一對熱敏電阻的熱導檢測器的製作方法
2023-06-01 08:23:36
專利名稱：一對熱敏電阻的熱導檢測器的製作方法
技術領域：
本發明屬於無機材料中氣體元素分析領域，特別是提供了一種一對熱敏元件的熱導檢測器。用於分析金屬、陶瓷等無機材料中氫、氮、氬等組分或各種氣體混合物中氫、氮、 氬等成分的百分含量。
背景技術：
本發明涉及一種氣體分析用熱導檢測器，特別適用於無機材料中氣體元素或氣體 混合物中氫、氮、氬等成分的分析。本發明涉及的高靈敏度、快速響應的熱導檢測器使用了 一對負溫度係數的熱敏元件。傳統熱導檢測器採用的熱敏元件為鎢錸絲，直徑一般只有15 μ-30 μ，阻值在 10-60歐姆，材料比較容易氧化，氧化或受汙染後，阻值發生變化或熱絲斷損，會造成熱導檢 測器測量電路的破壞。這種熱導檢測器的橋流需要幾十毫安至300毫安，才能保證熱敏元 件上具有足夠的溫度，以保證熱導檢測器具有足夠的靈敏度。在使用中傳統熱導檢測器開 機時必須先通載氣再通電，否則系統中殘留的空氣中氧會將鎢錸絲元件氧化或燒斷。熱導 檢測器工作溫度的設定，必須比被分析組份的最高沸點高20-30°C，否則試樣中高沸點組份 會冷凝在熱導檢測器中汙染鎢錸絲元件。傳統熱絲作為熱敏元件對氣流的要求較高，一般 氣流在幾十毫升/分鐘，甚至幾毫升/分鐘，熱導檢測器的結構一般選用直通式、半擴散式 或擴散式，熱導檢測器的體積很小。這種結構對於過程檢測中氣體流量較大的情況不太適 用，如在氧氮、氧氫分析儀中氣體流速在300-500毫升/分鐘，在大流速的情況下，會造成熱 絲的顫動。
發明內容
本發明的目的在於提供一種一對熱敏元件的熱導檢測器，採用一對高靈敏度、快 速響應的負溫度係數的熱敏元件，適用於無機材料中氣體元素或氣體混合物中氫、氮、氬等 成分的分析。本發明包括熱敏元件、熱導池、氣路系統、溫控系統以及信號處理系統。熱敏元件 安裝在熱導池內部，氣路系統由熱導池外部引入熱導池，熱導池體中分布著末端氣路，熱敏 元件位於熱導池體內部氣路管路中。熱導池體由底部安裝的加熱元件加熱，並由溫控系統 控制至恆定溫度(20 60°C )。熱敏元件的引出腿串接在信號處理系統中。本發明的熱導檢測器使用一對負溫度係數的熱敏元件作為檢測元件，其中一個熱 敏元件位於分析氣路流路上，另一個熱敏元件位於參考氣路流路上。本發明在分析氣流經其中的熱敏元件時產生與被測氣氛濃度相關的電信號，由信 號處理系統對信號進行放大和輸出；信號處理系統與計算機通過兩路AD信號線、一路DA信 號線和一路IO信號線連接，AD信號線採集經過處理的熱敏元件的輸出信號，DA信號線設定 熱敏元件的工作狀態，IO信號線能開通、關斷熱敏元件的驅動電流，經過處理的信號與熱敏 元件周圍氣體的導熱係數成近似的正比關係。
本發明的熱敏元件的控制模式為分析氣路中熱敏元件由電流源驅動；參比氣路中熱敏元件由壓控電流源驅動。正常工作時，當參比氣與分析氣組分相同時，參比氣路中熱 敏元件與分析氣路中熱敏元件輸出相同的電壓值。本發明的氣路系統採用S型、半擴散式氣路結構。氣路系統由分析臂氣路、參考臂 氣路、分析氣進氣、分析氣出氣、參考氣進氣以及參考氣出氣組成，分析氣和參考氣分別由 相應的進氣口進入氣路系統，在支路分別擴散入相應的熱敏元件所在腔室，由分析氣和參 考氣相應的出氣口流出氣路系統；氣路系統在熱導池體內部呈S型，氣體流經時做兩次折 回流動，熱敏元件安裝於氣體流路的支路中，通過垂直於氣路的擴散通道與氣路相通。熱導池的主氣路是S形的，但與熱敏元件相關的部分是半擴散式結構，半擴散式 結構位於S形氣路中。本發明的熱導檢測器可適用在大流量(0-2000ml/min)的過程檢測中。本發明的熱導檢測器熱導池體採用鋁或不鏽鋼等金屬材料製成，熱導池體為長方 體形狀，由溫控系統控制實現準確恆溫(30-50°C )，控溫精度士0. 1°C。本發明熱敏元件安裝於熱導池體中，熱導池經過恆溫系統的控制處於恆溫環境。 熱敏元件通過信號處理電路控制在較高恆定的溫度。信號處理電路採用惠斯頓電橋完成信 號處理和輸出。擴散至分析空腔裡被測氣體的質量百分含量的不同造成在熱敏元件上帶走 的熱量的差別，從而在惠斯頓電橋上產生相應的信號變化。熱敏元件的散熱量與被測氣體 的熱導係數及濃度有線性的數學關係，通過對惠斯頓電橋信號的處理，可以得到被測氣體 的質量百分含量。與傳統檢測器相比，熱敏電阻不易氧化，使用方便，電流小，精度高，可適 用於大流量氣體分析。與現有技術相比，本發明具有如下優點1、採用負溫度係數熱敏元件——不易氧化，橋電流小，靈敏度高。2、採用電流控制模式——控制準確，相應快。3、採用S型氣路結構——氣流穩定。4、採用半擴散式氣路——熱敏元件工作條件穩定。
圖1為本發明所述的一對熱敏元件熱導檢測器的結構示意圖。其中，熱導池體1、 分析臂熱敏元件2、參考臂熱敏元件10、分析氣進氣口 3、參考氣進氣口 4、分析氣出氣口 5、 參考氣出氣口 6、信號處理系統7、溫度控制系統8、氣路系統9、D/A連接線24、A/D連接線 25、I/O連接線26。圖2為本發明信號處理系統結構示意圖。其中，電源系統14、惠斯頓電橋11、分析 臂熱敏元件12、參考臂熱敏元件13。圖3為本發明熱導池體內部氣路示意圖。其中，分析臂氣路進氣口 19、熱導池體 15、分析臂S型氣路16、分析臂熱敏元件腔室17、分析臂氣路出口 18、參考臂氣路進氣口 20、參考臂S型氣路21、參考臂熱敏元件腔室22、參考臂氣路出口 23。
具體實施例方式圖1、圖2、圖3為本發明的一種具體實施方式
。
本發明包括熱敏元件、熱導池、氣路系統、溫控系統以及信號處理系統。熱敏元件 安裝在熱導池內部，氣路系統由熱導池外部引入熱導池，熱導池體中分布著末端氣路，熱敏 元件位於熱導池體內部氣路管路中。熱導池體由底部安裝的加熱元件加熱，並由溫控系統 控制至恆定溫度(20 60°C)。熱敏元件的引出腿串接在信號處理系統中。本發明的熱導檢測器使用一對負溫度係數的熱敏元件作為檢測元件，其中一個熱 敏元件位於分析氣路流路上，另一個熱敏元件位於參考氣路流路上。在分析氣流經其中的熱敏元件時產生與被測氣氛濃度相關的電信號，由信號處理 系統對信號進行放大和輸出；信號處理系統與計算機通過兩路AD信號線、一路DA信號線和 一路IO信號線連接，AD信號線採集經過處理的熱敏元件的輸出信號，DA信號線設定熱敏元 件的工作狀態，IO信號線能開通、關斷熱敏元件的驅動電流，經過處理的信號與熱敏元件周 圍氣體的導熱係數成近似的正比關係。分析氣由分析氣進氣口 3、分析臂氣路進氣口 19進入熱導池體1、15，沿分析臂S 型氣路16擴散進入分析臂熱敏元件腔室17，由分析臂分析氣出口 5、分析臂氣路出口 18排 出熱導池體；分析臂熱敏元件2位於分析臂熱敏元件腔室17中，分析臂熱敏元件腔室17位 於分析臂S型氣路的支路上。參考氣由參考氣進氣口 4、參考臂氣路進氣口 20進入熱導池體1、15，沿參考臂S型氣路21擴散進入參考臂熱敏元件腔室22，由參考臂出口 6、參考臂氣路出口 23排出熱導 池體；參考臂熱敏元件10位於分析臂熱敏元件腔室22中，參考臂熱敏元件腔室22位於參 考臂S型氣路21的支路上。熱敏元件2、參考臂熱敏元件10產生的電信號由信號處理系統7進行放大和處理， 通過D/A連接線24、A/D連接線25、I/O連接線26輸出計算機系統。熱導池體1、15由溫度控制系統8實現恆溫控制和保持。
權利要求
一種氣體分析用熱導檢測器，包括熱敏元件、熱導池、氣路系統、溫控系統以及信號處理系統；其特徵在於，熱敏元件安裝在熱導池內部，氣路系統由熱導池外部引入熱導池，熱導池體中分布著末端氣路，熱敏元件位於熱導池體內部氣路管路中；熱導池體由底部安裝的加熱元件加熱，並由溫控系統控制至恆定溫度20～60℃；熱敏元件的引出腿串接在信號處理系統中；熱導檢測器使用一對負溫度係數的熱敏元件作為檢測元件，其中一個熱敏元件位於分析氣路流路上，另一個熱敏元件位於參考氣路流路上；在分析氣流經其中的熱敏元件時產生與被測氣氛濃度相關的電信號，由信號處理系統對信號進行放大和輸出；信號處理系統與計算機通過兩路AD信號線、一路DA信號線和一路IO信號線連接，AD信號線採集經過處理的熱敏元件的輸出信號，DA信號線設定熱敏元件的工作狀態，IO信號線能開通、關斷熱敏元件的驅動電流，經過處理的信號與熱敏元件周圍氣體的導熱係數成近似的正比關係。
2.根據權利要求1所述的熱導檢測器，其特徵在於，所述的熱敏元件的控制模式為分 析氣路中熱敏元件由電流源驅動；參比氣路中熱敏元件由壓控電流源驅動；正常工作時， 當參比氣與分析氣組分相同時，參比氣路中熱敏元件與分析氣路中熱敏元件輸出相同的電 壓值。
3.根據權利要求1所述的熱導檢測器，其特徵在於，所述的氣路系統採用S型和半擴散 式氣路結構；氣路系統由分析臂氣路、參考臂氣路、分析氣進氣、分析氣出氣、參考氣進氣以 及參考氣出氣組成，分析氣和參考氣分別由相應的進氣口進入氣路系統，在支路分別擴散 入相應的熱敏元件所在腔室，由分析氣和參考氣相應的出氣口流出氣路系統；氣路系統在 熱導池體內部呈S型，氣體流經時做兩次折回流動，熱敏元件安裝於氣體流路的支路中，通 過垂直於氣路的擴散通道與氣路相通。
4.根據權利要求3所述的熱導檢測器，其特徵在於，熱導池的主氣路是S形的，但與熱 敏元件相關的部分是半擴散式結構，半擴散式結構位於S形氣路中。
5.根據權利要求1所述的熱導檢測器，其特徵在於，熱導池體採用鋁或不鏽鋼金屬材 料製成，熱導池體為長方體形狀。
全文摘要
一種一對熱敏元件的熱導檢測器，屬於無機材料中氣體元素分析領域。包括熱敏元件、熱導池、氣路系統、溫控系統以及信號處理系統；其特徵在於，熱敏元件安裝在熱導池內部，氣路系統由熱導池外部引入熱導池，熱導池體中分布著末端氣路，熱敏元件位於熱導池體內部氣路管路中；熱導池體由底部安裝的加熱元件加熱，並由溫控系統控制至恆定溫度20～60℃；熱敏元件的引出腿串接在信號處理系統中。本發明的優點在於，可以得到被測氣體的質量百分含量。與傳統檢測器相比，熱敏電阻不易氧化，使用方便，電流小，精度高，可適用於大流量氣體分析。
文檔編號G01K7/22GK101813658SQ201010120469
公開日2010年8月25日 申請日期2010年3月8日 優先權日2010年3月8日
發明者於燕鵬, 張宗展, 李宏偉, 楊植崗, 王蓬, 黃小峰 申請人:北京納克分析儀器有限公司