CN101592630B - 一种分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声波分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法，装置包括两端分别安装有电路板的容器，其内开有容器内腔，容器内腔外部设有入、出口外腔，容器上开有入、出气口，分别与入、出口外腔相连通；两块电路板上分别安装有超声波换能器，其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线设有插设于容器内腔内的温度传感器；方法：用发射单元控制其中一个超声波换能器发射超声波，另一个接收，切换网络切换控制超声波换能器的发射与接收，同时用温度传感器测出氧气温度T，接收单元将信号送至微处理器，得到正、反向传导时间t_f、t_r；再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q。本发明具有对浓度变化响应速度快、结构紧凑等优点。

Description

一种分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法

技术领域

本发明涉及氧气分析技术，具体地说是一种利用超声波分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法。

背景技术

制氧机的主要用途是将空气中的氮气和二氧化碳分离出去，再根据需要输出不同浓度的氧气用于医疗、航天、焊接等领域；例如，分子筛制氧机可以输出浓度高达95.7％的氧气，但仍有4.3％的氩气不能过滤。因此，制氧机在实际应用中需要监测输出氧气的浓度和流速，特别对于医疗领域的应用，供给病人高浓度、流速恒定的氧气是至关重要的。目前，现有的监测输出氧气浓度和流速的装置，采用传感器的方式，该类传感器主要以氧化锆为主要原料，采用电化学方法监测氧气浓度，但却不能同时测量氧气的流速；这种方法存在的最大问题是随着使用时间的增加，化学物质的化学性能会发生变化，进而导致测量准确度的下降，就需要对用户的氧气传感器重新进行浓度标定或直接更换传感器，增加了机器的售后维护费用，而且影响用户的使用。

随着科技的发展，逐渐出现了利用超声波来监测氧气。超声波是指频率高于20KHz的机械波，它的好处是可以避免信号采集过程外周声音对信号的影响。为了以超声波作为检测手段，采用了超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。现有利用超声波监测氧气的装置，其腔体内设置的传感器之间距离太短，而声波传导时间又很快，所以容易产生较大的误差。同时，其腔体结构的目的是为了保持腔内气体恒定，是作为一个气道旁路来监测氧气浓度的，采样的气体量比较少，也会产生与实际相差较大的误差。再有，现有利用超声波也只能监测氧气的浓度，而不能同时测量氧气的流速。

发明内容

为了解决利用超声波不能同时监测氧气浓度和流速、监测误差大的问题，本发明的目的在于提供一种可连续分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明装置包括传感器单元及信号处理控制电路，所述传感器单元包括两端分别安装有电路板的容器，容器内开有容器内腔，在容器内、容器内腔外部分别设有入、出口外腔，两者通过容器内腔相连通，容器上分别开有入气口及出气口，分别与入、出口外腔相连通；两块电路板上分别安装有超声波换能器，两个超声波换能器对称设置在容器内腔的两端口；其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线设有温度传感器，温度传感器插设于容器内腔内；两个超声波换能器分别与信号处理控制电路电连接。

其中：所述容器内腔为圆柱形，其两端口的轴向截面为梯形，超声波换能器插设于其内，在超声波换能器与容器内腔的端口内壁之间留有供气体通过的缝隙；所述容器为圆柱形，入口外腔及出口外腔沿容器内腔外部的圆周方向分别设置，入、出口外腔的彼此相邻端均为封闭端，另一端通过容器内腔相连通；所述超声波换能器为圆柱形，固接于电路板的内表面；带有温度传感器的电路板设有四个引腿，另一个设有两个引腿；电路板上开有定位槽，容器端面上的凸块容置于其内；容器的长度为11厘米；容器两端的电路板与容器密封连接。

分析方法：用与信号处理控制电路相连接的发射单元控制其中一个超声波换能器发射超声波，另外一个超声波换能器接收，用信号处理控制电路上的切换网络切换控制超声波换能器的发射与接收，同时用温度传感器测量出该时刻氧气的温度T，接收单元将信号送至微处理器，得到超声波在被测氧气中相对于气体流向的正向传导时间t_f及反向传导时间t_r；再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q；

其中：所述被测氧气浓度的计算式为： $P=C1\left(\frac{1}{T}\right){\left(\frac{1}{t_f+t_r}\right)}^2+C2T+C3,$ 其中：C1、C2、C 3为传感器单元的常数，T为被测氧气的温度；所述被测氧气流速的计算式为：Q＝ABS(C4(t_f-t_r))+C5，其中：C4、C5为传感器单元的常数。

其中：所述信号处理控制电路上的微控制器每隔一秒通过发射单元经切换网络给其中一个超声波换能器一个100us窄脉冲激励，同时启动微控制器以12MHz频率的时钟源做计数单元的时钟源，启动计数功能；

所述分析控制程序流程为：

首先由微处理器控制发射单元给激励信号，同时启动计时器，切换网络将激励信号送给第一超声波换能器、发出超声波，第二超声波换能器接收到信号后由切换网络送到接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前累计记数，即为正向传导时间t_f；然后微处理器再控制发射单元，切换网络将激励信号送给第二超声波换能器、发出超声波，第一超声波换能器接收到信号后由切换网络送到接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前累计记数，即为反向传导时间t_r；同时，温度传感器将测量出的气体温度送到微处理器；微处理器将获得数据计算出被测氧气的浓度和流速。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的分析装置结构紧凑，无需例行维护更换元件，而且标定简单。

2.装置安装方便，电路板与容器定位准确；对浓度变化响应速度快，节省能源。

3.本发明流入容器内的气体，经过入口外腔的缓冲作用，消除了被测氧气的层流，气体介质流入稳定。

4.由于本发明采用了声波在不同的密度气体中传播速度是与气体的分子量、温度有关原理，避免了采用化学方法监测氧浓度中化学物质化学性能发生变化而导致测量准确度的下降；在控制中采用了正、反向传导测试，避免了由于气体的流速所产生的多普勒效应；同时也由于利用了多普勒效应提出了一种测试气体流速的方法，通过气体的正、反传导时间差推出了气体流速与时间的关系，采用正、反向传导也有缩短装置的好处。

附图说明

图1为本发明传感器单元整体结构示意图；

图2为图1中带有温度传感器的超声波换器电路板的结构示意图；

图3为本发明待测气体流向示意图；

图4为本发明传感器单元装配图；

图5为本发明电路框图；

图6为本发明的程序流程图；

其中，1为传感器单元，2为容器，3为出口外腔，4为第一电路板，5为第二电路板，6为第一超声波换能器，7为第二超声波换能器，8为温度传感器，9为入气口，10为出气口，11为入口外腔，12为容器内腔，13为长管腿引线，14为定位槽，15为引腿，16为凸块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图3及图4所示，本发明分析氧气浓度和流速的装置包括传感器单元1及信号处理控制电路。传感器单元1包括容器2及安装在容器2两端的第一、二电路板4、5，本实施例的容器2为圆柱形，长11厘米；容器2内开有圆柱形的容器内腔12，其两端口的轴向截面为梯形；在容器2内、分别设有入、出口外腔11、3，两者沿容器内腔12外部的圆周方向分别设置，入、出口外腔11、3的彼此相邻端均为封闭端，另一端通过容器内腔12相连通；容器2上分别开有入气口9及出气口10，分别与入、出口外腔11、3相连通。如图2所示，第一、二电路板4、5上分别安装有第一、二超声波换能器6、7，超声波换能器为圆柱形，固接于电路板的内表面；其中第一超声波换能器上通过长管腿引线13设有温度传感器8；第一、二超声波换能器6、7对称设置在容器内腔12的两端口，在超声波换能器与容器内腔12的端口内壁之间留有供气体通过的缝隙；温度传感器8由容器内腔12的一端伸入其内部。第一电路板4上对应长管腿引线13设有四个引腿，第二电路板5上设有两个引腿；第一、二电路板4、5上均开有定位槽14，当第一、二电路板4、5向容器2端面安装时，容器2端面上的凸块16可先容置于定位槽14内定位，再通过紧固螺钉把紧。第一、二电路板4、5与容器2密封连接，以避免被测气体泄漏，影响分析结果。，第一、二超声波换能器6、7的接线端子分别与信号处理控制电路的传感器信号输入端相连。所述信号处理控制电路包括微处理器、切换网络、接收单元及发射单元，具体连接：在信号处理控制电路中第一、二超声波换能器的信号输入端都与切换网络相连，切换网络由微处理器发出的控制信号所控制，控制其通道切换；切换网络连接着接收单元和发射单元，通过接收单元把处理好信号送给微处理器，而微处理器控制发射单元产生100us窄脉冲激励；微处理器还连接有温度传感器。

本发明的分析方法：

用与信号处理控制电路相连接的发射单元控制其中一个超声波换能器发射超声波，另外一个超声波换能器接收，用信号处理控制电路上的切换网络切换控制超声波换能器的发射与接收，同时用温度传感器测量出该时刻氧气的温度T，接收单元将信号送至微处理器，得到超声波在被测氧气中相对于气体流向的正向传导时间t_f及反向传导时间t_r；再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q；

其中：被测氧气浓度的计算式为： $P=C1\left(\frac{1}{T}\right){\left(\frac{1}{t_f+t_r}\right)}^2+C2T+C3$ 其中：C1、C2、C3为传感器单元的常数，T为被测氧气的温度；被测氧气流速的计算式为：Q＝ABS(C4(t_f-t_r))+C5，其中：C4、C5为传感器单元的常数。

信号处理控制电路上的微控制器每隔一秒通过发射单元经切换网络给其中一个超声波换能器一个100us窄脉冲激励，同时启动微控制器以12MHz频率的时钟源做计数单元的时钟源，启动计数功能。

本发明的工作原理为：

如图3所示，被测氧气流向以图中箭头所示，被测氧气由入气口9流入传感器单元1内，由于容器内腔12端口内壁轴向截面为梯形的设计，气体沿倾斜的端口内壁平衡进入容器内腔；经过入口外腔11的缓冲作用，消除了待测氧气的层流，稳定的气体介质流入容器内腔12，再经出口外腔3由出气口3流出，从机械构造上保证了稳定的气源。

信号处理控制电路上的微处理器16在以每秒一次频率控制发射单元经切换网络给第一超声波换能器6一个100us窄脉冲激励，超声波换能器的频率选在40kHz，同时启动微控制器以12MHz频率的时钟源做计数单元的时钟源，启动计数功能；当第二超声波换能器7接收到信号后，将信号经切换网络给接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前的累计记数，即为正向传导时间t_f；同时，信号处理控制电路的微处理器控制发射单元经切换网络启动第二超声波换能器7一个100us窄脉冲激励，这时切换网络已把第一超声波传感器6改为接收状态，第二超声波传感器7改为发射状态，当第一超声波传感器6接收到信号，信号经切换网络给接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前的累计记数，即为反向传导时间t_r。同时微控制器通过温度传感器8测量出该时刻气体的温度T。本实施例的C1为-6.01、C2为-0.273、C3为824.4，这时如果t_f为0.002622秒，t_r为0.0026372秒，常温下25℃，可经公式 $P=C1\left(\frac{1}{T}\right){\left(\frac{1}{t_f+t_r}\right)}^2+C2T+C3$ 计算出被测氧气浓度为94.5％；采用C4为107568，C5为0.23，由公式Q＝ABS(C4(t_f-t_r))+C5，可得出被测氧气流速为1.865L/min。

本发明通过微控制器切换控制第一、二超声波换能器6、7，以获得超声波在待测氧气中相对于气体流向的正向传导时间及反向传导时间，通过温度传感器8获得气体温度信息，正反方向传导时间之和在温度不变的情况下与气体浓度成一定函数关系(参见浓度计算式)，同时通过温度补偿，可以获得不同温度下气体传导时间之和与浓度的关系。而正反方向传导时间的差是与气体的流速成线性关系(参加流速计算式)，这样通过函数关系可以同时计算出被测氧气的浓度和流速。本发明可用于医疗、环境检测等领域，例如用于监测病人吸氧的氧气浓度和流速；本发明还可用于分析其他气体的浓度和流速。

Claims (10)

1.一种分析氧气浓度和流速的装置，包括传感器单元及信号处理控制电路，其特征在于：所述传感器单元(1)包括两端分别安装有电路板的容器(2)，容器(2)内开设有圆柱形的容器内腔(12)，其两端口的轴向截面为梯形，在容器(2)内沿容器内腔(12)外部的圆周方向分别设置有入口外腔(11)及出口外腔(3)，入口外腔(11)及出口外腔(3)的彼此相邻端为封闭端，另一端通过容器内腔(12)相连通；容器(2)上分别开有入气口(9)及出气口(10)，分别与入口外腔(11)及出口外腔(3)相连通；两块电路板上分别安装有超声波换能器，两个超声波换能器对称设置在容器内腔(12)的两端口；其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线(13)设有温度传感器(8)，温度传感器(8)插设于容器内腔(12)内；两个超声波换能器分别与信号处理控制电路电连接。

2.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述超声波换能器插设于容器内腔(12)内，在超声波换能器与容器内腔(12)的端口内壁之间留有供气体通过的缝隙。

3.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述容器(2)为圆柱形。

4.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述超声波换能器为圆柱形，固接于电路板的内表面；带有温度传感器(8)的电路板设有四个引腿，另一个设有两个引腿。

5.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述电路板上开有定位槽(14)，容器(2)端面上的凸块(16)容置于其内。

6.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述容器(2)的长度为11厘米。

7.按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在于：所述容器(2)两端的电路板与容器(2)密封连接。

8.一种按权利要求1所述分析氧气浓度和流速装置的分析方法，其特征在于：用与信号处理控制电路相连接的发射单元控制其中一个超声波换能器发射超声波，另外一个超声波换能器接收，用信号处理控制电路上的切换网络切换控制超声波换能器的发射与接收，同时用温度传感器测量出该时刻氧气的温度T，接收单元将信号送至微处理器，得到超声波在被测氧气中相对于气体流向的正向传导时间t_f及反向传导时间t_r；再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q；

其中：所述被测氧气浓度的计算式为：

其中：C1、C2、C 3为传感器单元的常数，T为被测氧气的温度；所述被测氧气流速的计算式为：Q＝ABS(C4(t_f-t_r))+C5，其中：C4、C5为传感器单元的常数。

9.按权利要求8所述的分析方法，其特征在于：所述信号处理控制电路上的微控制器每隔一秒通过发射单元经切换网络给其中一个超声波换能器一个100us窄脉冲激励，同时启动微控制器以12MHz频率的时钟源做计数单元的时钟源，启动计数功能。

10.按权利要求8所述的分析方法，其特征在于：分析控制程序流程为：

首先由微处理器控制发射单元给激励信号，同时启动计时器，切换网络将激励信号送给第一超声波换能器、发出超声波，第二超声波换能器接收到信号后由切换网络送到接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前累计记数，即为正向传导时间t_f；然后微处理器再控制发射单元，切换网络将激励信号送给第二超声波换能器、发出超声波，第一超声波换能器接收到信号后由切换网络送到接收单元进行放大、滤波后送到微处理器，记下当前累计记数，即为反向传导时间t_r；同时，温度传感器将测量出的气体温度送到微处理器；微处理器将获得数据计算出被测氧气的浓度和流速。

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