CN1715897A - 一种恒温式可燃气体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒温式可燃气体浓度检测装置。其技术方案为：它含有由敏感元件、电阻组成的电桥和补偿元件，其中所述电桥通过比较器与功率调节器连接构成恒温控制回路，所述补偿元件与一个扩展补偿电阻并联构成补偿电路或仅以补偿元件构成补偿电路，恒温控制回路与补偿电路串联接入一个恒流电源电路中，恒温控制回路输出检测信号V1，补偿电路输出补偿信号V0。优点是：1)使敏感元件始终工作在恒温状态，长期工作的稳定性好、使用寿命长；2)采用检测信号和补偿信号分别输出，便于后继电路的智能处理，使检测装置具有良好的零点稳定性并对双值进行判断，最终得出较精准的检测结果，同时对可燃气体浓度变化反应迅速、可以有效扩展可燃气体浓度检测范围。
Description
技术领域
本发明涉及对可燃气体浓度进行测量的一种安全设备，更具体地讲，涉及一种恒温式可燃气体浓度检测装置。
背景技术
目前对可燃气体浓度的检测常用的方法是利用催化燃烧式气敏元件进行检测。催化燃烧式气敏元件通常由带有催化剂的对可燃气体敏感的敏感元件(以下简称敏感元件)和一个不带催化剂的对可燃气体不敏感的且与敏感元件温度特性相近的补偿元件(以下简称补偿元件)构成元件对，将敏感元件、补偿元件和电阻接入电桥，利用敏感元件在被测环境中自身温度随可燃气体浓度变化而变化使电桥失衡输出的信号来检测可燃气体浓度，再利用补偿元件与敏感元件相近的温度特性补偿敏感元件由于环境参数变化而引起的电桥输出信号的漂移，以提高检测的精确度。但现有的利用催化燃烧式气敏元件检测可燃气体浓度的检测装置还存在以下缺陷：
1、零点漂移大。从理论上讲只有当补偿元件与敏感元件的温度特性完全相同时才能完全补偿由敏感元件温度特性引起的电桥输出信号漂移现象。但目前受到生产技术及工艺水平的限制，成品气敏元件对的温度离散性较大，而现有检测方法无法对其进行二次补偿，导致检测装置对零点漂移不能进行有效控制，直接影响检测结果的准确性。
2、检测范围小。现有方法是靠检测敏感元件的工作温度间接检测可燃气体浓度，当可燃气体浓度达到一定值时，敏感元件的工作温度过高，将造成其自身的永久性损坏。为此，实际应用中都要对敏感元件进行保护，方法是当检测到的可燃气体浓度达到一定值时，停止向敏感元件供电。这就限制敏感元件只能工作于低浓度可燃气体环境中，检测可燃气体浓度的范围较窄。
3、稳定性能差。由于敏感元件在检测可燃气体浓度时工作温度大范围波动，使得敏感元件上由于不完全燃烧产生的积碳结构很不稳定，这将直接造成检测电桥零点的漂移和检测精度的改变。
4、元件损坏率高。当检测环境中可燃气体浓度维持在较高水平时，现有检测方法将使敏感元件一直工作在较高温度状态，这会造成催化剂的蒸发与变性老化，使敏感元件过早报废。此外，虽然应用中对敏感元件进行了保护，但由于危险环境的可燃气体浓度监测不能停止，检测装置要间断性地恢复对敏感元件的供电，以便于在可燃气体浓度回落到对敏感元件安全的范围内时能继续检测。如果此时可燃气体浓度仍在敏感元件检测上限以上，则每一次试探性供电都是对敏感元件一次损害，大大降低了元件的使用寿命。
5、无法识别双值效应。当检测环境中可燃气体浓度超过一定值以后，由于其挤占了空气中氧气的份额，使得可燃气体过剩而不能充分燃烧，这时敏感元件的工作温度随可燃气体浓度的升高而降低，请参见图1，这样虽然可燃气体的浓度不同，但敏感元件感应出的温度值却可能相同，这就是双值效应。现有的检测装置无法识别这种双值效应，会将一个较高的可燃气体浓度值误判为一个较低的浓度值，这种误判在实际应用中是极其危险的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种恒温式可燃气体浓度检测装置，它由以下技术方案来实现：
它含有由敏感元件、电阻组成的电桥和补偿元件，其中所述电桥通过比较器与功率调节器连接构成恒温控制回路，所述补偿元件与一个扩展补偿电阻并联构成补偿电路或仅以补偿元件构成补偿电路，恒温控制回路与补偿电路串联接入一个恒流电源电路中，恒温控制回路输出检测信号V1，补偿电路输出补偿信号V0。
所述恒温控制回路中的功率调节器是功率调节三极管串接取样电阻或是功率调节三极管，功率调节器与电桥的电源输入端并联，所述比较器的输入端与电桥的检测输出端连接，其输出端连接功率调节器的控制端。
所述恒温控制回路输出检测信号V1是取自所述取样电阻两端的电压信号或取自随恒温控制回路两端电压变化而变化的相关节点间的电压信号，所述补偿电路输出补偿信号V0是取自补偿元件两端的电压信号。
本发明的有益效果是：1)采用对敏感元件的功率调节，使敏感元件始终工作在恒温状态，从而使其长期工作的稳定性好、使用寿命长；2)采用检测信号和补偿信号分别输出，这给后继电路的智能处理提供了极大的想象空间，利用软电桥技术，使检测装置具有良好的零点稳定性并对检测双值进行准确判断，最终得出较精准的检测结果，同时对可燃气体浓度变化反应迅速、可以有效扩展可燃气体浓度检测范围。
附图说明
图1是传统检测装置中敏感元件温度变化特性曲线
图2是本发明的电路框图
图3是本发明一实施例的电路原理图
图4是本发明另一实施例的电路原理图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
对照图2，本发明由电桥、比较器、功率调节器和补偿电路组成。比较器连接电桥和功率调节器构成恒温控制回路，恒温控制回路与补偿电路串联接入一个恒流电源电路路中，由恒温控制回路输出一检测信号V0，补偿电路输出一补偿信号V1。
结合图3，电桥由敏感元件Rm和电阻R1、R2、R3、Rw构成，Rm是一个带有催化剂的敏感元件，R1、R2、R3、Rw的阻值分别是10Ω、10K、10K、5K。电桥的检测输出端e、f连接比较器U的输入端，比较器U的输出端与功率调节三极管G的控制极连接，功率调节三极管G的输出极连接电阻R5再与电桥的电源输入端c、d并联，构成闭环恒温控制回路。上述回路中功率调节三极管G采用BD137型号的三极管，比较器采用1/2LM358运算放大器。其中功率调节三极管G和电阻R5构成了功率调节器。补偿元件Rb与一扩展补偿电阻R4构成补偿电路，恒温控制回路与补偿电路相串联接入一个120mA恒流电源电路中。在纯净的空气中调整Rw使功率调节三极管中流有初始工作电流，电桥处于平衡状态；当环境参数变化或检测可燃气体浓度使敏感元件的温度有升高或降低的趋势时，即Rm有增大或减小的趋势，电桥失衡，比较器U将这一失衡信号放大并输出至功率调节三极管G的控制极，使流经功率调节三极管的电流增加或减少，由于是采用恒流供电，电流通道的总电流为定值，所以流经敏感元件Rm这一支路的电流将相应的减少或增加，从而使敏感元件保持恒温状态，即Rm的电阻值保持不变，电桥恢复平衡状态。为达到敏感元件在整个工作环境温度范围内(一般为0℃～40℃)均有良好的恒温效果的目的，功率调节三极管中必须流有初始工作电流，如果直接将补偿元件Rb与恒温控制回路串联，将造成敏感元件与补偿元件初始工作电流的不平衡，为此接入扩展补偿电阻R4，如果这种不平衡差异很小，R4也可以不接。显而易见与功率调节三极管串联的电阻R5两端的电压V1反映了环境参数或可燃气体浓度的变化，将其与补偿电路两端电压V0引出，即可取得检测输出信号。
图3中的虚框部分是本发明连接的后继电路，它能对本发明输出的检测信号V1和补偿信号V0进行智能处理。将电压信号V1和V0接入A/D转换器进行数字转换，转换后的数字信号送入信号处理装置处理。信号处理装置是一个具有软件运行功能数字处理器，它能根据敏感元件和补偿元件在初期运行中的温度变化规律，建立补偿策略，自动对相关补偿参数进行修正。并将经数字化后的电压信号V1和V0构成电桥的两个臂，用软件模拟电桥的另两个臂，即构成软电桥。从而可以动态调整软电桥的桥臂参数，以适应敏感元件与补偿元件温度特性不完全一致的现实条件，取得较好的补偿效果。同时依据V1和V0的比例特性，正确识别可燃气体检测过程中出现的双值效应，从而提高检测仪器的使用安全性。经信号处理装置处理的检测信号由LED数码管组成的显示电路显示，并送输出电路用于对外联机或就地报警。
本发明还可设计成图4所示的电路装置。其电路组成与图3所示的电路组成基本一致，所不同的是V1的引出端不一样，取自恒温控制回路两端即c节点和d节点间的电压信号。根据上述的电路原理，这一电压信号V1是随温控制回路两端电压变化而变化的，它反映了环境参数或可燃气体浓度的变化值。
Claims (3)
1、一种恒温式可燃气体浓度检测装置，含有由敏感元件、电阻组成的电桥和补偿元件，其特征在于所述电桥通过比较器与功率调节器连接构成恒温控制回路，所述补偿元件与一个扩展补偿电阻并联构成补偿电路或仅以补偿元件构成补偿电路，恒温控制回路与补偿电路串联接入一个恒流电源电路中，恒温控制回路输出检测信号V1，补偿电路输出补偿信号V0。
2、根据权利要求1所述的一种恒温式可燃气体浓度检测装置，其特征在于所述恒温控制回路中的功率调节器是功率调节三极管串接取样电阻或是功率调节三极管，功率调节器与电桥的电源输入端并联，所述比较器的输入端与电桥的检测输出端连接，其输出端连接功率调节器的控制端。
3、根据权利要求1所述的一种恒温式可燃气体浓度检测装置，其特征在于所述恒温控制回路输出检测信号V1是取自所述取样电阻两端的电压信号或取自随恒温控制回路两端电压变化而变化的相关节点间的电压信号，所述补偿电路输出补偿信号V0是取自补偿元件两端的电压信号。
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