WO2018086086A1 - 一种提高检测氧气浓度准确性的方法 - Google Patents

一种提高检测氧气浓度准确性的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高检测氧气浓度准确性的方法，包括如下步骤：第一步，待检测气体进入气管，气管同时连接检测通道，然后同时，待检测气体进入检测通道，检测通道为只有一个进出气口的相对固定的密封空间；第二步，开启位于检测通道一端的超声波发生器，同时开启位于检测通道另一端的超声波接收器；第三步，在0.001-0.01s的固定时间段内，由控制芯片记录超声波传感器发送启动到超声波接收器的精确接收时间，并通过算法公式计算出本时间段内的氧气浓度。通过嵌入式运算中心，运用以上方法即可得出氧气浓度，因为待检测气体没有对超声检测装置进行干扰。

Description

一种提高检测氧气浓度准确性的方法 技术领域
本发明涉及医用氧气浓度检测技术领域，具体涉及到一种提高检测氧气浓度准确性的方法。
背景技术
现有技术方案中，检测氧气浓度的装置，是通过超声波技术测量氮氧混合气体中氧气比例，该装置的传感器在多次采样过程中：
Figure PCTCN2016105544-appb-000001
由于流动气体存在变化，导致采样数据变动大，超声波传播速度V数据一致性差。另外，样气通道的进气A出气端B与检测通道形成一定角度，导致在整个检测通道中，两端的气流速度和流向与整个检测通道中气流的流速和流向不一致，增加测量误差，而且为消除两端气流变动带来的影响，则需要较长的检测通道才能满足测量要求，导致成本提高。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种结构合理，使用方便的一种提高检测氧气浓度准确性的方法，它解决了上述的这些问题。
本发明所采用的技术方案如下：一种提高检测氧气浓度准确性的方法，包括如下步骤：
第一步，待检测气体进入气管，气管同时连接检测通道，然后同时，待检 测气体进入检测通道，所述检测通道为只有一个进出气口的相对固定的密封空间；
第二步，开启位于检测通道一端的超声波发生器，同时开启位于检测通道另一端的超声波接收器；
第三步，在0.01-0.001s的固定时间段内，由控制芯片记录超声波传感器发送启动到超声波接收器的精确接收时间，并通过算法公式计算出本时间段内的氧气浓度。
优选地，完成第一步之后，检测通道此时处于静止状态，而气管此时处于气体流动状态，气管和检测通道互相不干涉。
优选地，完成第一步之后，高浓度气体向低浓度气体扩散，最后样气通道与检测通道中的气体浓度达到动态平衡，在单次采样时间段内(0.01s)，检测通道中氧分压可视为不变。
优选地，本方法中，待检测气体没有对超声检测装置的干扰。
优选地，本方法的算法公式为通过测出混合气体的混合气体摩尔质量M，求得氧气浓度a；
M＝MO2*a％+MN2*(1-a％)--------①
通过超声波在气体中的速度V计算公式：
Figure PCTCN2016105544-appb-000002
其中：
γ为混合气体比热容比，
R为气体常数，等于8.31，
T为气体温度，
M为混合气体摩尔质量；
又同时：V＝L/t--------③
其中：t为超声传播时间，L为声波传播距离
超声波传感器发送启动到精确接收存在时间误差为△t，t为控制系统实际测量得到的时间，所以计算时间时：
V＝L/(t-△t)--------④
通过公式②，在已知浓度混合气体M1,M2和气体温度T1,，T2情况下，可以得出两种不同温度状态下超声波传播速度V1，V2,并代入以下两式，可以计算出L和△t。
V1＝L/(t1-△t)V2＝L/(t2-△t)
在其他未知浓度情况下，通过计算得出的L和△t以及实际测量得到气体温度T，由公式④可以计算出声波传播速度V，再通过公式②，公式①，可以反推得到氧气浓度a。
本发明的有益效果包括：
通过嵌入式运算中心，运用以上技术方案计算方法即可得出氧气浓度，因为待检测气体没有对超声检测装置的干扰，使得采用该方法解决了三个数据的精度问题，V,△t,L，从而使得最终氧气浓度数据的精度大大提高！
因无需采用较长检测通道，节约材料成本，缩小检测元件体积，为小 型化，便捷化制氧机提供保障。
附图说明
图1为背景资料中提到的技术原理图；
图2为本发明一种提高检测氧气浓度准确性的方法的原理图。
图中，圆形分子为待测分子，三角形分子为基底分子数。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种提高检测氧气浓度准确性的方法，
包括如下步骤：
第一步，待检测气体进入气管，气管同时连接检测通道，然后同时，待检测气体进入检测通道，所述检测通道为只有一个进出气口的相对固定的密封空间；
第二步，开启位于检测通道一端的超声波发生器，同时开启位于检测通道另一端的超声波接收器；
第三步，在0.01-0.001s的固定时间段内，由控制芯片记录超声波传感器发送启动到超声波接收器的精确接收时间，并通过算法公式计算出本时间段内的氧气浓度。
完成第一步之后，检测通道此时处于静止状态，而气管此时处于气体流动状态，气管和检测通道互相不干涉。
完成第一步之后，高浓度气体向低浓度气体扩散，最后样气通道与检测通道中的气体浓度达到动态平衡，在单次采样时间段内(0.01s)，检测 通道中氧分压可视为不变。
本方法中，待检测气体没有对超声检测装置的干扰。
本方法的算法公式为通过测出混合气体的混合气体摩尔质量M，求得氧气浓度a；
M＝MO2*a％+MN2*(1-a％)--------①
通过超声波在气体中的速度V计算公式：
Figure PCTCN2016105544-appb-000003
其中：
γ为混合气体比热容比，
R为气体常数，等于8.31，
T为气体温度，
M为混合气体摩尔质量；
又同时：V＝L/t--------③
其中：t为超声传播时间，L为声波传播距离
超声波传感器发送启动到精确接收存在时间误差为△t，t为控制系统实际测量得到的时间，所以计算时间时：
V＝L/(t-△t)--------④
通过公式②，在已知浓度混合气体M1,M2和气体温度T1,，T2情况下，可以得出两种不同温度状态下超声波传播速度V1，V2,并代入以下两式，可以计算出L和△t。
V1＝L/(t1-△t)V2＝L/(t2-△t)
在其他未知浓度情况下，通过计算得出的L和△t以及实际测量得到气体温度T，由公式④可以计算出声波传播速度V，再通过公式②，公式①，可以反推得到氧气浓度a。
本发明中采用气体扩散原理，将待检测气体与检测通道分别处于静止与动态过程，超声检测通道处于静止状态，根据菲克定律，高浓度气体向低浓度气体扩散，最后样气通道与检测通道中的气体浓度达到动态平衡，在单次采样时间段内(0.01-0.001s)，检测通道中氧分压可视为不变，这些条件满足超声采样要求,解决现有技术方案中的问题。
原理说明：
超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息.因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量.超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器,就像一个渡船的船夫在横渡一条河.当气体不流动时,声脉冲以相同的速度(声速,C)在两个方向上传播.如果管道中的气体有一定流速V(该流速不等于零),则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些,而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些.这样,顺流传输时间tD会短些,而逆流传输时间tU会长些。
这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计.起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
根据对信号检测的原理,目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包 括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型.其中以噪声法原理及结构最简单,便于测量和携带,价格便宜但准确度较低,适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。
由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的,故又统称为传播速度差法.其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差,准确度较高,所以被广泛采用.按照换能器的配置方法不同,传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的,低流速时,灵敏度很低适用性不大。
多普勒法是利用声学多普勒原理,通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的,适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。
相关法是利用相关技术测量流量,原理上,此法的测量准确度与流体中的声速无关,因而与流体温度,浓度等无关,因而测量准确度高,适用范围广.但相关器价格贵,线路比较复杂.在微处理机普及应用后,这个缺点可以克服。
噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理,通过检测噪声表示流速或流量值.其方法简单,设备价格便宜,但准确度低。
本发明的创造点在于，能够让待检测气体较长时间停留于一个静止的 环境中，进行超声波浓度检测，提高待检测气体的准确性，同时降低后续的待检测气体对于先前样本的污染。
发明人检索到一篇对比文件申请号：201210303712.1申请日：2012-08-23，专利名称为一种甲烷浓度在线检测方法及装置，公开号CN102830164A。
这份专利是一种用于煤矿井下的空气中甲烷浓度的检测，其测量管4(相当于本专利的气管)，静速管5(相当于本专利的测量通道)，其结构区别在于对比文件扩散管6为两条，本专利的结构为1条，对比文件检测的是空气，因此，其测量管的直径大于其静速管的直径，而本专利恰恰相反，其气管的直径小于测量通道的直径，这个设计就是为了让二元氮氧气体能够有足够的空间长期静止存在，提高检测精度，其计算公式不同，结构不同，其扩散管6为两条，这必然导致其静速管5中的气体流动，而本专利只有一条连接测量通道的管道，其氧气为静止状态，可以大大提高精度。
对比文件需要的是快速检测是否达到临界值，是否需要报警，因此其设置特点为快速检测和在线检测，因此其对精度要求不高，其结构设置也不是针对精度设计，而本专利专门为了检测二元氮氧气体而设计，其待检测气体只含有氮气和氧气，本专利只追求精度，此为对比文件和本专利最大的不同。
上述实施方式只是本发明的优选实施例，并不是用来限制本发明的实施与权利范围的，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

  1. 一种提高检测氧气浓度准确性的方法，其特征在于：
    包括如下步骤：
    第一步，待检测气体进入气管，气管同时连接检测通道，然后同时，待检测气体进入检测通道，所述检测通道为只有一个进出气口的相对固定的密封空间；
    第二步，开启位于检测通道一端的超声波发生器，同时开启位于检测通道另一端的超声波接收器；
    第三步，在0.01-0.001s的固定时间段内，由控制芯片记录超声波传感器发送启动到超声波接收器的精确接收时间，并通过算法公式计算出本时间段内的氧气浓度。
  2. 根据权利要求1所述的一种提高检测氧气浓度准确性的方法，其特征在于，完成第一步之后，检测通道此时处于静止状态，而气管此时处于气体流动状态，气管和检测通道互相不干涉。
  3. 根据权利要求1所述的一种提高检测氧气浓度准确性的方法，其特征在于，完成第一步之后，高浓度气体向低浓度气体扩散，最后样气通道与检测通道中的气体浓度达到动态平衡，在单次采样时间段内(0.01s)，检测通道中氧分压可视为不变。
  4. 根据权利要求1所述的一种提高检测氧气浓度准确性的方法，其特征在于，本方法中，待检测气体没有对超声检测装置的干扰。
  5. 根据权利要求1所述的一种提高检测氧气浓度准确性的方法，其特征在于，本方法的算法公式为通过测出混合气体的混合气体摩尔质量M，求得氧气浓度a；
    M＝MO2*a％+MN2*(1-a％)--------①
    通过超声波在气体中的速度V计算公式：
    Figure PCTCN2016105544-appb-100001
    其中：
    γ为混合气体比热容比，
    R为气体常数，等于8.31，
    T为气体温度，
    M为混合气体摩尔质量；
    又同时：V＝L/t        --------③
    其中：t为超声传播时间，L为声波传播距离
    超声波传感器发送启动到精确接收存在时间误差为△t，t为控制系统实际测量得到的时间，所以计算时间时：
    V＝L/(t-△t)        --------④
    通过公式②，在已知浓度混合气体M1,M2和气体温度T1,，T2情况下，可以得出两种不同温度状态下超声波传播速度V1，V2,并代入以下两式，可以计算出L和△t。
    V1＝L/(t1-△t)        V2＝L/(t2-△t)
    在其他未知浓度情况下，通过计算得出的L和△t以及实际测量得到气体温度T，由公式④可以计算出声波传播速度V，再通过公式②，公式①，可以反推得到氧气浓度a。
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