本發(fā)明涉及一種用于氣相色譜儀的熱導(dǎo)探測(cè)器，包括可加熱電阻探測(cè)器元件，可加熱電阻探測(cè)器元件被配置為物理地布置在從色譜柱洗提的分析物流中且與電阻器一起電布置在測(cè)量電橋的單獨(dú)的臂中，其中探測(cè)器元件包括至少兩個(gè)相同的探測(cè)器子元件，探測(cè)器子元件配置為物理地串聯(lián)布置在分析物流中且彼此并聯(lián)地電布置。

本發(fā)明還涉及一種熱導(dǎo)探測(cè)器模塊。

背景技術(shù)：

從US 4080821已知上文所提及類(lèi)型的熱導(dǎo)探測(cè)器，其公開(kāi)了一種待使用的熱探測(cè)器，尤其是用作流量計(jì)或熱導(dǎo)探測(cè)器，例如，用于氣相色譜儀的熱探測(cè)器。為了使熱導(dǎo)探測(cè)器基本上獨(dú)立于環(huán)境溫度，探測(cè)器具有探測(cè)器元件，探測(cè)器元件具有三個(gè)探測(cè)器子元件，三個(gè)探測(cè)器子元件具有密切配合的電阻值且串聯(lián)布置在待測(cè)量的氣體流中。探測(cè)器子元件中的兩個(gè)并聯(lián)電布置在測(cè)量電橋的相同半部分的一只臂中，并且第三個(gè)探測(cè)器子元件布置在另一個(gè)臂中。放大器檢測(cè)測(cè)量電橋的各半部分的臂的連接節(jié)點(diǎn)之間的差分電壓，并且應(yīng)用輸出電壓到測(cè)量電橋的半部分的連接節(jié)點(diǎn)上，以保持電橋大體平衡。這會(huì)加熱三個(gè)探測(cè)器子元件，其中，第三個(gè)探測(cè)器子元件的加熱效果是并聯(lián)探測(cè)器子元件的四倍。如果已知的熱探測(cè)器被用作熱導(dǎo)探測(cè)器，設(shè)置有額外電阻器與帶有所述并聯(lián)連接的探測(cè)器子元件串聯(lián)。

熱導(dǎo)探測(cè)器基于特征導(dǎo)熱性，尤其是利用氣相色譜法，檢測(cè)特定液體或氣態(tài)物質(zhì)(流體)。在此，通過(guò)將氣體載體(流動(dòng)相)內(nèi)的氣體混合物樣品穿過(guò)包含固定相的分離柱，分離氣體混合物的成分或物質(zhì)。不同的成分與固定相相互作用，這使得在不同時(shí)間，稱(chēng)為成分保留時(shí)間，洗脫每種成分。通過(guò)熱導(dǎo)探測(cè)器檢測(cè)分離的物質(zhì)，也被稱(chēng)為分析物，熱導(dǎo)探測(cè)器具有測(cè)量池，測(cè)量池具有適合的探測(cè)器元件，例如，放置在測(cè)量通道內(nèi)的電加熱絲。根據(jù)流過(guò)加熱絲的分析物的導(dǎo)熱性，熱量或多或少地從發(fā)熱絲轉(zhuǎn)移到測(cè)量通道的壁，相應(yīng)地較大程度或較小程度冷卻發(fā)熱絲。檢測(cè)到發(fā)熱絲的冷卻使得其電阻發(fā)生變化。

為了這個(gè)目的，正如US 5756878所知的，發(fā)熱絲和額外電阻器可放置在測(cè)量電橋的不同臂上。從提供給測(cè)量電橋的能量獲得通過(guò)發(fā)熱絲的物質(zhì)的導(dǎo)熱性，控制這些能量來(lái)保持發(fā)熱絲的溫度在預(yù)定溫度。為此，運(yùn)算放大器檢測(cè)測(cè)量電橋各半部分的臂的連接節(jié)點(diǎn)之間的差分電壓且施加輸出電壓到電橋半部分的連接節(jié)點(diǎn)。

探測(cè)器的靈敏度取決于若干因素。通常，探測(cè)器元件和測(cè)量通道的壁之間的溫度越高，探測(cè)器元件的電阻越高，靈敏度會(huì)越高。金屬絲，尤其是金絲，已用了很長(zhǎng)時(shí)間。為獲得足夠高的電阻，絲可制作的非常細(xì)，然而，這會(huì)導(dǎo)致魯棒性差。此外，包括硫化氫的氣體可毀掉金絲。鉑比金有一些優(yōu)勢(shì)，而且在包含氫氣和碳?xì)浠衔锏臍怏w混合物中具有催化效果。

從WO 2009/095494 A1了解到的熱導(dǎo)探測(cè)器，電性可加熱絲是由摻雜硅微機(jī)械加工得到的，來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)使用壽命以及對(duì)化學(xué)腐蝕氣體混合物的惰性。由于硅絲具有較高的熔點(diǎn)，與金絲相比較，硅絲可在較高溫度下運(yùn)作。而且，硅的比電阻要高于金的比電阻，從而可獲得高檢測(cè)靈敏度。

然而，如果熱導(dǎo)探測(cè)器必須是本質(zhì)安全的，探測(cè)器元件的高電阻證明是不利的。本質(zhì)安全(IS)依賴(lài)于設(shè)計(jì)的設(shè)備，這樣設(shè)備不能借助熱力裝置或電氣裝置釋放足夠的能量引燃可燃性氣體。因此，通過(guò)限制危險(xiǎn)區(qū)域 內(nèi)電力設(shè)備可用電量，將其限制為低于引燃?xì)怏w的水平來(lái)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。各種認(rèn)證機(jī)構(gòu)為視為本質(zhì)安全的系統(tǒng)設(shè)立了各種IS標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)60079-11、工廠互保(FM)3610、保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)UL913、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)CAN/CSA-C22.2No.157-92等等。

探測(cè)器元件需要特定電功率來(lái)加熱且穩(wěn)定在需要的工作溫度。工作電阻越高，通過(guò)探測(cè)器的電壓越高(P＝V²/R，其中P、V和R分別表示功率、電壓和電阻)。如果探測(cè)器元件的工作電阻與在測(cè)量電橋的相同半部分的另一個(gè)臂的參考電阻器的電阻相等，測(cè)量電橋的靈敏度是最大的。那么，驅(qū)動(dòng)電橋的電壓是探測(cè)器元件兩端電壓的兩倍。萬(wàn)一探測(cè)器元件短路，短路電流由參考電阻器來(lái)限流且為通過(guò)探測(cè)器元件的工作電流的兩倍。例如上面所提及的IEC標(biāo)準(zhǔn)的表A.1表示了對(duì)應(yīng)電壓的允許短路電流，其中隨著電壓的增加，允許的短路電流不成比例地大幅減小。因此，考慮到需要相對(duì)較高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)具有高電阻探測(cè)器元件的電橋，參考電阻器或許不能將短路電流限定在許用值。

如果熱導(dǎo)探測(cè)器是整合在熱導(dǎo)探測(cè)器模塊內(nèi)的多個(gè)探測(cè)器中的一個(gè)，則尤其適用，熱導(dǎo)探測(cè)器模塊整體上應(yīng)該是本質(zhì)安全的。如果是這種情況，除非單獨(dú)的探測(cè)器通過(guò)整條電通路隔開(kāi)6mm，否則單個(gè)探測(cè)器不能被視為單獨(dú)的本質(zhì)安全裝置。然而，正如在具有四個(gè)通常用作氣相色譜儀的探測(cè)器的模塊中，當(dāng)所有這些探測(cè)器必須緊挨在一起時(shí)，這種分隔是不可行的。因而所有整合的探測(cè)器的短路電流的和不會(huì)超過(guò)許用值。

解決該問(wèn)題的方法是降低參考電阻器的電阻以允許較低的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)測(cè)量電橋。然而，這會(huì)允許更大的短路電流，也仍舊違背IS參數(shù)。另外，由于上面給出的原因，測(cè)量電橋的靈敏度也會(huì)受到影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供同時(shí)顧及高探測(cè)器靈敏度和滿足本質(zhì)安全要求的熱導(dǎo)探測(cè)器的新設(shè)計(jì)。

根據(jù)本發(fā)明，該目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即在上面提及類(lèi)型的熱導(dǎo)探測(cè)器中，將在測(cè)量電橋的相同半部分的一個(gè)臂中的探測(cè)器元件和另一個(gè)臂中的參考電阻器配置為使得并聯(lián)探測(cè)器子元件在運(yùn)行溫度下的總電阻至少大約等于參考電阻器的電阻。

因此，本發(fā)明的主題是用于氣相色譜儀的熱導(dǎo)探測(cè)器，熱導(dǎo)探測(cè)器包括可加熱電阻探測(cè)器元件，可加熱電阻探測(cè)器元件配置為物理地布置在從色譜柱洗提的分析物流中，并且與電阻器一起電布置在測(cè)量電橋的單獨(dú)的臂中，其中探測(cè)器元件包括至少兩個(gè)相同的探測(cè)器子元件，探測(cè)器子元件配置為物理地串聯(lián)布置在分析物流中且彼此并聯(lián)地電布置，并且其中進(jìn)一步地，測(cè)量電橋的相同半部分的一個(gè)臂中的探測(cè)器元件和另一個(gè)臂中的參考電阻器配置為使得并聯(lián)探測(cè)器子元件在運(yùn)行溫度下的總電阻至少大約等于參考電阻器的電阻。

本發(fā)明的方法是將現(xiàn)有技術(shù)中電阻為R的單個(gè)探測(cè)器元件分為n個(gè)并聯(lián)子元件，每個(gè)子元件的電阻為R/n。因此，探測(cè)器元件的整體電阻降為R/n²。然而，從流體的立場(chǎng)來(lái)看，探測(cè)器元件事實(shí)上保持未改變，因?yàn)樘綔y(cè)器子元件串聯(lián)布置在分析物流中。由于探測(cè)器元件的工作溫度保持不變，功率也就有必要保持不變。因此，考慮到恒功率P，探測(cè)器元件兩端的電壓U更低，也就是U＝1/n·(P·R)^1/2。如上所述，最大可允許電流取決于電壓，隨著電壓的增加，電流大幅不成比例地減小。更準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，如IEC標(biāo)準(zhǔn)的表A.1所示，隨著電壓的增加，電壓和對(duì)應(yīng)可允許電流的乘積減小。因此，在沒(méi)有違背本質(zhì)安全要求的情況下，分割為兩個(gè)或多個(gè)并聯(lián)子元件的探測(cè)器元件比現(xiàn)有技術(shù)中單個(gè)探測(cè)器元件允許更高功率和工作溫度，而測(cè)量電橋的靈敏度最大。這進(jìn)而表示了，通過(guò)分割探測(cè)器元件，可使得具有高電阻探測(cè)器的熱導(dǎo)探測(cè)器本質(zhì)安全。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，探測(cè)器元件為MEMS裝置，優(yōu)選地由微機(jī)械加工硅制成。

在本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施方式中，可加熱電阻探測(cè)器元件包括三個(gè)探測(cè)器子元件。

因此，舉個(gè)例子，現(xiàn)有技術(shù)中，例如15kΩ級(jí)別的硅基探測(cè)器元件可分別分割為三個(gè)5kΩ的探測(cè)器子元件。這不僅允許設(shè)計(jì)熱導(dǎo)探測(cè)器或包含探測(cè)器元件的測(cè)量電橋的至少半部分滿足本質(zhì)安全要求，而且提供了本質(zhì)安全的熱導(dǎo)探測(cè)器模塊，熱導(dǎo)探測(cè)器模塊包括至少兩個(gè)、優(yōu)選四個(gè)熱導(dǎo)探測(cè)器。

為將探測(cè)器元件的溫度保持在預(yù)定工作溫度，熱導(dǎo)探測(cè)器優(yōu)選地包括放大器，放大器檢測(cè)測(cè)量電橋各半部分的臂的連接節(jié)點(diǎn)之間的差分電壓且施加輸出電壓到測(cè)量電橋的半部分的臂的連接節(jié)點(diǎn)上。

附圖說(shuō)明

參考附圖，現(xiàn)將舉例描述本發(fā)明，在本發(fā)明中，

圖1為根據(jù)本發(fā)明的熱導(dǎo)探測(cè)器的示例性實(shí)施方式，

圖2示例性地示出了測(cè)量通道中的多個(gè)探測(cè)器子元件的布置，以及

圖3為熱導(dǎo)探測(cè)器模塊的示例性實(shí)施方式。

具體實(shí)施方式

圖1示出了熱導(dǎo)探測(cè)器1。參考電阻器R1和探測(cè)器元件R2布置在測(cè)量電橋(惠斯通電橋)2的一半中，且進(jìn)一步地，電阻器R3和R4布置在另一半中。測(cè)量電橋2，即其每個(gè)半部分由差分放大器3的輸出來(lái)激發(fā)， 差分放大器驅(qū)動(dòng)通過(guò)參考電阻器R1的電壓并且將其應(yīng)用在探測(cè)器元件R2上以控制其電阻以及其溫度。將參考電阻器R1和探測(cè)器元件R2之間的節(jié)點(diǎn)上的電壓施加到放大器3的反相和非反相輸入端，且將電阻器R3和R4之間的節(jié)點(diǎn)上的電壓施加到放大器3的另一個(gè)輸入端。

在所示實(shí)例中，為具有正電阻溫度系數(shù)(PTC)的探測(cè)器元件配置差分放大器3。在負(fù)溫度系數(shù)(NTC)探測(cè)器元件的情況下，必須切換差分放大器3的輸入。

差分放大器3控制提供給探測(cè)器元件R2的電流，使得參考電阻器R1和探測(cè)器元件R2之間的接點(diǎn)處生成的電壓等于電阻器R3和R4之間的接點(diǎn)處生成的電壓，從而保持探測(cè)器元件R2的電阻值恒定，使得R1/R2＝R3/R4。因此，當(dāng)運(yùn)載氣體混合的氣態(tài)成分流經(jīng)探測(cè)器元件R2的時(shí)候，探測(cè)器1的輸出電壓信號(hào)4是對(duì)需要用來(lái)保持探測(cè)器元件R2在特定工作溫度以及特定參考電阻的電壓的測(cè)量。參考電阻器R1的電阻選為等于探測(cè)器元件R2的工作電阻，使得測(cè)量電橋2的靈敏度最大。因此，驅(qū)動(dòng)測(cè)量電橋2的電壓是參考電阻器R1兩端和探測(cè)器元件R2兩端的各自電壓的兩倍。萬(wàn)一探測(cè)器元件R2短路，短路電流由參考電阻器R1來(lái)限流且為通過(guò)探測(cè)器元件R2的工作電流的兩倍。電阻器R3和R4的電阻值要更高于R1和R2的電阻值，但比率相同。

為使得供給到測(cè)量電橋2的電源電壓更低(R2>R1)或短路電流更低(R1>R2)，R1和R2的比率可不是1：1。

探測(cè)器元件R2分割為至少兩個(gè)，此處為三個(gè)相同的探測(cè)器子元件R21、R22、R23，探測(cè)器子元件彼此并聯(lián)地電布置。如果R是每個(gè)單個(gè)子元件的電阻，則三個(gè)探測(cè)器子元件R21、R22、R23的總電阻為R2＝R/3。

圖2圖示地示出了測(cè)量通道5，在測(cè)量通道中，探測(cè)器子元件R21、R22、R23串聯(lián)布置在從色譜柱(未示出)洗提的分析物流6中。色譜分 離的分析物通過(guò)探測(cè)器子元件R21、R22、R23，在此探測(cè)器子元件是發(fā)熱絲的形式。探測(cè)器元件R2為由微機(jī)械加工的硅制成的MEMS裝置。探測(cè)器子元件R21、R22、R23替換現(xiàn)有技術(shù)中同樣總長(zhǎng)度的電阻為3R的絲。因此，探測(cè)器元件R2的總電阻是現(xiàn)有技術(shù)的絲的電阻的九分之一。

圖3示出了熱導(dǎo)探測(cè)器模塊7的示例性實(shí)施方式，熱導(dǎo)探測(cè)器模塊包括與圖1和圖2的實(shí)施方式的熱導(dǎo)探測(cè)器相同的四個(gè)熱導(dǎo)探測(cè)器11、12、13和14。熱導(dǎo)探測(cè)器11、12、13、14并不是僅單獨(dú)地而是一起滿足本質(zhì)安全要求。這就意味著，每個(gè)熱導(dǎo)探測(cè)器11、12、13、14的短路電流是本質(zhì)安全裝置本身的最大允許電流的四分之一或更少。因此，單個(gè)探測(cè)器不需要當(dāng)作單獨(dú)的本質(zhì)安全裝置且可以彼此間的間隔d遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于6mm而靠近布置在一起。參考標(biāo)號(hào)8表示熱導(dǎo)探測(cè)器11、12、13、14的流體連接器。