CN202947994U

CN202947994U - 一种超声波氧气传感器

Info

Publication number: CN202947994U
Application number: CN 201220685025
Authority: CN
Inventors: 江资昉
Original assignee: HUNAN GUORUI INSTRUMENT CO Ltd
Current assignee: HUNAN GUORUI INSTRUMENT CO Ltd
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2022-12-12

Abstract

本实用新型公开了一种超声波氧气传感器，包括中空的气室、超声波发射器、超声波接收器和控制电路，所述的气室的侧壁上设有气体进口和气体出口，所述的超声波发射器和超声波接收器分别安装在气室相对的两侧壁上，超声波发射器的控制端通信连接至控制电路，超声波接收器的输出端通信连接至控制电路，本实用新型的技术效果在于，本实用新型尺寸小，结构紧凑，安装方便；传感器内置温度、压力补偿，测量更加准确；测量仅需出厂标定，无需现场标定校准，维护方便；采用物理方法测量O₂浓度，无电极接触反应和无化学试剂消耗，无消耗零件，维护成本小；同时氧含量的量程为0-100%，量程远大于一般传感器，可以检测高浓度气体。

Description

一种超声波氧气传感器

技术领域

本实用新型涉及一种超声波氧气传感器。

背景技术

随着人们生活水平的提高，人们对于自己的生存环境越来越关注，尤其是最近几年国家对环保越来越重视，在环境监测和环境治理方面的投入也在逐年加大。在未来几十年内，环保将是一个非常热门的行业。与人们生活息息相关的两个环境监测因素是水质监测和气体监测，而目前所常用的氧气传感器是氧化锆氧传感器，其工作时，被测气体（烟气）通过传感器进入氧化锆管的内侧，参比气体（空气）通过自然对流进入传感器的外侧，当锆管内外侧的氧浓度不同时在氧化锆管内外侧产生氧浓差电势。按检测方式的不同，氧化锆氧探头分为两大类：采样检测式氧探头和直插式氧探头。采样检测方式是通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度（750℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。直插式检测是将氧化锆直接插入高温被测气体，直接检测气体中的氧含量，这种检测方式适宜被检测气体温度在700℃～1150℃时（特殊结构还可以用于1400℃的高温），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度，不需另外用加热器。

这种监测方式的缺点在于，传感器本身多采用国外进口关键部件，成本高；测量使用过程中，需要反应电极及将被测气体与参比气（空气）严格隔离，密封问题和反应电极问题很难解决好；同时因为密闭性和反应电极问题，严重影响传感器使用寿命，而且一般需要将氧化锆电极加热到一定温度，加热过程很容易损坏电极，所以一般氧化锆O2传感器寿命都不长；由于测试时无气压补偿，容易受测量环境气压影响，造成测量值不准确；并且氧化锆氧传感器需要一个参比气体来作为对比，一般选择空气作为参比气体，因此其测量范围比较小，一般氧化锆氧传感器测量范围为0-20.9%；

发明内容

为了解决现有氧气浓度传感器存在的成本高、寿命短、测量不准确、测量范围较小的技术问题，本实用新型提供一种成本较低、使用方便且测量精度高的超声波氧气传感器。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是，一种超声波氧气传感器，包括中空的气室、超声波发射器、超声波接收器和控制电路，所述的气室的侧壁上设有气体进口和气体出口，所述的超声波发射器和超声波接收器分别安装在气室相对的两侧壁上，超声波发射器的控制端通信连接至控制电路，超声波接收器的输出端通信连接至控制电路。

所述的一种超声波氧气传感器，所述的控制电路包括接收电路、发送电路和微处理器，所述的接收电路通信连接至超声波接收器，所述的发送电路通信连接至超声波发射器，所述的微处理器分别通信连接接收电路和发送电路。

所述的一种超声波氧气传感器，还包括用于监测气室内温度和压力情况的温度压力传感器，所述的温度压力传感器安装于气室内并通信连接至控制电路。

本实用新型的技术效果在于，本实用新型尺寸小，结构紧凑，安装方便；传感器内置温度、压力补偿，测量更加准确；测量仅需出厂标定，无需现场标定校准，维护方便；采用物理方法测量O2浓度，无电极接触反应和无化学试剂消耗，无消耗零件，维护成本小；同时氧含量的量程为0-100%，量程远大于一般传感器，可以检测高浓度气体。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型传感器的电路原理图；

其中1为超声波发射器、2为超声波接收器、3为气体进口、4为气体出口、5为温度压力传感器。

具体实施方式

参见图1，本实用新型包括中空的气室、超声波发射器、超声波接收器和控制电路，气室的侧壁上设有气体进口和气体出口，超声波发射器和超声波接收器分别安装在气室相对的两侧壁上，超声波发射器的控制端通信连接至控制电路，超声波接收器的输出端通信连接至控制电路。控制电路包括接收电路、发送电路和微处理器，接收电路通信连接至超声波接收器，发送电路通信连接至超声波发射器，微处理器分别通信连接接收电路和发送电路。还包括用于监测气室内温度和压力情况的温度压力传感器，温度压力传感器安装于气室内并通信连接至控制电路。

参见图2，本实用新型的微处理器采用采用最新的ARM芯片，CortexM3内核的32位微处理器，其主频能够到达72MHz。其内部有丰富的外设接口，其中定时器最高计时时钟为72MHz，计时分辨率最高能达到14ns。为本专利的高准确计时和快速测量提高硬件保障。该微处理器还带有多种低功耗模式，在待机状态只需要几个mA电流。

为提高系统的精准性，超声波的接收和发送传感器都直接使用微处理器直接控制。微处理器控制模拟开关将超声信号调制到10Hz的一个载波上进行发送，并在接收传感器上进行解调。这样的设计起到了抑制信号共模干扰（工频干扰）的作用，提高了传感器的稳定性。

本实用新型的检测原理是，二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动从而在气体中传播的，其过程可以看作绝热过程。气体可以用状态方程来描述，其声速值可以由其分子量、温度等参数来计算。这就给基于超声波的气体分析提供了理论依据。已知单一成分气体中声速：

c=(λp/ρ)^1/2=（λRT/M）^1/2

式中： λ—气体定压比热Cp与质量定容比热Cv的比值；

p—气体压强；

ρ-气体密度；

R-摩尔气体常数；

T-绝对温度

M-气体分子量

对于二元混合气体，其平均声速为：

\overset{&OverBar;}{c} = \sqrt{\frac{\overset{&OverBar;}{r} \cdot R_{0} \cdot T}{\overset{&OverBar;}{M}}} \cdot

以氧气（50%）和氮气（50%）的二元混合气体为例，在气体温度为25℃，在实际中测量得到平均声速为339.919米/秒，根据上面的公式，可以得出当前气体的平均分子量为30。

M=（1.4×8.314×(273.15＋25)/（339.919*339.919）=30则氧气的浓度=(M-28)/4×100=50％，这与实际气体浓度值相符和，从而测量出氧气的浓度。

在实际工作中，接收传感器接收到信号后，经过微处理器解调，经过模拟开关输出到IC1。IC1是一款高精度、高增益、低噪声的仪表放大器，将接收到的信号放大到能够被ADC和微处理器识别的范围内。经过仪表放大器放大的信号，经过IC2的进一步滤波整形处理后，传送到微处理器。此时微处理器中断计时器，计时从超声波从发送传感器发出到微处理器接收到的时间T1。时间T1中还包括电路延时t2和微处理器延时t3，扣除这两个时间后，等到超声波在两传感器之间传播的实际时间T。已知两传感器之间的距离，得到此时的平均声速，根据浓度计算公式，计算出氧气的浓度。

气体流速补偿设计：接收传感器和发送传感器都属于压电陶瓷片，这种压电陶瓷片都是既能够接收超声波，也能够发送超声波。上面说到，本专利使用10Hz的矩形波调制超声波信号。在矩形波的正半周期，驱动发送传感器发出超声波，接收传感器接收超声波，计算出声速C1；在矩形波的负半周期，反向驱动，接收传感器发出超声波，发送传感器接收超声波，计算出声速C2。根据流速公式和C1、C2值，从而计算出气体的流速。

Claims

1.一种超声波氧气传感器，其特征在于，包括中空的气室、超声波发射器、超声波接收器和控制电路，所述的气室的侧壁上设有气体进口和气体出口，所述的超声波发射器和超声波接收器分别安装在气室相对的两侧壁上，超声波发射器的控制端通信连接至控制电路，超声波接收器的输出端通信连接至控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种超声波氧气传感器，其特征在于，所述的控制电路包括接收电路、发送电路和微处理器，所述的接收电路通信连接至超声波接收器，所述的发送电路通信连接至超声波发射器，所述的微处理器分别通信连接接收电路和发送电路。

3.根据权利要求1所述的一种超声波氧气传感器，其特征在于，还包括用于监测气室内温度和压力情况的温度压力传感器，所述的温度压力传感器安装于气室内并通信连接至控制电路。