CN113227780A - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是气体浓度的高精度测定。气体传感器(10)设置有：传感器壳体(14)；设置在传感器壳体(14)一端的超声波换能器(30)；设置在传感器壳体(14)另一端且与传感器壳体(14)的轴向相交的超声波反射面(44)；以及设置于传感器壳体(14)的侧壁上的多个通气孔(16)。多个通气孔(16)设置于使得从传感器壳体(14)的侧面观视时无法从其一侧看到另一侧的位置处，每个通气孔(16)具有沿传感器壳体(14)的轴向延伸的形状。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及采用超声波换能器的气体传感器，尤其涉及一种供含有作为浓度测定对象或浓度检测对象的气体的空气等混合气体流入的空间的结构。
背景技术
对于依靠燃料电池所供电力行驶的燃料电池车辆，目前正在进行着广泛的研究和开发。燃料电池通过氢气和氧气的化学反应产生电力。通常，氢气作为燃料供应给燃料电池，而氧气从周围空气中摄入燃料电池。燃料电池车辆中装有氢气罐，并由氢气罐向燃料电池供应氢气。当氢气罐内的氢气量变少时，由设置于服务站内的供氢装置向燃料电池车辆的氢气罐供应氢气。
由于氢气为可燃性气体，因此需对燃料电池车辆及供氢装置的氢气泄露进行监测。因此，与燃料电池车辆及供氢装置一道，氢气传感器也得到广泛使用。氢气传感器具有测定空气中所含氢气的浓度以及在检测到氢气浓度超出预定值时发出警报等功能。
此外，对于汽车的散热器、真空设备等流体循环设备，目前，通过使氦气在其内流通的同时，对氦气的泄露状况进行检测，以检查是否发生异常。在此类检查中，将基于各种技术的氦气传感器用作所谓的氦气检测器。与氢气传感器一样，氦气传感器也具有测定空气中所含氦气的浓度以及检测超出预定值的氦气浓度。
以下专利文献1～4描述了用于测定特定气体浓度的装置。这些专利文献中描述的装置根据超声波在作为测定对象的空气等混合气体中的传播速度等超声波传播特性，测定特定气体的浓度，可以用于氢气、氦气等的浓度测定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：公开号为2002-214203的日本专利申请
专利文献2：公开号为1991-223669的日本专利申请
专利文献3：公开号为2002-31621的日本专利申请
专利文献4：公开号为2002-257801的日本专利申请
发明内容
本发明待解决的问题
根据超声波的传播速度测定特定气体浓度的装置中，通常设有用于测定气体浓度的空间。该浓度测定空间中设有用于收发超声波的超声波换能器。根据从用于发射的超声波换能器的超声波发射时间至超声波在传播通过浓度测定空间后被用于接收的超声波换能器接收到的接收时间之间的传播时间以及预先求得的传播距离，可以求出超声波的传播速度。
作为测定对象的空气等混合气体需要从外部流入浓度测定空间中。然而，当作为测定对象的空气急速流入时，将使得超声波的传播速度或传播方向大幅变动，从而使得气体浓度测定值产生误差。
本发明的目的在于气体浓度的高精度测定。
解决问题的技术手段
本发明的特征在于，包括：筒体；设于所述筒体一端的超声波换能器；设于所述筒体另一端且与该筒体的轴向相交的超声波反射面；以及设于所述筒体侧壁上的多个通气孔，其中，所述多个通气孔设置于在从所述筒体的侧面观视时无法从该筒体的一侧看穿过另一侧的位置，各所述通气孔具有沿所述筒体轴向延伸的形状。
此外，本发明的特征在于，包括：筒体；设于所述筒体一端的超声波换能器；设于所述筒体另一端且与该筒体的轴向相交的超声波反射面；以及设于所述筒体侧壁上的多个通气孔，其中，沿自各所述通气孔垂直于所述筒体轴向剖面的方向延伸的贯穿线相对于所述多个通气孔通过不同的位置，各所述通气孔具有沿所述筒体轴向延伸的形状。
此外，本发明的特征在于，包括：筒体；设于所述筒体一端的超声波换能器；设于所述筒体另一端且与该筒体的轴向相交的超声波反射面；设于所述筒体侧壁上的多个通气孔；以及设于所述筒体侧壁上且突出于该筒体外侧的突肋结构，其中，所述通气孔的开口位于所述突肋结构所含的多个线状突起之间的区域内，所述多个通气孔设置于在从所述筒体的侧面观视时无法从该筒体的一侧看穿过另一侧的位置。
此外，本发明的特征在于，包括：筒体；设于所述筒体一端的超声波换能器；设于所述筒体另一端且与该筒体的轴向相交的超声波反射面；设于所述筒体侧壁上的多个通气孔；以及设于所述筒体侧壁上且突出于该筒体外侧的突肋结构，其中，所述通气孔的开口位于所述突肋结构所含的多个线状突起之间的区域内，沿自各所述通气孔垂直于所述筒体轴向剖面的方向延伸的贯穿线相对于所述多个通气孔通过不同的位置。
优选地，各所述通气孔具有沿所述筒体轴向延伸的形状，所述突肋结构具有分别周向环绕于所述筒体周围的多个环绕突起，所述通气孔的开口位于相邻环绕突起之间的区域内。
优选地，所述突肋结构以栅格形状形成于所述筒体的侧面上。
发明效果
根据本发明，可以实现气体浓度的高精度测定。
附图说明
图1所示为气体浓度测定装置。
图2为气体传感器立体图。
图3A为气体传感器前视图。
图3B为气体传感器与轴向垂直的剖面图。
图4为气体传感器的后视图。
图5为气体传感器在前壳取下状态下的正视图。
图6为气体传感器立体图。
图7A为气体传感器前视图。
图7B为气体传感器与轴向垂直的剖面图。
附图标记
1：气体浓度测定装置；10，50：气体传感器；14，52：传感器壳体；16：通气孔；18，60：前壳；20，62：后壳；22：贯穿线；30：超声波换能器；40：顶板；42：筒体；44：超声波反射面；54：突肋结构；56：环绕突起；58：纵向突起。
具体实施方式
以下，参考附图，描述本发明的各种实施方式。为了便于描述，示于多幅不同附图中的相同构成要素以相同符号标注。此外，下文中表示圆柱、圆筒等几何学形状的词语除了几何学上的原本形状之外，还表示为了使部件发挥其功能或实现美观而在原本形状的基础上变形后的形状。
图1所示为本发明第一实施方式的气体浓度测定装置1。气体浓度测定装置1包括气体传感器10以及装置主体12。气体传感器10的传感器壳体14内部设有超声波换能器。传感器壳体14具有中空的圆柱形状，具体为顶端封闭的圆筒形状。传感器壳体14的侧壁上设有供空气等混合气体流入传感器壳体14内的通气孔16。通过控制装置主体12，可令超声波换能器向传感器壳体14的内部发射超声波，并可令超声波换能器接收传感器壳体14内部反射的超声波。装置主体12根据超声波换能器的超声波发射时间以及超声波换能器的超声波接收时间求取超声波在传感器壳体14内的往复传播时间，并根据该传播时间求取测定对象气体的浓度。
图2为气体传感器10的立体图。传感器壳体14包括前壳18和后壳20。前壳18为将传感器壳体14前侧顶部四分之三左右切下后的获得的拱形结构。前壳18的后侧与后壳20的前侧彼此嵌合，从而形成传感器壳体14。前壳18和后壳20上设有将传感器壳体14内部与外部连通的多个通气孔16。各个通气孔16沿构成传感器壳体14的圆柱形状的轴向延伸。也就是说，各通气孔16在上下垂直方向上的长度大于其在左右水平方向上的长度(宽度)。
图3A为气体传感器10的前视图。图3B为沿图3A中AA一线的剖面(与轴向垂直的剖面)图。如图3A所示，气体传感器10的前侧面上形成排成三排的七个通气孔16。顶部一排沿水平方向并排设置两个通气孔16。中间一排沿水平方向并排设置三个通气孔16。底部一排沿水平方向并排设置两个通气孔16。顶部一排的左侧通气孔16设于中间一排的左侧通气孔16与中间一排的中央通气孔16之间区域的上方，顶部一排的右侧通气孔16设于中间一排的右侧通气孔16与中间一排的中央通气孔16之间区域的上方。底部一排的左侧通气孔16设于中间一排的左侧通气孔16与中间一排的中央通气孔16之间区域的下方，底部一排的右侧通气孔16设于中间一排的右侧通气孔16与中间一排的中央通气孔16之间区域的下方。
图4为气体传感器10的后视图。气体传感器10的后侧面上形成排成三排的八个通气孔16。顶部一排沿水平方向并排设置三个通气孔16。中间一排沿水平方向并排设置两个通气孔16。底部一排沿水平方向并排设置三个通气孔16。中间一排的左侧通气孔16设于顶部一排的左侧通气孔16与顶部一排的中央通气孔16之间区域的下方，并同时处于底部一排的左侧通气孔16与底部一排中央通气孔16之间区域的上方。中间一排的右侧通气孔16设于顶部一排的右侧通气孔16与顶部一排的中央通气孔16之间区域的下方，并同时处于底部一排的右侧通气孔16与底部一排的中央通气孔16之间区域的上方。顶部一排的左侧通气孔、顶部一排的中央通气孔以及顶部一排的右侧通气孔16隔中间一排通气孔16的设置区域分别设于底部一排的左侧通气孔、底部一排的中央通气孔以及底部一排的右侧通气孔16的上方。
再次参考图3B，对前壳18上设置的通气孔16与后壳20上设置的通气孔16之间的位置关系进行说明。各通气孔16沿前后方向延伸，并贯穿传感器壳体14的侧壁。图3B中，双点划线表示通过各个通气孔16且与传感器壳体14的轴向剖面垂直的贯穿线22。其中，轴向剖面为与前侧面和后侧面平行的平面。贯穿线22为沿与通气孔16贯穿方向相同的方向延伸的直线。延伸通过多个通气孔16当中各个通气孔16的贯穿线22的贯穿位置不同。因此，前壳18上设置的通气孔16与后壳20上设置的通气孔16不处于同一贯穿线22上。
图5为气体传感器10在前壳18取下状态下的正视图。超声波换能器30设于后壳20上通气孔16设置区域的下方。后壳20顶端设有顶板40，该顶板40具有与传感器壳体14轴向垂直的表面。前壳18自后壳20的前侧与后壳20嵌合，从而形成传感器壳体14。
可以认为，前壳18与后壳20构成的传感器壳体14具有由作为筒状部件的筒体42及封堵筒体42顶端的顶板40组成的形状。超声波换能器30设于筒体42底侧，超声波换能器30与顶板40之间形成供超声波传播的超声波传播路径。此外，传感器壳体14还包括设于筒体42侧壁上的多个通气孔16。
相对于传感器壳体14的侧面面积，所有通气孔16的开口所占面积的比例可以为6％以上20％以下，优选8％以上15％以下。此外，传感器壳体14侧面圆周上设有通气孔16的环形通气区域可占传感器壳体14侧面面积的25％。通气区域中的通气孔16数目例如为每1cm2一个以上六个以下，优选每1cm2两个以上五个以下。
以下，以图5为气体传感器10的轴向剖面图，对气体传感器10的操作进行说明。作为浓度测定空间的传感器壳体14内部空间通过传感器壳体14上设置的通气孔16换气。也就是说，传感器壳体14的外部空气通过传感器壳体14上设置的通气孔16流入传感器壳体14内部。此外，传感器壳体14的内部空气通过传感器壳体14上设置的通气孔16流出至传感器壳体14外部。为了促进空气的换气，用户可使气体浓度测定装置1(图1)在空气中移动。
超声波换能器30通过图1装置主体12所含控制装置输出的发射信号发射超声波。超声波换能器30发出的超声波在传播通过筒体42形成的超声波传播路径后，在顶板40的底面(与筒体42轴向相交的超声波反射面44)上发生反射。超声波反射面44反射后的反射超声波沿超声波传播路径向超声波换能器30的方向传播，并被超声波换能器30接收。超声波换能器30将反射超声波转换为接收信号，并将其输出至控制装置。控制装置根据发射信号的输出时间以及超声波换能器30的接收信号输出时间，求取超声波在超声波换能器30与超声波反射面44之间往复传播所需的往复传播时间。此外，控制装置还根据超声波换能器30与超声波反射面44之间的距离以及所述往复传播时间，求取超声波在超声波传播路径中的传播速度，并根据该传播速度求取测定对象气体的浓度。
如图3B所示，在本实施方式气体传感器10中，各通气孔16沿前后方向贯穿传感器壳体14的侧壁。前壳18上设置的通气孔16与后壳20上设置的通气孔16不处于同一贯穿线22上。因此，经前壳18上设置的通气孔16流入的空气流在经后壳20上设置的通气孔16流出时，将会被后壳20上未设通气孔16的区域阻挡。同样地，经后壳20上设置的通气孔16流入的空气流在经前壳18上设置的通气孔16流出时，将会被前壳18上未设通气孔16的区域阻挡。如此，在保持对传感器壳体14内部进行换气这一功能的同时，可以防止作为测定对象的空气急速流入传感器壳体14内，从而抑制传感器壳体14内的超声波的传播速度或传播方向的波动。如此，将抑制超声波在浓度测定空间内往复传播的传播时间误差，从而抑制气体浓度测定值的误差。此外，由于各通气孔16沿构成传感器壳体14的圆柱形状的轴向延伸，因此可以促进轴向上长度较长的传感器壳体14内部的换气。
另外，多个通气孔16并不一定沿与轴向剖面垂直的方向延伸，以使得延伸通过各个通气孔16的贯穿线22可不沿同一方向延伸。也就是说，多个通气孔16各自的深度方向并不一定与轴向剖面垂直，以使得延伸通过各个通气孔16的贯穿线22可不沿同一方向延伸。例如，各通气孔16可沿与传感器壳体14侧面垂直的方向延伸。
后壳20上设置的通气孔16可设置于透过前壳18上设置的通气孔16向后侧观视时不处于视线之上的位置。同样地，前壳18上设置的通气孔16可设置于透过后壳20上设置的通气孔16向前侧观察时不处于视线之上的位置。也就是说，多个通气孔16可设置于在从传感器壳体14的侧面观视时无法从传感器壳体14一侧看穿过传感器壳体的另一侧的位置。
以下，对气体传感器10的实验结果进行描述。当通气孔16的形状与图2，图3A及图3B所示通气孔16的形状相同，单个通气孔16的开口所占比例处于0.68％～0.78％范围，所有通气孔16的开口所占比例为10.9％，每1cm2的通气孔16个数为1.3个时，检测时间为4.5秒，排气时间为19秒。此处，检测时间是指从将气体传感器10置于氦气含量为5％的空气中开始至浓度测定值达到收敛值的90％为止的时间。排气时间是指在将气体传感器10置于氦气含量为5％的空气中且浓度测定值达到收敛值后，将处于这一状态下的气体传感器10置于不含氦气的空气中开始至浓度测定值降至0为止的时间。另外，当单个通气孔16的开口所占比例处于0.55％～0.62％范围，所有通气孔16的开口所占比例为8.8％，每1cm2的通气孔16个数为1.3个时，检测时间为7秒，排气时间为27秒。
图6为本发明第二实施方式的气体传感器50立体图。图7A为气体传感器50的前视图。图7B为沿图7A中BB一线的剖面图。气体传感器50的传感器壳体52侧面上设有栅格状的突肋结构54。突肋结构54由周向环绕传感器壳体52的线状环绕突起56以及沿纵向延伸的线状纵向突起58构成的栅格状结构。多个环绕突起56以预定间隔形成于传感器壳体52的侧面上，多个纵向突起58以预定间隔沿周向排列，而且连结于相邻环绕突起56之间。此外，多个纵向突起58在周向上以预定间隔沿上下垂直方向直线排列。如图7B所示，纵向突起58自传感器壳体52侧面朝与各通气孔16贯穿方向相同的方向向外突出。通气孔16的开口位于相邻环绕突起56与相邻纵向突起58围成的区域内。环绕突起56和纵向突起58也可穿过通气孔16的开口。
通过在传感器壳体52侧面设置栅格状的突肋结构54，可以获得如下效果。具体而言，环绕突起56能够将欲自斜上方或斜下方流入传感器壳体52的空气方向调整至与传感器壳体52侧面垂直的方向。如此，可以抑制自前壳60上设置的通气孔16斜上方或斜下方流入且经后壳62上设置的下方或上方通气孔16流出的空气流。同样地，如此还能抑制自后壳62上设置的通气孔16斜上方或斜下方流入且经前壳60上设置的下方或上方通气孔16流出的空气流。因此，利用环绕突起56，可以抑制沿相对于传感器壳体52斜上斜下的方向通过的空气。
纵向突起58能够将欲自通气孔16右侧或左侧流入传感器壳体52的空气的方向调整为至与传感器壳体52侧面垂直的方向。如此，可以抑制自前壳60上设置的通气孔16右斜前方或左斜前方流入且经后壳62上设置的左侧或右侧通气孔16流出的空气流。同样地，如此还能抑制自后壳62上设置的通气孔16右斜后方或左斜后方流入且经前壳60上设置的左侧或右侧通气孔16流出的空气流。因此，利用纵向突起58，可以抑制沿相对于传感器壳体52前侧面或后侧面左斜或右斜方向通过的空气。
通过在传感器壳体52侧面设置突肋结构54，可以防止作为测定对象的空气等混合气体急速流入传感器壳体52内，从而抑制传感器壳体52内超声波传播速度的波动。也就是说，利用环绕突起56，即使在将通气孔16的轴向长度设置为大于通气孔16的水平方向宽度时，也可抑制斜上或斜下通过通气孔16的空气流。此外，利用纵向突起58，即使在将通气孔16的水平方向宽度设置为大于通气孔16的轴向长度时，也可抑制自前向后左斜或右斜或者自后向前左斜或右斜通过通气孔16的空气流。因此，可以抑制超声波在浓度测定空间内的传播时间误差，从而抑制气体浓度测定值误差。此外，通过在传感器壳体52侧面形成突肋结构54，还可提高传感器壳体52的机械强度。
此外，虽然以上描述了传感器壳体(14，52)为中空圆柱的实施方式，但是传感器壳体(14，52)也可以为中空多边形柱体、中空椭圆柱等。此外，虽然以上描述了通气孔16的形状为沿传感器壳体(14，52)轴向延伸的形状的实施方式，但是通气孔16的形状也可以为正圆、椭圆、矩形等。此外，可以在与筒体侧面对应的内周面上贴附由PTFE、PP、PE、硅酮树脂等的中空纤维膜构成的气液分离膜，以防止水滴或灰尘侵入筒体内的气体浓度测定空间。

Claims (6)

1.一种气体传感器，其特征在于，包括：
一筒体；
一超声波换能器，设置于所述筒体的一端；
一超声波反射面，设置于所述筒体的另一端且与所述筒体的轴向相交；以及
多个通气孔，设置于所述筒体的侧壁上，
其中，所述多个通气孔设置于使得从所述筒体的侧面观视时无法从所述筒体的一侧看穿另一侧的位置，
各所述通气孔具有沿所述筒体的轴向延伸的形状。
2.一种气体传感器，其特征在于，包括：
一筒体；
一超声波换能器，设置于所述筒体的一端；
一超声波反射面，设置于所述筒体的另一端且与所述筒体的轴向相交；以及
多个通气孔，设置于所述筒体的侧壁上，
其中，所述多个通气孔的贯穿线穿过不同的位置，其中，所述贯穿线是沿自各所述通气孔垂直于所述筒体的轴向剖面的方向延伸的，
各所述通气孔具有沿所述筒体的轴向延伸的形状。
3.一种气体传感器，其特征在于，包括：
一筒体；
一超声波换能器，设置于所述筒体的一端；
一超声波反射面，设置于所述筒体的另一端且与所述筒体的轴向相交；
多个通气孔，设置于所述筒体的侧壁上；以及
一突肋结构，设置于所述筒体的侧面上且突出于所述筒体的外侧，
其中，所述通气孔的开口位于所述突肋结构所含的多个线状突起之间的区域内，
所述多个通气孔设置于在从所述筒体的侧面观视时无法从所述筒体的一侧看穿另一侧的位置。
4.一种气体传感器，其特征在于，包括：
一筒体；
一超声波换能器，设置于所述筒体的一端；
一超声波反射面，设置于所述筒体的另一端且与所述筒体的轴向相交；
多个通气孔，设置于所述筒体的侧壁上；以及
一突肋结构，设置于所述筒体的侧面上且突出于所述筒体的外侧，
其中，所述通气孔的开口位于所述突肋结构所含的多个线状突起之间的区域内，
所述多个通气孔的贯穿线穿过不同的位置，其中，所述贯穿线是沿自各所述通气孔垂直于所述筒体的轴向剖面的方向延伸的。
5.根据权利要求3或4所述的气体传感器，其特征在于，
各所述通气孔具有沿所述筒体的轴向延伸的形状，
所述突肋结构具有分别周向环绕于所述筒体周围的多个环绕突起，所述通气孔的开口位于相邻的环绕突起之间的区域内。
6.根据权利要求3或4所述的气体传感器，其特征在于，
所述突肋结构以栅格形状形成于所述筒体的侧面上。
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