專利名稱：雙橋恒溫式瓦斯檢測方法及儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及恒溫式瓦斯檢測方法和儀器。
現(xiàn)有的恒溫式瓦斯檢測方法，主要由熱催化傳感元件組成的電橋和有關(guān)電路構(gòu)成，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，由于檢測電橋的恒溫調(diào)節(jié)，使電橋的工作電流發(fā)生變化，引起輸出信號(hào)變化，產(chǎn)生溫漂誤差。雖然這種溫漂可用溫敏元件進(jìn)行補(bǔ)償，但由于溫敏元件參數(shù)的不一致性及與傳感器溫度特性的差異，難以達(dá)到較好的溫度補(bǔ)償效果，使恒溫瓦斯檢測方法無法諸于實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是利用溫度特性與熱催化傳感元件相同的載體補(bǔ)償元件或催化載體補(bǔ)償元件，實(shí)現(xiàn)恒溫檢測的溫度補(bǔ)償，從而不僅能解決恒溫瓦斯檢測的溫度漂移問題，而且也大大提高了對(duì)風(fēng)速，溫度等環(huán)境因素的抗干擾能力。
本發(fā)明的目的可以通過以下方式來實(shí)現(xiàn)一種雙橋恒溫式瓦斯檢測的方法將傳感元件和電阻構(gòu)成檢測電橋，將補(bǔ)償元件和電阻構(gòu)成補(bǔ)償電橋，兩電橋和電流調(diào)節(jié)開關(guān)串聯(lián)，檢測電橋和電流調(diào)節(jié)開關(guān)構(gòu)成閉環(huán)線路，自動(dòng)控制電橋的工作電流，使電流隨被測瓦斯?jié)舛壬叨鴾p小，使傳感元件溫度不變，檢測電橋始終處于平衡狀態(tài)。變化后的電流通過補(bǔ)償電橋，輸出不平衡電橋電壓作為檢測輸出信號(hào)。在正常大氣條件下，補(bǔ)償電橋起到環(huán)境補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br> 雙橋恒溫式瓦斯檢測方法還可以是將傳感元件和電阻構(gòu)成的檢測電橋與一分流裝置并聯(lián)，然后與電流調(diào)節(jié)開關(guān)和補(bǔ)償元件構(gòu)成的補(bǔ)償電橋串聯(lián)。補(bǔ)償電橋與一電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)線路，維持檢測電橋所需的初始工作電流。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，補(bǔ)償電橋通過閉環(huán)線路自動(dòng)控制檢測電橋的電流變化，以補(bǔ)償傳感元件受環(huán)境溫度的影響。檢測電橋和一分流調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)線路，使待測量瓦斯氣體時(shí)，自動(dòng)控制檢測電橋工作電流的減小(減小電流量流向分流裝置)，檢測輸出信號(hào)從分流裝置中取樣。
雙橋恒溫式瓦斯檢測儀主要由檢測電路、放大電路、線性校正電路和數(shù)字顯示電路組成。檢測電路是將被測瓦斯氣體的濃度變換成電信號(hào)輸出，它是實(shí)施雙橋恒溫式瓦斯檢測方法的電路；放大電路為普通差動(dòng)放大器，用于檢測輸出信號(hào)的放大，線性校正電路用于改善檢測輸出放大信號(hào)的線性，提高檢測精度，其原理是利用一個(gè)差動(dòng)放大器，輸入分別為放大信號(hào)和基準(zhǔn)電壓，輸出接入數(shù)字顯示電路中A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電源端，使該基準(zhǔn)電壓隨著被測瓦斯?jié)舛鹊纳叨龃?，從而達(dá)到線性校正的目的。數(shù)字顯示電路由A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼管組成，以顯示被測瓦斯的濃度。
本發(fā)明的雙橋恒溫式瓦斯檢測方法與已有技術(shù)相比，由于充分利用了補(bǔ)償元件的環(huán)境補(bǔ)償作用，使得抗環(huán)境干擾能力大大增加，能夠適用于礦井或其它場合惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。采用雙橋恒溫式瓦斯檢測方法的檢測儀，由于設(shè)計(jì)了一種簡易的線性校正電路，改善了恒溫瓦斯檢測的非線性，提高了瓦斯檢測精度。
附

圖1是本發(fā)明一種雙橋恒溫式瓦斯檢測方法的示意圖；附圖2是本發(fā)明另一種雙橋恒溫式瓦斯檢測方法的示意圖；附圖3是本發(fā)明雙橋恒溫式瓦斯檢測儀的原理框圖；附圖4是本發(fā)明一種雙橋恒溫式瓦斯檢測儀的電路原理圖；附圖5是本發(fā)明另一種雙橋恒溫式瓦斯檢測儀的電路原理圖。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述參照附圖1所示一種雙橋恒溫式瓦斯檢測方法，包括有熱催化傳感元件r1和電阻R1、R2、R3構(gòu)成檢測電橋，載體補(bǔ)償元件或催化補(bǔ)償元件r2和電阻R4、R5、R6構(gòu)成補(bǔ)償電橋，兩個(gè)電橋和電流調(diào)節(jié)三極管T串聯(lián)，檢測電橋的輸出接至電流調(diào)節(jié)器P，電流調(diào)節(jié)器P的輸出接至電流調(diào)節(jié)三極管T的基極，控制流過兩個(gè)電橋電流I。設(shè)R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4，則流過電橋的電流I約等于傳感元件r1和補(bǔ)償元件r2的工作電流。在正常大氣中，I為初始工作電流，r1·R3＝R1·R2，r2·R6＝R4·R5，兩個(gè)電橋均處于平衡狀態(tài)，補(bǔ)償電橋的輸出V0為檢測輸出信號(hào)，V0＝0。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，傳感元件r1阻值要發(fā)生變化，通過電流調(diào)節(jié)器P的作用，控制電流I發(fā)生相應(yīng)的變化，使傳感元件r1的工作溫度恒定，阻值不變，檢測電橋仍處于平衡狀態(tài)。由于補(bǔ)償元件r2具有與傳感元件r1相同的溫度特性，電流I的變化也補(bǔ)償了環(huán)境溫度對(duì)r2阻值的影響，使r2不變，補(bǔ)償電橋仍然處于平衡狀態(tài)，輸出V0＝0。當(dāng)檢測瓦斯氣體時(shí)，熱催化傳感元件r1表面發(fā)生氧化放熱反應(yīng)，溫度升高，阻值有增大趨勢，在電流調(diào)節(jié)器P的作用下，自動(dòng)控制電流I相應(yīng)減小，使傳感元件r1始終溫度恒定，阻值不變，檢測電橋處于平衡狀態(tài)。但電流的減小，使補(bǔ)償元件r2溫度下降，阻值減小，補(bǔ)償電橋失去平衡，輸出電壓V0增大。以反應(yīng)被測瓦斯的濃度。
參照附圖2所示一種雙橋恒溫式瓦斯檢測方法，熱催化傳感元件r1和電阻R1、R2、R3構(gòu)成檢測電橋，載體補(bǔ)償元件或催化元件r2和電阻R4、R5、R6構(gòu)成補(bǔ)償電橋。設(shè)R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4。補(bǔ)償電橋的輸出接至電流調(diào)節(jié)器P，電流調(diào)節(jié)器P的輸出接至電流調(diào)節(jié)三極管T的基極，控制流過電橋的電流I。檢測電橋的輸出接至分流調(diào)節(jié)器Q，分流調(diào)節(jié)器Q的輸出接至分流器X，以控制檢測電橋的分支電流I0檢測電橋與分流器X并聯(lián)后與補(bǔ)償電橋和電流調(diào)節(jié)三極管T串聯(lián)。在正常大氣中，電流I為初始工作電流，r2·R6＝R4·R5，補(bǔ)償電橋處于平衡狀態(tài)，r1·R3＝R1·R2，檢測電橋也處于平衡狀態(tài)，分支電流I0＝0，檢測輸出信號(hào)取自分流器中的電流取樣電壓V0。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，傳感元件r1的溫度變化通過分流調(diào)節(jié)器Q的控制，使流經(jīng)檢測電橋的電流產(chǎn)生相應(yīng)的變化ΔI1，以保持其溫度恒定。同時(shí)，補(bǔ)償元件r2的溫度阻值也要變化，通過電流調(diào)節(jié)器P的自動(dòng)控制，使流經(jīng)補(bǔ)償電橋的電流I產(chǎn)生相應(yīng)的變化ΔI，以維持補(bǔ)償電橋器平衡狀態(tài)，由于傳感元件r1和補(bǔ)償元件r2的溫度特性一致，則有ΔI ＝ΔI1，即補(bǔ)償電橋的變化恰好與檢測電橋所需要的電流變化相同，由此檢測電橋的分支流I0不變，輸出的量V0不變。當(dāng)檢測瓦斯氣體時(shí)，由于補(bǔ)償元件r2基本上不受被測氣體的影響，電橋工作電流基本不變，而傳感元件r1由于表面氧化的熱反應(yīng)，溫度阻值有增大趨勢，在分流調(diào)節(jié)器Q的自動(dòng)控制下，分支流I0增大，使流經(jīng)傳感元件r1的電流減小，保持傳感元件r1恒定的工作溫度。I0的取樣信號(hào)V0也相應(yīng)增大，可反映被測瓦斯氣體的濃度。
參照附圖3所示圖3展示了雙橋恒溫式瓦斯檢測儀器的原理框圖，主要由檢測電路、放大電路、線性校正電路基準(zhǔn)電源和數(shù)字顯示電路組成。工作原理是檢測電路將被測瓦斯氣體濃度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)V0，輸入放大電路進(jìn)行放大，然后再將放大后的信號(hào)V1輸入數(shù)字顯示電路，顯示被測瓦斯氣體的濃度。由于檢測輸出信號(hào)V0與被測瓦斯?jié)舛瘸史蔷€性關(guān)系，線性校正電路用于改善其線性關(guān)系，校正原理是線性校正電路由輸入信號(hào)為基準(zhǔn)電源和檢測輸出放大信號(hào)V1，使得輸出信號(hào)V2隨著被測瓦斯?jié)舛鹊淖兓淖?。將V2輸入數(shù)字顯示電路作為A/D轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)電源，則使得A/D轉(zhuǎn)換比例也隨被測瓦斯的濃度而改變，從而達(dá)到了線性校正的目的，提高了瓦斯檢測的精度。
參照附圖4所示雙橋恒定式瓦斯檢測儀包括有檢測電橋，其由熱催化傳感元件r1、電阻R1、R2、R3和電位器W1組成，補(bǔ)償電橋由補(bǔ)償元件r2、電阻R4、R5、R6和電位器W2組成，其中電位器W1和W2是為了消除電阻值的誤差，調(diào)整電橋平衡而設(shè)置的。檢測電橋的輸出接入積分器(或比例積分器)A，A輸出至電流控制器B(A和B組成電流調(diào)節(jié)器)，B輸出至三極管T的基極，控制流經(jīng)電橋的工作電流I。補(bǔ)償電橋與檢測電橋串聯(lián)，輸出V0接至放大器C，放大器C輸出信號(hào)V1接至A/D轉(zhuǎn)換器D的模擬信號(hào)輸入端，同時(shí)V1輸入線性校正電路E，E的另一輸入信號(hào)為基準(zhǔn)電源F，E輸出VR接入A/D轉(zhuǎn)換器D的基準(zhǔn)電源端，A/D轉(zhuǎn)換器D驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管G顯示。檢測儀器的工作原理是在正常大氣中，調(diào)節(jié)電位器W1可以調(diào)整電橋工作電流I，由于R2+R3＞＞r1+R1，I近似等于傳感器元件r1的工作電流。調(diào)節(jié)電位器W2使補(bǔ)償電橋處于平衡狀態(tài)，電橋輸出V0＝0，經(jīng)過放大器C和A/D轉(zhuǎn)換器D，驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示0.00。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于傳感元件r2阻值有變化的趨勢，檢測電橋失去平衡，輸出經(jīng)過積分器A，輸出信號(hào)控制電流控制器B，自動(dòng)調(diào)節(jié)電橋工作電流I，使傳感元件r1溫度恒定，阻值不變，檢測電橋恢復(fù)平衡狀態(tài)。由于補(bǔ)償元件r2具有和傳感元件r1相同的溫度特性，電橋電流I的變化，也補(bǔ)償了r2阻值受環(huán)境溫度影響發(fā)生的變化，使r2阻值不變，補(bǔ)償電橋仍然處于平衡，輸出信號(hào)V0為零，數(shù)字顯示仍為0.00。當(dāng)檢測瓦斯氣體時(shí)，傳感元件r1表面發(fā)生熱氧化反應(yīng)，溫度升高，阻值增大，檢測電橋輸出不平衡電壓經(jīng)過積分器A，輸入電流控制器B，迅速調(diào)節(jié)電橋電流I減小，使傳感元件r1保持恒定的溫度。減小后的電流I經(jīng)過補(bǔ)償電橋，使補(bǔ)償元件r2溫度降低，阻值減小，補(bǔ)償電橋失去平衡，輸出電壓V0增大，通過放大器C，輸入V1至A/D轉(zhuǎn)換器D，驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示瓦斯的測值。同時(shí)，V1輸入線性校正電路E，使A/D轉(zhuǎn)換器D的基準(zhǔn)電壓VR追著被測瓦斯氣體的濃度而變化，減小了數(shù)字測值的非線性誤差。
參照附圖5所示雙橋恒溫式瓦斯測定儀包括有檢測電橋，其由熱催化元件r1、電阻R1、R2、R3和電位器W1組成，補(bǔ)償電橋由補(bǔ)償元件r2、電阻R4、R5、R6和電位器W2組成。補(bǔ)償電橋的輸出接入積分調(diào)節(jié)器(或比例積分調(diào)節(jié)器)A，A輸出接入電流控制器B(A和B組成電流調(diào)節(jié)器)，B輸出接入三極管T1的基極，控制調(diào)節(jié)電橋工作電流I。檢測電橋輸出接入積分調(diào)節(jié)器(或比例積分調(diào)節(jié)器)C，C輸出接至三極管T2，T2和電阻R7構(gòu)成分流裝置，I0為檢測電橋的分支電流，檢測輸出信號(hào)V0從電阻R7上取出，經(jīng)過放大器D，輸入A/D轉(zhuǎn)換器E，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管F顯示，放大器D的輸出還接入線性校正電路G，G的另一輸入信號(hào)為基準(zhǔn)電源H，G的輸出接至A/D轉(zhuǎn)換器的電源基準(zhǔn)端。在正常大氣中，調(diào)整電位器W2，可以調(diào)節(jié)電橋工作電流I，設(shè)R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4，因此電橋工作電流應(yīng)近似為傳感元件r1和補(bǔ)償元件r2所需的初始工作電流，調(diào)整電位器W1，使檢測電橋工作電流I1＝I，則分支電流I0＝0，檢測輸出V0＝I0·R7＝0，經(jīng)過放大器D和A/D轉(zhuǎn)換器E，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管F顯示0.00。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，補(bǔ)償元件r2受環(huán)境溫度的影響，阻值變化，經(jīng)過調(diào)節(jié)器A和電流控制補(bǔ)償器B，調(diào)節(jié)電橋電流I，使r2阻值不變，補(bǔ)償電橋仍處于平衡狀態(tài)。由于補(bǔ)償元件r2和傳感元件r1的溫度特性一致，電流的變化也使r1阻值不變，檢測電橋仍處于平衡狀態(tài)，I＝I1，I0＝0，V0＝0，數(shù)字顯示仍為0.00。當(dāng)檢測瓦斯氣體時(shí)，補(bǔ)償元件r2基本不受被測氣體的影響，補(bǔ)償電橋在初始工作電流I下以保持平衡狀態(tài)。但傳感元件由于表面氧化放熱反應(yīng)，溫度升高，阻值增大，檢測電橋輸出通過調(diào)節(jié)器C，控制三極管T2，使檢測電橋的電流I1減小，分支流I0增大。I1減小至傳感元件r1溫度恒定，阻值不變，檢測電橋恢復(fù)平衡狀態(tài)，I0的增大時(shí)，使檢測輸出信號(hào)V0增大，經(jīng)過放大器D和A/D轉(zhuǎn)換器E，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器F顯示被測瓦斯氣體的濃度。同時(shí)，放大器D的輸出控制線性校正電路G，使G的輸出A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電源隨著被測瓦斯氣體的濃度而變化，減小了數(shù)字測值的非線性誤差，提高了瓦斯檢測的精度。
權(quán)利要求
1.一種雙橋恒溫式瓦斯檢測方法，其特征在于由熱催化傳感元件和電阻構(gòu)成檢測電橋，由載體補(bǔ)償元件或催化補(bǔ)償元件和電阻構(gòu)成補(bǔ)償電橋，當(dāng)檢測瓦斯氣體時(shí)，通過檢測電橋調(diào)節(jié)其工作電流減小，使熱催化傳感元件保持恒定的工作溫度，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，通過補(bǔ)償電橋補(bǔ)償工作電流的變化，使輸出保持不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙橋恒溫式瓦斯檢測方法，其特征在于檢測電橋和補(bǔ)償電橋串聯(lián)相接，檢測電橋的輸出電壓用于控制傳感元件或電橋的工作電流，被測瓦斯?jié)舛壬邥r(shí)電流減小，使傳感元件保持恒定溫度，檢測電橋處于平衡狀態(tài)，補(bǔ)償電橋的輸出電壓為檢測輸出信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙橋恒溫式瓦斯檢測方法，其特征在于檢測電橋和分流裝置并聯(lián)后與補(bǔ)償電橋串聯(lián)，補(bǔ)償電橋的輸出電壓用于控制補(bǔ)償電橋的工作電流，檢測電橋的輸出電壓用于控制檢測電橋的工作電流或分流裝置的電流，輸出從分流裝置中取出。
4.雙橋恒溫式瓦斯檢測儀器，其特征在于儀器電路主要由檢測電路、放大電路、線性校正電路、基準(zhǔn)電源和數(shù)字顯示電路組成，檢測電路是實(shí)施雙橋恒溫式瓦斯檢測方法的電路；放大電路用于檢測輸出信號(hào)的放大；線性校正電路用于改善檢測輸出放大信號(hào)的線性；數(shù)字顯示電路則實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示被側(cè)瓦斯?jié)舛鹊墓δ堋?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙橋恒溫式瓦斯檢測儀器，其特征在于檢測電路由檢測電橋、補(bǔ)償電橋、調(diào)節(jié)三極管和電流調(diào)節(jié)器組成，檢測電橋、補(bǔ)償電橋和調(diào)節(jié)三極管串聯(lián)，檢測電橋和電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)線路，通過調(diào)節(jié)三極管控制兩電橋工作電流的變化，使檢測電橋始終處于平衡狀態(tài)，輸出信號(hào)取自補(bǔ)償電橋的不平衡輸出電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙橋恒溫式瓦斯檢測儀器，其特征在于檢測電路還可由檢測電橋、補(bǔ)償電橋、調(diào)節(jié)三極管、電流調(diào)節(jié)器、分流調(diào)節(jié)器和分流裝置組成，檢測電橋和分流裝置并聯(lián)，再與調(diào)節(jié)三極管、補(bǔ)償電橋串聯(lián)，補(bǔ)償電橋和電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)線路，通過調(diào)節(jié)三極管、控制電橋工作電流基本不變；檢測電橋和分流調(diào)節(jié)器構(gòu)成閉環(huán)線路，通過分流裝置，控制檢測電橋工作電流隨瓦斯?jié)舛壬叨鴾p小，使傳感元件保持恒溫，使檢測電橋始終處于平衡狀態(tài)，輸出信號(hào)取自分流裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的雙橋恒溫式瓦斯檢測儀器，其特征在于線性校正電路主要由運(yùn)算放大器組成，運(yùn)算放大器的輸入信號(hào)為基準(zhǔn)電壓信號(hào)和檢測輸出信號(hào)，輸出接至數(shù)字顯示電路中A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓端，使其基準(zhǔn)電壓隨著被測瓦斯?jié)舛鹊纳叨龃蟆?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種新的恒溫式瓦斯檢測方法和儀器。它利用熱催化傳感元件構(gòu)成的一個(gè)電橋檢測瓦斯氣體，載體補(bǔ)償元件構(gòu)成的另一個(gè)電橋起到環(huán)境補(bǔ)償作用。在傳感器工作電流自動(dòng)調(diào)節(jié)作用下，傳感器構(gòu)成的電橋始終處于平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了傳感器恒定器工作溫度，使瓦斯檢測的穩(wěn)定性，檢測范圍和使用壽命大大提高。
文檔編號(hào)G01N27/12GK1137119SQ9511105
公開日1996年12月4日 申請日期1995年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月26日
發(fā)明者童敏明 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)