專利名稱：一種分析氧氣濃度和流速的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氧氣分析技術(shù)，具體地說是一種利用超聲波分析 氧氣濃度和流速的裝置。
背景技術(shù)：
制氧機(jī)的主要用途是將空氣中的氮?dú)夂投趸挤蛛x出去，再根
據(jù)需要輸出不同濃度的氧氣用于醫(yī)療、航天、焊接等領(lǐng)域；例如，分 子篩制氧機(jī)可以輸出濃度高達(dá)95. 7%的氧氣，但仍有4. 3%的氬氣不 能過濾。因此，制氧機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中需要監(jiān)測(cè)輸出氧氣的濃度和流速， 特別對(duì)于醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，供給病人高濃度、流速恒定的氧氣是至關(guān) 重要的。目前，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)輸出氧氣濃度和流速的裝置，釆用傳感器 的方式，該類傳感器主要以氧化鋯為主要原料，釆用電化學(xué)方法監(jiān)測(cè) 氧氣濃度，但卻不能同時(shí)測(cè)量氧氣的流速；這種方法存在的最大問題 是隨著使用時(shí)間的增加，化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致 測(cè)量準(zhǔn)確度的下降，就需要對(duì)用戶的氧氣傳感器重新進(jìn)行濃度標(biāo)定或 直接更換傳感器，增加了機(jī)器的售后維護(hù)費(fèi)用，而且影響用戶的使用。 隨著科技的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了利用超聲波來監(jiān)測(cè)氧氣。超聲波是 指頻率高于20KHz的機(jī)械波，它的好處是可以避免信號(hào)釆集過程外周 聲音對(duì)信號(hào)的影響。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，釆用了超聲波傳感 器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器 和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作 用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，
即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；在收到回波的時(shí)
候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?，F(xiàn)有利用超聲波監(jiān)測(cè)氧氣的裝置， 其腔體內(nèi)設(shè)置的傳感器之間距離太短，而聲波傳導(dǎo)時(shí)間又很快，所以 容易產(chǎn)生較大的誤差。同時(shí)，其腔體結(jié)構(gòu)的目的是為了保持腔內(nèi)氣體 恒定，是作為一個(gè)氣道旁路來監(jiān)測(cè)氧氣濃度的，釆樣的氣體量比較少， 也會(huì)產(chǎn)生與實(shí)際相差較大的誤差。再有，現(xiàn)有利用超聲波也只能監(jiān)測(cè) 氧氣的濃度，而不能同時(shí)測(cè)量氧氣的流速。
實(shí)用新型內(nèi)容
為了解決利用超聲波不能同時(shí)監(jiān)測(cè)氧氣濃度和流速、監(jiān)測(cè)誤差大 的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種可連續(xù)分析氧氣濃度和流速 的裝置。
本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
本實(shí)用新型包括傳感器單元及信號(hào)處理控制電路，所述傳感器單 元包括兩端分別安裝有電路板的容器，容器內(nèi)開有容器內(nèi)腔，在容器 內(nèi)、容器內(nèi)腔外部分別設(shè)有入、出口外腔，兩者通過容器內(nèi)腔相連通, 容器上分別開有入氣口及出氣口，分別與入、出口外腔相連通；兩塊 電路板上分別安裝有超聲波換能器，兩個(gè)超聲波換能器對(duì)稱設(shè)置在容 器內(nèi)腔的兩端口；其中任意一個(gè)超聲波換能器上通過長管腿引線設(shè)有 溫度傳感器，溫度傳感器插設(shè)于容器內(nèi)腔內(nèi)；兩個(gè)超聲波換能器分別 與信號(hào)處理控制電路電連接。
其中所述容器內(nèi)腔為圓柱形，其兩端口的軸向截面為梯形，超 聲波換能器插設(shè)于其內(nèi)，在超聲波換能器與容器內(nèi)腔的端口內(nèi)壁之間 留有供氣體通過的縫隙；所述容器為圓柱形，入口外腔及出口外腔沿 容器內(nèi)腔外部的圓周方向分別設(shè)置，入、出口外腔的彼此相鄰端均為 封閉端，另一端通過容器內(nèi)腔相連通；所述超聲波換能器為圓柱形， 固接于電路板的內(nèi)表面；帶有溫度傳感器的電路板設(shè)有四個(gè)引腿，另 一個(gè)設(shè)有兩個(gè)引腿；電路板上開有定位槽，容器端面上的凸塊容置于 其內(nèi)；容器的長度為ll厘米；容器兩端的電路板與容器密封連接。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與積極效果為
1. 本實(shí)用新型的分析裝置結(jié)構(gòu)緊湊，無需例行維護(hù)更換元件， 而且標(biāo)定簡(jiǎn)單。
2. 裝置安裝方便，電路板與容器定位準(zhǔn)確；對(duì)濃度變化響應(yīng)速 度快，節(jié)省能源。
3. 本實(shí)用新型流入容器內(nèi)的氣體，經(jīng)過入口外腔的緩沖作用， 消除了被測(cè)氧氣的層流，氣體介質(zhì)流入穩(wěn)定。


圖l為本實(shí)用新型傳感器單元整體結(jié)構(gòu)示意圖2為圖l中帶有溫度傳感器的超聲波換器電路板的結(jié)構(gòu)示意
圖3為本實(shí)用新型待測(cè)氣體流向示意圖；圖4為本實(shí)用新型傳感器單元裝配圖5為本實(shí)用新型電路框圖6為本實(shí)用新型的程序流程其中，l為傳感器單元，2為容器，3為出口外腔，4為第一電路 板，5為第二電路板，6為第一超聲波換能器，7為第二超聲波換能 器，8為溫度傳感器，9為入氣口， IO為出氣口， ll為入口外腔，12 為容器內(nèi)腔，13為長管腿引線，14為定位槽，15為引腿，16為凸塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳述。
如圖l、圖3及圖4所示，本實(shí)用新型包括傳感器單元l及信號(hào) 處理控制電路。傳感器單元1包括容器2及安裝在容器2兩端的第一、 二電路板4、 5，本實(shí)施例的容器2為圓柱形，長ll厘米；容器2內(nèi) 開有圓柱形的容器內(nèi)腔12,其兩端口的軸向截面為梯形；在容器2 內(nèi)、分別設(shè)有入、出口外腔11、 3,兩者沿容器內(nèi)腔12外部的圓周 方向分別設(shè)置，入、出口外腔ll、 3的彼此相鄰端均為封閉端，另一 端通過容器內(nèi)腔12相連通;容器2上分別開有入氣口 9及出氣口 10, 分別與入、出口外腔ll、 3相連通。如圖2所示，第一、二電路板4、 5上分別安裝有第一、二超聲波換能器6、 7,超聲波換能器為圓柱形， 固接于電路板的內(nèi)表面；其中第一超聲波換能器上通過長管腿引線 13設(shè)有溫度傳感器8;第一、二超聲波換能器6、 7對(duì)稱設(shè)置在容器 內(nèi)腔12的兩端口 ，在超聲波換能器與容器內(nèi)腔12的端口內(nèi)壁之間留 有供氣體通過的縫隙；溫度傳感器8由容器內(nèi)腔12的一端伸入其內(nèi) 部。第一電路板4上對(duì)應(yīng)長管腿引線13設(shè)有四個(gè)引腿，第二電路板 5上設(shè)有兩個(gè)引腿；第一、二電路板4、 5上均開有定位槽14,當(dāng)?shù)?一、二電路板4、 5向容器2端面安裝時(shí)，容器2端面上的凸塊16可 先容置于定位槽14內(nèi)定位，再通過緊固螺釘把緊。第一、二電路板 4、 5與容器2密封連接，以避免被測(cè)氣體泄漏，影響分析結(jié)果。，第 一、二超聲波換能器6、 7的接線端子分別與信號(hào)處理控制電路的傳 感器信號(hào)輸入端相連。所述信號(hào)處理控制電路包括微處理器、切換網(wǎng) 絡(luò)、接收單元及發(fā)射單元，具體連接在信號(hào)處理控制電路中第一、 二超聲波換能器的信號(hào)輸入端都與切換網(wǎng)絡(luò)相連，切換網(wǎng)絡(luò)由微處理 器發(fā)出的控制信號(hào)所控制，控制其通道切換；切換網(wǎng)絡(luò)連接著接收單 元和發(fā)射單元，通過接收單元把處理好信號(hào)送給微處理器，而微處理器控制發(fā)射單元產(chǎn)生lOOus窄脈沖激勵(lì)；微處理器還連接有溫度傳感 器。
本實(shí)用新型裝置的分析方法
用與信號(hào)處理控制電路相連接的發(fā)射單元控制其中一個(gè)超聲波 換能器發(fā)射超聲波，另外一個(gè)超聲波換能器接收，用信號(hào)處理控制電 路上的切換網(wǎng)絡(luò)切換控制超聲波換能器的發(fā)射與接收，同時(shí)用溫度傳 感器測(cè)量出該時(shí)刻氧氣的溫度T，接收單元將信號(hào)送至微處理器，得 到超聲波在被測(cè)氧氣中相對(duì)于氣體流向的正向傳導(dǎo)時(shí)間t f及反向傳 導(dǎo)時(shí)間L;再通過函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測(cè)氧氣的濃度P和流速Q(mào);
其中被測(cè)氧氣濃度的計(jì)算式為P = Cl (丄)(^~)2 + C2T
r tf + tr
+ C3,其中Cl、 C2、 C3為傳感器單元的常數(shù)，T為被測(cè)氧氣的溫度； 被測(cè)氧氣流速的計(jì)算式為Q = ABS(C4(tr- U) +C5,其中C4、
C5為傳感器單元的常數(shù)。
信號(hào)處理控制電路上的微控制器每隔一秒通過發(fā)射單元經(jīng)切換 網(wǎng)絡(luò)給其中 一個(gè)超聲波換能器一個(gè)1 OOus窄脈沖激勵(lì)，同時(shí)啟動(dòng)微控 制器以12MHz頻率的時(shí)鐘源做計(jì)數(shù)單元的時(shí)鐘源，啟動(dòng)計(jì)數(shù)功能。
本實(shí)用新型的工作原理為
如圖3所示，被測(cè)氧氣流向以圖中箭頭所示，被測(cè)氧氣由入氣口 9流入傳感器單元1內(nèi)，由于容器內(nèi)腔12端口內(nèi)壁軸向截面為梯形 的設(shè)計(jì)，氣體沿傾斜的端口內(nèi)壁平衡進(jìn)入容器內(nèi)腔；經(jīng)過入口外腔 11的緩沖作用，消除了待測(cè)氧氣的層流，穩(wěn)定的氣體介質(zhì)流入容器 內(nèi)腔12,再經(jīng)出口外腔3由出氣口 3流出，從機(jī)械構(gòu)造上保證了穩(wěn) 定的氣源。
信號(hào)處理控制電路上的微處理器16在以每秒一次頻率控制發(fā)射 單元經(jīng)切換網(wǎng)絡(luò)給第一超聲波換能器6 —個(gè)100us窄脈沖激勵(lì)，超聲 波換能器的頻率選在40kHz,同時(shí)啟動(dòng)微控制器以12MHz頻率的時(shí)鐘 源做計(jì)數(shù)單元的時(shí)鐘源，啟動(dòng)計(jì)數(shù)功能；當(dāng)?shù)诙暡〒Q能器7接收 到信號(hào)后，將信號(hào)經(jīng)切換網(wǎng)絡(luò)給接收單元進(jìn)行放大、濾波后送到微處 理器，記下當(dāng)前的累計(jì)記數(shù)，即為正向傳導(dǎo)時(shí)間tf;同時(shí)，信號(hào)處 理控制電路的微處理器控制發(fā)射單元經(jīng)切換網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)第二超聲波換 能器7 —個(gè)100us窄脈沖激勵(lì)，這時(shí)切換網(wǎng)絡(luò)已把第一超聲波傳感器 6改為接收狀態(tài)，第二超聲波傳感器7改為發(fā)射狀態(tài)，當(dāng)?shù)谝怀暡?br> 6傳感器6接收到信號(hào)，信號(hào)經(jīng)切換網(wǎng)絡(luò)給接收單元進(jìn)行放大、濾波后 送到微處理器，記下當(dāng)前的累計(jì)記數(shù)，即為反向傳導(dǎo)時(shí)間tr。同時(shí) 微控制器通過溫度傳感器8測(cè)量出該時(shí)刻氣體的溫度T。本實(shí)施例的
Cl為-6. 01、 C2為-0. 273、 C3為824. 4，這時(shí)如果tf為0. 002622秒， tr為0. 0026372秒，常溫下25° C，可經(jīng)公式P = Cl (丄)(_1_)2 +
r tf + tr
C2T + C3，計(jì)算出被測(cè)氧氣濃度為94.5% ;釆用C4為107568, C5 為0.23,由公式Q = ABS(C4(tf- U) +C5,可得出被測(cè)氧氣流速為 1. 865L/min。
由于本實(shí)用新型采用了聲波在不同的密度氣體中傳播速度是與 氣體的分子量、溫度有關(guān)原理，避免了釆用化學(xué)方法監(jiān)測(cè)氧濃度中化 學(xué)物質(zhì)化學(xué)性能發(fā)生變化而導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度的下降；在控制中采用了 正、反向傳導(dǎo)測(cè)試，避免了由于氣體的流速所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)；同 時(shí)也由于利用了多普勒效應(yīng)，通過氣體的正、反傳導(dǎo)時(shí)間差推出了氣 體流速與時(shí)間的關(guān)系，采用正、反向傳導(dǎo)也有縮短裝置的好處。 、本實(shí)用新型通，微控制器切換控制第一口、 、二超p聲波換能曰器6、 7口，
傳導(dǎo)時(shí)間，通過溫度傳感器8獲得氣體溫度信息，正反方向傳導(dǎo)時(shí)間 之和在溫度不變的情況下與氣體濃度成一定函數(shù)關(guān)系(參見濃度計(jì)算 式)，同時(shí)通過溫度補(bǔ)償，可以獲得不同溫度下氣體傳導(dǎo)時(shí)間之和與 濃度的關(guān)系。而正反方向傳導(dǎo)時(shí)間的差是與氣體的流速成線性關(guān)系 (參加流速計(jì)算式)，這樣通過函數(shù)關(guān)系可以同時(shí)計(jì)算出被測(cè)氧氣的 濃度和流速。本實(shí)用新型可用于醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域，例如用于監(jiān) 測(cè)病人吸氧的氧氣濃度和流速；本實(shí)用新型還可用于分析其他氣體的 濃度和流速。
權(quán)利要求1. 一種分析氧氣濃度和流速的裝置，包括傳感器單元及信號(hào)處理控制電路，其特征在于所述傳感器單元(1)包括兩端分別安裝有電路板的容器(2)，容器(2)內(nèi)開有容器內(nèi)腔(12)，在容器(2)內(nèi)、容器內(nèi)腔(12)外部分別設(shè)有入、出口外腔(11、3)，兩者通過容器內(nèi)腔(12)相連通，容器(2)上分別開有入氣口(9)及出氣口(10)，分別與入、出口外腔(11、3)相連通；兩塊電路板上分別安裝有超聲波換能器，兩個(gè)超聲波換能器對(duì)稱設(shè)置在容器內(nèi)腔(12)的兩端口；其中任意一個(gè)超聲波換能器上通過長管腿引線(13)設(shè)有溫度傳感器(8)，溫度傳感器(8)插設(shè)于容器內(nèi)腔(12)內(nèi)；兩個(gè)超聲波換能器分別與信號(hào)處理控制電路電連接。
2. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述容器內(nèi)腔(12)為圓柱形，其兩端口的軸向截面為梯形，超 聲波換能器插設(shè)于其內(nèi)，在超聲波換能器與容器內(nèi)腔(12)的端口內(nèi) 壁之間留有供氣體通過的縫隙。
3. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述容器(2)為圓柱形，入口外腔(11)及出口外腔(3)沿容 器內(nèi)腔(12)外部的圓周方向分別設(shè)置，入、出口外腔(11、 3)的 彼此相鄰端均為封閉端，另一端通過容器內(nèi)腔(12)相連通。
4. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述超聲波換能器為圓柱形，固接于電路板的內(nèi)表面；帶有溫度 傳感器(8)的電路板設(shè)有四個(gè)引腿，另一個(gè)設(shè)有兩個(gè)引腿。
5. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述電路板上開有定位槽(14),容器(2)端面上的凸塊(16) 容置于其內(nèi)。
6. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述容器(2)的長度為ll厘米。
7. 按權(quán)利要求1所述的分析氧氣濃度和流速的裝置，其特征在 于所述容器(2)兩端的電路板與容器(2)密封連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及氧氣分析技術(shù)，具體地說是一種利用超聲波分析氧氣濃度和流速的裝置，包括傳感器單元及信號(hào)處理控制電路，所述傳感器單元包括兩端分別安裝有電路板的容器，容器內(nèi)開有容器內(nèi)腔，在容器內(nèi)、容器內(nèi)腔外部分別設(shè)有入、出口外腔，兩者通過容器內(nèi)腔相連通，容器上分別開有入氣口及出氣口，分別與入、出口外腔相連通；兩塊電路板上分別安裝有超聲波換能器，兩個(gè)超聲波換能器對(duì)稱設(shè)置在容器內(nèi)腔的兩端口；其中任意一個(gè)超聲波換能器上通過長管腿引線設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器插設(shè)于容器內(nèi)腔內(nèi)；兩個(gè)超聲波換能器分別與信號(hào)處理控制電路電連接。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、標(biāo)定簡(jiǎn)單、安裝方便，電路板與容器定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N29/024GK201237583SQ20082001315
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月26日
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