热导探测器和探测器模块的制作方法

本发明涉及一种用于气相色谱仪的热导探测器，包括可加热电阻探测器元件，可加热电阻探测器元件被配置为物理地布置在从色谱柱洗提的分析物流中且与电阻器一起电布置在测量电桥的单独的臂中，其中探测器元件包括至少两个相同的探测器子元件，探测器子元件配置为物理地串联布置在分析物流中且彼此并联地电布置。

本发明还涉及一种热导探测器模块。

背景技术：

从US 4080821已知上文所提及类型的热导探测器，其公开了一种待使用的热探测器，尤其是用作流量计或热导探测器，例如，用于气相色谱仪的热探测器。为了使热导探测器基本上独立于环境温度，探测器具有探测器元件，探测器元件具有三个探测器子元件，三个探测器子元件具有密切配合的电阻值且串联布置在待测量的气体流中。探测器子元件中的两个并联电布置在测量电桥的相同半部分的一只臂中，并且第三个探测器子元件布置在另一个臂中。放大器检测测量电桥的各半部分的臂的连接节点之间的差分电压，并且应用输出电压到测量电桥的半部分的连接节点上，以保持电桥大体平衡。这会加热三个探测器子元件，其中，第三个探测器子元件的加热效果是并联探测器子元件的四倍。如果已知的热探测器被用作热导探测器，设置有额外电阻器与带有所述并联连接的探测器子元件串联。

热导探测器基于特征导热性，尤其是利用气相色谱法，检测特定液体或气态物质(流体)。在此，通过将气体载体(流动相)内的气体混合物样品穿过包含固定相的分离柱，分离气体混合物的成分或物质。不同的成分与固定相相互作用，这使得在不同时间，称为成分保留时间，洗脱每种成分。通过热导探测器检测分离的物质，也被称为分析物，热导探测器具有测量池，测量池具有适合的探测器元件，例如，放置在测量通道内的电加热丝。根据流过加热丝的分析物的导热性，热量或多或少地从发热丝转移到测量通道的壁，相应地较大程度或较小程度冷却发热丝。检测到发热丝的冷却使得其电阻发生变化。

为了这个目的，正如US 5756878所知的，发热丝和额外电阻器可放置在测量电桥的不同臂上。从提供给测量电桥的能量获得通过发热丝的物质的导热性，控制这些能量来保持发热丝的温度在预定温度。为此，运算放大器检测测量电桥各半部分的臂的连接节点之间的差分电压且施加输出电压到电桥半部分的连接节点。

探测器的灵敏度取决于若干因素。通常，探测器元件和测量通道的壁之间的温度越高，探测器元件的电阻越高，灵敏度会越高。金属丝，尤其是金丝，已用了很长时间。为获得足够高的电阻，丝可制作的非常细，然而，这会导致鲁棒性差。此外，包括硫化氢的气体可毁掉金丝。铂比金有一些优势，而且在包含氢气和碳氢化合物的气体混合物中具有催化效果。

从WO 2009/095494 A1了解到的热导探测器，电性可加热丝是由掺杂硅微机械加工得到的，来实现长使用寿命以及对化学腐蚀气体混合物的惰性。由于硅丝具有较高的熔点，与金丝相比较，硅丝可在较高温度下运作。而且，硅的比电阻要高于金的比电阻，从而可获得高检测灵敏度。

然而，如果热导探测器必须是本质安全的，探测器元件的高电阻证明是不利的。本质安全(IS)依赖于设计的设备，这样设备不能借助热力装置或电气装置释放足够的能量引燃可燃性气体。因此，通过限制危险区域 内电力设备可用电量，将其限制为低于引燃气体的水平来实现本质安全。各种认证机构为视为本质安全的系统设立了各种IS标准。这些标准包括国际电工委员会(IEC)60079-11、工厂互保(FM)3610、保险商实验室(UL)UL913、加拿大标准协会CAN/CSA-C22.2No.157-92等等。

探测器元件需要特定电功率来加热且稳定在需要的工作温度。工作电阻越高，通过探测器的电压越高(P＝V²/R，其中P、V和R分别表示功率、电压和电阻)。如果探测器元件的工作电阻与在测量电桥的相同半部分的另一个臂的参考电阻器的电阻相等，测量电桥的灵敏度是最大的。那么，驱动电桥的电压是探测器元件两端电压的两倍。万一探测器元件短路，短路电流由参考电阻器来限流且为通过探测器元件的工作电流的两倍。例如上面所提及的IEC标准的表A.1表示了对应电压的允许短路电流，其中随着电压的增加，允许的短路电流不成比例地大幅减小。因此，考虑到需要相对较高的电压来驱动具有高电阻探测器元件的电桥，参考电阻器或许不能将短路电流限定在许用值。

如果热导探测器是整合在热导探测器模块内的多个探测器中的一个，则尤其适用，热导探测器模块整体上应该是本质安全的。如果是这种情况，除非单独的探测器通过整条电通路隔开6mm，否则单个探测器不能被视为单独的本质安全装置。然而，正如在具有四个通常用作气相色谱仪的探测器的模块中，当所有这些探测器必须紧挨在一起时，这种分隔是不可行的。因而所有整合的探测器的短路电流的和不会超过许用值。

解决该问题的方法是降低参考电阻器的电阻以允许较低的电压来驱动测量电桥。然而，这会允许更大的短路电流，也仍旧违背IS参数。另外，由于上面给出的原因，测量电桥的灵敏度也会受到影响。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供同时顾及高探测器灵敏度和满足本质安全要求的热导探测器的新设计。

根据本发明，该目的是这样实现的，即在上面提及类型的热导探测器中，将在测量电桥的相同半部分的一个臂中的探测器元件和另一个臂中的参考电阻器配置为使得并联探测器子元件在运行温度下的总电阻至少大约等于参考电阻器的电阻。

因此，本发明的主题是用于气相色谱仪的热导探测器，热导探测器包括可加热电阻探测器元件，可加热电阻探测器元件配置为物理地布置在从色谱柱洗提的分析物流中，并且与电阻器一起电布置在测量电桥的单独的臂中，其中探测器元件包括至少两个相同的探测器子元件，探测器子元件配置为物理地串联布置在分析物流中且彼此并联地电布置，并且其中进一步地，测量电桥的相同半部分的一个臂中的探测器元件和另一个臂中的参考电阻器配置为使得并联探测器子元件在运行温度下的总电阻至少大约等于参考电阻器的电阻。

本发明的方法是将现有技术中电阻为R的单个探测器元件分为n个并联子元件，每个子元件的电阻为R/n。因此，探测器元件的整体电阻降为R/n²。然而，从流体的立场来看，探测器元件事实上保持未改变，因为探测器子元件串联布置在分析物流中。由于探测器元件的工作温度保持不变，功率也就有必要保持不变。因此，考虑到恒功率P，探测器元件两端的电压U更低，也就是U＝1/n·(P·R)^1/2。如上所述，最大可允许电流取决于电压，随着电压的增加，电流大幅不成比例地减小。更准确来说，如IEC标准的表A.1所示，随着电压的增加，电压和对应可允许电流的乘积减小。因此，在没有违背本质安全要求的情况下，分割为两个或多个并联子元件的探测器元件比现有技术中单个探测器元件允许更高功率和工作温度，而测量电桥的灵敏度最大。这进而表示了，通过分割探测器元件，可使得具有高电阻探测器的热导探测器本质安全。

在本发明的一个实施方式中，探测器元件为MEMS装置，优选地由微机械加工硅制成。

在本发明的进一步的实施方式中，可加热电阻探测器元件包括三个探测器子元件。

因此，举个例子，现有技术中，例如15kΩ级别的硅基探测器元件可分别分割为三个5kΩ的探测器子元件。这不仅允许设计热导探测器或包含探测器元件的测量电桥的至少半部分满足本质安全要求，而且提供了本质安全的热导探测器模块，热导探测器模块包括至少两个、优选四个热导探测器。

为将探测器元件的温度保持在预定工作温度，热导探测器优选地包括放大器，放大器检测测量电桥各半部分的臂的连接节点之间的差分电压且施加输出电压到测量电桥的半部分的臂的连接节点上。

附图说明

参考附图，现将举例描述本发明，在本发明中，

图1为根据本发明的热导探测器的示例性实施方式，

图2示例性地示出了测量通道中的多个探测器子元件的布置，以及

图3为热导探测器模块的示例性实施方式。

具体实施方式

图1示出了热导探测器1。参考电阻器R1和探测器元件R2布置在测量电桥(惠斯通电桥)2的一半中，且进一步地，电阻器R3和R4布置在另一半中。测量电桥2，即其每个半部分由差分放大器3的输出来激发， 差分放大器驱动通过参考电阻器R1的电压并且将其应用在探测器元件R2上以控制其电阻以及其温度。将参考电阻器R1和探测器元件R2之间的节点上的电压施加到放大器3的反相和非反相输入端，且将电阻器R3和R4之间的节点上的电压施加到放大器3的另一个输入端。

在所示实例中，为具有正电阻温度系数(PTC)的探测器元件配置差分放大器3。在负温度系数(NTC)探测器元件的情况下，必须切换差分放大器3的输入。

差分放大器3控制提供给探测器元件R2的电流，使得参考电阻器R1和探测器元件R2之间的接点处生成的电压等于电阻器R3和R4之间的接点处生成的电压，从而保持探测器元件R2的电阻值恒定，使得R1/R2＝R3/R4。因此，当运载气体混合的气态成分流经探测器元件R2的时候，探测器1的输出电压信号4是对需要用来保持探测器元件R2在特定工作温度以及特定参考电阻的电压的测量。参考电阻器R1的电阻选为等于探测器元件R2的工作电阻，使得测量电桥2的灵敏度最大。因此，驱动测量电桥2的电压是参考电阻器R1两端和探测器元件R2两端的各自电压的两倍。万一探测器元件R2短路，短路电流由参考电阻器R1来限流且为通过探测器元件R2的工作电流的两倍。电阻器R3和R4的电阻值要更高于R1和R2的电阻值，但比率相同。

为使得供给到测量电桥2的电源电压更低(R2>R1)或短路电流更低(R1>R2)，R1和R2的比率可不是1：1。

探测器元件R2分割为至少两个，此处为三个相同的探测器子元件R21、R22、R23，探测器子元件彼此并联地电布置。如果R是每个单个子元件的电阻，则三个探测器子元件R21、R22、R23的总电阻为R2＝R/3。

图2图示地示出了测量通道5，在测量通道中，探测器子元件R21、R22、R23串联布置在从色谱柱(未示出)洗提的分析物流6中。色谱分 离的分析物通过探测器子元件R21、R22、R23，在此探测器子元件是发热丝的形式。探测器元件R2为由微机械加工的硅制成的MEMS装置。探测器子元件R21、R22、R23替换现有技术中同样总长度的电阻为3R的丝。因此，探测器元件R2的总电阻是现有技术的丝的电阻的九分之一。

图3示出了热导探测器模块7的示例性实施方式，热导探测器模块包括与图1和图2的实施方式的热导探测器相同的四个热导探测器11、12、13和14。热导探测器11、12、13、14并不是仅单独地而是一起满足本质安全要求。这就意味着，每个热导探测器11、12、13、14的短路电流是本质安全装置本身的最大允许电流的四分之一或更少。因此，单个探测器不需要当作单独的本质安全装置且可以彼此间的间隔d远远小于6mm而靠近布置在一起。参考标号8表示热导探测器11、12、13、14的流体连接器。