CN105548492A - 一种气液分离仿生电子鼻 - Google Patents

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Abstract

一种气液分离仿生电子鼻属机械工程技术领域，本发明中仿生分离器A的圆台体大圆与气体室壳体中进气段的圆台体大圆连接；扰流体中后扰流段的外螺纹与气体室中检测段的内螺纹螺纹连接；传感器阵列固接于气体室的检测段中，且位于扰流体的后扰流段前部；仿生分离器的圆台体侧表面所设仿生结构单元中底板的长度方向沿仿生分离器的圆台体侧表面周向排列，仿生结构单元中底板的宽度方向沿仿生分离器的圆台体母线方向排列，仿生结构单元中主扰流柱Ⅰ、主扰流柱Ⅱ、副扰流柱组Ⅰ和副扰流柱组Ⅱ的尾部朝向与气流方向一致；本发明能提高气液的分离效率、传感器的检测精度和灵敏度，同时也拓展了传感器的测量范围。

Description

一种气液分离仿生电子鼻
技术领域
本发明属机械工程技术领域，具体涉及一种气液分离仿生电子鼻。
背景技术
井下随钻检测是录井行业的一个主要发展趋势，传感器技术是实现随钻测量与自动控制的重要环节。鉴于电子鼻在食品、医药、农业、环境监测、公共安全等领域的优异表现，将电子鼻技术应用到随钻检测，也必将会是一个很有前景的研究方向。在随钻检测的过程中，高效地实现井下油气与钻井液的分离，并进行高精度的测量，是成功实现油气检测的关键。
龙虾嗅觉器官表面呈阵列分布的细小毛发，有对液体中含有的气味分子进行分离的作用，然后通过其表面的敏感物质捕捉气味分子引起的化学信号，具有高敏感性和高效性的特点。
不同的气室结构，将会对气体传感器的响应速度与响应值有显著的影响。猫的嗅觉反应受到周围环境中的气体浓度，以及鼻腔中气流形式和流速的三重作用影响，而鼻腔中的气流形式和流速又受到鼻腔结构的影响。经过长期的进化，猫具有较为完善的鼻腔结构和嗅觉能力，因此，仿照猫鼻腔的结构和功能，对气体传感器的结构进行仿生设计，具有重要的意义。
发明内容
本发明仿照龙虾嗅觉器官的表面结构设计仿生分离器，提高了气液的分离效率，仿照猫鼻腔的结构和功能对气体室的结构进行仿生设计，通过仿生设计提高了传感器的检测精度和灵敏度，也拓展了传感器的测量范围。
本发明由仿生分离器A、气体室B、传感器阵列C和扰流体D组成，其中仿生分离器A的圆台体大圆与气体室壳体B中进气段3的圆台体大圆连接；扰流体D中后扰流段11的外螺纹10与气体室B中检测段6的内螺纹7螺纹连接；传感器阵列C固接于气体室B的检测段6中，且位于扰流体D的后扰流段11前部；仿生分离器A的圆台体侧表面所设仿生结构单元E中底板16的长度方向沿仿生分离器A的圆台体侧表面周向排列，仿生结构单元E中底板16的宽度方向沿仿生分离器A的圆台体母线方向排列，仿生结构单元E中主扰流柱Ⅰ15、主扰流柱Ⅱ18、副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17的尾部朝向与气流方向一致。
所述的仿生分离器A为空心圆台体，圆台体大圆直径d1为20-30mm，圆台体小圆直径d2为5-8mm，圆台体高L1为30-45mm；圆台体小圆端呈封闭状态，其外表面不设仿生结构单元E和半透膜1；相邻的仿生结构单元E沿圆台体表面母线方向和周向均为对齐排列，且相邻两排仿生结构单元E的中心沿圆台体表面母线方向的间距h15为300um、沿圆台体表面周向方向的间距L14为1000um；圆台体内侧壁设有半透膜1，圆台体壁厚h1为1-2mm，圆台体侧表面设有仿生结构单元E,圆台体侧壁上均匀分布有透气孔2，透气孔2为圆柱形，其直径d12为20-30um,透气孔2在圆台体侧壁上的分布与仿生结构单元的排列相对应，每个仿生结构单元沿圆台体母线方向对称分布有三组透气孔2，相邻两组透气孔2的间距L12为100um；每组5-7个透气孔2在圆台体周向对称均匀分布，两个相邻透气孔2的中心距L13为60-80um。
所述的气体室B由进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6组成，进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6自左至右依次连接；进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6的壁厚h2均为2-3mm；进气段3为圆台体，其中圆台体大圆直径d5为20-30mm，圆台体小圆直径d4为5-8mm，圆台体高h4为7-10mm；传输段4为空心圆柱体，其中圆柱直径与进气段3中圆台体小圆直径d4相同，圆柱体高L3为15-20mm；扩散段5为圆台体，其中圆台体大圆直径d3为20-30mm,圆台体小圆直径与进气段3中圆台体小圆直径d4相同,圆台体高h3为4-6mm；检测段6为空心圆柱体，圆柱外径与扩散段5的圆台体大圆直径d3相同，圆柱长L2为50-60mm；检测段6右部设有内螺纹7。
气体室B的结构采用仿猫鼻流道的结构进行设计，进气段3采用圆台体，增大进气口与气源的接触面积，以便捕捉到更多的气味分子；减小传输段4的截面积，利于提高气体的传输速度，提高气流的动能，以便在检测段6与扰流体作用形成紊流，增大气体分子与敏感元件的接触面积，提高测量精度。
所述的传感器阵列C由4-6个传感器组成，在气体室B中检测段6的一个横截面的内壁上均布，且该横截面位于扰流体D前端，各传感器通过传感器探针和外部信号转化电路相连。
所述的扰流体D由前扰流段8、后扰流段11和调节柱12组成，前扰流段8位于前部，后扰流段11位于中部，调节柱12位于后部；前扰流段8为圆锥体，圆锥体底圆直径d8为10-20mm，圆锥体高h5为5-7mm；后扰流段11为圆柱体，圆柱直径d6为20-30mm，圆柱高h6为10-15mm，圆柱近边沿设有8-24个扰流孔9，扰流孔9沿直径d9为10-13mm的圆均布，扰流孔9直径d10为2mm，圆柱边沿设有外螺纹10；调节柱12为圆柱体，圆柱直径d7为10-15mm，圆柱高L4为35-50mm，圆柱后端设有沟槽13。
通过旋转调节柱12后端的沟槽13，可对扰流体D的位置进行调节，以使敏感元件处获得最优的气流状态，从而提高传感器的测量精度。
所述的仿生结构单元E由主扰流柱Ⅰ15、主扰流柱Ⅱ18、副扰流柱组Ⅰ14、副扰流柱组Ⅱ17和底板16组成，其中副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17各由十根扰流柱组成，并各排成一列，副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17的长L7均为750um，副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17间距h8为90um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18对称位于中线两侧，主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18间距L8为700um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18直径d10均为50um，主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18长L11均为800-850um；副扰流柱直径L6为25um；副扰流柱长L10为750um；底板16为长方形，底板长L9为1000um底板宽h7为300um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18与底板16的夹角β为39°；副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17与底板16的夹角α为50°。
本发明的有益效果在于：
(1)仿照龙虾嗅觉器官的表面结构设计仿生分离器，提高了气液的分离效率。
(2)仿照猫鼻腔的结构和功能对气体室的结构进行仿生设计，通过仿生设计提高了传感器的检测精度和灵敏度，也拓展了传感器的测量范围。
附图说明
图1为气液分离仿生电子鼻结构示意图
图2为仿生分离器结构示意图
图3为气体室结构示意图
图4为扰流体主视图
图5为扰流体右视图
图6为仿生结构单元俯视图
图7为仿生结构单元立体图
图8为扰流柱角度示意图
图9为仿生结构单元及透气孔的排列状况示意图
其中：A.仿生分离器B.气体室C.传感器阵列D.扰流体E.仿生结构单元1.半透膜2.透气孔3.进气段4.传输段5.扩散段6.检测段7.内螺纹8.前扰流段9.扰流孔10.外螺纹11.后扰流段12.调节柱13.沟槽14.副扰流柱组Ⅰ15.主扰流柱Ⅰ16.底板17.副扰流柱组Ⅱ18.主扰流柱Ⅱ
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细叙述：
本发明仿照龙虾嗅觉器官的表面结构设计仿生分离器，提高了气液的分离效率，仿照猫鼻腔的结构和功能对气体室的结构进行仿生设计，通过仿生设计提高了传感器的检测精度和灵敏度，也拓展了传感器的测量范围。
如图1所示，一种气液分离仿生电子鼻由仿生分离器A、气体室B、传感器阵列C和扰流体D组成，其中仿生分离器A的圆台体大圆与气体室壳体B中进气段3的圆台体大圆连接；扰流体D中后扰流段11的外螺纹10与气体室B中检测段6的内螺纹7螺纹连接；传感器阵列C固接于气体室B的检测段6中，且位于扰流体D的后扰流段11前部。
如图2、6、7所示，仿生分离器A的圆台体侧表面所设仿生结构单元E中底板16的长度方向沿仿生分离器A的圆台体侧表面周向排列，仿生结构单元E中底板16的宽度方向沿仿生分离器A的圆台体母线方向排列，仿生结构单元E中主扰流柱Ⅰ15、主扰流柱Ⅱ18、副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17的尾部朝向与气流方向一致。
如图2、9所示，所述的仿生分离器A为空心圆台体，圆台体大圆直径d1为20-30mm，圆台体小圆直径d2为5-8mm，圆台体高L1为30-45mm；圆台体小圆端呈封闭状态，其外表面不设仿生结构单元E和半透膜1；相邻的仿生结构单元E沿圆台体表面母线方向和周向均为对齐排列，且相邻两排仿生结构单元E的中心沿圆台体表面母线方向的间距h15为300um、沿圆台体表面周向方向的间距L14为1000um。
圆台体内侧壁设有半透膜1，圆台体壁厚h1为1-2mm，圆台体侧表面设有仿生结构单元E,圆台体侧壁上均匀分布有透气孔2，透气孔2为圆柱形，其直径d12为20-30um,透气孔2在圆台体侧壁上的分布与仿生结构单元的排列相对应，每个仿生结构单元沿圆台体母线方向对称分布有三组透气孔2，相邻两组透气孔2的间距L12为100um；每组5-7个透气孔2在圆台体周向对称均匀分布，两个相邻透气孔2的中心距L13为60-80um。
如图3所示，所述的气体室B由进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6组成，进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6自左至右依次连接；进气段3、传输段4、扩散段5和检测段6的壁厚h2均为2-3mm.进气段3为圆台体，其中圆台体大圆直径d5为20-30mm，圆台体小圆直径d4为5-8mm，圆台体高h4为7-10mm；传输段4为空心圆柱体，其中圆柱直径与进气段3中圆台体小圆直径d4相同，圆柱体高L3为15-20mm；扩散段5为圆台体，其中圆台体大圆直径d3为20-30mm,圆台体小圆直径与进气段3中圆台体小圆直径d4相同,圆台体高h3为4-6mm；检测段6为空心圆柱体，圆柱外径与扩散段5的圆台体大圆直径d3相同，圆柱长L2为50-60mm；检测段6右部设有内螺纹7。
如图1所示，所述的传感器阵列C由4-6个传感器组成，在气体室B中检测段6的一个横截面的内壁上均布，且该横截面位于扰流体D前端，各传感器通过传感器探针和外部信号转化电路相连。
如图4、5所示，所述的扰流体D由前扰流段8、后扰流段11和调节柱12组成，前扰流段8位于前部，后扰流段11位于中部，调节柱12位于后部；前扰流段8为圆锥体，圆锥体底圆直径d8为10-20mm，圆锥体高h5为5-7mm；后扰流段11为圆柱体，圆柱直径d6为20-30mm，圆柱高h6为10-15mm，圆柱近边沿设有8-24个扰流孔9，扰流孔9沿直径d9为10-13mm的圆均布，扰流孔9直径d10为2mm，圆柱边沿设有外螺纹10；调节柱12为圆柱体，圆柱直径d7为10-15mm，圆柱高L4为35-50mm，圆柱后端设有沟槽13。
如图6、7、8所示，所述的仿生结构单元E由主扰流柱Ⅰ15、主扰流柱Ⅱ18、副扰流柱组Ⅰ14、副扰流柱组Ⅱ17和底板16组成，其中副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17各由十根扰流柱组成，并各排成一列，副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17的长L7均为750um，副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17间距h8为90um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18对称位于中线两侧，主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18间距L8为700um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18直径d10均为50um，主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18长L11均为800-850um；副扰流柱直径L6为25um；副扰流柱长L10为750um；底板16为长方形，底板长L9为1000um底板宽h7为300um；主扰流柱Ⅰ15和主扰流柱Ⅱ18与底板16的夹角β为39°；副扰流柱组Ⅰ14和副扰流柱组Ⅱ17与底板16的夹角α为50°。
本发明的工作过程和原理：
将所述的气液分离仿生电子鼻的仿生分离器置于含有待测气体的液体中，保证气液分离仿生电子鼻的密封性，防止液体进入电子鼻内部，并使液体的流向与气体室内气体的流向一致，待测气体经由仿生分离器分离后，通过进气段、传输段、扩散段进入检测段；在扰流体的作用下，气流在敏感元件处形成紊流，与敏感元件充分接触产生反应，然后通过扰流孔流出气体室壳体。

Claims (6)

1.一种气液分离仿生电子鼻，其特征在于由仿生分离器(A)、气体室(B)、传感器阵列(C)和扰流体(D)组成，其中仿生分离器(A)的圆台体大圆与气体室壳体(B)中进气段(3)的圆台体大圆连接；扰流体(D)中后扰流段(11)的外螺纹(10)与气体室(B)中检测段(6)的内螺纹(7)螺纹连接；传感器阵列(C)固接于气体室(B)的检测段(6)中，且位于扰流体(D)的后扰流段(11)前部；仿生分离器(A)的圆台体侧表面所设仿生结构单元(E)中底板(16)的长度方向沿仿生分离器(A)的圆台体侧表面周向排列，仿生结构单元(E)中底板(16)的宽度方向沿仿生分离器(A)的圆台体母线方向排列，仿生结构单元(E)中主扰流柱Ⅰ(15)、主扰流柱Ⅱ(18)、副扰流柱组Ⅰ(14)和副扰流柱组Ⅱ(17)的尾部朝向与气流方向一致。
2.按权利要求1所述的气液分离仿生电子鼻，其特征在于所述的仿生分离器(A)为空心圆台体，圆台体大圆直径d1为20-30mm，圆台体小圆直径d2为5-8mm，圆台体高L1为30-45mm；圆台体小圆端呈封闭状态，其外表面不设仿生结构单元(E)和半透膜(1)；相邻的仿生结构单元(E)沿圆台体表面母线方向和周向均为对齐排列，且相邻两排仿生结构单元(E)的中心沿圆台体表面母线方向的间距h15为300um、沿圆台体表面周向方向的间距L14为1000um；圆台体内侧壁设有半透膜(1)，圆台体壁厚h1为1-2mm，圆台体侧表面设有仿生结构单元(E),圆台体侧壁上均匀分布有透气孔(2)，透气孔(2)为圆柱形，其直径d12为20-30um,透气孔(2)在圆台体侧壁上的分布与仿生结构单元的排列相对应，每个仿生结构单元沿圆台体母线方向对称分布有三组透气孔(2)，相邻两组透气孔(2)的间距L12为100um；每组5-7个透气孔(2)在圆台体周向对称均匀分布，两个相邻透气孔(2)的中心距L13为60-80um。
3.按权利要求1所述的气液分离仿生电子鼻，其特征在于所述的气体室(B)由进气段(3)、传输段(4)、扩散段(5)和检测段(6)组成，进气段(3)、传输段(4)、扩散段(5)和检测段(6)自左至右依次连接；进气段(3)、传输段(4)、扩散段(5)和检测段(6)的壁厚h2均为2-3mm；进气段(3)为圆台体，其中圆台体大圆直径d5为20-30mm，圆台体小圆直径d4为5-8mm，圆台体高h4为7-10mm；传输段(4)为空心圆柱体，其中圆柱直径与进气段(3)中圆台体小圆直径d4相同，圆柱体高L3为15-20mm；扩散段(5)为圆台体，其中圆台体大圆直径d3为20-30mm,圆台体小圆直径与进气段(3)中圆台体小圆直径d4相同,圆台体高h3为4-6mm；检测段(6)为空心圆柱体，圆柱外径与扩散段(5)的圆台体大圆直径d3相同，圆柱长L2为50-60mm；检测段(6)右部设有内螺纹(7)。
4.按权利要求1所述的气液分离仿生电子鼻，其特征在于所述的传感器阵列(C)由4-6个传感器组成，在气体室(B)中检测段(6)的一个横截面的内壁上均布，且该横截面位于扰流体(D)前端。
5.按权利要求1所述的气液分离仿生电子鼻，其特征在于所述的扰流体(D)由前扰流段(8)、后扰流段(11)和调节柱(12)组成，前扰流段(8)位于前部，后扰流段(11)位于中部，调节柱(12)位于后部；前扰流段(8)为圆锥体，圆锥体底圆直径d8为10-20mm，圆锥体高h5为5-7mm；后扰流段(11)为圆柱体，圆柱直径d6为20-30mm，圆柱高h6为10-15mm，圆柱近边沿设有8-24个扰流孔(9)，扰流孔(9)沿直径d9为10-13mm的圆均布，扰流孔(9)直径d10为2mm，圆柱边沿设有外螺纹(10)；调节柱(12)为圆柱体，圆柱直径d7为10-15mm，圆柱高L4为35-50mm，圆柱后端设有沟槽(13)。
6.按权利要求2所述的气液分离仿生电子鼻，其特征在于所述的仿生结构单元(E)由主扰流柱Ⅰ(15)、主扰流柱Ⅱ(18)、副扰流柱组Ⅰ(14)、副扰流柱组Ⅱ(17)和底板(16)组成，其中副扰流柱组Ⅰ(14)和副扰流柱组Ⅱ(17)各由十根扰流柱组成，并各排成一列，副扰流柱组Ⅰ(14)和副扰流柱组Ⅱ(17)的长L7均为750um，副扰流柱组Ⅰ(14)和副扰流柱组Ⅱ(17)间距h8为90um；主扰流柱Ⅰ(15)和主扰流柱Ⅱ(18)对称位于中线两侧，主扰流柱Ⅰ(15)和主扰流柱Ⅱ(18)间距L8为700um；主扰流柱Ⅰ(15)和主扰流柱Ⅱ(18)直径d10均为50um，主扰流柱Ⅰ(15)和主扰流柱Ⅱ(18)长L11均为800-850um；副扰流柱直径L6为25um；副扰流柱长L10为750um；底板(16)为长方形，底板长L9为1000um底板宽h7为300um；主扰流柱Ⅰ(15)和主扰流柱Ⅱ(18)与底板(16)的夹角β为39°；副扰流柱组Ⅰ(14)和副扰流柱组Ⅱ(17)与底板(16)的夹角α为50°。
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