一种气体相对测量传感器的制作方法

1.本发明涉及气体测量传感器技术领域，特别涉及一种气体相对测量传感器。


背景技术：

2.气体相对测量传感器：被检测气体与指定气体分别通过工作腔室和补偿腔室，通过带走电阻丝热量的不同来得到被检测气体中某种成分相对于指定气体的相对百分比含量。气体相对测量传感器对工业管道中的气体成分含量进行实时检测，有效避免因气体中某种成分浓度的改变引发安全隐患。广泛应用于民用、工业和环境检测等领域，如测量瓦斯气体中的甲烷含量、测量核工业贫料中六氟化铀的相对含量等，为安全生产提供检测设备。
3.热导式气体相对成分测量传感器是基于不同气体热导率的差别，测量气体中某种成分浓度的一种器件，具有检测范围大，工作稳定性好，使用寿命长，稳定性和可靠性高等优点，但同样检测中也存在被测气体流速过大，与电阻丝接触不够均匀的问题；且许多自动化生产线需要时刻对管道内气体进行检测，传统的气体分析仪或传感器往往无法适应生产中的恶劣工况，在杂质较多、压力较大的测量环境中，对测量结果产生影响，甚至导致传感器遭到破坏，无法保证测量精度和使用寿命。
4.例如现有技术如：申请号cn201420109397.3用于二元气体检测的微型热导式气体传感器，该传感器包括基片衬底和分别设置于基片衬底上的微型加热器、组分传感器、流量传感器和温度传感器；微型加热器、组分传感器和流量传感器均为悬梁结构。所述微型加热器、组分传感器和流量传感器的两端分别固定在基片衬底上，中间悬空。其中存在被测气体流速过大，与电阻丝接触不够均匀的问题，而且进气时存在杂质较多且压力较大的气体进入传感器中，容易导致传感器遭到破坏。
5.针对现有的热导式气体相对成分测量传感器存在的上述不足，本发明提供一种气体相对测量传感器用于解决上述技术问题。


技术实现要素：

6.发明的目的在于提供一种气体相对测量传感器，解决了检测中存在被测气体流速过大，与电阻丝接触不够均匀；且传统的气体分析仪或传感器往往无法适应生产中的恶劣工况，在杂质较多、压力较大的测量环境中，对测量结果产生影响，甚至导致传感器遭到破坏，无法保证测量精度和使用寿命的问题。
7.本发明是这样实现的，一种气体相对测量传感器，包括壳体、置于所述壳体内的腔室、置于所述腔室内的电阻丝、用于电阻丝缠绕的立柱、用于腔室下方密封的封头、用于待检测气体进入腔室的腔室入口以及气体传感器出口，所述传感器还包括过滤结构以及孔径调节结构，所述过滤结构置于所述腔室入口与所述腔室之间，所述孔径调节结构置于所述腔室入口处，且用于调节腔室入口的大小。
8.本发明的进一步技术方案是：所述孔径调节结构包括阻尼片、孔口挡板以及驱动电机，所述阻尼片上设有通孔，所述孔口挡板与所述驱动电机输出端连接，所述孔口挡板可
旋转调节所述通孔的大小。
9.本发明的进一步技术方案是：所述驱动电机输出端与所述阻尼片中心转动连接且所述孔口挡板与所述输出端外周连接，所述孔口挡板置于所述阻尼片的背流处且与所述阻尼片之间贴合，驱动电机用于驱动所述孔口挡板旋转从而调节所述通孔的大小。
10.本发明的进一步技术方案是：所述孔口挡板为扇形，所述孔口挡板置于所述通孔之间，所述孔口挡板可旋转调节所述通孔的大小。
11.本发明的进一步技术方案是：所述阻尼片为圆形，且所述阻尼片的外径与所述腔室入口内径过渡配合。
12.设置孔径调节结构用于调节管路压力、控制气体流量，使被测气体与传感器的热敏电阻进行充分的热交换，实现来流气体进入工作腔室流速均匀稳定的特性，使信号采集更为准确稳定，减小采集频率和流量骤变对输出信号的影响，提高传感器测量的精度与准确性。
13.本发明的进一步技术方案是：当入口等效孔径为0.3-0.5mm，出口等效孔径为1.5-2mm时，具有较优的输出信号。
14.本发明的进一步技术方案是：所述过滤结构包括膜管以及镍网，镍网滚卷在所述膜管上，所述过滤结构与传感器的底板连接。
15.本发明的进一步技术方案是：所述镍网之间设有吸附剂。
16.采用过滤结构使固体颗粒与可溶性凝胶粒子进入传感器核心部件的概率由原来的68％锐减至3％以下，解决了生产环境中杂质颗粒进入传感器核心部件引发的影响传感器测量精度和灵敏度的问题。此外，该结构的设置能够减少来流冲击，利于获得稳定的测试信号，提升传感器使用寿命。
17.本发明的进一步技术方案是：所述传感器还包括拉力调节结构，所述拉力调节结构置于所述腔室内，所述拉力调节结构用于根据气体流速调节电阻丝拉力。
18.本发明的进一步技术方案是：所述拉力调节结构包括上夹头、下夹头、以及置于所述上夹头和所述下夹头之间的弹簧，所述传感器的电阻丝置于所述上夹头和下夹头之间，所述上夹头上设有导流孔，所述上夹头固定在腔室内，所述下夹头与所述腔室之间有间隙。
19.本发明的进一步技术方案是：所述下夹头在气体流动速度的大小作用下可上下运动。
20.当气体流入传感器时，气流通过下夹头与腔室之间的间隙后与电阻丝进行热交换。当气体流速变化时，下夹头在重力、气流的推动力和弹簧弹力的共同作用下自适应被测气体的流速，改变下夹头的位置，实现调节电阻丝的拉力的功能，进而改变电阻丝阻值，实现传感器自适应不同流速的测试气体。当气体流速增大时，气流推动下夹头上升压缩弹簧，电阻丝拉力减小，电阻值减小；当气体流速减小时，弹簧推动下夹头下降拉伸弹簧，电阻丝拉力增大，电阻值增大。保证了工作腔室内气体交换时气流沿电阻丝的流速不太大且均匀，控制气流与电阻丝进行充分稳定的热交换；同时电阻丝的电阻值随气流大小发生改变，使输出电信号更为稳定。调节结构实现了气体流速和电阻丝阻值的自适应调节，减小了信号采集频率和流量骤变对输出信号的影响，提高了传感器测量的准确性、稳定性和精度。
21.所述传感器测量原件部分的工作腔室与补偿腔室其间配置有工作电阻丝r1、r2与调节结构，电阻丝为镍铬合金，经由特定的热处理工艺与时效处理工艺制成。工作室接通被
分析介质主要为重质气体和空气混合物，补偿室接通大气，内有r3、r4起补偿作用。当被分析介质内有空气(氮)出现，引起混合气体导热性发生变化，使电阻r1、r2阻值发生变化，其结果是传感器桥式电路失去平衡和出现其值与空气(氮)含量成正比的输出电压。
22.本发明的有益效果：本发明能够准确测量出被检测气体某种成分相对于指定气体中该成分的相对百分比含量，从而对工业管道中的气体成分含量进行实时检测，有效避免因气体含量改变引发的安全隐患；设置孔径调节结构，可以有效减少流速，控制气流和电阻丝进行充分热交换，解决测量过程中被测气体流速过大，与电阻丝接触不够均匀导致的测量精度差的问题；设置过滤结构解决因杂质较多、测量结果受到影响、无法保证传感器持久使用的寿命问题，提高检测效率，使得传感器更好的适应工作环境；
23.设置调节结构保证了工作腔室内气体交换时气流沿电阻丝的流速不太大且均匀，控制气流与电阻丝进行充分稳定的热交换；同时电阻丝的电阻值随气流大小发生改变，使输出电信号更为稳定；调节结构实现了气体流速和电阻丝阻值的自适应调节，减小了信号采集频率和流量骤变对输出信号的影响，提高了传感器测量的准确性、稳定性和精度；同时为避免电阻丝遭到破坏。
附图说明
24.图1是本发明提供的一种气体相对测量传感器的结构示意图；
25.图2是本发明提供的a-a剖面图；
26.图3是本发明提供的b-b剖面图；
27.图4是本发明提供的传感器检测电路的电路原理图；
28.图5是本发明提供的调节结构的结构示意图；
29.图6是本发明提供的孔径调节结构的结构示意图。
30.附图标记：1：封头；2：壳体；4：电阻丝；5：立柱；6：过滤结构；7：法兰；8：电路模块；9：罩盖；10：零位校正器；11：插头；12：补偿腔室；13：工作腔室；14：传感器气体出口；15：补偿腔室入口；16：工作腔室入口；17：孔径调节结构；171：阻尼片；172：孔口挡板；173：驱动电机；174：通孔；18：拉力调节结构；181：上夹头、182：下夹头、183：弹簧。
具体实施方式
31.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
32.需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
33.实施例一：
34.图1-6示出了一种气体相对测量传感器，包括壳体2、置于所述壳体2内的腔室、置于所述腔室内的电阻丝4、用于电阻丝缠绕的立柱5、用于腔室下方密封的封头1、用于待检测气体进入腔室的腔室入口以及气体传感器出口14，所述传感器还包括过滤结构6以及孔径调节结构17，所述过滤结构6置于所述腔室入口与所述腔室之间，所述孔径调节结构17置于所述腔室入口处，且用于调节腔室入口的大小。
35.在本实施例中，传感器测量原件部分与传感器电路部分。所述传感器测量原件部分由气体传感器的壳体2、壳体2中的两个平行的圆柱形工作腔室13与补偿腔室12、作为测量敏感元件的电阻丝4、电阻丝4缠绕的立柱5、腔室下方保证密封性的封头1、固定传感器安装位置的法兰7、通入工作腔室13的工作腔室入口16、通入补偿腔室12的补偿腔室入口15与气体传感器出口14组成；所述传感器电路部分包括电路模块8，所述电路模块8外套设有与所述壳体2连接的罩盖9，所述罩盖9内设有零位校正器10，所述罩盖9上设有插头11；所述传感器还包括保护敏感元件不受其他杂质干扰的过滤结构6以及孔径调节结构17，所述孔径调节结构17置于所述腔室入口处，且用于调节腔室入口的大小。所述腔室包括工作腔室13和补偿腔室12。
36.在本实施例中，所述孔径调节结构17包括阻尼片171、孔口挡板172以及驱动电机173，所述阻尼片171上设有通孔174，所述孔口挡板172与所述驱动电机173输出端连接，所述孔口挡板172可旋转调节所述通孔174的大小。
37.在本实施例中，所述驱动电机173输出端与所述阻尼片171中心转动连接且所述孔口挡板172与所述输出端外周连接，所述孔口挡板172置于所述阻尼片171的背流处且与所述阻尼片171之间贴合，驱动电机173用于驱动所述孔口挡板172旋转从而调节所述通孔174的大小。
38.在本实施例中，所述孔口挡板172为扇形，所述孔口挡板172置于所述通孔174之间，所述孔口挡板172可旋转调节所述通孔174的大小。
39.在本实施例中，所述阻尼片171为圆形，且所述阻尼片171的外径与所述腔室入口内径过渡配合。
40.作为优选实施例，所述测量原件部分通过在通入工作腔的工作腔入口、通入补偿腔的补偿腔入口与气体传感器出口分别设置孔径可控调节的孔径调节结构，孔径调节结构由圆形阻尼片、孔口档板与微型伺服电机组成。圆形阻尼片外径与进出口管道内径呈过渡配合，设置在传感器的腔室入口以及气体传感器出口14处。
41.作为优选实施例，圆形阻尼片上均布四个完全一致的通孔；孔口档板为圆形阻尼片的中心背流处设置的风车状四个大小完全一致的扇形叶片，扇形叶片与圆形阻尼片紧密接触，并可通过转动遮挡通孔改变通孔面积。
42.作为优选实施例，孔口档板中心处设有微型伺服电机，扇形叶片可通过微型伺服电机驱动进行旋转，进而改变通孔孔口被遮挡面积的大小，实现等效孔径的精确调节；等效孔径调节范围可达0-5mm。当入口等效孔径为0.3-0.5mm，出口等效孔径为1.5-2mm时，具有较优的输出信号。
43.在本实施例中，所述过滤结构6包括膜管以及镍网，镍网滚卷在所述膜管上，所述过滤结构与传感器的底板连接。
44.在本实施例中，所述镍网之间设有吸附剂。
45.在本实施例中，所述测量原件部分的过滤结构采用多层致密网状结构，主要结构为膜管和镍网，膜管厚度0.7mm，直径12mm，为镍粉喷塑在模具上制成。镍网由特殊镍铬合金制成，具有优良的耐腐蚀能力；镍网滚卷在膜管上，多层镍网与膜管一同焊接在底板上，单层滤网遭到破坏时使得传感器依旧能够正常工作，每层之间添加有圆形颗粒状吸附剂，起到吸附杂质的作用，这样形成了特殊形式的过滤系统，有效阻挡大固体颗粒与可溶性凝胶粒子，可以高效、持久的进行杂质过滤。
46.在本实施例中，所述传感器还包括拉力调节结构18，所述拉力调节结构18置于所述腔室内，所述拉力调节结构18用于根据气体流速调节电阻丝拉力。
47.在本实施例中，所述拉力调节结构18包括上夹头181、下夹头182、以及置于所述上夹头181和所述下夹头182之间的弹簧183，所述传感器的电阻丝置于所述上夹头181和下夹头182之间，所述上夹头181上设有导流孔，所述上夹头181固定在腔室内，所述下夹头182与所述腔室之间有间隙。
48.在本实施例中，所述下夹头182在气体流动速度的大小作用下可上下运动。
49.在本实施例中，调节结构由固定电阻丝的圆形平板状的上下夹头，上下夹头之间的弹簧组成。上夹头固定且设置有导流孔，气体可沿导流孔流出；下夹头可随弹簧的伸缩上下移动，且与工作腔外壁、补偿腔外壁之间有一定的间隙，间隙尺寸为0.1-2mm。
50.传感器使用过程中，必须关闭连接气体传感器出口与设备的阀门，再行检查气体传感器的“零位”。待阀门关闭30分钟后检查输出电压值，必要时还要校正“零位”。
51.如果传感器测试环境压力小于133pa，应该切断电源电压，防止敏感元件在真空下过热会导致气体传感器灵敏度发生变化或者敏感元件电阻丝被熔断。
52.其中，气体传感器的输出电阻为120
±
5ω。当负荷电阻为300
±
30ω、输出为100mv以内时，气体传感器灵敏度为14mv/v
·
％。在0-10v
·
％范围内，传感器的基本容许换算误差不得大于测量上限的
±
20％。
53.综上，本发明的一种气体相对测量传感器，能够准确测量出被检测气体某种成分相对于指定气体中该成分的相对百分比含量，从而对工业管道中的气体成分含量进行实时检测。
54.传感器测量原件部分的工作腔室与补偿腔室其间配置有工作电阻丝r1、r2与调节结构，电阻丝为镍铬合金，经由特定的热处理工艺与时效处理工艺制成。工作室接通被分析介质主要为重质气体和空气混合物，补偿室接通大气，内有r3、r4起补偿作用。当被分析介质内有空气(氮)出现，引起混合气体导热性发生变化，使电阻r1、r2阻值发生变化，其结果是传感器桥式电路失去平衡和出现其值与空气(氮)含量成正比的输出电压。传感器检测电路的电路原理图如图4所示。
55.为了进一步的说明本发明提供的一种气体相对测量传感器的输出信号的稳定性，以及调节结构的设置必要性，下面通过调节结构调节出不同组别的入口等效孔径和出口等效孔径，进行对比说明，具体如下：
56.不同进出口不同孔板孔径对输出电信号影响，结果如表1所示：
57.表1不同进出口不同孔板孔径对输出电信号影响
[0058][0059]
由表1可知，当入口等效孔径为0.3-0.5mm，出口等效孔径为1.5-2mm时，传感器能输出具有一定时长、数值稳定、且易检出的电信号，能实现被测气体相对含量的准确稳定测量；当入口等效孔径为0.4mm，出口等效孔径为1.7mm时，传感器获得了最佳的测量效果，输出信号具有显著的驼峰形状；当入口和出口等效孔径小于优化范围时，输出信号时间短且稳定，不利于信号的检测；大于优化范围时，输出信号强度弱且不稳定，亦不利于信号的检测。
[0060]
对比例一：
[0061]
本实施例中包括除了实施例一中的调节结构以外的其他组成部件，针对流速的波动情况，与实施例一对比检测电信号输出的情况，是否使用调节结构的电信号输出情况，结果如表2所示：
[0062]
表2是否使用电阻丝弹性调节系统的电信号输出情况
[0063][0064]
由表2可知，针对具有流速波动的状况，没使有电阻丝弹性调节系统时，输出电压信号也随着来流速度的波动而波动，不能实现信号的稳定测量，影响了测量的稳定性和精度；当使用了电阻丝弹性调节系统后，传感器能针对来流进行自适应调节，输出电信号在经过短暂小幅波动后就趋于稳定，显著提升了测量的稳定性、可靠性和测量精度。
[0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。