本發(fā)明涉及一種用于氣相色譜儀的熱導探測器，包括可加熱電阻探測器元件，可加熱電阻探測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量電橋的單獨的臂中，其中探測器元件包括至少兩個相同的探測器子元件，探測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)明還涉及一種熱導探測器模塊。

背景技術：

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

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

為了這個目的，正如US 5756878所知的，發(fā)熱絲和額外電阻器可放置在測量電橋的不同臂上。從提供給測量電橋的能量獲得通過發(fā)熱絲的物質的導熱性，控制這些能量來保持發(fā)熱絲的溫度在預定溫度。為此，運算放大器檢測測量電橋各半部分的臂的連接節(jié)點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。

探測器的靈敏度取決于若干因素。通常，探測器元件和測量通道的壁之間的溫度越高，探測器元件的電阻越高，靈敏度會越高。金屬絲，尤其是金絲，已用了很長時間。為獲得足夠高的電阻，絲可制作的非常細，然而，這會導致魯棒性差。此外，包括硫化氫的氣體可毀掉金絲。鉑比金有一些優(yōu)勢，而且在包含氫氣和碳氫化合物的氣體混合物中具有催化效果。

從WO 2009/095494 A1了解到的熱導探測器，電性可加熱絲是由摻雜硅微機械加工得到的，來實現(xiàn)長使用壽命以及對化學腐蝕氣體混合物的惰性。由于硅絲具有較高的熔點，與金絲相比較，硅絲可在較高溫度下運作。而且，硅的比電阻要高于金的比電阻，從而可獲得高檢測靈敏度。

然而，如果熱導探測器必須是本質安全的，探測器元件的高電阻證明是不利的。本質安全(IS)依賴于設計的設備，這樣設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，通過限制危險區(qū)域 內(nèi)電力設備可用電量，將其限制為低于引燃氣體的水平來實現(xiàn)本質安全。各種認證機構為視為本質安全的系統(tǒng)設立了各種IS標準。這些標準包括國際電工委員會(IEC)60079-11、工廠互保(FM)3610、保險商實驗室(UL)UL913、加拿大標準協(xié)會CAN/CSA-C22.2No.157-92等等。

探測器元件需要特定電功率來加熱且穩(wěn)定在需要的工作溫度。工作電阻越高，通過探測器的電壓越高(P＝V²/R，其中P、V和R分別表示功率、電壓和電阻)。如果探測器元件的工作電阻與在測量電橋的相同半部分的另一個臂的參考電阻器的電阻相等，測量電橋的靈敏度是最大的。那么，驅動電橋的電壓是探測器元件兩端電壓的兩倍。萬一探測器元件短路，短路電流由參考電阻器來限流且為通過探測器元件的工作電流的兩倍。例如上面所提及的IEC標準的表A.1表示了對應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，考慮到需要相對較高的電壓來驅動具有高電阻探測器元件的電橋，參考電阻器或許不能將短路電流限定在許用值。

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

解決該問題的方法是降低參考電阻器的電阻以允許較低的電壓來驅動測量電橋。然而，這會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，測量電橋的靈敏度也會受到影響。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供同時顧及高探測器靈敏度和滿足本質安全要求的熱導探測器的新設計。

根據(jù)本發(fā)明，該目的是這樣實現(xiàn)的，即在上面提及類型的熱導探測器中，將在測量電橋的相同半部分的一個臂中的探測器元件和另一個臂中的參考電阻器配置為使得并聯(lián)探測器子元件在運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探測器，熱導探測器包括可加熱電阻探測器元件，可加熱電阻探測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量電橋的單獨的臂中，其中探測器元件包括至少兩個相同的探測器子元件，探測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，并且其中進一步地，測量電橋的相同半部分的一個臂中的探測器元件和另一個臂中的參考電阻器配置為使得并聯(lián)探測器子元件在運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)有技術中電阻為R的單個探測器元件分為n個并聯(lián)子元件，每個子元件的電阻為R/n。因此，探測器元件的整體電阻降為R/n²。然而，從流體的立場來看，探測器元件事實上保持未改變，因為探測器子元件串聯(lián)布置在分析物流中。由于探測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。更準確來說，如IEC標準的表A.1所示，隨著電壓的增加，電壓和對應可允許電流的乘積減小。因此，在沒有違背本質安全要求的情況下，分割為兩個或多個并聯(lián)子元件的探測器元件比現(xiàn)有技術中單個探測器元件允許更高功率和工作溫度，而測量電橋的靈敏度最大。這進而表示了，通過分割探測器元件，可使得具有高電阻探測器的熱導探測器本質安全。

在本發(fā)明的一個實施方式中，探測器元件為MEMS裝置，優(yōu)選地由微機械加工硅制成。

在本發(fā)明的進一步的實施方式中，可加熱電阻探測器元件包括三個探測器子元件。

因此，舉個例子，現(xiàn)有技術中，例如15kΩ級別的硅基探測器元件可分別分割為三個5kΩ的探測器子元件。這不僅允許設計熱導探測器或包含探測器元件的測量電橋的至少半部分滿足本質安全要求，而且提供了本質安全的熱導探測器模塊，熱導探測器模塊包括至少兩個、優(yōu)選四個熱導探測器。

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

附圖說明

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)明的熱導探測器的示例性實施方式，

圖2示例性地示出了測量通道中的多個探測器子元件的布置，以及

圖3為熱導探測器模塊的示例性實施方式。

具體實施方式

圖1示出了熱導探測器1。參考電阻器R1和探測器元件R2布置在測量電橋(惠斯通電橋)2的一半中，且進一步地，電阻器R3和R4布置在另一半中。測量電橋2，即其每個半部分由差分放大器3的輸出來激發(fā)， 差分放大器驅動通過參考電阻器R1的電壓并且將其應用在探測器元件R2上以控制其電阻以及其溫度。將參考電阻器R1和探測器元件R2之間的節(jié)點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)點上的電壓施加到放大器3的另一個輸入端。

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

差分放大器3控制提供給探測器元件R2的電流，使得參考電阻器R1和探測器元件R2之間的接點處生成的電壓等于電阻器R3和R4之間的接點處生成的電壓，從而保持探測器元件R2的電阻值恒定，使得R1/R2＝R3/R4。因此，當運載氣體混合的氣態(tài)成分流經(jīng)探測器元件R2的時候，探測器1的輸出電壓信號4是對需要用來保持探測器元件R2在特定工作溫度以及特定參考電阻的電壓的測量。參考電阻器R1的電阻選為等于探測器元件R2的工作電阻，使得測量電橋2的靈敏度最大。因此，驅動測量電橋2的電壓是參考電阻器R1兩端和探測器元件R2兩端的各自電壓的兩倍。萬一探測器元件R2短路，短路電流由參考電阻器R1來限流且為通過探測器元件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。

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

圖2圖示地示出了測量通道5，在測量通道中，探測器子元件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 離的分析物通過探測器子元件R21、R22、R23，在此探測器子元件是發(fā)熱絲的形式。探測器元件R2為由微機械加工的硅制成的MEMS裝置。探測器子元件R21、R22、R23替換現(xiàn)有技術中同樣總長度的電阻為3R的絲。因此，探測器元件R2的總電阻是現(xiàn)有技術的絲的電阻的九分之一。

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