CN102520013A - 一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块，其采用分流测试方法，使微量气流通过旁通管路，在旁通管路中设置感温膜和加热膜，由加热膜对微量空气与气体灭火剂的混合气体进行加热，由于混合气体流过感温膜，引起感温膜温度变化，感温膜的电阻值随之变化，输出由此在电路中产生的电压值，通过信号处理，对外输出一个数字信号和一个模拟信号。通过控制流过感温膜的气体流量，使得感温膜的温度变化由混合气体的浓度决定，通过对由此产生的电信号进行处理并输出，即可获得气体灭火剂的浓度值。本发明可广泛应用于气体灭火剂浓度测试系统中，构建快速、高精度的气体灭火剂浓度测试系统。

Description

一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块
技术领域
本发明属于飞机防火技术领域，特别是涉及一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块。
背景技术
在飞机防火领域对灭火剂浓度的测试要求非常高，国外目前仍采用70年代传统的压差测量法，而我国在飞机气体灭火剂浓度的测试装置和测试方法方面尚处于空白。在传统的压差测量法中，其测量原理主要是基于一定量的不同浓度混合气体流过多孔状限流塞时，由于气体粘度不同而产生不同的压降，采用差压传感器测量压差，并采用示波器记录压差数据，进行计算得到灭火剂浓度数据。现有技术存在以下缺陷：
①装置虽然比较简单，但操作不方便；
②多孔状限流塞容易堵塞；
③采用示波器进行读数，并进行计算才能得到灭火剂浓度数据，缺乏计算机数据处理手段。
发明内容
本发明的目的在于：为克服现有技术的缺陷，提出一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块，测试原理较为简单，反应快速、测量精度高，可对外输出一个0～5VDC的模拟信号和通过RS-485接口输出一个数字信号供计算机直接使用。
本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：热膜式气体灭火剂浓度传感模块，其特征在于：由主管路、节流孔、旁通管路和出气口构成一个气流通道，由两个感温膜、一个加热膜、温度A/D转换器、加热控制电路、数字信号处理器和模拟信号输出接口与数字信号输出接口构成气体灭火剂浓度信息传感部件；在主管路中加入节流孔，使节流孔的前后形成一定的压力差，使得微量待测气体进入旁通管路，两个感温膜和一个加热膜内置于旁通管路中，加热膜对流过旁通管路内的待测气体进行加热，感温膜对流过旁通管路内的待测气体的温度进行检测；通过数字信号处理器对两个感温膜检测到的气体灭火剂的浓度信号进行处理，由数字信号输出接口与模拟信号输出接口对外输出一个可直接由计算机使用的数字信号和一个模拟电信号；
在气流主管路上加入节流孔作为阻力元件，使节流孔的前后形成一定的压力差，使得流入的总气流Q分流，其中微量气流Q1进入旁通管路；采用分流测试方法控制流经感温膜的气体流量，不仅可以使被测气体的流量恒定，而且可提高测试精度；对给定的装置在一定的流量范围内，其旁通系数为k1，使用时，只需主管路中总流量Q恒定，就可控制被测气体流量，Q1＝k1Q。
其中，热膜式气体灭火剂浓度传感模块输出的电信号由气体组分、浓度和流量决定，对组分已知的混合气体控制流过感温膜的气体流量，就可使得输出信号成为气体灭火剂浓度的单值函数；热膜式气体灭火剂浓度传感模块检测气体灭火剂浓度，是利用两个感温膜在气体流经其表面时，由于热交换带走热量改变两个感温膜温度，使得两个感温膜的电阻值发生变化，感温膜的输出电压也随之改变，通过输出变化的电压值，获取气体灭火剂浓度的相关信息；对于空气与气体灭火剂的混合气体流过热膜式气体灭火剂浓度传感模块时，两个感温膜输出的温度差由气体灭火剂的浓度决定，获取两个感温膜测得的温度差，就可计算出气体灭火剂的浓度值。
其中，感温膜的换热受强迫对流影响最大，理论分析中忽略其他热转换形式的影响，强迫对流对感温膜表面带走的热量应近似与单位时间内感温膜的发热量平衡，可得下式：
H = I w 2 R w = αA ( T w - T a ) - - - ( 1 )
式中，H为强迫对流造成的热耗散，Iw为感温膜上通过的电流，Rw为感温膜的阻值，α为强迫对流平均放热系数，A为感温膜换热表面积，Tw为感温膜温度，Ta为气体温度。
其中：
Rw＝R0[1+β(Tw-T0)]     (2)
式中，R0为感温膜在温度为T0时的阻值，β为感温膜的电阻温度系数。
对于空气与气体灭火剂的混合气体流过热膜式气体灭火剂浓度传感模块时，两个感温膜输出的温度差由气体灭火剂的浓度决定，测得两个感温膜测得的温度差，就可计算出气体灭火剂的浓度值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明通过在气体主管路2中加入阻力元件(节流孔3)，使得旁通管路5中流入微量被测气体，便于采用感温膜进行气体灭火剂浓度的测试，由于感温膜具有反应快速的特点，能够提高气体灭火剂浓度测试的效率，并减少反应滞后对测试准确性的影响，提高了气体灭火剂浓度测试的精度；通过数字信号处理器将信号直接转换为气体灭火剂浓度数据，对外输出一个数字信号和一个模拟信号，测试结果简单明了。
2、本发明的气体灭火剂浓度传感模块是气体灭火剂浓度测试装置的一个重要部分，通过合理设计和组装成一个测试系统，可实现对多种气体灭火剂的进行定量测试。
3、本发明提出了利用热膜传感原理进行气体灭火剂浓度测试的新思路，此热膜式气体灭火剂浓度传感模块可广泛应用于气体灭火剂浓度测试系统中，构建快速、高精度的气体灭火剂浓度测试系统，其推广应用将推动基于热膜传感原理的气体灭火剂浓度测试技术和装置的开发，满足飞机防火中对气体灭火剂浓度测试的需求。
附图说明
图1为热膜式气体灭火剂浓度传感模块结构示意图；
图2为模块的数据处理流程图。
图中：1.模块本体，2.主管路，3.节流孔，4.出气口，5.旁通管路，6.感温膜I，7.感温膜II，8.加热膜，9.温度A/D转换器，10.加热控制电路，11.数字信号处理器(MCU)，12.模拟信号输出接口(0～5VDC)，13.数字信号输出接口(RS-485)，14.计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式说明本发明。
本实施例的热膜式气体灭火剂浓度传感模块，其结构如图1所示，将气体灭火剂浓度信息传感部件置于主管路2的上方，经过相应处理后的空气与气体灭火剂的混合气体，以恒定的温度和流量进入模块的主管路2中，在主管路2中加入节流孔3，使节流孔3的前后形成一定的压力差，使得微量待测混合气体进入旁通管路5，在旁通管路5内放置两个感温膜6、7和一个加热膜8，由加热膜8对流过旁通管路5内的待测混合气体进行加热，感温膜6、7对流过旁通管路5内的待测混合气体的温度进行检测，加热膜8的加热功率由数字信号处理器11通过加热控制电路10进行控制，温度A/D转换器9将感温膜6、7检测到的混合气体的信息转换成数字信号，传输给数字信号处理器11进行数据处理，经过处理的数据一方面作为数字信号输出给计算机，一方面转换成0～5VDC的标准电信号输出。检测完成后，被测混合气体流出旁通管路，与主管路中的气体汇合，由出气口4流出。
气体分流原理如图1所示，本实施例中通过合理设计节流孔3和恒定气流总量Q，控制被测混合气体流量Q1的大小。
热膜式气体灭火剂浓度传感模块输出的电信号由气体组分、浓度和流量决定，对组分已知的混合气体控制流过感温膜的气体流量，就可使得输出信号成为气体灭火剂浓度的单值函数。
热膜式气体灭火剂浓度传感模块检测气体灭火剂浓度，是利用两个感温膜在气体流经其表面时，由于热交换带走热量改变两个感温膜温度，使得两个感温膜的电阻值发生变化，感温膜的输出电压也随之改变，通过输出变化的电压值，获取气体灭火剂浓度的相关信息；感温膜的换热受强迫对流影响最大，理论分析中忽略其他热转换形式的影响，强迫对流对感温膜表面带走的热量应近似与单位时间内感温膜的发热量平衡，可得下式：
H = I w 2 R w = αA ( T w - T a ) - - - ( 1 )
式中，H为强迫对流造成的热耗散，Iw为感温膜上通过的电流，Rw为感温膜的阻值，α为强迫对流平均放热系数，A为感温膜换热表面积，Tw为感温膜温度，Ta为气体温度。
其中：
Rw＝R0[1+β(Tw-T0)]    (2)
式中，R0为感温膜在温度为T0时的阻值，β为感温膜的电阻温度系数。
对于空气与气体灭火剂的混合气体流过热膜式气体灭火剂浓度传感模块时，两个感温膜输出的温度差由气体灭火剂的浓度决定，获取两个感温膜测得的温度差，就可计算出气体灭火剂的浓度值。
本发明的数据处理流程如图2所示，通过实验，建立两个感温膜的温差信号ΔT与气体灭火剂浓度之间的数学模型，将此模型内置于数字信号处理器(MCU)之中。测试过程中，由数字信号处理器对所采集的温度数据进行处理，计算温度差ΔT，通过数学模型计算气体灭火剂浓度数值，测试结果一方面直接以数字信号形式输出，便于计算机读取，另一方面转换为0～5VDC的模拟信号输出，便于与传统的模拟仪表连接。
测试时，通过温度控制器和流量控制器对流入主管路2的混合气体的温度和流量进行控制，温度控制在80℃，流量控制在2L/min。被节流孔3分流后，微量混合气体进入旁通管路5，在两个感温膜6和7上分别引起Tw1和Tw2的温度变化，产生温度差ΔT，反映了微量混合气体中的气体灭火剂的浓度信息，通过采集温度信号，并经A/D转换器将此信号转换为数字信号，由数字信号处理器11(MCU)对此信号进行信号处理，处理后的气体灭火剂浓度数据一方面经过数字信号输出接口(RS-485)输出数字信号，供计算机使用，另一方面经模拟信号输出接口(0～5VDC)输出模拟信号，供传统的模拟仪表使用。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块，其特征在于：由主管路(2)、节流孔(3)、旁通管路(5)和出气口(4)构成一个气流通道，由两个感温膜(6、7)、一个加热膜(8)、温度A/D转换器(9)、加热控制电路(10)、数字信号处理器(11)和模拟信号输出接口(12)与数字信号输出接口(13)构成气体灭火剂浓度信息传感部件；在主管路(2)中加入节流孔(3)，使节流孔(3)的前后形成一定的压力差，使得微量待测气体进入旁通管路(5)，两个感温膜(6、7)和一个加热膜(8)内置于旁通管路(5)中，加热膜(8)对流过旁通管路(5)内的待测气体进行加热，感温膜(6、7)对流过旁通管路(5)内的待测气体的温度进行检测；通过数字信号处理器(11)对两个感温膜(6、7)检测到的气体灭火剂的浓度信号进行处理，由数字信号输出接口(13)与模拟信号输出接口(12)对外输出一个可直接由计算机(14)使用的数字信号和一个模拟电信号；
在气流主管路(2)上加入节流孔(3)作为阻力元件，使节流孔(3)的前后形成一定的压力差，使得流入的总气流Q分流，其中微量气流Q1进入旁通管路(5)；采用分流测试方法控制流经感温膜的气体流量，不仅可以使被测气体的流量恒定，而且可提高测试精度；对给定的装置在一定的流量范围内，其旁通系数为k1，使用时，只需主管路(2)中总流量Q恒定，就可控制被测气体流量，Q1＝k1Q。
2.根据权利要求1所述的一种热膜式气体灭火剂浓度传感模块，其特征在于：热膜式气体灭火剂浓度传感模块输出的电信号由气体组分、浓度和流量决定，对组分已知的混合气体控制流过感温膜的气体流量，就可使得输出信号成为气体灭火剂浓度的单值函数；
热膜式气体灭火剂浓度传感模块检测气体灭火剂浓度，是利用两个感温膜在气体流经其表面时，由于热交换带走热量改变两个感温膜温度，使得两个感温膜的电阻值发生变化，感温膜的输出电压也随之改变，通过输出变化的电压值，获取气体灭火剂浓度的相关信息；对于空气与气体灭火剂的混合气体流过热膜式气体灭火剂浓度传感模块时，两个感温膜输出的温度差由气体灭火剂的浓度决定，获取两个感温膜测得的温度差，就可计算出气体灭火剂的浓度值。
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