CN103299178A

CN103299178A - 具有布置在气路中的电加热的电阻器的测量装置

Info

Publication number: CN103299178A
Application number: CN2012800049303A
Authority: CN
Inventors: 弗兰克·普罗布斯特; 约瑟夫·里希特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: US9267907B2; EP2666011A1; US20140157866A1; DE102011002947B3; CN103299178B; WO2012098138A1; EP2666011B1

Abstract

本发明涉及一种具有四个电加热的电阻器（R_A，R_B，R_C，R_D）的测量装置，这四个电阻器布置在气路（6）中，并且接通成为惠斯特电桥，其中，各两个在惠斯特电桥中沿对角线彼此相对布置的电阻器（R_A，R_B；R_C，R_D）包括在部件（3，；4）中，这两个部件（3，4）布置在共同加热的支架（1）上，这两个部件（3，4）中的每个部件分别分配有加热电阻器（R₁，R₂），该加热电阻器布置在支架（1）上靠近部件（3，4），并且其中，通过对所述加热电阻器（R₁，R₂）进行不同通电来补偿惠斯特电桥的不平衡。

Description

具有布置在气路中的电加热的电阻器的测量装置

技术领域

本发明涉及一种具有布置在气路中的电加热的电阻器的测量装置。

背景技术

从专利文献DE102009014618A1中公开了一种用于气体分析的热导率检测器，其中依次地在通道的中央气体可环流地布置了两个由金或铂制成的、能够电加热的加热丝，并且此外在其端部分别固定在横穿的导电支架上。实际上，两个这样的热导率检测器的四个加热丝接通成为一个惠斯特电桥（Wheatstone-Brücke），其中，测量气体流经其中一个热导率检测器，并且对比气体或零气体（Nullgas）流经另一个热导率检测器，并且由分别相同的气体环流的加热丝在惠斯特电桥中成对角线地彼此相对布置。

从WO2009/153099A1中公开了一种同样用于气体分析的微流量传感器，其中在气路中顺次连续布置了两个能电加热的栅格。该栅格可以由硅或金属制成，并且与补充电阻器共同接通成惠斯特电桥。补充电阻器可以由另一微流量传感器的栅格形成。

在从DE10230198A1中公开的测量装置中，两个能电加热的电阻器与两个补充电阻器共同在惠斯特电桥中接通，其中，能电加热的电阻器沿对角线彼此相对布置，并且补充电阻器中的一个补充电阻器能为了平衡电桥而改变。为了消除基于温度变化的偏移电压和缓慢的信号漂移，对在电桥上检测到的测量电压进行带通滤波。

EP 0 348 245 A2示出惠斯特电桥中的、具有从外部加热的温度测量电阻器和三个补充电阻器的一种测量装置，其中，补充电阻器中的一个补充电阻器能为了平衡电桥而改变。

从DE 14 73 303 A中公开了一种具有两个用于加热测量物质和参照物质的加热电阻器。借助于惠斯特电桥中的两个温度测量电阻器检测相应物质的热吸收。利用在电桥上检测到的测量电压调节用于加热电阻器的能量输送。

对于测量精确性而言重要的是，在两个半桥中的任一半桥中的电阻器的电阻值的比例是相等的。否则该电桥便是不平衡的。然而，微机械的测量装置、例如已公开的热导率检测器或微流量传感器在制造时是非常难以控制的。合适的电阻器的选择受到制造波动和、由制造-批次大小造成的相对较少的选择量的限制。

以已证明为特别成问题的是，电桥的四个电阻器可能随着时间的推移发生或强或弱的变化。此外，这些变化、至少在初期时会向任意的方向发展。这意味着，某些电阻器的值在首先的运行日或周中降低，而另一些电阻器的值则升高。在启动了相对较长的运行时间后，所有电阻器的值则开始非常缓慢地、但却单调地升高，直至这些电阻器在其生命周期结束时完全坏掉。开始时的变化在它的方向上是不可预测的，并且因此在个别情况下可能导致电桥非常显著并且持续非常长的不平衡，即便该电桥是由以高昂的投入而选择出的部件构成的。

发明内容

本发明的目的因此在于，能够补偿电桥的缓慢的不平衡，并且此外在选择电阻器时具有明显更大的波动宽度或者甚至能够无须进行选择。

根据本发明，该目的通过在权利要求1中说明的测量装置实现。

由此，本发明的对象是具有四个电加热的电阻器的测量装置，这些电阻器布置在气路中，并且接通成为惠斯特电桥，其中，各两个在惠斯特电桥中沿对角线地彼此相对布置的电阻器包括在一个部件中，两个部件布置在共同加热的支架上，两个部件中的每个部件分别分配有加热电阻器，位于加热电阻器之间的这两个部件与它们分别分配的加热电阻器一起彼此镜像对称地布置在支架上，并且其中，通过对热电阻器进行不同通电来补偿惠斯特电桥的不平衡。

从桥接电路的通过加热的支架设定并且保持恒定的温度水平出发，在电桥不平衡时，根据不平衡的方向使两个加热电阻器中的一个或另一个加热电阻器通电，以便使在所分配的部件区域内的温度水平随着其中所包括的和在电桥中彼此沿对角线相对布置的电阻器而升高。已表明了的是，电桥在实践中常见的、低于百分之一的不平衡能够完全由部件之间的仅仅几开尔文的温度差异来平衡，从而使常见的SMD电阻器能够用作加热电阻器，并且所需的加热功率较低。

由于这两个部件与其所分配的加热电阻器一起彼此镜像对称地、优选地为点对称地布置在支架上，因此能够一致地确定两个方向上的不平衡的补偿电阻的大小。

具有其中包括电热电阻器的部件优选地是热导率检测器或微流量传感器。

附图说明

此外，通过在附图的图中示出的实施例说明根据本发明的测量装置；详细示出：

图1是热导率检测器（WLD)装置形式的、具有四个能电加热的电阻器的测量装置的俯视图，和

图2示出将电阻器连接成为惠斯特电桥的线路布置。

具体实施方式

图1示出板形支架1，其具有设计在其中或底面上的、电驱动的、加热蛇形管的平面加热装置2。在支架1的上面上布置两个微机械制造的部件（WLD芯片）3和4、两个加热电阻器R₁和R₂和温度测量电阻R_T。加热电阻器R₁布置在WLD芯片3的附近并且加热电阻器R₂布置在WLD芯片4的附近。WLD芯片3和加热电阻器R₁与WLD芯片4和加热电阻器R₂镜像或点对称地布置，其中，镜像对称轴5在支架1的和平面加热装置2的中央延伸并且温度测量电阻器R_T位于镜像对称轴5上的、WLD芯片3以及加热电阻器R₁，R₂之间的中央位置上。

两个WLD芯片3和4的构造相同并且分别包括气路6，在气路的中央，两个能电加热的电阻器（加热丝）R_A，R_B以及R_C，R_D分别顺次连续地保持在两个横穿气路6的导电的支承件7之间。测量气体流经在其中一个WLD芯片、例如3中的气路6并且对比气体流体另一部件、例如4的气路、每一WLD芯片3，4均由下方的支承板8和下方的支承板9构成，在二者之间设计以及布置气路6、支承件7和电阻器R_A，R_B以及R_C，R_D。为了更直观地进行说明，在WLD芯片3中移除了上方的支承板。气体通过细管10（仅在WLD芯片中示出）输入和输出。

图2示出了将电阻器R_A，R_B，R_C，R_D接通成为惠斯特电桥的线路布置，该惠斯特电桥具有供电电压U₀为并且产生测量或输出电压U_S。WLD芯片3以及4的相应的电阻器R_A，R_B以及R_C，R_D在电桥中成对角线地彼此相对布置。

为了使测量结果在较长的时间段内都具有可比性，使惠斯特电桥恒温运行，即借助于平面加热装置2、温度测量电阻器R_T和在这里未示出的调节器使所有四个电阻器R_A，R_B，R_C和R_D保持在相同的温度水平上。通过这种方式和通过合适地挑选R_A，R_B，R_C和R_D的电阻值，能够通过桥电路在很大程度上抑制来自供应电压（U₀）和其功率传导的干扰。

然而，电阻值的选择受到制造波动和选择量（由制造-装料值造成）的限制。在迄今为止的实践中，R_A/R_C和R_B/R_D各自之间的波动范围为±1.5%时，尚保持在可接受的比例关系范围内。

当所有电阻器R_A，R_B，R_C和R_D上的测量条件相同时，对于电桥不平衡而言适用的是：V=U_S/U₀。

此时能够通过这种方式抵消该电桥不平衡V（即U_S=0V），即根据不平衡的方向的不同，除了平面加热装置2外或者由加热电阻器R₁利用电阻器R_A，R_B将WLD芯片3加热至温度T₁或者由加热电阻器R₂利用电阻器R_C，R_D将WLD芯片4加热至温度T₂。

电桥中的单个电阻与温度的关系如下：

R_A，B=R_20A,B(1+αΔT₁)和

R_C，D=R_20C,D(1+αΔT₂)，

其中，R₂₀表示温度为20℃时的电阻值，α表示取决于材料特性的温度系数和ΔT=T－20℃表示相对于温度为20℃时的电阻的温差。

基于由平面加热装置2进行的恒温调节而适用的是：

ΔT_1，2=T_1，2－20℃=(T_FH－20℃)+(T_1，2－T_FH)，

即用于加热电阻器R₁以及R₂的加热功率仅须带来相对于平面加热装置2的温度ΔT_FH的温度提升。

电桥的不平衡此时这样计算：

V = \frac{R_{B}}{R_{B} + R_{C}} - \frac{R_{D}}{R_{A} + R_{D}}

= \frac{R_{20 B} (1 + {αΔT}_{1})}{R_{20 B} (1 + {αΔT}_{1}) + R_{20 C} (1 + {αΔT}_{2})} - \frac{R_{20 D} (1 + {αΔT}_{2})}{R_{20 A} (1 + {αΔT}_{1}) + R_{20 D} (1 + {αΔT}_{2})}

在假定αΔT_1，2＜＜1的情况下，该表述简化为：

V = \frac{R_{20 B} (1 + {αΔT}_{1})}{R_{20 B} + R_{20 C}} - \frac{R_{20 D} (1 + {αΔT}_{2})}{R_{20 A} + R_{20 D}}

此外可以假定，所有四个冷电阻非常相近，即R_20A≈R_20B≈R_20C≈R_20D。这使得该表述再次简化为：

V = \frac{α}{2} ({ΔT}_{1} - {ΔT}_{2})

如果此时再次考虑到电桥的不可避免的基础性不平衡V₀并且试图使其平衡，则得出：

V = V_{0} + \frac{α}{2} ({ΔT}_{1} - {ΔT}_{2}) = 0 {= > ΔT}_{1} - {ΔT}_{2} = \frac{{2 V}_{0}}{α}

即仅须根据不平衡V₀的方向的不同使气体在这样的程度上流经加热电阻器R₁或R₂，即其功率使得形成ΔT=(ΔT₁－ΔT₂)，该ΔT与2V₀/α保持平衡。

在实践中常见的不平衡V₀=±0.5%和温度系数α=4·10^-3K^-1时，得出以ΔT=2.5K的完全补偿。该2.5K能够利用较低的电功率实现，因此对于R₁和R₂而言，在这里使用常见的SMD电阻器便足矣。

详细地说，得出以下优点：

随着不平衡V的降低，测量电桥的干扰抑制S=(1－V)同时大幅上升。由此改善了在气体分析机、例如气体色层分析机中应用WLD装置时的检出限（Nachweisgrenze）。

通过定期的、自动校正能够在最大程度上平衡WLD电桥的老化效果。

可以不必进行以及大大简化合适的WLD芯片的预选和配对。

能够可替换地应用WLD芯片的明显更大量的值，这将提升在WLD制造中的利润。

Claims

1.一种具有四个电加热的电阻器（R_A，R_B，R_C，R_D）的测量装置，所述电阻器布置在气路（6）中，并且接通成为惠斯特电桥，其中，各两个在所述惠斯特电桥中沿对角线彼此相对布置的电阻器（R_A，R_B；R_C，R_D）包括在部件（3，4）中，两个所述部件（3，4）布置在共同加热的支架（1）上，两个所述部件（3，4）中的每个部件分别分配有加热电阻器（R₁，R₂），位于所述加热电阻器（R₁，R₂）之间的两个所述部件（3，4）与两个所述部件分别分配的所述加热电阻器（R₁，R₂）一起彼此镜像对称地布置在所述支架（1）上，并且其中，通过对所述加热电阻器（R₁，R₂）进行不同通电来补偿所述惠斯特电桥的不平衡。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，两个所述部件与分配的所述加热电阻器（R₁，R₂）一起彼此点对称地布置在所述支架（1）上。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述部件（3；4）与所述部件中所包括的电加热的所述电阻器（R_A，R_B；R_C，R_D）一起设计为热导率检测器。

4.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，所述部件与所述部件中所包括的电加热的所述电阻器一起设计为微流量传感器。