CN103512916B - 一种高稳定热导式气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定热导式气体传感器，包括：桥体；桥体外侧绕接有环形加热器；桥体内侧设置有测温铂电阻、一对参比敏感元件和测量敏感元件；环形加热器、测温铂电阻、参比敏感元件和测量敏感元件通过电路板的焊点与带插头的电缆组件相连；桥体底部一端设置有样气入口，另一端设置有与样气入口相连通的样气出口；在桥体底部设置有与测量敏感元件的底部相连通的样气孔。本发明中使用一对测量敏感元件和参比敏感元件在100mA电流下以相同温度系数配对，降低了配对难度。由环形加热器、测温铂电阻组成精密的恒温装置，不会在热导式气体传感器中产生温度梯度，从而实现了热导式气体传感器的高稳定。

Description

一种高稳定热导式气体传感器

技术领域

本发明属于气体分析技术领域，尤其涉及一种高稳定热导式气体传感器。

背景技术

在线气体分析仪广泛应用于流程工业、环保节能和科学实验中，以年为时间周期进行运转，提供准确、可靠、适时的物质成分分析。因此，稳定性是在线分析仪的核心技术指标。在线气体分析仪最核心的部件是气体传感器，气体传感器的稳定性决定了在线气体分析仪的稳定性。

热导式气体分析仪是在线分析仪中的典型产品，用于分析样气中的氢气、氩气、氦气等单元素气体。热导式气体分析仪的热导式气体传感器中包含两个的测量敏感元件和两个参比敏感元件组成等臂电桥。测量敏感元件和参比敏感元件采用常温静态冷电阻值配对工艺。配对时通过热导敏感元件的电流很小，当组成电桥通以200mA上桥电流时，流经敏感元件的电流是100mA，会产生超过110℃的自热效应，由此，两个测量敏感元件和两个参比敏感元件的温度系数出现明显的失配状态，会引起比较大的漂移，大大降低了热导式气体分析仪的稳定性。即使冷态阻值配对正确，周围环境温度的变化也会引起敏感元件的温度系数发生变化，导致敏感元件不匹配，也会造成热导式气体传感器稳定性降低的问题。

而且，现有技术中热导式气体传感器中存在一定的温度梯度，其中的样气产生热对流效应，引起对仪器的共生信息干扰和噪音，也会造成热导式气体传感器稳定性低的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高稳定热导式气体传感器，以克服现有技术中热导式气体传感器稳定性降低的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种高稳定热导式气体传感器，其特征在于，包括：

桥体；

桥体外侧绕接有环形加热器；

桥体内侧设置有测温铂电阻、参比敏感元件和测量敏感元件；

环形加热器、测温铂电阻、参比敏感元件和测量敏感元件通过电路板的焊点与带插头的电缆组件相连；

桥体底部一端设置有样气入口，另一端设置有与样气入口相连通的样气出口；

在桥体底部设置有与测量敏感元件的底部相连通的样气孔。

优选地，测温铂电阻和参比敏感元件在100mA电流下以相同温度系数配对。

优选地，测量敏感元件和参比敏感元件以完全对称方式设置于环形加热器中。

优选地，还包括：参比敏感元件和测量敏感元件通过电路板上的焊点与设置在电路板上的六个电阻组成复合桥式电路。

通过上述技术方案可知，本发明具有如下的有益效果：由于测量敏感元件和参比敏感元件在100mA电流下工作，因此在100mA电流下以相同温度系数配对的测温敏感元件和参比敏感元件，相对于现有技术中在常温情况下配对的测量敏感元件和参比敏感元件具有更好的匹配和稳定性。而且，本发明中由环形加热器和测温铂电阻组成精密的恒温装置，不会产生温度梯度，样气在气体传感器中不会发生热对流效应，提高了热导式气体传感器的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一公开的一种高稳定热导式气体传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例二公开的一种高稳定热导式气体传感器的复合桥式电路。

具体实施方式

本发明公开了一种高稳定热导式气体传感器，以克服现有技术中热导式气体传感器稳定性低的问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1示出了一种高稳定热导式气体传感器的结构示意图，包括：

桥体8；

桥体8外侧绕接有环形加热器5；

桥体8内侧设置有测温铂电阻4、参比敏感元件9和测量敏感元件7；

环形加热器5、测温铂电阻4、参比敏感元件9和测量敏感元件7通过电路板3的焊点与带插头的电缆组件1相连；

桥体8的底部一端设置有样气入口10，另一端设置有与样气入口10相连通的样气出口6；

在桥体8的底部设置有与测量敏感元件7的底部相连通的样气孔11。

需要说明的是，在本发明实施例一中，桥体8包含：侧壁围成的中空腔体，腔体外侧绕接有环形加热器5；腔体中设置有测温铂电阻4、参比敏感元件9和测量敏感元件7。腔体顶端设置有电路板3。

带插头的电缆组件1为高稳定热导式气体传感器提供电源，同时连接其他设备。

样气可以通过样气孔11扩散到测量敏感元件9的底部，从而测量敏感元件9可以检测样气中单元素气体的含量。

与现有技术中使用两对测量敏感元件和测温敏感元件相比，在本发明实施例一中仅使用一对测量敏感元件和测温敏感元件，减少了热导式气体传感器中元件的数量，降低了热导式气体传感器的制作成本与配对难度，缩短了热导式气体传感器的启动预热时间。

在本发明实施例一中，测量敏感元件9和参比敏感元件7在100mA电流以相同温度系数配对。

需要说明的是，测量敏感元件9和参比敏感元件7在通过电流100mA、自热温度约110℃的情况下工作，因此在100mA电流下以相同温度系数配对的测量敏感元件9和参比敏感元件7，能够保证在工作时的温度系数相同，不会产生漂移，从而提高了气体传感器的稳定性。

在本发明实施例一中，测温敏感元件9和参比敏感元件7的材质为高纯超细铂丝包覆玻璃。

需要说明的是，高纯超细铂丝包覆玻璃能耐强化学腐蚀，从而延长了测温敏感元件9和参比敏感元件7的使用寿命。

在本发明实施例一中，测温敏感元件9和参比敏感元件7对称设置于测温铂电阻4两侧。

环形加热器5非均匀地绕接在桥体8的腔壁上，具体的绕接方式如下：环形加热器5自上而下依次分为第一部分、第二部分和第三部分；

第一部分绕接的密度大于第二部分绕接的密度；

三部分绕接的密度大于第一部分绕接的密度。

在现有技术中，气体传感器中存在一定的温度梯度，样气会在气体传感器中产生热对流效应，从而引起传感器的共生信息干扰和噪音。

在本发明实施例一中，为消除温度梯度，环形加热器5非均匀的绕制在桥体8的腔体的外侧，可以获得温度梯度接近于零的均匀温度场，从而在测量敏感元件9和测温敏感元件7在工作时，只检测到样气在被测组份的热传导效应；由于不存在温差，样气不会产生热对流效应，从而可以有效避免传感器因热对流效应产生的共生信息干扰和噪音。

底座8和元件支撑架11采用不锈钢制成，桥体8为直径40mm、高40mm的圆柱体。桥体8的形状、材质、尺寸可以根据实际情况改变，在此不再赘述。

高稳定热导式气体传感器还包括：保护罩2；

保护罩2将桥体8的腔体和环形加热器5罩接在桥体8的底座上。保护罩能对环形加热器5、桥体8的腔体、和桥体8的腔体中的各个元器件起到隔离保护的作用，从而提高了热导式气体传感器的稳定性。

在本发明实施例一中，电缆组件1是具有插头的电缆组件，热导式气体传感器通过带插头的电缆组件与气体分析仪的其他部分相连接，同时，带插头的电缆组件为热导式气体传感器提供电源。

由于，本发明中仅使用一对测量敏感元件和参比敏感元件在100mA电流以相同温度系数配对，降低了测量敏感元件和参比敏感元件的配对难度。本发明中由环形加热器、测温铂电阻组成精密的恒温装置，不会产生温度梯度，样气在热导式气体传感器中不会发生对流，从而提高了气体传感器的稳定性。

实施例二

本发明实施例公开了一种高稳定热导式气体传感器结构示意图，本发明实施例二公开了一种高稳定热导式气体传感器中的复合桥式电路。

如图2所示，公开了一种高稳定热导式气体传感器中的复合桥式电路。参比敏感元件R1和测量敏感元件R2通过电路板上的焊点与设置在电路板上的六个电阻组成复合桥式电路。

与电路板（图中未示出）相连的测量敏感元件R1和测温敏感元件R2，还包括：设置于电路板上的六个具有固定阻值的电阻，分别为：R3、R4、R5、R6、R7和R8。R1、R2、R3、R4组成测量电桥，R5、R6、R7、R8组成辅助电桥，测量电桥和辅助电桥组成复合桥式电路。复合桥式电路的具体连接方式如下所示：

R1的一端和R2的一端连接组成的公共点、R5的一端和R6的一端连接组成的公共点和电源正极连接；

R2的另一端和R3的一端连接组成的公共点、R6的另一端和R7的一端连接组成的公共点和输出端负极连接；

R3的另一端和R4的一端连接组成的公共点、R7的一端和R8的一端连接组成的公共点、和电源负极连接；

R4的另一端连接R1的另一端组成的公共点、R8的另一端和R5的另一端连接组成的公共点、和输出端正极连接。

需要说明的是，具有固定阻值的电阻都是精密线绕电阻。复合电桥电路由直流稳压电源E供电，上桥电流为I，约为200mA，流过每个热导式敏感电阻元件的直流电流接近100mA，自热温升约为110℃。V为复合电桥线路的不平衡输出信号。

在生产调校过程中，如果发现热导式气体传感器的稳定性还不能令人满意，可以通过调整辅助电桥的阻值，实现降低漂移的后期特殊工艺校正，从而有效保障热导式气体传感器的高稳定性、进而有效保障热导式气体分析仪的高稳定性。

实施例三

依据实施例一中公开的一种高稳定热导式气体传感器的结构示意图和实施例二中公开的一种高稳定热导式气体传感器的复合桥式电路，当样气中含有单元素气体氢气时，具体的检测过程如下：

首先，含有单元素气体氢气的样气以0.5～1.0L/min的流量从传感器的样气入口进入传感器，从样气出口排放；

其次，当样气通过设置在样气管道与测量敏感元件底部相连通的样气孔，扩散到测量敏感元件周围，复合桥式电路输出不稳定信号V；

因为氢气的相对热导率是空气的7.13倍，热传导特别快，导致测量敏感元件的温度下降，阻值降低，复合桥式电路输出一个十分稳定的不平衡信号V。依据输出信号V与氢气在样气中的含量成线性关系，输出氢气含量。

由此，可以检测出样气中单元素气体氢气的含量。

本发明还公开了一种热导式气体气体分析仪，包括上述各个热导式气体传感器。

由于上述各个热导式气体传感器的稳定性通过使用一对测量敏感元件和参比敏感元件在100mA电流以相同温度系数配对，降低了测量敏感元件和参比敏感元件的配对难度。设置环形加热器、测温铂电阻组成精密的恒温装置，不会产生温度梯度，样气在热导式气体传感器中不会发生热对流效应，提高了热导式气体传感器的稳定性。从而提高了应用该热导式气体传感器的热导式分析仪的稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相呼应，所以描述得比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种高稳定热导式气体传感器，其特征在于，包括：

桥体；

所述桥体外侧绕接有环形加热器，其中，所述环形加热器自上而下依次分为第一部分、第二部分和第三部分；第一部分绕接的密度大于第二部分绕接的密度；第三部分绕接的密度大于第一部分绕接的密度；

所述桥体内侧设置有测温铂电阻、参比敏感元件和测量敏感元件；

所述环形加热器、所述测温铂电阻、所述参比敏感元件和所述测量敏感元件通过电路板的焊点与带插头的电缆组件相连；

所述桥体底部一端设置有样气入口，另一端设置有与所述样气入口相连通的样气出口；

在所述桥体底部设置有与所述测量敏感元件的底部相连通的样气孔。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述测量敏感元件和所述参比敏感元件在100mA电流下以相同温度系数配对。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述测量敏感元件和所述参比敏感元件以完全对称方式设置于所述环形加热器中。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，还包括：所述参比敏感元件和所述测量敏感元件通过电路板上的焊点与设置在所述电路板上的六个电阻组成复合桥式电路。