专利名称：双桥恒温式瓦斯检测方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及恒温式瓦斯检测方法和仪器。
现有的恒温式瓦斯检测方法，主要由热催化传感元件组成的电桥和有关电路构成，当环境发生变化时，由于检测电桥的恒温调节，使电桥的工作电流发生变化，引起输出信号变化，产生温漂误差。虽然这种温漂可用温敏元件进行补偿，但由于温敏元件参数的不一致性及与传感器温度特性的差异，难以达到较好的温度补偿效果，使恒温瓦斯检测方法无法诸于实际应用。
本发明的目的是利用温度特性与热催化传感元件相同的载体补偿元件或催化载体补偿元件，实现恒温检测的温度补偿，从而不仅能解决恒温瓦斯检测的温度漂移问题，而且也大大提高了对风速，温度等环境因素的抗干扰能力。
本发明的目的可以通过以下方式来实现一种双桥恒温式瓦斯检测的方法将传感元件和电阻构成检测电桥，将补偿元件和电阻构成补偿电桥，两电桥和电流调节开关串联，检测电桥和电流调节开关构成闭环线路，自动控制电桥的工作电流，使电流随被测瓦斯浓度升高而减小，使传感元件温度不变，检测电桥始终处于平衡状态。变化后的电流通过补偿电桥，输出不平衡电桥电压作为检测输出信号。在正常大气条件下，补偿电桥起到环境补偿的作用。
双桥恒温式瓦斯检测方法还可以是将传感元件和电阻构成的检测电桥与一分流装置并联，然后与电流调节开关和补偿元件构成的补偿电桥串联。补偿电桥与一电流调节器构成闭环线路，维持检测电桥所需的初始工作电流。当环境温度变化时，补偿电桥通过闭环线路自动控制检测电桥的电流变化，以补偿传感元件受环境温度的影响。检测电桥和一分流调节器构成闭环线路，使待测量瓦斯气体时，自动控制检测电桥工作电流的减小(减小电流量流向分流装置)，检测输出信号从分流装置中取样。
双桥恒温式瓦斯检测仪主要由检测电路、放大电路、线性校正电路和数字显示电路组成。检测电路是将被测瓦斯气体的浓度变换成电信号输出，它是实施双桥恒温式瓦斯检测方法的电路；放大电路为普通差动放大器，用于检测输出信号的放大，线性校正电路用于改善检测输出放大信号的线性，提高检测精度，其原理是利用一个差动放大器，输入分别为放大信号和基准电压，输出接入数字显示电路中A/D转换器的基准电源端，使该基准电压随着被测瓦斯浓度的升高而增大，从而达到线性校正的目的。数字显示电路由A/D转换器和数码管组成，以显示被测瓦斯的浓度。
本发明的双桥恒温式瓦斯检测方法与已有技术相比，由于充分利用了补偿元件的环境补偿作用，使得抗环境干扰能力大大增加，能够适用于矿井或其它场合恶劣环境中的应用。采用双桥恒温式瓦斯检测方法的检测仪，由于设计了一种简易的线性校正电路，改善了恒温瓦斯检测的非线性，提高了瓦斯检测精度。
附
图1是本发明一种双桥恒温式瓦斯检测方法的示意图；附图2是本发明另一种双桥恒温式瓦斯检测方法的示意图；附图3是本发明双桥恒温式瓦斯检测仪的原理框图；附图4是本发明一种双桥恒温式瓦斯检测仪的电路原理图；附图5是本发明另一种双桥恒温式瓦斯检测仪的电路原理图。
下面参照附图对本发明作进一步详述参照附图1所示一种双桥恒温式瓦斯检测方法，包括有热催化传感元件r1和电阻R1、R2、R3构成检测电桥，载体补偿元件或催化补偿元件r2和电阻R4、R5、R6构成补偿电桥，两个电桥和电流调节三极管T串联，检测电桥的输出接至电流调节器P，电流调节器P的输出接至电流调节三极管T的基极，控制流过两个电桥电流I。设R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4，则流过电桥的电流I约等于传感元件r1和补偿元件r2的工作电流。在正常大气中，I为初始工作电流，r1·R3＝R1·R2，r2·R6＝R4·R5，两个电桥均处于平衡状态，补偿电桥的输出V0为检测输出信号，V0＝0。当环境温度发生变化时，传感元件r1阻值要发生变化，通过电流调节器P的作用，控制电流I发生相应的变化，使传感元件r1的工作温度恒定，阻值不变，检测电桥仍处于平衡状态。由于补偿元件r2具有与传感元件r1相同的温度特性，电流I的变化也补偿了环境温度对r2阻值的影响，使r2不变，补偿电桥仍然处于平衡状态，输出V0＝0。当检测瓦斯气体时，热催化传感元件r1表面发生氧化放热反应，温度升高，阻值有增大趋势，在电流调节器P的作用下，自动控制电流I相应减小，使传感元件r1始终温度恒定，阻值不变，检测电桥处于平衡状态。但电流的减小，使补偿元件r2温度下降，阻值减小，补偿电桥失去平衡，输出电压V0增大。以反应被测瓦斯的浓度。
参照附图2所示一种双桥恒温式瓦斯检测方法，热催化传感元件r1和电阻R1、R2、R3构成检测电桥，载体补偿元件或催化元件r2和电阻R4、R5、R6构成补偿电桥。设R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4。补偿电桥的输出接至电流调节器P，电流调节器P的输出接至电流调节三极管T的基极，控制流过电桥的电流I。检测电桥的输出接至分流调节器Q，分流调节器Q的输出接至分流器X，以控制检测电桥的分支电流I0检测电桥与分流器X并联后与补偿电桥和电流调节三极管T串联。在正常大气中，电流I为初始工作电流，r2·R6＝R4·R5，补偿电桥处于平衡状态，r1·R3＝R1·R2，检测电桥也处于平衡状态，分支电流I0＝0，检测输出信号取自分流器中的电流取样电压V0。当环境温度变化时，传感元件r1的温度变化通过分流调节器Q的控制，使流经检测电桥的电流产生相应的变化ΔI1，以保持其温度恒定。同时，补偿元件r2的温度阻值也要变化，通过电流调节器P的自动控制，使流经补偿电桥的电流I产生相应的变化ΔI，以维持补偿电桥器平衡状态，由于传感元件r1和补偿元件r2的温度特性一致，则有ΔI ＝ΔI1，即补偿电桥的变化恰好与检测电桥所需要的电流变化相同，由此检测电桥的分支流I0不变，输出的量V0不变。当检测瓦斯气体时，由于补偿元件r2基本上不受被测气体的影响，电桥工作电流基本不变，而传感元件r1由于表面氧化的热反应，温度阻值有增大趋势，在分流调节器Q的自动控制下，分支流I0增大，使流经传感元件r1的电流减小，保持传感元件r1恒定的工作温度。I0的取样信号V0也相应增大，可反映被测瓦斯气体的浓度。
参照附图3所示图3展示了双桥恒温式瓦斯检测仪器的原理框图，主要由检测电路、放大电路、线性校正电路基准电源和数字显示电路组成。工作原理是检测电路将被测瓦斯气体浓度转变为电信号V0，输入放大电路进行放大，然后再将放大后的信号V1输入数字显示电路，显示被测瓦斯气体的浓度。由于检测输出信号V0与被测瓦斯浓度呈非线性关系，线性校正电路用于改善其线性关系，校正原理是线性校正电路由输入信号为基准电源和检测输出放大信号V1，使得输出信号V2随着被测瓦斯浓度的变化而改变。将V2输入数字显示电路作为A/D转换为基准电源，则使得A/D转换比例也随被测瓦斯的浓度而改变，从而达到了线性校正的目的，提高了瓦斯检测的精度。
参照附图4所示双桥恒定式瓦斯检测仪包括有检测电桥，其由热催化传感元件r1、电阻R1、R2、R3和电位器W1组成，补偿电桥由补偿元件r2、电阻R4、R5、R6和电位器W2组成，其中电位器W1和W2是为了消除电阻值的误差，调整电桥平衡而设置的。检测电桥的输出接入积分器(或比例积分器)A，A输出至电流控制器B(A和B组成电流调节器)，B输出至三极管T的基极，控制流经电桥的工作电流I。补偿电桥与检测电桥串联，输出V0接至放大器C，放大器C输出信号V1接至A/D转换器D的模拟信号输入端，同时V1输入线性校正电路E，E的另一输入信号为基准电源F，E输出VR接入A/D转换器D的基准电源端，A/D转换器D驱动数码管G显示。检测仪器的工作原理是在正常大气中，调节电位器W1可以调整电桥工作电流I，由于R2+R3＞＞r1+R1，I近似等于传感器元件r1的工作电流。调节电位器W2使补偿电桥处于平衡状态，电桥输出V0＝0，经过放大器C和A/D转换器D，驱动数字显示0.00。当环境温度变化时，由于传感元件r2阻值有变化的趋势，检测电桥失去平衡，输出经过积分器A，输出信号控制电流控制器B，自动调节电桥工作电流I，使传感元件r1温度恒定，阻值不变，检测电桥恢复平衡状态。由于补偿元件r2具有和传感元件r1相同的温度特性，电桥电流I的变化，也补偿了r2阻值受环境温度影响发生的变化，使r2阻值不变，补偿电桥仍然处于平衡，输出信号V0为零，数字显示仍为0.00。当检测瓦斯气体时，传感元件r1表面发生热氧化反应，温度升高，阻值增大，检测电桥输出不平衡电压经过积分器A，输入电流控制器B，迅速调节电桥电流I减小，使传感元件r1保持恒定的温度。减小后的电流I经过补偿电桥，使补偿元件r2温度降低，阻值减小，补偿电桥失去平衡，输出电压V0增大，通过放大器C，输入V1至A/D转换器D，驱动数字显示瓦斯的测值。同时，V1输入线性校正电路E，使A/D转换器D的基准电压VR追着被测瓦斯气体的浓度而变化，减小了数字测值的非线性误差。
参照附图5所示双桥恒温式瓦斯测定仪包括有检测电桥，其由热催化元件r1、电阻R1、R2、R3和电位器W1组成，补偿电桥由补偿元件r2、电阻R4、R5、R6和电位器W2组成。补偿电桥的输出接入积分调节器(或比例积分调节器)A，A输出接入电流控制器B(A和B组成电流调节器)，B输出接入三极管T1的基极，控制调节电桥工作电流I。检测电桥输出接入积分调节器(或比例积分调节器)C，C输出接至三极管T2，T2和电阻R7构成分流装置，I0为检测电桥的分支电流，检测输出信号V0从电阻R7上取出，经过放大器D，输入A/D转换器E，驱动数码管F显示，放大器D的输出还接入线性校正电路G，G的另一输入信号为基准电源H，G的输出接至A/D转换器的电源基准端。在正常大气中，调整电位器W2，可以调节电桥工作电流I，设R2+R3＞＞r1+R1，R5+R6＞＞r2+R4，因此电桥工作电流应近似为传感元件r1和补偿元件r2所需的初始工作电流，调整电位器W1，使检测电桥工作电流I1＝I，则分支电流I0＝0，检测输出V0＝I0·R7＝0，经过放大器D和A/D转换器E，驱动数码管F显示0.00。当环境温度变化时，补偿元件r2受环境温度的影响，阻值变化，经过调节器A和电流控制补偿器B，调节电桥电流I，使r2阻值不变，补偿电桥仍处于平衡状态。由于补偿元件r2和传感元件r1的温度特性一致，电流的变化也使r1阻值不变，检测电桥仍处于平衡状态，I＝I1，I0＝0，V0＝0，数字显示仍为0.00。当检测瓦斯气体时，补偿元件r2基本不受被测气体的影响，补偿电桥在初始工作电流I下以保持平衡状态。但传感元件由于表面氧化放热反应，温度升高，阻值增大，检测电桥输出通过调节器C，控制三极管T2，使检测电桥的电流I1减小，分支流I0增大。I1减小至传感元件r1温度恒定，阻值不变，检测电桥恢复平衡状态，I0的增大时，使检测输出信号V0增大，经过放大器D和A/D转换器E，驱动数码显示器F显示被测瓦斯气体的浓度。同时，放大器D的输出控制线性校正电路G，使G的输出A/D转换器的基准电源随着被测瓦斯气体的浓度而变化，减小了数字测值的非线性误差，提高了瓦斯检测的精度。
权利要求
1.一种双桥恒温式瓦斯检测方法，其特征在于由热催化传感元件和电阻构成检测电桥，由载体补偿元件或催化补偿元件和电阻构成补偿电桥，当检测瓦斯气体时，通过检测电桥调节其工作电流减小，使热催化传感元件保持恒定的工作温度，当环境温度变化时，通过补偿电桥补偿工作电流的变化，使输出保持不变。
2.根据权利要求1所述的双桥恒温式瓦斯检测方法，其特征在于检测电桥和补偿电桥串联相接，检测电桥的输出电压用于控制传感元件或电桥的工作电流，被测瓦斯浓度升高时电流减小，使传感元件保持恒定温度，检测电桥处于平衡状态，补偿电桥的输出电压为检测输出信号。
3.根据权利要求1所述的双桥恒温式瓦斯检测方法，其特征在于检测电桥和分流装置并联后与补偿电桥串联，补偿电桥的输出电压用于控制补偿电桥的工作电流，检测电桥的输出电压用于控制检测电桥的工作电流或分流装置的电流，输出从分流装置中取出。
4.双桥恒温式瓦斯检测仪器，其特征在于仪器电路主要由检测电路、放大电路、线性校正电路、基准电源和数字显示电路组成，检测电路是实施双桥恒温式瓦斯检测方法的电路；放大电路用于检测输出信号的放大；线性校正电路用于改善检测输出放大信号的线性；数字显示电路则实现数字显示被侧瓦斯浓度的功能。
5.根据权利要求4所述的双桥恒温式瓦斯检测仪器，其特征在于检测电路由检测电桥、补偿电桥、调节三极管和电流调节器组成，检测电桥、补偿电桥和调节三极管串联，检测电桥和电流调节器构成闭环线路，通过调节三极管控制两电桥工作电流的变化，使检测电桥始终处于平衡状态，输出信号取自补偿电桥的不平衡输出电压。
6.根据权利要求4所述的双桥恒温式瓦斯检测仪器，其特征在于检测电路还可由检测电桥、补偿电桥、调节三极管、电流调节器、分流调节器和分流装置组成，检测电桥和分流装置并联，再与调节三极管、补偿电桥串联，补偿电桥和电流调节器构成闭环线路，通过调节三极管、控制电桥工作电流基本不变；检测电桥和分流调节器构成闭环线路，通过分流装置，控制检测电桥工作电流随瓦斯浓度升高而减小，使传感元件保持恒温，使检测电桥始终处于平衡状态，输出信号取自分流装置。
7.根据权利要求4、5或6所述的双桥恒温式瓦斯检测仪器，其特征在于线性校正电路主要由运算放大器组成，运算放大器的输入信号为基准电压信号和检测输出信号，输出接至数字显示电路中A/D转换器的基准电压端，使其基准电压随着被测瓦斯浓度的升高而增大。
全文摘要
本发明公开了一种新的恒温式瓦斯检测方法和仪器。它利用热催化传感元件构成的一个电桥检测瓦斯气体，载体补偿元件构成的另一个电桥起到环境补偿作用。在传感器工作电流自动调节作用下，传感器构成的电桥始终处于平衡状态，实现了传感器恒定器工作温度，使瓦斯检测的稳定性，检测范围和使用寿命大大提高。
文档编号G01N27/12GK1137119SQ9511105
公开日1996年12月4日 申请日期1995年5月26日 优先权日1995年5月26日
发明者童敏明 申请人:中国矿业大学