CN101813658B - 一对热敏电阻的热导检测器 - Google Patents
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Abstract
一种一对热敏元件的热导检测器，属于无机材料中气体元素分析领域。包括热敏元件、热导池、气路系统、温控系统以及信号处理系统；其特征在于，热敏元件安装在热导池内部，气路系统由热导池外部引入热导池，热导池体中分布着末端气路，热敏元件位于热导池体内部气路管路中；热导池体由底部安装的加热元件加热，并由温控系统控制至恒定温度20～60℃；热敏元件的引出腿串接在信号处理系统中。本发明的优点在于，可以得到被测气体的质量百分含量。与传统检测器相比，热敏电阻不易氧化，使用方便，电流小，精度高，可适用于大流量气体分析。
Description
技术领域
本发明属于无机材料中气体元素分析领域，特别是提供了一种一对热敏电阻的热导检测器。用于分析金属、陶瓷等无机材料中氢、氮、氩等组分或各种气体混合物中氢、氮、氩等成分的百分含量。
背景技术
本发明涉及一种气体分析用热导检测器，特别适用于无机材料中气体元素或气体混合物中氢、氮、氩等成分的分析。本发明涉及的高灵敏度、快速响应的热导检测器使用了一对负温度系数的热敏元件。
传统热导检测器采用的热敏元件为钨铼丝，直径一般只有15μ-30μ，阻值在10-60欧姆，材料比较容易氧化，氧化或受污染后，阻值发生变化或热丝断损，会造成热导检测器测量电路的破坏。这种热导检测器的桥流需要几十毫安至300毫安，才能保证热敏元件上具有足够的温度，以保证热导检测器具有足够的灵敏度。在使用中传统热导检测器开机时必须先通载气再通电，否则系统中残留的空气中氧会将钨铼丝元件氧化或烧断。热导检测器工作温度的设定，必须比被分析组份的最高沸点高20-30℃，否则试样中高沸点组份会冷凝在热导检测器中污染钨铼丝元件。传统热丝作为热敏元件对气流的要求较高，一般气流在几十毫升/分钟，甚至几毫升/分钟，热导检测器的结构一般选用直通式、半扩散式或扩散式，热导检测器的体积很小。这种结构对于过程检测中气体流量较大的情况不太适用，如在氧氮、氧氢分析仪中气体流速在300-500毫升/分钟，在大流速的情况下，会造成热丝的颤动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一对热敏电阻的热导检测器，采用一对高灵敏度、快速响应的负温度系数的热敏元件，适用于无机材料中气体元素或气体混合物中氢、氮、氩等成分的分析。
本发明包括热敏元件、热导池、气路系统、温控系统以及信号处理系统。热敏元件安装在热导池内部，气路系统由热导池外部引入热导池，热导池体中分布着末端气路，热敏元件位于热导池体内部气路管路中。热导池体由底部安装的加热元件加热，并由温控系统控制至恒定温度(20～60℃)。热敏元件的引出腿串接在信号处理系统中。
本发明的热导检测器使用一对负温度系数的热敏元件作为检测元件，其中一个热敏元件位于分析气路流路上，另一个热敏元件位于参考气路流路上。
本发明在分析气流经其中的热敏元件时产生与被测气氛浓度相关的电信号，由信号处理系统对信号进行放大和输出；信号处理系统与计算机通过两路AD信号线、一路DA信号线和一路IO信号线连接，AD信号线采集经过处理的热敏元件的输出信号，DA信号线设定热敏元件的工作状态，IO信号线能开通、关断热敏元件的驱 动电流，经过处理的信号与热敏元件周围气体的导热系数成近似的正比关系。
本发明的热敏元件的控制模式为：分析气路中热敏元件由电流源驱动；参比气路中热敏元件由压控电流源驱动。正常工作时，当参比气与分析气组分相同时，参比气路中热敏元件与分析气路中热敏元件输出相同的电压值。
本发明的气路系统采用S型、半扩散式气路结构。气路系统由分析臂气路、参考臂气路、分析气进气、分析气出气、参考气进气以及参考气出气组成，分析气和参考气分别由相应的进气口进入气路系统，在支路分别扩散入相应的热敏元件所在腔室，由分析气和参考气相应的出气口流出气路系统；气路系统在热导池体内部呈S型，气体流经时做两次折回流动，热敏元件安装于气体流路的支路中，通过垂直于气路的扩散通道与气路相通。
热导池的主气路是S形的，但与热敏元件相关的部分是半扩散式结构，半扩散式结构位于S形气路中。
本发明的热导检测器可适用在大流量(0-2000ml/min)的过程检测中。
本发明的热导检测器热导池体采用铝或不锈钢等金属材料制成，热导池体为长方体形状，由温控系统控制实现准确恒温(30-50℃)，控温精度±0.1℃。
本发明热敏元件安装于热导池体中，热导池经过恒温系统的控制处于恒温环境。热敏元件通过信号处理电路控制在较高恒定的温度。信号处理电路采用惠斯顿电桥完成信号处理和输出。扩散至分析空腔里被测气体的质量百分含量的不同造成在热敏元件上带走的热量的差别，从而在惠斯顿电桥上产生相应的信号变化。热敏元件的散热量与被测气体的热导系数及浓度有线性的数学关系，通过对惠斯顿电桥信号的处理，可以得到被测气体的质量百分含量。与传统检测器相比，热敏电阻不易氧化，使用方便，电流小，精度高，可适用于大流量气体分析。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用负温度系数热敏元件——不易氧化，桥电流小，灵敏度高。
2、采用电流控制模式——控制准确，相应快。
3、采用S型气路结构——气流稳定。
4、采用半扩散式气路——热敏元件工作条件稳定。
附图说明
图1为本发明所述的一对热敏元件热导检测器的结构示意图。其中，热导池体1、分析臂热敏元件2、参考臂热敏元件10、分析气进气口3、参考气进气口4、分析气出气口5、参考气出气口6、信号处理系统7、温度控制系统8、气路系统9、D/A连接线24、A/D连接线25、I/O连接线26。
图2为本发明信号处理系统结构示意图。其中，电源系统14、惠斯顿电桥11、分析臂热敏元件12、参考臂热敏元件13。
图3为本发明热导池体内部气路示意图。其中，分析臂气路进气口19、热导池体15、分析臂S型气路16、分析臂热敏元件腔室17、分析臂气路出口18、参考臂 气路进气口20、参考臂S型气路21、参考臂热敏元件腔室22、参考臂气路出口23。
具体实施方式
图1、图2、图3为本发明的一种具体实施方式。
本发明包括热敏元件、热导池、气路系统、温控系统以及信号处理系统。热敏元件安装在热导池内部，气路系统由热导池外部引入热导池，热导池体中分布着末端气路，热敏元件位于热导池体内部气路管路中。热导池体由底部安装的加热元件加热，并由温控系统控制至恒定温度(20～60℃)。热敏元件的引出腿串接在信号处理系统中。
本发明的热导检测器使用一对负温度系数的热敏元件作为检测元件，其中一个热敏元件位于分析气路流路上，另一个热敏元件位于参考气路流路上。
在分析气流经其中的热敏元件时产生与被测气氛浓度相关的电信号，由信号处理系统对信号进行放大和输出；信号处理系统与计算机通过两路AD信号线、一路DA信号线和一路IO信号线连接，AD信号线采集经过处理的热敏元件的输出信号，DA信号线设定热敏元件的工作状态，IO信号线能开通、关断热敏元件的驱动电流，经过处理的信号与热敏元件周围气体的导热系数成近似的正比关系。
分析气由分析气进气口3、分析臂气路进气口19进入热导池体1、15，沿分析臂S型气路16扩散进入分析臂热敏元件腔室17，由分析臂分析气出口5、分析臂气路出口18排出热导池体；分析臂热敏元件2位于分析臂热敏元件腔室17中，分析臂热敏元件腔室17位于分析臂S型气路的支路上。
参考气由参考气进气口4、参考臂气路进气口20进入热导池体1、15，沿参考臂S型气路21扩散进入参考臂热敏元件腔室22，由参考臂出口6、参考臂气路出口23排出热导池体；参考臂热敏元件10位于分析臂热敏元件腔室22中，参考臂热敏元件腔室22位于参考臂S型气路21的支路上。
热敏元件2、参考臂热敏元件10产生的电信号由信号处理系统7进行放大和处理，通过D/A连接线24、A/D连接线25、I/O连接线26输出计算机系统。
热导池体1、15由温度控制系统8实现恒温控制和保持。
Claims (5)
1.一种气体分析用热导检测器，包括热敏元件、热导池、气路系统、温控系统以及信号处理系统；其特征在于，热敏元件安装在热导池内部，气路系统由热导池外部引入热导池，热导池体中分布着末端气路，热敏元件位于热导池体内部气路管路中；热导池体由底部安装的加热元件加热，并由温控系统控制至恒定温度20～60℃；热敏元件的引出腿串接在信号处理系统中；
热导检测器使用一对负温度系数的热敏元件作为检测元件，其中一个热敏元件位于分析气路流路上，另一个热敏元件位于参考气路流路上；
在分析气流经其中的热敏元件时产生与被测气氛浓度相关的电信号，由信号处理系统对信号进行放大和输出；信号处理系统与计算机通过两路AD信号线、一路DA信号线和一路IO信号线连接，AD信号线采集经过处理的热敏元件的输出信号，DA信号线设定热敏元件的工作状态，IO信号线能开通、关断热敏元件的驱动电流，经过处理的信号与热敏元件周围气体的导热系数成近似的正比关系。
2.根据权利要求1所述的热导检测器，其特征在于，所述的热敏元件的控制模式为：分析气路中热敏元件由电流源驱动；参考气路中热敏元件由压控电流源驱动；正常工作时，当参考气与分析气组分相同时，参考气路中热敏元件与分析气路中热敏元件输出相同的电压值。
3.根据权利要求1所述的热导检测器，其特征在于，所述的气路系统采用S型和半扩散式气路结构；气路系统由分析气路、参考气路、分析气进气、分析气出气、参考气进气以及参考气出气组成，分析气和参考气分别由相应的进气口进入气路系统，在支路分别扩散入相应的热敏元件所在腔室，由分析气和参考气相应的出气口流出气路系统；气路系统在热导池体内部呈S型，气体流经时做两次折回流动，热敏元件安装于气体流路的支路中，通过垂直于气路的扩散通道与气路相通。
4.根据权利要求3所述的热导检测器，其特征在于，热导池的主气路是S形的，但与热敏元件相关的部分是半扩散式结构，半扩散式结构位于S形气路中。
5.根据权利要求1所述的热导检测器，其特征在于，热导池体采用铝或不锈钢金属材料制成，热导池体为长方体形状。
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