專利名稱：一種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氫氣傳感器，具體地說是一種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器。
背景技術(shù)：
氫氣是生產(chǎn)中常用的工業(yè)氣體、化學(xué)工藝生產(chǎn)中的常見產(chǎn)物，也是今后最具潛力
的清潔能源，所以氫氣的使用伴隨了現(xiàn)代工業(yè)的整個過程，對于氫氣的新生產(chǎn)工藝和儲運
技術(shù)的研究也方興未艾。然而由于氫氣的不安全性，使氫氣傳感器成為不可或缺的設(shè)備，只
有在生產(chǎn)、實驗和使用過程中具備快速可靠的監(jiān)測手段，才能有效地避免危險。
目前的多數(shù)氫氣傳感器采用選擇性氣體敏感膜技術(shù)，例如在光纖表面涂
上鈀膜作為敏感材料，利用鈀在氫氣中的膨脹而改變有效光程后利用干涉技術(shù)檢測。敏感膜型氫氣傳感器的缺
點在于響應(yīng)和回復(fù)時間較長，且敏感膜材料都有一定的使用壽命，對使用場合的溫度、濕
度以及清潔程度都要求較高，所以很多情況下無法勝任在惡劣環(huán)境下的監(jiān)測任務(wù)，更不適
合長期和大量的使用。電化學(xué)傳感器的靈敏度較高，線性度、精度、選擇性優(yōu)良，但由于使
用了流動的電解液，電解液的泄漏、揮發(fā)，使元件的壽命較短，且電化學(xué)傳感器的價格也相
對較高[原田修治，松田州央氫氣傳感器中國專利申請?zhí)?00680028782. 3國際申請?zhí)?br> 2006-04-11PCT/JP2006/307592]。 與之相對應(yīng)的是采用物理手段，即熱導(dǎo)原理工作的氫氣傳感器，利用和周圍氣體 顯著的熱導(dǎo)差異實現(xiàn)對氫氣的高靈敏響應(yīng)，可見基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器從核心的敏感 器件到整體的設(shè)計組成，都可以得到更長的使用壽命和更強的環(huán)境適應(yīng)性，形成了一種高 靈敏度，響應(yīng)快速，低故障率的特點，代表了氫氣傳感器的主要發(fā)展方向。然而熱導(dǎo)型氫氣 傳感器的技術(shù)問題是容易受到環(huán)境溫度和周圍氣流波動的影響，以及傳感器工作時自身發(fā) 熱的所帶來的基線漂移問題，在一定程度上限制了熱導(dǎo)型傳感器的優(yōu)勢和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上背景，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)型單通道氫氣傳感器，其是通過 對基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的改進(jìn)和優(yōu)化，而不是通過復(fù)雜的電子線 路設(shè)計，最大限度地降低了環(huán)境和自身溫度變化帶來的基線漂移，非常適合氣體生產(chǎn)車間 等惡劣環(huán)境下的長期使用。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 —種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器，其由測量熱敏電阻、參比熱敏電阻、橋路電阻、 測量池、參比池、電壓放大和溫度補償電路板、傳感器殼體組成； 測量池為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu)、參比池為密閉的筒狀結(jié)構(gòu)，測量池和參比池均放 置于傳感器殼體內(nèi)，并緊貼在一起；測量熱敏電阻和參比熱敏電阻均分別通過橋路電阻與 電壓放大和溫度補償電路板導(dǎo)線連接；測量熱敏電阻及與其相連的橋路電阻置于測量池 內(nèi)，參比熱敏電阻及與其相連的橋路電阻置于參比池內(nèi)；傳感器殼體的上端設(shè)置有小孔，一擴散膜貼附于傳感器殼體帶有小孔的端面上；測量熱敏電阻、參比熱敏電阻和橋路電阻共 同組成惠斯登電橋。 所述測量熱敏電阻、參比熱敏電阻和它們對應(yīng)的橋路電阻分別固定于測量池PCB 板及參比池PCB板上，測量池PCB板及參比池PCB板分別置于測量池和參比池內(nèi)；在測量池 PCB板及參比池PCB板外側(cè)分別設(shè)置有擋板，以擋板進(jìn)行密封，徹底防止氫氣的滲透。
所述熱敏電阻是由熱敏金屬絲(鉬、鎳、銖鎢合金等)纏繞在絕熱體(玻璃棒、玻 璃管、陶瓷管等)上制成；熱敏電阻直徑在0.3 2mm之間，長度在0.3 20mm之間。用金 屬絲繞制的熱敏電阻具有長期穩(wěn)定性和溫度系數(shù)性能的一致性。 所述測量池和參比池均為金屬鋁池，熱敏電阻固定在金屬鋁池內(nèi)，其中測量池是 半開放式結(jié)構(gòu)，通過擴散膜與大氣相通，參比池為密封結(jié)構(gòu)，環(huán)境中的氫氣不能滲入。
所述擴散膜為半透膜或多孔膜或網(wǎng)；擴散膜的膜孔直徑在50 200微米之間。
所述傳感器殼體為不銹鋼材料制成，利用不銹鋼導(dǎo)熱速度慢的性質(zhì)對外界溫度變 化進(jìn)行較為有效的隔離。 同其他傳感器相比，本發(fā)明的設(shè)計具有以下特點 1)測量池和參比池的外壁材料為鋁，利用鋁的良好導(dǎo)熱性能使測量池和參比池保 持良好的溫度一致性。 2)不銹鋼外壁實現(xiàn)對于敏感元件的有效保護(hù)，屏蔽掉外界的電磁干擾，并利用不 銹鋼材料導(dǎo)熱速度慢的特點，減小環(huán)境溫度對熱敏電阻的影響。 3)測量體固定在工作電路板一側(cè)，并與其連成一體。測量體和工作電路板通過熱 傳導(dǎo)達(dá)到傳感器整體的熱平衡，并且使結(jié)構(gòu)緊湊，提高了傳感器對于環(huán)境狀態(tài)變化的緩沖 能力。 4)測量體頂端多孔膜微觀下的通道結(jié)構(gòu)，可以阻擋傳感器外部的氣體流場變化， 消除了環(huán)境氣體波動對測量造成的影響，有效防止空氣顆粒物的進(jìn)入。 本發(fā)明通過簡單的結(jié)構(gòu)對于嚴(yán)重影響測量效果的物理參數(shù)(如溫度、氣體流速 等)實現(xiàn)了極為有效的控制，既保留了以往熱導(dǎo)型傳感器的優(yōu)勢，同時也克服了穩(wěn)定性差 的缺點。


圖1為測量池結(jié)構(gòu)示意圖，左圖為俯視圖，右圖為剖面圖；
圖2為傳感器殼體結(jié)構(gòu)示意圖，左圖為俯視圖，右圖為剖面圖；
圖3為金屬絲繞制成的熱敏電阻的放大示意圖；
圖4氫氣傳感器分解示意圖，其中 101-測量熱敏電阻，102-參比熱敏電阻，201-橋路電阻，301-測量池，302-參比 池，401-測量池PCB板，402-參比池PCB板，403-電壓放大和溫度補償電路，500-傳感器殼 體，501-多孔膜，502-密封擋板
圖5為體積濃度1 %的氫氣測定譜圖。
具體實施例方式
—種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器，其由測量熱敏電阻101、參比熱敏電阻1Q2、橋
4路電阻201、測量池301、參比池302、電壓放大和溫度補償電路板403、傳感器殼體500組 成； 測量池及參比池外壁材料為鋁；傳感器殼體為不銹鋼材料；傳感器的熱敏電阻為 熱敏金屬絲繞在絕熱體上制成；測量池固定在工作電路板的一側(cè)；測量池上置有多孔膜；
測量池301為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu)、參比池302為密閉的筒狀結(jié)構(gòu)，測量池301和 參比池302均放置于傳感器殼體500內(nèi)，并緊貼在一起；測量熱敏電阻101和參比熱敏電阻 102均分別通過橋路電阻201與電壓放大和溫度補償電路板403導(dǎo)線連接；測量熱敏電阻 101及與其相連的橋路電阻201置于測量池301內(nèi)，參比熱敏電阻102及與其相連的橋路電 阻201置于參比池302內(nèi)；傳感器殼體500的上端設(shè)置有小孔， 一擴散膜501貼附于傳感器 殼體500帶有小孔的端面上；測量熱敏電阻101、參比熱敏電阻102和橋路電阻201共同組 成惠斯登電橋。 所述測量熱敏電阻101 、參比熱敏電阻102和它們對應(yīng)的橋路電阻201分別固定于 測量池PCB板401及參比池PCB板402上，測量池PCB板401及參比池PCB板402分別置 于測量池301和參比池302內(nèi)；在測量池PCB板401及參比池PCB板402外側(cè)分別設(shè)置有 擋板502，以擋板502進(jìn)行密封，徹底防止氫氣的滲透。 所述熱敏電阻是由熱敏金屬絲纏繞在絕熱體上制成；熱敏電阻直徑在0. 3 2mm 之間，長度在0. 3 20mm之間；所述測量池301和參比池302均為金屬鋁池，熱敏電阻固定 在金屬鋁池內(nèi)，其中測量池是半開放式結(jié)構(gòu)，通過擴散膜501與大氣相通，參比池為密封結(jié) 構(gòu)，環(huán)境中的氫氣不能滲入。 所述擴散膜501為半透膜或多孔膜或網(wǎng)，膜孔直徑在50 200微米之間。所述傳 感器殼體500為不銹鋼材料制成，利用不銹鋼導(dǎo)熱速度慢的性質(zhì)對外界溫度變化進(jìn)行較為 有效的隔離。
實施例1 1熱敏金屬絲纏繞在玻璃觀上制成測量熱敏電阻101和參比熱敏電阻102 ; 2測量熱敏電阻101、參比熱敏電阻102和橋路電阻201組成惠斯登電橋，測量熱
敏電阻101位于測量池PCB板401的上側(cè)，參比熱敏電阻102位于參比池PCB板402的上
側(cè)，橋路電阻201位于各自對應(yīng)的PCB板下側(cè)，保持各電阻之間的對稱性； 3直徑4cm、高3cm的圓柱型鋁塊，在其上加工出直徑7. 2mm圓形通孔，為測量池
301，另一個7. 2mm圓孔不貫通，為參比池302 ; 4分別安裝兩PCB板至各自的池內(nèi)，并以擋板502密封； 5傳感器殼體500頂端整體安裝固定孔徑150微米的多孔膜501 ; 6按照附圖將傳感器整體安裝完成。 實施例2 采用4個相同的熱敏電阻組成惠斯登電橋，其中一個為測量電阻，一個為參比電
阻，另外兩個作為橋路電阻。其余步驟同實施例l。
應(yīng)用例1 以空氣為底氣，配制1%的氫氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，以切換閥切換空氣和氫氣流路，測量結(jié) 果見圖5。
權(quán)利要求
一種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器，其特征在于其由測量熱敏電阻(101)、參比熱敏電阻(102)、橋路電阻(201)、測量池(301)、參比池(302)、電壓放大和溫度補償電路板(403)、傳感器殼體(500)組成；測量池(301)為上端開口的筒狀結(jié)構(gòu)、參比池(302)為密閉的筒狀結(jié)構(gòu)，測量池(301)和參比池(302)均放置于傳感器殼體(500)內(nèi)，并緊貼在一起；測量熱敏電阻(101)和參比熱敏電阻(102)均分別通過橋路電阻(201)與電壓放大和溫度補償電路板(403)導(dǎo)線連接；測量熱敏電阻(101)及與其相連的橋路電阻(201)置于測量池(301)內(nèi)，參比熱敏電阻(102)及與其相連的橋路電阻(201)置于參比池(302)內(nèi)；傳感器殼體(500)的上端設(shè)置有小孔，一擴散膜(501)貼附于傳感器殼體(500)帶有小孔的端面上；測量熱敏電阻(101)、參比熱敏電阻(102)和橋路電阻(201)共同組成惠斯登電橋。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氫氣傳感器，其特征在于所述測量熱敏電阻(101)、參比熱 敏電阻(102)和它們對應(yīng)的橋路電阻(201)分別固定于測量池PCB板(401)及參比池PCB 板(402)上，測量池PCB板(401)及參比池PCB板(402)分別置于測量池(301)和參比池 (302)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氫氣傳感器，其特征在于在測量池PCB板(401)及參比池 PCB板(402)外側(cè)分別設(shè)置有擋板(502)，以擋板(502)進(jìn)行密封，徹底防止氫氣的滲透。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣傳感器，其特征在于所述熱敏電阻是由熱敏金屬絲纏 繞在絕熱體上制成；熱敏電阻直徑在0. 3 2mm之間，長度在0. 3 20mm之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的氫氣傳感器，其特征在于所述測量池(301)和參比池(302) 均為金屬鋁池，熱敏電阻固定在金屬鋁池內(nèi)，其中測量池(301)是半開放式結(jié)構(gòu)，通過擴散 膜(501)與大氣相通，參比池(302)為密封結(jié)構(gòu)，環(huán)境中的氫氣不能滲入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣傳感器，其特征在于所述擴散膜(501)為半透膜或多 孔膜或網(wǎng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氫氣傳感器，其特征在于所述擴散膜(501)的膜孔直徑在 50 200微米之間。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣傳感器，其特征在于所述傳感器殼體(500)為不銹鋼 材料制成，利用不銹鋼導(dǎo)熱速度慢的性質(zhì)對外界溫度變化進(jìn)行較為有效的隔離。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于熱導(dǎo)原理的氫氣傳感器。傳感器由測量池的熱敏電阻、參比池的熱敏電阻、橋路固定電阻、PCB板、外殼和放大電路組成。測量池頂端設(shè)有多孔膜或網(wǎng)狀支撐物，參比池為密封結(jié)構(gòu)，氫氣不能滲入。熱敏電阻和橋路電阻分別固定于PCB板上下兩側(cè)。放大電路位于底部或傳感器殼體外部。本發(fā)明通過對傳感器物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實現(xiàn)了傳感器自身的熱平衡，并抑制了外界環(huán)境的干擾，結(jié)構(gòu)小巧緊湊，適合于一般的現(xiàn)場環(huán)境長期使用。
文檔編號G01N27/14GK101750439SQ20081022998
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者關(guān)亞風(fēng), 夏金偉, 朱蘊卿, 王建偉 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所