專利名稱：催化燃燒型氣體傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種催化燃燒型氣體傳感器，尤其涉及該催化燃燒型氣體傳感器的電路。
背景技術(shù)：
催化燃燒傳感器由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件構(gòu)成。檢測(cè)元件是由鉬絲繞制成線圈，在線圈外涂由氧化鋁-氧化硅組成的膏狀涂覆層，一定溫度下燒結(jié)成球狀多孔體，將燒結(jié)后的小球浸潰貴金屬鉬、鈀等的鹽溶液，再高溫處理，使在氧化物載體上形成貴金屬催化層，最后封裝成元件，而補(bǔ)償元件和檢測(cè)元件的區(qū)別是沒有催化層。當(dāng)可燃?xì)怏w(如甲烷等)在檢測(cè)元件表面無焰催化燃燒，燃燒熱使檢測(cè)元件的鉬絲溫度升高，電阻值相應(yīng)増大。在低于10% (體積分?jǐn)?shù))情況下，空氣中的可燃?xì)怏w可以完全燃燒，其發(fā)熱量與可燃?xì)怏w的濃度成正比。空氣中可燃?xì)怏w的濃度越大，燃燒產(chǎn)生的燃燒熱越多，鉬絲的溫度增高越大，其電阻值増加的越多。只要測(cè)定檢測(cè)元件鉬絲的電阻變化值，就可檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w的濃度?，F(xiàn)有技術(shù)的催化燃燒型氣體傳感器工作原理如圖I所示檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件串聯(lián)，和外圍電路構(gòu)成惠斯通電橋。外圍電路給電橋提供恒壓，初始狀態(tài)A、B間平衡，沒有壓差。當(dāng)檢測(cè)元件與可燃?xì)怏w接觸吋，燃燒熱使檢測(cè)元件溫度上升(補(bǔ)償元件上無燃燒，其鉬絲阻值不變)，鉬絲阻值増大，A的電位增高而B的電位不變，利用A、B間產(chǎn)生的電位差與可燃?xì)怏w濃度成正比，測(cè)試可燃?xì)怏w濃度。其中補(bǔ)償元件的作用是補(bǔ)償可燃?xì)怏w催化燃燒以外的，由環(huán)境溫度、電源電壓和氣體流速等因素所引起的偏差。例如，清潔空氣的流速突然増大，元件高溫小球(450°C左右)通過對(duì)流方式損失的熱量會(huì)増加，小球溫度會(huì)降低，但由于補(bǔ)償元件和檢測(cè)元件小球相似，熱量損失也接近，兩者熱電阻會(huì)同等幅度的降低，A的電壓不變，在惠斯通電橋上不會(huì)有信號(hào)輸出，也就避免了由于清潔空氣流速加大，導(dǎo)致誤報(bào)情況的發(fā)生。該原理由于可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件上催化燃燒熱，其小球工作溫度隨可燃?xì)怏w濃度的增大而升高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供了 一種催化燃燒型氣體傳感器，通過可調(diào)電壓源和電壓負(fù)反饋，控制檢測(cè)元件上工作電流，g在使檢測(cè)元件小球始終在恒定溫度下工作。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型包括檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件；還包括第一三極管和第二三極管；所述的第一三極管和第二三極管相同；檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件的一端與第二三極管的發(fā)射極共接，補(bǔ)償元件的另一端接地；第二三極管的基極與第一三極管的基極相連；第二三極管的集電極與第二三極管的基極相連，第二三極管的集電極連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端接地；檢測(cè)元件的另一端分別通過第一電阻與第一三極管的發(fā)射極相連以及通過可調(diào)電壓源模塊與電壓負(fù)反饋電路相連；第一三極管的集電極分別與第三電阻的一端以及第ニ電阻的一端相連；第三電阻的另一端接地；第二電阻的另一端與電壓負(fù)反饋電路模塊相連；第二電阻的另一端同時(shí)和信號(hào)調(diào)理模塊相連，調(diào)理后的信號(hào)向外電路輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是能明顯降低檢測(cè)元件靈敏度衰減和信號(hào)漂移，降低耗電量，延長(zhǎng)傳感器壽命。

圖I是現(xiàn)有技術(shù)中催化燃燒型氣體傳感器的電路模塊圖。圖2是本實(shí)用新型的電路模塊圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)ー步詳細(xì)描述本實(shí)用新型包括檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件；還包括第一三極管Tl和第二三極管T2 ;所述的第一三極管Tl和第二三極管T2相同；檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件的一端與第二三極管T2的發(fā)射極共接，補(bǔ)償元件的另一端接地；第二三極管T2的基極與第一三極管Tl的基極相連；第二三極管T2的集電極與第二三極管T2的基極相連，第二三極管T2的集電極連接第四電阻R4的一端，第四電阻R4的另一端接地；檢測(cè)元件的另一端分別通過第一電阻Rl與第一三極管Tl的發(fā)射極相連以及通過可調(diào)電壓源模塊與電壓負(fù)反饋電路相連；第一三極管Tl的集電極分別與第三電阻R3的一端以及第二電阻R2的一端相連；第三電阻R3的另一端接地；第二電阻R2的另一端與電壓負(fù)反饋電路模塊相連；第二電阻R2的另ー端同時(shí)和信號(hào)調(diào)理模塊相連，調(diào)理后的信號(hào)向外電路輸出。所述的第一電阻R1、第二電阻R2以及第三電阻R3和檢測(cè)、補(bǔ)償元件工作時(shí)的熱電阻接近；第四電阻R4的阻值大于第一電阻R I 1000倍以上。本實(shí)用新型中的電壓負(fù)反饋電路模塊，是采用現(xiàn)有技術(shù)常用的電壓串聯(lián)或并聯(lián)負(fù)反饋電路。信號(hào)調(diào)理模塊，也是采用現(xiàn)有技術(shù)常用信號(hào)調(diào)理電路，_在擴(kuò)大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，與后續(xù)的A/D采用電路的輸入范圍匹配?？烧{(diào)電壓源也是采用現(xiàn)有技術(shù)常用的模塊。本實(shí)用新型和以前的工作原理有所不同，檢測(cè)元件采用恒溫工作模式，即在檢測(cè)可燃?xì)怏w的時(shí)候，通過恒溫控制電路，自動(dòng)調(diào)節(jié)檢測(cè)元件的加熱電流，使之處于恒溫狀態(tài)。輸出信號(hào)取自催化傳感元件工作電流的變化量。本實(shí)用新型應(yīng)用了ー個(gè)鏡像電流源設(shè)計(jì)，采用完全対稱的晶體管Tl和T2，參數(shù)完全相同，其中R4的阻值大于檢測(cè)和補(bǔ)償元件的熱電阻(兩者熱電阻值接近)1000倍以上，電路中其它電阻與檢測(cè)和補(bǔ)償元件的熱電阻接近。設(shè)流過晶體管Tl基射極電壓為Vbei，發(fā)射極電流Ια，基極電流Ibl ;流過晶體管Τ2基射極電壓為VBE2，發(fā)射極電流Ic2，基極電流Ib2。由于兩個(gè)晶體管基極電位相同，則有Il*R_*fr+VBE2 = IC1 *RI+VbeiO由于兩個(gè)晶體管參數(shù)完全相同，Vbe2 = Vbei,則有11* !元件=!ci*R1 即通過Rl的電流Ici是檢測(cè)元件工作電流Il的鏡像，有
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3 :: ； = '............................................................' ' ^ 1Ici通過R3轉(zhuǎn)換為電壓采樣信號(hào)，通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)檢測(cè)元件工作電流II。具體エ作過程是首先通過負(fù)反饋電路調(diào)整檢測(cè)元件工作電流II，使流經(jīng)檢測(cè)元件的電流等于其額定工作電流，檢測(cè)元件處于初始工作狀態(tài)，工作溫度為450°C左右。當(dāng)檢測(cè)可燃?xì)怏w吋，可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件表面發(fā)生催化燃燒反應(yīng)，使檢測(cè)元件催化多孔小球表面溫度升高，迅速傳遞給內(nèi)部的鉬絲，使鉬絲溫度升高阻值增大，即増大。檢測(cè)元件工作電流Il的降低通過其鏡像，流過Rl的電流Ia得到體現(xiàn)，Ici通過R3轉(zhuǎn)換為電壓采樣信號(hào)，通過負(fù)反饋電路，更大幅度的降低檢測(cè)元件工作電流11，使Rs3Kft恢復(fù)到初始值，保證檢測(cè)元件恒溫工作。同時(shí)，通過電壓采樣信號(hào)，可以獲得和檢測(cè)元件工作電流減小幅值一一對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，事先采用標(biāo)準(zhǔn)濃度可燃?xì)怏w確定出兩者線性關(guān)系，由此信號(hào)可以反算出實(shí)際可燃?xì)怏w濃度。在傳統(tǒng)的惠斯通電橋工作狀態(tài)下，由于檢測(cè)和補(bǔ)償元件串聯(lián)電路上加的是恒壓，檢測(cè)元件熱電阻増大，其工作電流也會(huì)降低，對(duì)催化多孔小球表面溫度的影響是負(fù)向的，即降低小球表面溫度。但可燃?xì)怏w催化燃燒產(chǎn)生的熱量，對(duì)小球表面溫度升高的效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者，其疊加的效果仍是檢測(cè)元件催化小球表面溫度升高，鉬絲阻值増大。而本實(shí)用新型為了保持檢測(cè)元件催化小球、內(nèi)部鉬絲的溫度恒定，為達(dá)到這點(diǎn)，電路中通過反饋對(duì)檢測(cè)元·件工作電流的降低幅度要大的多。另外，由于R4的阻值很大，使Ic2遠(yuǎn)小12，對(duì)Il的分流作用可以忽略不計(jì)，則有Il ^ 12，及通過檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件的電流基本相同。補(bǔ)償元件在惠斯通電橋中的補(bǔ)償作用同樣得到保留。例如，當(dāng)有小幅度的環(huán)境溫度升高，工作元件和補(bǔ)償元件的溫度同時(shí)升高，由于兩元件的工作小球結(jié)構(gòu)接近，其升溫比例接近，則兩元件間的電位保持不變，即エ丄噸檢測(cè)元件保持不變。由于！丨噸檢測(cè)元件=iCi*Ri，其鏡像電流し也保持不變，則反饋電路不會(huì)作用，電壓源恒壓保持不變，就不會(huì)有誤報(bào)產(chǎn)生。本實(shí)用新型為提高檢測(cè)元件靈敏度，制作中元件氧化鋁載體采用多孔結(jié)構(gòu)，并盡量提高催化劑層的比表面積。由于檢測(cè)元件工作在450°C左右，長(zhǎng)時(shí)間高溫?zé)Y(jié)，多孔的氧化鋁會(huì)逐漸變成低活性且致密的α相結(jié)構(gòu)，使載體表面積降低；貴金屬催化劑粒子會(huì)燒結(jié)變大，催化劑層的比表面積會(huì)下降，催化活性降低；當(dāng)高濃度的可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件上燃燒，瞬間高溫還會(huì)使貴金屬活性粒子升華為氣態(tài)，使處于同一氣室的補(bǔ)償元件載體上吸附微量催化劑，使可燃?xì)怏w能夠在補(bǔ)償元件上催化燃燒，這些均會(huì)使電橋輸出靈敏度下降。采用檢測(cè)元件恒溫工作模式，能顯著延緩多孔氧化鋁燒結(jié)致密，和向低活性的剛玉相轉(zhuǎn)變，抑制貴金屬催化劑粒子的燒結(jié)變大，同時(shí)避免出現(xiàn)瞬間高溫使貴金屬活性粒子升華的情況，明顯降低檢測(cè)元件靈敏度衰減和信號(hào)漂移，延長(zhǎng)傳感器壽命。由于催化燃燒傳感器需要在測(cè)量過程中持續(xù)加熱，因此耗電量比較大，一般可達(dá)80-150mA(2. 5-4. 5V直流供電)，所以在便攜式儀表中常常需要采用大容量的充電電池給整個(gè)儀器的供電。當(dāng)檢測(cè)環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)報(bào)警點(diǎn)濃度以下的可燃?xì)怏w時(shí)，這種恒溫工作模式的節(jié)電效應(yīng)就會(huì)很明顯。當(dāng)接觸高濃度可燃?xì)怏w環(huán)境(例如超過10%體積百分比的甲烷)，檢測(cè)元件的阻值變化不再隨可燃?xì)怏w濃度呈線性關(guān)系，這將無法準(zhǔn)確測(cè)量可燃?xì)怏w濃度。通過恒溫檢測(cè)方法能夠克服這個(gè)問題，這實(shí)際上擴(kuò)大的傳感器的測(cè)量范圍。同時(shí)瞬間接觸高濃度可燃?xì)怏w，催化燃燒傳感器會(huì)出現(xiàn)“激活”現(xiàn)象，即由于元件表面瞬間劇烈燃燒，產(chǎn)生的急劇升溫，會(huì)使前述降低靈敏度的作用被迅速放大，傳感器靈敏度迅速下降，為避免損傷傳感器，目前采取的方法是超過檢測(cè)范圍后就斷電關(guān)機(jī)。如果檢測(cè)環(huán)境頻繁出現(xiàn)高、低濃度變化，檢測(cè)儀器將無法正常工作，采用本實(shí)用新型的恒溫檢測(cè)模式，給檢測(cè)元件的供電是ー個(gè)逐漸降低，直至完全斷電的過程，在避免檢測(cè)元件損傷的同吋，能夠很大程度緩解這個(gè)現(xiàn)象。
權(quán)利要求1.一種催化燃燒型氣體傳感器，包括檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件；其特征在于還包括第一三極管和第二三極管；所述的第一三極管和第二三極管相同；檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件的一端與第二三極管的發(fā)射極共接，補(bǔ)償元件的另一端接地；第二三極管的基極與第一三極管的基極相連；第二三極管的集電極與第二三極管的基極相連，第二三極管的集電極連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端接地；檢測(cè)元件的另一端分別通過第一電阻與第一三極管的發(fā)射極相連以及通過可調(diào)電壓源模塊與電壓負(fù)反饋電路相連；第一三極管的集電極分別與第三電阻的一端以及第二電阻的一端相連；第三電阻的另一端接地；第二電阻的另一端與電壓負(fù)反饋電路模塊相連；第二電阻的另一端同時(shí)和信號(hào)調(diào)理模塊相連，調(diào)理后的信號(hào)向外電路輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的催化燃燒型氣體傳感器，其特征在于所述的第一電阻、第二電阻以及第三電阻和檢測(cè)、補(bǔ)償元件工作時(shí)的熱電阻接近；第四電阻的阻值大于第一電阻1000倍以上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種催化燃燒型氣體傳感器，包括檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件；還包括相同的兩個(gè)三極管；檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件的一端與第二三極管的發(fā)射極共接，補(bǔ)償元件的另一端接地；第二三極管的基極與第一三極管的基極相連；第二三極管的集電極與第二三極管的基極相連，第二三極管的集電極連接第四電阻的一端，第四電阻的另一端接地；檢測(cè)元件的另一端分別通過第一電阻與第一三極管的發(fā)射極相連以及通過可調(diào)電壓源模塊與電壓負(fù)反饋電路相連；第一三極管的集電極分別與第三電阻的一端以及第二電阻的一端相連；第三電阻的另一端接地；第二電阻的另一端與電壓負(fù)反饋電路模塊相連；第二電阻的另一端同時(shí)和信號(hào)調(diào)理模塊相連。
文檔編號(hào)G01N27/16GK202814906SQ20122006673
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者鄭銳 申請(qǐng)人:上海恩尼克思工業(yè)儀器有限公司