[发明专利]一种气体浓度场梯度矢量的多点可变距立体差分采样探针

说明书

本发明涉及一种气体浓度场梯度矢量的多点可变距立体差分采样探针，其特征在于：包括N个采样点，N≥4，其中一个采集点S₀为固定设置在第一高度，其余N‑1个采集点都位于第二高度，第二高度的N‑1个采集点能够同步靠近或远离第一高度的采集点S₀，使得第二高度的N‑1个采集点形成的多边形各个内角度数保持不变，但多边形的面积会成倍增加或减少，以适应不同浓度梯度范围的应用场景。本发明通过固定一个采样点，通过步进电机与联接骨架结构，同步操控其它三个或多个采样点的位置变化，实现采样探针结构形式与布局保持不变，仅改变采样点的间距，以此适应不同浓度梯度范围的应用场景。

技术领域

本发明涉及一种气体浓度探测装置，尤其是涉及一种应用于测量气体浓度场梯度矢量的多点采样探针，采用同时对浓度场中空间四点位置采样后差分分析浓度梯度矢量，四点之间的距离等距，为保证不同浓度梯度检测精度可自适应调整四点间距。

背景技术

对于气体浓度场梯度的分布，需要利用空间四点不同位置实施气体采样，在分析不同位置中各组分浓度后，以其中一点为基准，依据差分原理分析三个方向的浓度梯度差，再将不同方向各组分浓度差除以采样点的距离，得到相应方向的浓度梯度矢量，最后对三个方向的梯度矢量求和，即可获得基准点的浓度梯度矢量，其中包含方向的信息。为了有效检测分析三维空间中特定位置的浓度梯度矢量，则至少需要四点采样，且四点的位置不能在同一平面，最佳四点分布为两点彼此距离相等，可确保三维空间采样过程的可靠性，这样四点采样位置即为正四面体虚拟空间，同样也方便计算空间的浓度梯度。

然而，由于三维空间中气体浓度的分布不均匀，既存在梯度较大的位置，也存在较小的位置。如图1所示具有点状散发源的浓度场，根据气体扩散的菲克定律与质量守恒定律可知，在距离散发源较近位置，其浓度梯度较大；相反，远离散发源的位置其浓度梯度较小。若四点立体气体采样探针的间距固定值Ds，则对于梯度较小的位置，两点之浓度差非常小，检测精度难以保证，如图1所示；而对于浓度极大的位置，如散发源附近，则间距过大同样导致对其位置判断产生极大的偏差。

为此需要一种可适应浓度梯度矢量宽范围分布的四点立体气体采样探针，其目的在于不论距离散发源位置远近，通过自适应调整采样探针任意两点的距离，如图1中在浓度梯度较低处，将采样间距由Ds扩大值Dl，以此保证浓度梯度矢量宽范围有效检测精度。

现有的气体采样探针及其组合虽然形式种类多样，但是其功能并未聚焦于检测分析气体浓度场的梯度矢量，检测对象都为特定采样位置的不同气体组分浓度。其主要技术缺陷为：

1、单点气体采样探针原理上根本无法实现对浓度场梯度的分布。

根据气体扩散、传输的物理规律，只有利用空间两点的浓度差方可计算分析该两点方向的浓度差，除以它们之间距离即为该方向的浓度梯度。因此，若利用单点采样探针，根本无法从机理上实现对气体浓度梯度矢量的检测分析。

2、多点气体采样探针间距固定，工作机理无法适应宽范围浓度梯度变化。

对于现实未知的浓度场，往往浓度分布存在较大的差异，同样其梯度场也存在宽范围的变化。然而，由于气体采样探针用于快速分析梯度矢量，梯度计算原理不仅取决于采样点之间浓度差，还取决于采样点之间的距离，这样浓度场梯度的检测分析精度也依赖于采样点的间距。若采用固定间距的多点气体采样探针，在浓度梯度较低的空间，两采样点之间浓度差甚至低于气体分析设备的精度，此时求解的浓度梯度没有任何意义，为此需要加大采样点间距保证检测精度，如图1所示。

总之，目前尚无适用于宽范围浓度场梯度向量的四点立体气体采样探针，更无可自适应变距的多点采样探针。

发明内容

本发明设计了一种气体浓度场梯度矢量的多点可变距立体差分采样探针，其解决的技术问题是现有技术中尚无适用于宽范围浓度场梯度向量的四点立体气体采样探针，更无可自适应变距的多点采样探针。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：