一种双传感器氢气检漏仪的制作方法

1.本实用新型属于氢气检测仪技术领域，特别涉及一种兼具高灵敏度、高精度的氢气检漏仪。


背景技术：

2.氢能是二十一世纪最理想的能源之一。但氢气无色无味、常温常压下着火点仅为585℃，空气中氢气含量在4%～74%范围内、遇火源即可发生爆炸。在加氢站氢气储存、传输和使用过程中如果泄漏，可能造成严重事故。
3.市面上普通的可燃气检漏仪多使用催化燃烧原理传感器，在1000ppm以下微量氢气泄漏场合往往测不出示值，仪表的最低检测限都大于氢气泄漏浓度，不能达到检测目的。从测量原理方面讲，电化学原理传感器可以检测微量氢气泄漏，但是存在响应时间慢、寿命短等缺点，不适合快速巡检的应用需求；催化燃烧原理如前所述存在检测限高（大于1000ppm）不适合微量氢气泄漏检测，但测量精度尚可；半导体原理测氢传感器可以实现微量氢气泄漏检测，对ppm级微量氢气泄漏存在灵敏度高、响应速度快、寿命长等优点。针对加氢站等有快速巡检需求的场合，可以结合半导体原理和催化燃烧原理的特点制作一款二合一的氢气检漏仪，从而实现微量泄漏高灵敏度检测、爆炸限内高精度检测的应用需求。目前这种二合一的氢气检漏仪市面应用少见。


技术实现要素：

4.为了解决现有氢能源应用领域对高灵敏度氢气检漏仪的应用需求，本实用新型提供一种兼顾小量程高灵敏度、大量程高精度的双传感器氢气检漏仪，以满足加氢站等氢能源应用场合氢气检漏需求。
5.本实用新型采用的技术方案是，一种双传感器氢气检漏仪，包括半导体传感器2及其温度控制电路模块5、催化燃烧传感器3、信号调理模块4、adc采集模块6、中央处理模块7、显示模块8、第一电源模块1；
6.半导体传感器2、催化燃烧传感器3分别将检测到的氢气浓度转换为电参数；
7.信号调理模块4负责对催化燃烧传感器3的信号和半导体传感器2的信号进行处理；
8.adc采集模块6负责将经过信号调理模块4处理的电信号转换为数字量；
9.中央处理模块7负责系统程序的执行，两种传感器浓度信号的采集及处理，将氢气浓度显示在显示屏上；
10.第一电源模块1采用多级供电模式，负责给各个模块供电。
11.半导体传感器2的温度控制电路模块5，控制半导体传感器的加热电阻，使半导体传感器2处于稳定的温度环境。
12.所述半导体传感器2的加热电阻具有正温度特性，即阻值与温度呈线性关系。
13.温度控制电路模块5，包括运算放大器（以下简称运放）5e、压控电流控制电路5g、
以及第一精密电阻5a、第二精密电阻5b、第三精密电阻5d和半导体传感器内的加热电阻5c；
14.第一精密电阻5a、第二精密电阻5b、第三精密电阻5d，和加热电阻5c四个电阻连接成惠斯通电桥，第一精密电阻5a、加热电阻5c组成测量桥臂，第二精密电阻5b、第三精密电阻5d组成参考桥臂，其中第一精密电阻5a与第二精密电阻5b阻值相等，第三精密电阻5d阻值与加热电阻5c达到某一高温温度时阻值相等，常温下精密电阻5d阻值大于加热电阻5c阻值；
15.第一精密电阻5a与半导体传感器加热电阻5c组成的测量桥臂输出的分压信号输入运放5e反相端，高精密低温漂电阻即第二精密电阻5b和第三精密电阻5d构成的参考桥臂输出稳定的分压信号，再输入运放5e同相端，运放5e输出端连接压控电流控制电路5g的输入端，压控电流控制电路5g的电流输出连接上述惠斯通电桥的电压输入端。
16.压控电流控制电路5g的工作电压由第二电源模块5f提供。
17.由于半导体传感器对温度、氢气具有一定灵敏度，所以半导体传感器的温度控制是一个关键，在温度稳定后，半导体传感器才能进行准确的氢气浓度测量，从而保证能采集到低浓度的氢气。
18.本实用新型构建一个基于惠斯通电桥的半导体传感器温度控制电路，在一侧桥臂输出一个精密电阻与半导体传感器加热电阻分压值，在另外一个桥臂两个电阻分压设定了加热电阻达到某一高温状态下才能达到电压值，两个电压信号分别进入运放输入端，随着环境温度变化，半导体传感器所在桥臂分压也会变化，通过运放和压控电流控制电路调整惠斯通电桥供电电压，构成电压串联负反馈电路，维持半导体传感器加热电阻阻值稳定，从而控制半导体传感器工作在一个稳定的温度范围内。
19.采用上述技术方案，本实用新型具有以下技术效果：
20.本实用新型中半导体传感器、催化燃烧传感器实现大小量程内的氢气浓度检测，温度控制电路模块实现硬件控温功能，使得半导体传感器工作在稳定的温度范围内。两个传感器分别通过采样电路、信号调理电路，将氢气浓度转换为电信号有adc采集模块转换为数字信号传递给中央处理器，中央处理器通过比较两个传感器浓度值，在小量程范围以半导体传感器测量值为准，在大量程范围以催化燃烧传感器测量值为准，进而对外显示一个浓度值，量程自动切换，实现二合一测量功能。
附图说明
21.图1为本实用新型的功能框图；
22.图2为本实用新型的温度控制电路模块原理框图。
具体实施方式
23.如图1所示，本实用新型一种双传感器氢气检漏仪，包括半导体传感器2及其温度控制电路模块5、催化燃烧传感器3、信号调理模块4、adc采集模块6、中央处理模块7、显示模块8、第一电源模块1；
24.半导体传感器2将氢气浓度转换为电参数，信号调理电路4将半导体传感器2输出的电信号转变为电压信号，该电压信号再经adc采集模块6转换为数字信号输出，通过串行通信方式被中央处理模块7读取；
25.催化燃烧传感器3将氢气浓度转换为电参数，信号调理电路4将催化燃烧传感器3输出的电信号转变为电压信号，该电压信号再经adc采集模块6转换为数字信号输出，通过串行通信方式被中央处理模块7读取；
26.中央处理模块7分别读取adc采集模块6输出的两种数字信号，分别转换为两种氢气浓度值，中央处理器7通过比较两个传感器浓度值，如均在小量程范围内则将半导体传感器测量值输出到显示模块8，如均在大量程范围内则将催化燃烧传感器测量值输出显示模块8；
27.第一电源模块1为上述各模块提供工作电压；
28.半导体传感器2的温度控制电路模块5，控制半导体传感器2的加热电阻，使半导体传感器2处于稳定的温度环境。
29.半导体传感器2加热电阻5c具有正温度特性，即阻值与温度呈线性关系。
30.温度控制电路模块5，包括运放5e、压控电流控制电路5g、以及第一精密电阻5a、第二精密电阻5b、第三精密电阻5d和半导体传感器内的加热电阻5c；
31.第一精密电阻5a、第二精密电阻5b、第三精密电阻5d，和加热电阻5c四个电阻连接成惠斯通电桥，第一精密电阻5a、加热电阻5c组成测量桥臂，第二精密电阻5b、第三精密电阻5d组成参考桥臂，其中第一精密电阻5a与第二精密电阻5b阻值相等，第三精密电阻5d阻值与加热电阻5c达到某一高温温度时阻值相等，常温下第三精密电阻5d阻值大于加热电阻5c阻值；
32.第一精密电阻5a与半导体传感器加热电阻5c组成的测量桥臂输出的分压信号输入运放5e反相端，高精密低温漂电阻，即第二精密电阻5b和第三精密电阻5d构成的参考桥臂形成稳定的分压信号，再输入运放5e同相端，运放5e输出端连接压控电流控制电路5g的输入端，压控电流控制电路5g的电流输出连接上述惠斯通电桥的电压输入端；
33.上述连接为通过导线或电路板上电路连接。
34.压控电流控制电路5g工作电压由第二电源模块5f提供。
35.本实用新型中，催化燃烧传感器为高精度的大量程传感器3。第一电源模块1提供2路工作电压，它负责将电池组电压一路降压到3.3v，另一路将压到2v，3.3v电压直接为数字电路模块供电，半导体传感器温度控制电路也采用3.3v供电、催化燃烧传感器采用2v供电；
36.当半导体传感器过热时，半导体传感器加热电阻5c阻值变大（加热电阻采用铂金丝，具有正温度特性，即加热电阻5c阻值与温度呈线性关系），测量桥臂取样点分压增大，则运放5e反相端输入电压增加，在瞬间桥路供电电压稳定的情况下，运放5e的平衡状态被破坏，运放5e输入电压将变小，则运放5e输出电压变小，通过压控电流控制电路5g降低输出电流，则通过加热电阻5c的电流减小，由焦耳定律可知加热功率变小，温度降低，加热电阻5c阻值变小，靠近参考桥臂设定的分压比例，达到平衡状态。
37.压控电流控制电路为电压控制电流电路，为成熟电路，从事电子电路设计人员均知，在此不做赘述。
38.当半导体传感器温度过低时，测量桥臂加热电阻5c阻值降低，测量桥臂取样点分压减小，则运放5e反相端输入电压减小，而参考桥臂电压稳定，运放5e输入电压将变大，则运放5e输出电压增大，通过压控电流控制电路5g增加输出电流，则通过加热电阻5c的电流增大，由焦耳定律可知加热功率变大，温度升高，加热电阻5c阻值变大，靠近参考桥臂设定
的分压比例，又达到平衡状态。
39.本实施例并非对本实用新型的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种双传感器氢气检漏仪，其特征在于：包括半导体传感器（2）及其温度控制电路模块（5）、催化燃烧传感器（3）、信号调理模块（4）、adc采集模块（6）、中央处理模块（7）、显示模块（8）和第一电源模块（1）；半导体传感器（2）、催化燃烧传感器（3）分别将检测到的氢气浓度转换为电参数；信号调理模块（4）负责对催化燃烧传感器（3）的信号和半导体传感器（2）的信号进行处理；adc采集模块（6）负责将经过信号调理模块（4）处理的电信号转换为数字量；中央处理模块（7）负责系统程序的执行，两种传感器浓度信号的采集及处理，将氢气浓度显示在显示屏上；第一电源模块（1）采用多级供电模式，负责给各个模块供电；半导体传感器（2）的温度控制电路模块（5），控制半导体传感器的加热电阻，使半导体传感器（2）处于稳定的温度环境。2.根据权利要求1所述的一种双传感器氢气检漏仪，其特征在于：半导体传感器（2）的加热电阻具有正温度特性，即阻值与温度呈线性关系。3.根据权利要求1所述的一种双传感器氢气检漏仪，其特征在于：温度控制电路模块（5），包括运放(5e)、压控电流控制电路(5g)、以及第一精密电阻(5a)、第二精密电阻(5b)、第三精密电阻(5d)和半导体传感器内的加热电阻(5c)；第一精密电阻(5a)、第二精密电阻(5b)、第三精密电阻(5d)，和加热电阻(5c)四个电阻连接成惠斯通电桥，第一精密电阻(5a)、加热电阻(5c)组成测量桥臂，第二精密电阻(5b)、第三精密电阻(5d)组成参考桥臂，其中第一精密电阻(5a)与第二精密电阻(5b)阻值相等，第三精密电阻(5d)阻值与加热电阻(5c)达到某一高温温度时阻值相等，常温下第三精密电阻(5d)阻值大于加热电阻(5c)阻值；第一精密电阻(5a)与半导体传感器加热电阻(5c)组成的测量桥臂输出的分压信号输入运放(5e)反相端，高精密低温漂电阻即第二精密电阻(5b)和第三精密电阻(5d)构成的参考桥臂输出稳定的分压信号，再输入运放(5e)同相端，运放(5e)输出端连接压控电流控制电路(5g)的输入端，压控电流控制电路(5g)的电流输出连接上述惠斯通电桥的电压输入端；上述连接为通过导线或电路板上电路连接。4.根据权利要求3所述的一种双传感器氢气检漏仪，其特征在于：压控电流控制电路(5g)工作电压由第二电源模块(5f)提供。

技术总结
一种双传感器氢气检漏仪，包括半导体传感器及其温度控制电路模块、催化燃烧传感器、信号调理模块、ADC采集模块、中央处理模块、显示模块和电源模块；半导体传感器、催化燃烧传感器分别将检测到的氢气浓度转换为电参数；信号调理模块负责对两个传感器的信号进行处理；ADC采集模块负责将经过信号调理模块处理的电信号转换为数字量；中央处理模块负责系统程序的执行，两种传感器浓度信号的采集及处理及显示。本实用新型采用半导体传感器、催化燃烧传感器两个传感器均检测氢气浓度，前者量程小，后者量程大，通过比较两个传感器浓度值，均在小量程范围以前者测量值为准，均在大量程范围以后者测量值为准，进而对外显示一个浓度值，实现二合一测量。实现二合一测量。实现二合一测量。


技术研发人员：汪献忠 李建国 张志辉 赵亮 赵春阳
受保护的技术使用者：河南省日立信股份有限公司
技术研发日：2022.09.30
技术公布日：2023/8/5