本發(fā)明涉及一種熱導(dǎo)檢測器及其操作方法。

背景技術(shù)：

基于特定液體或氣態(tài)物質(zhì)(流體)的特有熱導(dǎo)率，使用熱導(dǎo)檢測器，尤其是在氣相色譜儀中檢測該液體或氣態(tài)物質(zhì)(流體)。此時，氣體混合物的成分或物質(zhì)通過經(jīng)由包含固定相的分離柱而在運載氣體(移動相)中傳送氣體混合物的樣品而分離。不同成分與固定相交互，該固定相使得在不同時間洗提每個成分，這已知作為成分的保持時間。分離的物質(zhì)(也被稱為分析物)由熱導(dǎo)檢測器檢測，該熱導(dǎo)檢測器具有含有適當檢測器元件(例如，布置在測量通道中的電加熱燈絲)的測量單元。根據(jù)流過加熱燈絲的物質(zhì)的導(dǎo)熱率，或多或少的熱量從加熱燈絲轉(zhuǎn)移至測量通道的壁，并且加熱燈絲相對應(yīng)地冷卻至或大或小的程度。作為加熱燈絲冷卻的結(jié)果，檢測到其電阻變化。

為了該目的并且如從例如，US 5,756,878已知的，加熱燈絲可布置在包含附加電阻器的測量電橋中。從提供至測量電橋的能量的大小獲得傳送加熱燈絲的物質(zhì)的熱導(dǎo)率，并且該熱導(dǎo)率被控制為將加熱燈絲的溫度維持在預(yù)定操作溫度。替代電阻器，可設(shè)置分別與測量通道和基準通道中的燈絲流體地并聯(lián)或串聯(lián)的其他燈絲。

從US 5,379,630或US 5,587,520，已知在測量電橋的一個臂中設(shè)置兩個電阻器和一個可控制開關(guān)。該開關(guān)被控制為使臂的電阻在兩個電阻器的 值之間周期性改變，并且因此以兩個不同溫度交替操作加熱燈絲。從通過處于兩個不同操作溫度的燈絲消散的電力的差值來確定流過加熱燈絲的物質(zhì)的熱導(dǎo)率。

US 3,733,463公開了一種溫度控制系統(tǒng)，該溫度控制系統(tǒng)在電橋的一個臂中包括具有電阻電容性(RC)電路的修改的惠斯登電橋。RC電路包括根據(jù)其絕對電阻以及提供至跨接至其的開關(guān)的脈沖的開與關(guān)時間的比值而提供有效電阻的電阻器。跨越RC電路生成鋸齒電壓，將該電壓與跨越溫度傳感器生成的電壓相比較，其中，當鋸齒電壓超過跨越溫度傳感器的電壓時，在每個脈沖周期部分的過程中施加熱量。由于惠斯登電橋從DC電池供電，所以溫度傳感器的操作溫度保持完全不被電阻電容性(RC)電路影響。

加熱燈絲的操作溫度由測量電橋中的電阻的比值設(shè)定。由于電阻是取決于溫度的，所以有利的是，在單片設(shè)備中使用集成的而非離散的電阻器。由于溫度影響的消除，這提供最穩(wěn)定的測量，同時電阻器位于相同基板上。然而，這種單片設(shè)備的缺點是：電阻器的制造差異不能提供加熱燈絲的精確操作溫度的強確定性，或者至少，不能提供連續(xù)的熱導(dǎo)檢測器(諸如，測量通道中的一個與基準通道中的另一個)之間的溫度的匹配。因此，對于在例如，氣相色譜儀中的實際應(yīng)用，單片設(shè)備的制造差異需要電阻比值的調(diào)節(jié)。

不論從制造視角還是從不期望的噪聲和偏移的可能添加的視角來看，插入可變電阻器(電勢計)或補償電阻的任何努力都是不可取的。更先進的方法將是電阻的激光微調(diào)。然而，對于包括具有燈絲的測量通道的微型機械(MEMS)設(shè)備，這是不實際的，因為通道必須圍繞電阻元件封閉，因此也對激光微調(diào)操作封閉。微調(diào)操作將會出現(xiàn)在單片設(shè)備的中間制造步驟中，因此在過程的早期增加成本和價值，因此會承擔(dān)更高的高成本產(chǎn)出失敗的風(fēng)險。

用在氣相色譜儀中的熱導(dǎo)檢測器提供輸出信號，該輸出信號將氣體混合物的組成的定量時域光譜表示為一系列峰值(色譜圖)。每個峰值表示氣體混合物的成分，峰值的高度和面積確定成分的含量。峰值可以非常小，但是，處于相同色譜圖內(nèi)，一些峰值可非常大。為了進一步的數(shù)字處理，色譜圖必須被數(shù)字化，優(yōu)選地，使用例如24位的高分辨率。

測量的質(zhì)量主要歸納為完整測量系統(tǒng)的信噪比以及在模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中可用的分辨率。明顯地，為了獲得最大峰值，較小峰值的分辨率將受到影響。如果，例如使用100個步驟來分辨大峰值，那么只使用10個步驟來分辨小10倍的峰值。顯然，相比10個步驟測量，更好限定100個步驟測量。

因此，可明顯地在期望小峰值的周期過程中提供可變電增益放大器，該可變電增益放大器增加熱導(dǎo)檢測器的輸出信號上的增益。然而，當執(zhí)行色譜法時，噪聲和漂移影響會帶來明顯的困難，并且可變增益放大器也將放大色譜圖的基線的噪聲和漂移，并且因此只增殖了測量的不確定性?？勺冊鲆骐娮酉到y(tǒng)也傾向于在低頻率色譜圖的同一帶寬內(nèi)增加噪聲和漂移。色譜圖峰值本身是高斯形狀，并且該形狀的逼真度是很重要的。然而，噪聲色譜圖的經(jīng)典過濾將使高斯形狀失真。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是解決熱導(dǎo)檢測器中的制造差異的問題，而不增加任何額外的制造步驟、額外硬件或針對于檢測器的期望的低噪聲和低漂移特性而操作的部件。

另一目的是能夠使用可用最高分辨率來處理色譜圖的小峰值和大峰值，而不放大或引入噪聲。本文中所指代的“噪聲”本質(zhì)上并不僅是電噪聲，而且也包括檢測器的偽像、溫度控制、流效應(yīng)、壓力等。

根據(jù)本發(fā)明，這些目的單獨地實現(xiàn)或者通過權(quán)利要求1中限定的熱導(dǎo)檢測器、權(quán)利要求9的方法或者權(quán)利要求11的氣相色譜儀的結(jié)合來實現(xiàn)。

本發(fā)明的進一步有利實施方式在剩余的權(quán)利要求中進行闡述。

因此，本發(fā)明的主題是一種用于氣相色譜儀的熱導(dǎo)檢測器，該熱導(dǎo)檢測器包括：

可加熱電阻檢測器元件，該可加熱電阻檢測器元件被配置為物理布置在從色譜柱洗提的分析物的流中，并且與電阻器一起電布置在測量電橋的分離臂中，

具有并聯(lián)可控制開關(guān)的附加電阻器，該附加電阻器與測量電橋的一個臂中的檢測器元件或電阻器串聯(lián)連接，

放大器，該放大器被配置為檢測測量電橋的兩個相對節(jié)點之間的差分電壓，并且向測量電橋的其他的相對節(jié)點使用輸出電壓以將檢測器元件維持在恒定操作溫度，以及

控制單元，該控制單元被配置為向開關(guān)提供控制信號，用于調(diào)整操作溫度，其中，控制信號是具有比檢測器元件的熱時間常數(shù)更小的周期的脈沖寬度調(diào)制電壓。

本發(fā)明的主題也是一種用于操作熱導(dǎo)檢測器的方法，包括：

沿著可加熱電阻檢測器元件傳送從色譜柱洗提的分析物的流，該檢測器元件與電阻器一起電布置在測量電橋的分離臂中，并且該測量電橋由放大器供電，該放大器檢測測量電橋的兩個相對節(jié)點之間的差分電壓并且向測量電橋的其他的相對節(jié)點施加輸出電壓以將檢測器元件維持在恒定操作溫度，以及

以預(yù)定占空比以及比檢測器元件的熱時間常數(shù)更小的周期來周期性地打開和關(guān)閉測量電橋的一個臂中的附加電阻器以調(diào)整檢測器元件的操作溫度。

本發(fā)明的另一個主題是包括至少一個熱導(dǎo)檢測器的氣相色譜儀。

本發(fā)明能夠?qū)z測器元件(例如，加熱燈絲)的操作溫度動態(tài)調(diào)整至期望值，而不改變在熱導(dǎo)檢測器之后的信號處理鏈的放大或偏置(其將固有增加噪聲和漂移影響)。

通過以預(yù)定占空比以及比檢測器元件的熱時間常數(shù)更小的周期來周期性打開和關(guān)閉附加電阻器，可準確補償由于電阻的制造差異而產(chǎn)生的操作溫度的不確定性。可在一次制造校準過程中確定占空比和/或當檢測器元件只暴露于運載氣體時，在測量校準過程重復(fù)確定占空比。

本發(fā)明進一步能夠基于期望峰值信號而動態(tài)改變檢測器響應(yīng)，而不影響噪聲優(yōu)化放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

對于檢測器元件，可能常見的是，使得恒定操作溫度為130至140℃，然而，爐內(nèi)的氣相色譜儀和樣品氣體的溫度更低，例如60至80℃。溫度的這種差值促進熱導(dǎo)率測量并有力地促使靈敏度。有利地，本發(fā)明能夠在小峰值的過程中將檢測器元件的恒定操作溫度優(yōu)化為高的，并且在大峰值過程中將其改變?yōu)檩^低溫度，以便在盡可能利用A/D轉(zhuǎn)換器的范圍的后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換中，最大化檢測器響應(yīng)。為此，當分析物中的預(yù)定一些達到檢測器元件時，以上提及的占空比瞬時地從一個值改變?yōu)榱硪粋€值。替換地，如果高精確度離散電阻器用在測量電橋中，由此不需要補償制造差異，則每次預(yù)定分析物達到檢測器元件時，附加電阻器瞬時打開。在固有增加噪聲和漂移影響的信號鏈(諸如增益元件)中，不存在其他元件。只有檢測器響應(yīng)被操作，并且進一步信號處理保持不變，該信號處理具有固定增益以及相關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器，通常為以130dB或更好的SNR執(zhí)行的24位。

附圖說明

現(xiàn)在將通過實例并參考附圖來描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的具有熱導(dǎo)檢測器的示例性氣相色譜儀的簡化示意性框圖，

圖2是根據(jù)本發(fā)明的熱導(dǎo)檢測器的示例性實施方式，以及

圖3是根據(jù)本發(fā)明的熱導(dǎo)檢測器的另一示例性實施方式。

具體實施方式

圖1示出其中運載氣體1被遞送至噴射器2的氣相色譜儀，此處負載有要分析的且隨后引入至分離設(shè)備4(諸如，單個分離柱或分離柱的完整系統(tǒng))的氣體混合物3的樣品。從分離設(shè)備4連續(xù)出現(xiàn)的氣體混合物的分離成分或物質(zhì)傳遞至熱導(dǎo)檢測器5。此處，分離的氣體成分在測量單元7的穿過檢測器元件8(諸如，電加熱的加熱燈絲)的測量通道6中運輸。根據(jù)分別流過的氣體成分的熱導(dǎo)率與運載氣體的熱導(dǎo)率的比較，或多或少的熱量從加熱燈絲8傳輸至通道壁，使得加熱燈絲8相對應(yīng)地冷卻或加熱。因此，加熱燈絲8的電阻變化，在檢測器5的檢測器電路9中檢測到該改變。熱導(dǎo)檢測器5的模擬輸出信號10表示穿過加熱燈絲8的氣體成分的存在和多少，并且該模擬輸出信號反饋至控制和評估單元11用于進一步處理。

代替表現(xiàn)出正溫度系數(shù)的加熱燈絲，具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻可用作檢測器元件8。

圖2示出具有其檢測器電路9的熱導(dǎo)檢測器5?；鶞孰娮杵鱎1以及本文中由R2表示的檢測器元件8布置在測量電橋(惠斯登電橋)的一半中，并且另外的電阻器R3、R4、R5布置在另一半中。測量電橋(其一半 中的每一個)由差分放大器(操作放大器)U1的輸出激發(fā)，該差分放大器驅(qū)動通過基準電阻器R1的電壓并且施加到檢測器元件R2上以控制其電阻并且因此控制其溫度?；鶞孰娮杵鱎1與檢測器元件R2之間的節(jié)點處的電壓施加至放大器U1的反相輸入和非反相輸入中的任一個，并且電阻器R3與R4之間的節(jié)點處的電壓施加至放大器U1的其他輸入。在所示的實例中，差分放大器3被配置為用于具有電阻的正溫度系數(shù)(PTC)的檢測器元件。在負溫度系數(shù)(NTC)檢測器元件的情況下，差分放大器3的輸入必須被交換。放大器U1控制提供至檢測器元件R2的電流，使得在基準電阻器R1與檢測器元件R2之間的連接點處生成的電壓等于在電阻器R3與R4之間的連接點處生成的電壓，由此保持檢測器元件R2的電阻值恒定而使得R1/R2＝R3/(R4+R5)。因此，檢測器電路9的輸出電壓信號10是保持檢測器元件R2處于某些操作溫度所需的電壓的度量，并且因此在某些基準電阻處，與運載氣體混合的氣態(tài)成分跨檢測器元件R2流動。

熱導(dǎo)檢測器5的輸出信號10反饋至控制和評估單元11用于包括模數(shù)轉(zhuǎn)換的進一步處理。評估單元可包括精確度差分放大器電路(未示出)，該精確度差分放大器電路用于計算檢測器5的輸出信號10與由只具有運載氣體的相似檢測器(其是保持相同的檢測器元件處于操作溫度所需的電壓的測量)提供的基準信號10’之間的差值。這產(chǎn)生如下信號：該信號測量從氣相色譜柱洗提的各種氣體的熱導(dǎo)率相對于運載氣體的差值。隨后，這個差分信號被數(shù)字化，優(yōu)選地，使用例如具有130dB或更好的信噪比(SNR)的24位的高分辨率。

帶有并聯(lián)可控制開關(guān)Q1的附加電阻器R5布置在測量電橋的一個臂中，與電阻器R4串聯(lián)連接并且參考地信號以及檢測器元件R2。開關(guān)Q1可以是任意類型的電動機械或半導(dǎo)體交換設(shè)備，諸如本文示出的FET晶體管。開關(guān)Q1由控制信號12控制開/關(guān)，該控制信號由控制和評估單元11提供。信號12是具有小于檢測器元件R2的熱時間常數(shù)的周期的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電壓。

如前所述，R3與R4的比值設(shè)定檢測器元件R2的操作溫度?，F(xiàn)在，通過添加元件R5，當晶體管Q1斷開時，R3與(R4+R5)的比值改變檢測器元件R2的操作溫度。PWM電壓12能夠?qū)⒈鄣碾娮铚蚀_調(diào)整為R4與(R4+R5)之間的任意期望值。

它進一步能夠通過基于關(guān)于分析物的特征和期望濃度范圍以及它們到達檢測器5的時間的信息而將PWM占空比從一個值改變至另一個值，來最大化用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出信號10的范圍。如果色譜圖中的即將到來的峰值預(yù)期為小的，則PWM電壓12的占空比增加，并且由此開關(guān)Q1的開/關(guān)負載增加，以將檢測器元件R2的操作溫度設(shè)為更高的恒定值，這使得檢測器5對小峰值更靈敏。如果色譜圖中的峰值預(yù)期為大的，則PWM電壓12的占空比降低，由此將檢測器元件R2的操作溫度設(shè)為較小的恒定值，這使得檢測器5更多地以較小信號10來響應(yīng)于更大的峰值信息。

在色譜實踐中，使用的成分的質(zhì)量是關(guān)鍵的。R1、R3與R4或(R4+R5)之間的比值必須各自準確固定，就是說，對于a>130dB SNR色譜法系統(tǒng)，，這些成分必須極度穩(wěn)定并且必須在所有條件(時間、溫度等)下在0至2ppm內(nèi)彼此跟蹤。然而，如果考慮到開關(guān)Q1的泄漏電流，則這不再適用，該泄漏電流代表了并聯(lián)至附加電阻器R5的等效電阻。該泄漏電阻的問題是泄漏電流不穩(wěn)定。它隨時間、溫度、機械應(yīng)力等改變，并且也取決于時間，因此其顯示為噪聲/偏移/漂移成分。在FET晶體管中，該值可不精確地增加，但是或多或少地隨溫度對數(shù)增加。

圖3示出補償這種泄漏電流I_AB的、對圖2的熱導(dǎo)檢測器的有利修改。在此，可控制開關(guān)Q1與另一開關(guān)Q2串聯(lián)，并且開關(guān)Q1、Q2都由控制信號12一起控制，以使得檢測器元件R2的操作溫度改變。具有電阻器R3X、R4X、R5X的分壓器連接在放大器U1的輸出與地信號之間。這些電阻器R3X、R4X、R5X的比值與電阻器R3、R4以及R5相同。R4X與R5X之間的分壓器的分接頭C耦接至開關(guān)Q1與Q2之間的節(jié)點B。當Q1與Q2斷開時，現(xiàn)在泄漏電流I_AB可忽略，因為由于提供來自跟蹤節(jié)點A 處的電壓的分接頭C的整體增益的緩沖放大器(電壓跟隨器)U2，那么節(jié)點A(R4與R5之間)與節(jié)點B(Q1與Q2之間)處的電壓為相等電勢。R3X、R4X以及R5X中的任意差異不明顯，因為即使在非理想情況下，從節(jié)點A到節(jié)點B的電勢差異也將為低電勢差。