CN103969327A - 一种超声波油烟浓度传感器 - Google Patents

Abstract

一种超声波油烟浓度传感器，主要包括：超声波发射端、超声波接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆；超声波发射端和接收端，主要包括：金属保护外壳、屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层、疏水疏油保护玻璃和保护网。超声波在油烟中的传播速度反映了油烟浓度的大小，经压力和温度校正、CPU数据处理，即可获得准确的油烟浓度。本发明由于超声波发射端和接收端均采用多片并联压电晶片，使信号成倍放大；消音材料和超声匹配层的结构组合使余振大大减小，疏水疏油玻璃保证了传感器具有抗油烟粘附污染的能力，因此本发明能实现油烟浓度的在线监测，具有灵敏度高、性能可靠、抗污染能力强、维护方便的优势。

Description

一种超声波油烟浓度传感器

技术领域

本发明涉及一种油烟浓度传感器，特别涉及一种超声波油烟浓度传感器。

背景技术

近年来，随着我国国民经济水平的不断发展和提高，饮食行业油烟污染已经成为城市环境污染的一大问题，统计数据表明：2004年我国食用油消费量1560万吨，2010年食用油消费量达到2000万吨，这些油在烹饪过程中产生大量的油烟是造成城市空气污染的主要来源。其排放的大气污染物主要为气、液和固三相组成的气溶胶，其中含有食用油及食品在高温下的挥发物，食用油及食品的氧化、裂解、水解而形成的醛类、酮类、链烷类和链烯类、多环芳烃等产物，成分极为复杂。油烟液固相颗粒物的粒径一般小于l0μm，粘着性强，大部分不溶于水，极性小。随着各研究机构对厨房油烟研究的深入，厨房油烟对人体的危害越来越引起人们的广泛关注。

伴随着餐饮行业的快速发展，随之而来的餐饮业油烟排放对环境造成的污染，油烟扰民遭到的投诉也引起越来越多的关注，成为了环境监管的新问题，因此加强对餐饮业油烟排放的监管已非常迫切。国家环境保护总局颁布的GB18483-2001《饮食业油烟排放标准(试行)》附录A中规定的油烟采样及分析方法为现场不锈钢金属滤筒采样，实验室红外分光光度法分析(简称国标法)。国标法样品需带回实验室分析，监测周期长、费用高、步骤繁琐、现场测试条件要求高，常常是执法人员来到现场，“案发地”已经改颜换貌难以取证了，难以满足餐饮业油烟监督检查和现场执法监测的需要。另外，由于城市餐饮店数量多、覆盖面广、污染源分散，难以有足够的人力和物力实行监管。因此亟需实时、准确获取油烟浓度且适用于烟道恶劣环境的新型油烟监测装置，可方便地将数据接入环保监管网络，真正实现对油烟污染快速反应、有的放矢地进行高效率的监管，实现从人防到技防的转变，可大大提高环保监管的反应速度和效率。另外，现有基于烟尘监测的各种技术和手段因无法适应粘附性高的油烟污染，而无法适用于油烟监测，无法解决油烟粘附造成的测量误差和仪器寿命短的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效解决上述问题，能准确在线获取油烟浓度、抗污染、寿命长、性能可靠、适用于烟道恶劣环境的油烟浓度传感器。

本发明的技术方案如下：

一种超声波油烟浓度传感器，主要包括：超声波发射端、超声波接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆；

其进一步的方案为：所述的超声波发射端，主要包括：金属保护外壳、屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层、疏水疏油保护玻璃，保护网；

其进一步的方案为：所述的超声波接收端，主要包括：金属保护外壳、屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层、疏水疏油保护玻璃，保护网；

其进一步的方案为：所述的连接杆将超声波发射端和超声波接收端连为一体，超声波发射端和超声波接收端之间为开放型油烟检测通道；

其进一步的方案为：所述的保护网优选为十字交叉型；

其进一步的方案为：所述的屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层和疏水疏油保护玻璃由粘结剂连在一起；

其进一步的方案为：所述的超声波发射端的并联多片压电晶体片，包括3～5片并联压电晶体片；

其进一步的方案为：所述的超声波接收端的并联多片压电晶体片，包括3～5片并联压电晶体片；

其进一步的方案为：所述的疏水疏油保护玻璃的制备工艺为：正硅酸乙酯:二甲基二乙氧基硅烷体积比为2:1的混合溶液3mL，加入到60mL无水乙醇中，搅拌均匀；然后，按二甲基二乙氧基硅烷：含氟硅烷摩尔比为17:3加入含氟硅烷，搅拌均匀，得混合硅烷溶液；然后将浓氨水（25wt%）1.0～1.5mL滴加到上述混合硅烷溶液中，室温搅拌1～2h，放置老化48h；使用前，按1:1体积比用无水乙醇稀释，搅拌均匀，得含氟杂化SiO₂纳米涂层液；将干净的玻璃以50mm/min的速度浸入含氟杂化SiO₂纳米涂层液中，停留15min，然后以200mm/min的速度匀速提拉镀膜，将制备的膜片在50℃的干燥箱中干燥1h后，在110℃下热处理1～2h，得所述的疏水疏油保护玻璃；所述的含氟硅烷优选为：1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷(CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂Si(OCH₃)₃)或1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷(CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂Si(OCH₂CH₃)₃)。该制备工艺我们另行申请专利。

本发明的油烟浓度检测原理为：超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由压电晶片在电压的激励下发生振动产生的，具有频率高、波长短、绕射现象小，方向性好、能够定向传播等特点。超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声波传感器的两个重要性能指标为灵敏度和余振。灵敏度是传感器在稳态工作情况下输出信号的变化量与输入变化量的比值，提高灵敏度可增大测量的精确度。余振是指传感器在接到一个脉冲信号后从开始起振到停止振动的时间，余振消失前，不能启动接收端接收信号，因此，余振决定近距离测量的效果。超声波在不同的介质里的传播速度不同，若超声波发射端到超声波接收端的距离为L,即油烟测量通道的长度为L，超声波发射端发射的超声波到达超声波接收端的时间为t，超声波在油烟中的传播速度为V，

则根据声速的计算公式：

其中，g为油烟气体的绝热指数；R为气体摩尔常数；T为油烟气体的开氏温度，为油烟气体平均分子量。

又：超声波的传播速度：

可得：

而平均分子量取决于油烟的浓度，经由国标法的校准，可得油烟平均分子量与油烟浓度的函数关系，故超声波传感器可实时监测油烟的浓度。

本发明的有益效果为：本发明的超声波油烟浓度传感器，由于采用了并联多片压电晶体片，大大提高了监测信号的灵敏度；加之消音材料和超声匹配层结构，能很好地降低余振，大大缩短了所需油烟测量通路的长度，保证了测量的精确度，发射端和接收端一体化，安装方便，保护网可有效保护超声探头，避免损坏；疏水疏油保护玻璃能有效避免油烟的粘附，保证测量结果的可靠性和仪器性能的稳定性；可以在线监测，能方便地将数据传给上位机，接入环保监管网络，实现对油烟污染快速反应、有的放矢地进行高效率的监管，实现从人防到技防的转变，可大大提高环保监管的反应速度和效率。

附图说明

图1 为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器立体外观图（水平放置，正视）。

图2 为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器立体外观图（垂直放置，正视）。

图3为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器结构示意图。

图4为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器发射端立体外观图。

图5为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器接收端立体外观图。

图6为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器发射端立体剖视图。

图7为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器接收端立体剖视图。

图8为本发明实施例1的超声波油烟浓度传感器测量电路示意图。

图9 为本发明实施例2超声波油烟浓度传感器的油烟测量结果图。

图10为本发明实施例2超声波油烟浓度传感器的连续使用1个月后的油烟测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例1

本实施例为发明一种超声波油烟浓度传感器的结构。如图1、图2和图3所示一种超声波油烟浓度传感器，主要包括：超声波发射端1a、超声波接收端1b、压力传感器11、温度传感器12和连接杆9；所述超声波发射端1a，如图4和图6所示，主要包括：金属保护外壳5、屏蔽层6、消音材料7、并联多片压电晶体片8、匹配层4、疏水疏油保护玻璃3，保护网2；所述超声波接收端1b，如图5和图7所示，主要包括：金属保护外壳5、屏蔽层6、消音材料7、并联多片压电晶体片8、匹配层4、疏水疏油保护玻璃3，保护网2；所述连接杆9将超声波发射端1a和超声波接收端1b连为一体，超声波发射端1a和超声波接收端1b之间为开放型油烟检测通道10；所述保护网2优选为十字交叉型；所述的屏蔽层6、消音材料7、并联多片压电晶体片8、匹配层4和疏水疏油保护玻璃3由粘结剂连在一起；所述的并联多片压电晶体片8，包括3～5片并联压电晶体片；如图8所示，所述超声波发射端1a发射超声波信号，声波穿过开放型油烟检测通道10，被超声波接收端1b接收，超声波的传播速度反映了油烟浓度的大小，配合压力传感器11、温度传感器12的检测数据，通过CPU进行数据处理，即可获得油烟的浓度，CPU控制发送、接收电路的工作及数据处理，可方便地将油烟浓度数据传输给上位机，实现油烟浓度的在线监测。由于超声波发射端和接收端均采用并联多片压电晶体片，使得信号成倍放大，消音材料和超声匹配层的结构组合使得余振大大减小，疏水疏油玻璃能保证传感器具有抗油烟粘附污染的能力，故本发明的超声波油烟浓度传感器灵敏度高、性能可靠、抗污染能力强、维护方便。

实施例2

本实施例为本发明超声波油烟浓度传感器的油烟浓度测量。其中超声波油烟浓度传感器的结构如实施例1所述，进一步地，其中超声波发射端为5片并联压电晶体片，超声波接收端为3片并联压电晶体片；更进一步地，超声波发射端和超声波接收端的消音材料为玻璃纤维棉，用标准油烟发生器产生各种标准浓度的油烟，所用油为金龙鱼大豆色拉油，该超声波油烟浓度传感器对该油烟的测量结果见图9，每天监测3小时，连续使用一个月后的测量结果见图10。由图9和图10的结果可知，该超声波油烟浓度传感器测量结果可靠、性能稳定、抗污染能力强。

本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声波油烟浓度传感器，主要包括：超声波发射端、超声波接收端、压力传感器、温度传感器和连接杆。

2.根据权利要求1所述的一种超声波油烟浓度传感器，其特征在于：所述的超声波发射端，主要包括：金属保护外壳、屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层、疏水疏油保护玻璃和保护网。

3.根据权利要求1所述的一种超声波油烟浓度传感器，其特征在于：所述的超声波接收端，主要包括：金属保护外壳、屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层、疏水疏油保护玻璃和保护网。

4.根据权利要求1所述的一种超声波油烟浓度传感器，其特征在于：所述的连接杆将超声波发射端和超声波接收端连为一体，超声波发射端和超声波接收端之间为开放型油烟检测通道。

5.根据权利要求2所述的保护网，其特征在于：所述的保护网优选为十字交叉型。

6.根据权利要求3所述的保护网，其特征在于：所述的保护网优选为十字交叉型。

7.根据权利要求2所述的屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层和疏水疏油保护玻璃由粘结剂连在一起。

8.根据权利要求3所述的屏蔽层、消音材料、并联多片压电晶体片、匹配层和疏水疏油保护玻璃由粘结剂连在一起。

9.根据权利要求2所述的并联多片压电晶体片，包括3～5片并联压电晶体片。

10.根据权利要求3所述的并联多片压电晶体片，包括3～5片并联压电晶体片。