以至少部分地由聚四氟乙烯（PTFE）或类似的卤代烃聚合物制成。适当的膜例如由MilliporeCorporation提供。这样的PTFE膜提供优良的电绝缘性能，并且对于高达约250°C的温度具有优良的热和机械性能。

在其中施加次级扩散膜4的实施例中，可以将初级扩散膜2用诸如金属丝网之类的更敞开的结构代换。在这种情况下，金属丝网仅用于保持和机械保护第二扩散膜4的目的。这是有利的，因为金属丝网常常可以制得比常用烧结盘薄。

根据本发明的气体传感器壳体1的可选择实施例示出在图3中，图3示出了穿过根据图1的气体传感器壳体的可选择实施例的截面。如在第一实施例中那样，气体传感器3由壳体本体11保持在初级气体可透过膜2下方。

两个连接器元件10如在第一实施例中那样模制到壳体本体11中，使得其相应的端部从壳体本体11的底部突出，并且使得它们到达壳体本体11的顶部，从而能够实现与气体传感器3的连接。连接器引线5如在第一实施例中那样将连接器元件10与气体传感器3相连，从而电信号可以从气体传感器3传送到连接器元件10。

如在第一实施例中那样，传感器封套9提供用于壳体本体11的外罩，并且通过向内突出边缘6将初级气体可透过膜2在气体传感器3上方保持到位。传感器封套9的向内突出边缘6因而限制初级气体可透过膜2远离壳体本体11的运动。可选择地，如较早描述的那样，初级气体可透过膜2可以通过胶粘或焊接保持到位。

然而，根据图3的这个可选择实施例与图1的实施例的不同之处在于如下事实：环形间隔件部分7在根据图3的这个可选择实施例中不与壳体本体11整体地形成，而是布置在壳体本体11与初级气体可透过膜2之间的单独的实体，该环形间隔件部分7至少部分地围绕气体传感器3，并且保证在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X。更进一步的可选择实施例示出在图4中。根据图4的实施例与根据图2和3的实施例的不同之处在于：间隔件部分7在根据图4的这个更进一步可选择实施例中与传感器封套9整体地形成，该环形间隔件部分7至少部分地围绕气体传感器3，并且保证在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X。在另外的可选择实施例中，初级气体可透过膜2可以如上所示的那样通过胶粘或焊接至传感器封套9和环形间隔件部分7的任一个或两者而保持到位。

如图3所示，气体传感器3可以如在第一实施例中那样搁置在壳体本体11的凹入部分8中，或者在进一步可选择实施例中，气体传感器3当然可以搁置在壳体本体11的非凹入平面表面上，即使这种布置可能是较不利的，因为在壳体本体11与初级气体可透过膜2之间形成的空间的体积可能比在图3中示出的实施例中大。

在更进一步的可选择实施例中，想到的是，甚至进一步使在壳体本体11与初级气体可透过膜2之间形成的空间的体积最小，即，使在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X最小。如在第一实施例中那样，这通过在环形间隔件部分7与初级气体可透过膜2之间引入选择性次级气体可透过膜4是可能的。通过施加具有电绝缘性能的次级气体可透过膜4，可以甚至进一步减小分隔距离X，因为次级气体可透过膜4则能保证连接器引线5不接触可能导电的初级气体可透过膜2。

为了最佳性能，优选的是，使用提出的不同实施例的上述气体传感器壳体1，使气体传感器3是平面芯片气体传感器3。已经发现，与其它类型的传感器相比，薄膜气体传感器3通过提供更快的扩散和恢复而提供优良性能。与现今常用传感器相比，用于薄膜气体传感器3的恢复时间位于大约10秒的量级大小中，这些现今常用传感器的恢复时间通常位于大约60-70秒的量级大小中。

在根据图5的更进一步可选择实施例中，示出了穿过根据图1的气体传感器壳体的截面。然而，在这个实施例中，光学气体传感器3由壳体本体11保持在初级气体可透过膜2下方。壳体本体11可以如以前那样由热塑性材料模制，如由至少部分地包括聚醚醚酮（PEEK）的热塑性材料模制。

连接器元件10由具有包层12的纤维光学导体提供，该连接器元件10模制到壳体本体11中，使得其端部在壳体本体11的底部附近是可接近的，并且使得端部到达气体传感器3，从而光学信号（虚线箭头13）可以传送到气体传感器3和从气体传感器3传送。

传感器封套9提供用于壳体本体11的外罩，并且通过向内突出边缘6将初级气体可透过膜2在气体传感器3上方保持到位。传感器封套9的向内突出边缘6因而限制初级气体可透过膜2远离壳体本体11的运动。可选择地，如较早描述的那样，初级气体可透过膜2可以通过胶粘或焊接保持到位。环形间隔件部分7保证在气体传感器3与初级气体可透过膜2之间的分隔距离X，该环形间隔件部分7与壳体本体11整体地形成，并且至少部分地围绕气体传感器3。可选择地，分隔距离X当然可以按照图3或图4的实施例而提供。在又进一步的可选择实施例中，初级气体可透过膜2可以如上所述那样通过胶粘或焊接至传感器封套9和环形间隔件部分7的任一个或两者而保持到位。

作为例子，对于氢气（H₂）敏感的光学气体传感器可以通过用钯（Pd）涂敷Bragg-滤光镜/屏幕或者镜子而实现，借此当吸附气体时，将发生光学性能（衍射）的变化。其它例子包括这样的材料，这些材料当暴露于某种或某些气体时改变颜色，并由此改变某种波长的光的反射和/或吸收。

本发明还涉及一种试验气体检测系统，该试验气体检测系统包括根据上述实施例任一个中的气体传感器壳体1。

本发明还涉及一种泄漏测试系统，该泄漏测试系统包括根据上述实施例任一个中的气体传感器壳体1。

这样的试验气体检测系统和泄漏测试系统典型地包括气体传感器、光学或电导体、仪器，该气体传感器包含在壳体中，该光学或电导体将信号从传感器传送到评估电路，该仪器包括：评估电路；人机接口；及机器-机器接口。在其中系统打算用于人工操作的情况下，也常见的是，系统包括手柄，传感器和有时还有评估电路或甚至完整仪器安装在该手柄上。

对于在上文中描述的本发明的实施例的修改是可能的，而不脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的范围。

用来描述和要求保护本发明的表达，如“including（包括）”、“comprising（包括）”、“incorporating（包括）”、“consistingof（由…构成）”、“have（具有）”、“is（是）”，旨在以非排它方式进行解释，即允许没有清楚描述的物品、元件或元素也存在。对于单数的提及也要解释成与复数相关，并且反之亦然。

在所附的权利要求书中在括号内包括的数字旨在帮助理解权利要求书，并且不应该解释为以任何方式限制由这些权利要求要求保护的主题。

因而，尽管已经示出和描述并指出了本发明的基本新颖特征，如应用于其优选实施例那样，但将理解，在示出了装置的形式和细节方面以及在装置的操作方面的各种省略和替代和变更可以由本领域的技术人员进行。例如，明确旨在那些元素和/或方法步骤的全部组合落入本发明的范围内，这些元素和/或方法步骤以大体相同方式完成大体相同功能，以实现相同结果。另外，应该认识到，结合本发明的任何公开形式或实施例示出和/或描述的结构和/或元素和/或方法步骤可以包括在任何其它公开或描述或建议形式或实施例中，作为设计选择的一般问题。因此旨在仅如由所附的权利要求书的范围指示的那样限制。

Claims (13)

1.一种气体传感器壳体(1)，包括：

气体传感器(3)，用于在气体传感器(3)的起作用表面上建立气体浓度，该气体传感器由壳体本体(11)保持在初级气体可透过的扩散膜(2)下方；

至少一个连接器元件(10)，该至少一个连接器元件模制到壳体本体(11)中，使得连接器元件的相应端部能够实现与气体传感器(3)的连接，从而信号能够从气体传感器(3)传送到连接器元件(10)；

传感器封套(9)，该传感器封套提供用于壳体本体(11)的外罩；

用来将初级气体可透过的扩散膜(2)在气体传感器(3)上方保持到位的装置；

间隔件部分(7)，该间隔件部分提供在气体传感器(3)与初级气体可透过的扩散膜(2)之间的分隔距离(X)；

具有电绝缘性能的次级气体可透过的扩散膜(4)。

2.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，所述用来将初级气体可透过的扩散膜(2)在气体传感器(3)上方保持到位的装置包括传感器封套(9)的向内突出边缘(6)，该向内突出边缘限制初级气体可透过的扩散膜(2)远离壳体本体(11)的运动。

3.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，间隔件部分(7)与壳体本体(11)整体地形成。

4.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，间隔件部分(7)是布置在壳体本体(11)与初级气体可透过的扩散膜(2)之间的单独的实体。

5.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，间隔件部分(7)与传感器封套(9)整体地形成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体传感器壳体(1)，其中，次级气体可透过的扩散膜(4)设置在间隔件部分(7)与初级气体可透过的扩散膜(2)之间。

7.根据权利要求6所述的气体传感器壳体(1)，其中，次级气体可透过的扩散膜(4)至少部分地由聚四氟乙烯或类似的卤代烃聚合物制成。

8.根据权利要求6所述的气体传感器壳体(1)，其中，壳体本体(11)由热塑性材料模制。

9.根据权利要求8所述的气体传感器壳体(1)，其中，壳体本体(11)由至少部分地包括聚醚醚酮的热塑性材料模制。

10.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，气体传感器(3)是平面芯片气体传感器(3)。

11.根据权利要求1所述的气体传感器壳体(1)，其中，气体传感器(3)是薄膜气体传感器(3)。

12.一种试验气体检测系统，包括根据权利要求1至11中任一项所述的气体传感器壳体(1)。

13.一种泄漏测试系统，包括根据权利要求1至11中任一项所述的气体传感器壳体(1)。