一种气体浓度测量装置的制作方法

1.本实用新型涉及气体浓度测量技术，尤其是一种气体浓度测量装置。


背景技术：

2.燃油发动机出于环保和节能的需要，需测量尾气中的氧气、nox等的浓度，目前可行的测量敏感器件为以氧化锆陶瓷为基体的芯片，陶瓷芯片作为高温气体传感器的核心元件具有广泛的应用。
3.氧化锆陶瓷芯片在500～900度高温条件下，允许氧离子穿过但对电子和其它离子有良好的阻断特性，依此特性制作出能斯特电池，实现对氧气或nox浓度的测量；要保证测量的精度，需使的芯片保持恒定的温度，现有的氧传感器一般采用尾气被动加热或通过能斯特电池内阻判断的方法来测量芯片的温度。cn102798654a公开了一种氮氧传感器加热控制方法，在氮氧传感器芯片上安装热电偶监测氮氧传感器芯片的温度。这些方法温度控制离散度大，受尾气温度变化的影响大，导致气体浓度测量精度低，不能满足更高排放控制要求。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种气体浓度测量装置，提高气体浓度的测量精度。
6.为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.一种气体浓度测量装置，包括具有温度电阻特性的加热丝、温度检测电路、加热电源、测温电流源以及控制单元，所述加热丝通过导线分别连接所述温度检测电路和所述加热电源，所述控制单元连接所述温度检测电路、所述加热电源和所述测温电流源，其中所述加热电源用于对所述加热丝通电加热，所述测温电流源用于在所述加热电源的通电间歇期间对所述加热丝提供测温电流，所述温度检测电路在所述测温电流源工作时从所述加热丝上采集表征加热丝温度的电信号并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据所述电信号调节所述加热电源的输出来控制所述加热丝的温度，以实现对所述气体浓度测量装置的温度控制。
8.进一步地：
9.所述加热丝为pt材料。
10.所述温度检测电路包括第一运放电路和第二运放电路，所述加热丝的第一端通过第一导线连接到所述第一运放电路的同相输入端，所述加热丝的第二端通过第二导线和第三导线分连接到所述第二运放电路的反相输入端和同相输入端，所述第二运放电路的输出端连接所述第一运放电路的反相输入端和所述第一运放电路的输出端，所述第一运放电路
的输出端连接所述控制单元。
11.所述加热电源连接所述第一导线。
12.所述第一导线、所述第二导线和所述第三导线为pt材料。
13.所述第一运放电路包括第一运放及第一至第四电阻，所述第一导线通过第一电阻连接到所述第一运放的同相输入端，所述第一运放的同相输入端通过第二电阻接地，所述第一运放的反相输入端通过第三电阻连接所述第二运放电路的输出端，所述第一运放的反相输入端还通过第四电阻连接所述第一运放的输出端。
14.所述第一运放及所述第一至第四电阻组成差分电路，其中所述第一电阻和所述第三电阻阻值相等，所述第二电阻和所述第四电阻阻值相等。
15.所述第二运放电路包括第二运放及第五至第八电阻，所述第二导线通过第五电阻连接到所述第二运放的反相输入端，所述第三导线通过第六电阻连接到所述第二运放的同相输入端，所述第二运放的同相输入端通过第七电阻接地，所述第二运放的反相输入端通过第八电阻连接所述第二运放的输出端。
16.所述第二运放及所述第五至第八电阻组成差分电路，其中所述第五电阻和所述第六电阻阻值相等，所述第七电阻和所述第八电阻阻值相等且等于所述第五电阻和所述第六电阻阻值的2倍。
17.所述气体浓度测量装置采用陶瓷芯片。
18.本实用新型具有如下有益效果：
19.本实用新型气体浓度测量装置能够精准控制芯片的加热，尤其是使芯片温度保持恒定，消除气体(如发动机尾气)温度变化对浓度测量的影响，显著提高气体浓度测量精度。
20.本实用新型除了设置加热电源之外，还设置有用于测温的测温电流源，如果用加热电源的加热电流来测温，一是不仅电流大，而且需要测量电流的电路，测量电流的电路局部发热也大，容易引起电路温漂，二是加热电流的加热脉冲对测量电路的电耦合干扰影响，对测量电路的布板、绝缘要求高，板面积小时不好布板。本实用新型设置单独的测温电流源，在所述加热电源的通电间歇期间对所述加热丝提供测温电流，所述温度检测电路在所述测温电流源工作时从所述加热丝上采集表征加热丝温度的电信号，这样就能省去测量电流的电路，因为测温电流源的测温电流是已知且固定不变的，所以减少了测量采样所带来的误差；而且测温电流源的工作时间即测温时间发生在所述加热电源的通电间歇期间，例如在加热电源的上一个加热脉冲之后下一个加热脉冲之前，此时是电耦合干扰最小的时候，温度也最接近稳定的值。因此，本实用新型能够实现精准的测温，并借此实现精准的芯片控温，从而提高芯片对气体浓度测量的精度。
附图说明
21.图1为本实用新型一种实施例的气体浓度测量装置结构示意图。
22.图2为利用pwm方式调节温度的示意图。
具体实施方式
23.以下对本实用新型的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。
24.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
25.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.参阅图1，本实用新型实施例提供一种气体浓度测量装置，包括具有温度电阻特性的加热丝rt、温度检测电路、加热电源vt、测温电流源is以及控制单元(例如mcu)，所述加热丝rt通过导线p1、p2、p3分别连接所述温度检测电路、所述加热电源vt和所述测温电流源is，所述控制单元连接所述温度检测电路和所述加热电源vt，其中所述加热电源vt用于对所述加热丝rt通电加热，所述测温电流源is用于在所述加热电源vt的通电间歇期间对所述加热丝rt提供测温电流，所述温度检测电路在所述测温电流源工作时从所述加热丝rt上采集表征加热丝rt温度的电信号t_heater并反馈给所述控制单元，所述控制单元根据所述电信号t_heater调节所述加热电源vt的输出来控制所述加热丝rt的温度，以实现对所述气体浓度测量装置的温度控制。
28.可以理解，起通电加热作用的加热电源提供的电压较高(例如12v\24v)、电流较大(例如几安培)；而本实用新型的测温电流源则提供较小的电流，例如100ma左右，此时加热丝上只有很小的电压，功率也很小，因此测温电流源工作时不起对加热丝的加热作用。
29.在优选的实施例中，所述加热丝rt为pt材料。
30.在优选的实施例中，所述温度检测电路包括第一运放电路和第二运放电路，所述加热丝rt的第一端通过第一导线p1连接到所述第一运放电路的同相输入端，所述加热丝rt的第二端通过第二导线p2和第三导线p3分连接到所述第二运放电路的反相输入端和同相输入端，所述第二运放电路的输出端连接所述第一运放电路的反相输入端和所述第一运放电路的输出端，所述第一运放电路的输出端连接所述控制单元。
31.在优选的实施例中，所述加热电源vt连接所述第一导线p1。
32.所述第一导线p1、所述第二导线p2和所述第三导线p3为pt材料。
33.如图1所示，在更优选的实施例中，所述第一运放电路包括第一运放u10
‑
a及第一至第四电阻，所述第一导线p1通过第一电阻r67连接到所述第一运放u10
‑
a的同相输入端，所述第一运放u10
‑
a的同相输入端通过第二电阻r74接地，所述第一运放u10
‑
a的反相输入端通过第三电阻r66连接所述第二运放电路的输出端，所述第一运放u10
‑
a的反相输入端还通过第四电阻r75连接所述第一运放u10
‑
a的输出端。
34.在更优选的实施例中，所述第一运放u10
‑
a及所述第一至第四电阻组成差分电路，其中所述第一电阻r67和所述第三电阻r66阻值相等，所述第二电阻r74和所述第四电阻r75
阻值相等。
35.如图1所示，在更优选的实施例中，所述第二运放电路包括第二运放u10
‑
b及第五至第八电阻，所述第二导线p2通过第五电阻r30连接到所述第二运放u10
‑
b的反相输入端，所述第三导线p3通过第六电阻r29连接到所述第二运放u10
‑
b的同相输入端，所述第二运放u10
‑
b的同相输入端通过第七电阻r65接地，所述第二运放u10
‑
b的反相输入端通过第八电阻r76连接所述第二运放u10
‑
b的输出端。
36.在更优选的实施例中，所述第二运放u10
‑
b及所述第五至第八电阻组成差分电路，其中所述第五电阻r30和所述第六电阻r29阻值相等，所述第七电阻r65和所述第八电阻r76阻值相等且等于所述第五电阻r30和所述第六电阻r29阻值的2倍。
37.在优选的实施例中，所述气体浓度测量装置采用陶瓷芯片。
38.在优选的实施例中，所述陶瓷芯片为测量nox气体浓度的测量芯片。
39.以下进一步描述本实用新型的具体实施例。
40.一种具体实施例为nox气体敏感陶瓷芯片，设置有陶瓷芯片上的加热丝rt、导线、温度检测电路、加热电源vt、所述测温电流源is以及控制mcu。陶瓷芯片的加热丝和导线使用pt材料，利用pt材料良好的温度电阻特性，来实现芯片温度的测量；测温电路把加热丝电阻变为可表征加热丝温度的电信号给mcu，mcu根据温度情况调节加热电源的幅度或宽度，以控制芯片的温度和升温速率不超过设定阈值，以保持芯片的温度，并可避免升温对芯片带来不良影响；mcu负责所有上述电路的信号测量和控制调节，并把最终测量的氧气、nox浓度以需要的方式输出。
41.加热丝是pt材料，电阻为1～3欧，通电时发热，把芯片功能单元加热到工作温度，一般为800度附近，加热丝同时也是测温件，因pt有良好的温度电阻特性，可采用pt来制作高精度温度传感器，如pt100等，pt温度电阻特性为：
42.rt＝r
25
*(1+0.00394*δt)；
43.其中加热电极的电阻为rt，r
25
为常温25度时加热电极的电阻，δt为当前温度减去25
°
；由rt值的变化即可得出芯片的当前温度。
44.连接加热丝的加热导线p1、p2的电阻相等，p3是测温导线。
45.测温时，所述测温电流源is在加热导线p1、p2注入已知的恒定电流i，加热丝上的电压为ut，p2上的压降为u2，p1、p2端之间电压为u，则有：
46.rt＝ut/i；
47.ut＝u
‑
2*u2；
48.测温电路采用运算电路实现：
49.运放u
10
‑
b
和外围电阻r
29
、r
30
、r
65
、r
76
组成差分电路，其中r
29
＝r
30
、r
65
＝r
76
＝2
*
r
29，
电路增益为2，则运放输出的电压信号等于导线p1和p2上的电压之和，即2*u2；
50.运放u
10
‑
a
和外围电阻r
66
、r
67
、r
74
、r
75
组成差分电路，其中r
66
＝r
67
、r
74
＝r
75
，则运放输出的电压信号t_heater＝a*(u
‑
2*u2),a为电路增益(＝r
74
/r
66
)；
51.t_heater为加热丝温度的电信号，信号的变化遵从上述pt的温度特性。
52.加热电源vt优选使用pwm调节方式工作，如图2所示，在pwm的低电压期间由测温电流源is输入电流，进行测温。当测量的温度高于目标值时，将加热电源vt的pwm脉宽调窄，反之增大加热电源vt的pwm宽度，从而可以实现芯片的恒温控制。
53.本实用新型的背景部分可以包含关于本实用新型的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
54.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本实用新型的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。