测定气体浓度和流量的超声波设备和方法

文档序号:6083443阅读:404来源:国知局
专利名称:测定气体浓度和流量的超声波设备和方法
技术领域
本发明涉及测定样品气体中氧气浓度和该样品气体流量的超声波设备及方法,该样品气体由医用目的的氧气浓缩器提供。
背景技术
众所周知,超声波在样品气体中的传播速度可以表示为样品气体浓度和温度的函数。设样品气体的平均分子量为M、温度为T(K),则穿过静态样品气体的超声波速度C(m/sec)表示为以下等式(1)C=(κRT/M)1/2...(1)其中,κ恒定体积下的分子比热与恒定压力下的分子比热之比R气体常数因此,只要测定出穿过样品气体的超声波传播速度C(m/sec)以及样品气体的温度T(K),就可以通过运算而求得样品气体的平均分子量M。例如,含有氧气-氮气气体混合物,混合比为P∶(1-P)(0≤P≤1)的样品气体的平均分子量M可以通过以下的方程式(2)来计算。
M=MO2P+MN2(1-P) ...(2)其中MO2氧气的分子量MN2氮气的分子量因而,根据测定的平均分子量M通过计算就可以得到氧气的浓度P。当该样品气体是氧气-氮气的混和物时,在很宽的氧气与氮气的混合比范围上κ=1.4是合理的。
如果样品气体中的超声波传播速度为C(m/sec),而样品气体的流速为V(m/sec),则相对于样品气体流动向前方传播的超声波速度C1(m/sec)为C1=C+V,而相对于样品气体流动向后方传播的超声波速度C2(m/sec)为C2=C-V,因此,样品气体的流速V(m/sec)可以通过以下的方程式(3)求出。
V=(C1-C2)/2...(3)将样品气体的流速乘以该样品气体流过管道的横截面积(m2),即可求得样品气体的流量(m3/sec)。
已经开发出利用上述原理,根据超声波在样品气体中的传播速度或传播时间来测定特定气体浓度或样品气体流速的方法及设备。例如,在日本未审专利公开(Kokai)No.6-213877中,描述了一种在样品气体流过的管道中相对地设置两个超声波换能器并测量在该超声波换能器之间传播的超声波传播时间,从而测定样品气体的浓度和流量的设备。此外,日本未审专利公开(Kokai)No.7-209265及No.8-233718中,描述了一种利用包含了超声波换能器及相对设置的反射板的反射型设备来测定在一体积内传播的超声波传播速度或传播时间,从而测定样品气体中所包含的特定气体浓度的设备。
在这种利用超声波传播速度来测定浓度和流量的方法及设备中,必须精确地测量该超声波的传播时间。然而,根据接收到的超声波而产生的信号总是包含噪声成分,这使得难以确定超声波换能器接收到超声波的时刻。因而,超声波的传播时间要通过一个复杂的信号处理过程或复杂的硬件来间接估算出。例如,日本未审专利公开(Kokai)No.9-318644描述了一种测量超声波传播时间的方法,其中对所接收的超声波波形进行了积分。当波形积分的结果达到预定的波谷之后,就可将第一个零交叉时刻确定为超声波的传播时间用以测量流量。根据该方法,甚至当所接受波的振幅在一定程度上波动时,零交叉信号的生成时间都不会波动。因此,所获得的零交叉时刻相对接近于超声波实际达到的时刻。然而,所获得的零交叉时刻并非超声波的真实传播时间。尤其是在测量浓度的时候,真实传播时间与零交叉时刻之间的差异严重影响了测量误差。
另外,日本未审专利公开(Kokai)No.60-138422中描述一种流量测量装置,其中根据接受到的超声波波形来计算包络曲线(envelopecurve)。通过近似方程来计算包络曲线的上升时间从而估算超声波的传播时间。然而,必须用硬件来提取所接收到的超声波,并且需要复杂的信号处理过程来根据提取的波形计算包络曲线。因此,根据发明JPP’422,难以低成本提供紧凑的设备。

发明内容
本发明的目的在于提供一种测量气体浓度和流量的超声波设备和方法,其能够精确地测量样品气体的浓度和流量而无需复杂的信号处理和额外的硬件。
根据本发明,提供了一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备,包括用于样品气体流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;发送接收开关,用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式;设置在所述管道内的温度传感器,用于测量流经该管道的样品气体温度;所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向前的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向后的波形;所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向后的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向前的波形;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的装置;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的装置;传播时间计算装置,其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置,用于(1)基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围,(2)确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的,(3)如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致,(4)通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻,(5)减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点,以及(6)在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
此外,根据本发明的另一特征,提供了一种测量流经管道的样品气体浓度的方法,包括步骤生成相对于样品气体流动方向向前的超声波;生成相对于样品气体流动方向向后的超声波;测量流经管道的样品气体温度;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号;基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围;确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的;如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致;通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻;减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点;以及在该超声波接收点基础上估算所述超声波的传播时间。
此外,根据本发明的另一特征,提供了一种生成富氧气体的氧浓缩系统,包括通过吸收氮气以去除掉空气中的氮气从而生成富氧气体的氧浓缩设备;以及测定富氧气体中氧气浓度和该富氧气体流量的超声波设备,该超声波设备包括用于富氧气体接收和流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;发送接收开关,用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式;设置在所述管道内的温度传感器,用于测量流经管道的富氧气体温度;所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向前的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向后的波形;所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向后的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向前的波形;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的设备;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的设备;传播时间计算装置,其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置,用于(1)基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围,(2)确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的,(3)如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致,(4)通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻,(5)减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点,以及(6)在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
此外,根据本发明的另一特征,提供了一种用于生成富氧气体的氧浓缩系统,其包含通过吸收氮气以去除掉空气中的氮气从而生成富氧气体的氧浓缩设备;以及测定该富氧气体中氧气浓度和该富氧气体流量的超声波设备,该超声波设备包括用于被测浓度的目标气体流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;所述管道包括直线部分和与该直线部分垂直连接的垂直部分;所述第一和第二超声波发送-接收器设置在所述垂直部分以面对着所述直线部分的末端;并且所述第一和第二超声波发送-接收器与所述管道直线部分的相应末端之间的距离满足下述关系。
0<D<f-r2/C
其中D所述第一和第二超声波发送-接收器与所述直线部分的相应末端之间的距离(m)f样品气体中的超声波频率(Hz)r管道的内径(m)C超声波的速度(m/sec)附图简述

图1是根据本发明的氧浓缩设备示意图;图2是本发明的超声波设备示意图;图3A是基于所接收到的超声波的波形;图3B是图3A中所示波形的部分放大图示;图4表示了具有触发信号和零交叉信号的超声波波形图示;图5是表示超声波的速度与温度之间关系的曲线图;图6是表示向前和向后的超声波波形图示,在该情况下,所生成的触发信号相位彼此一致。
图7是与图6类似的图示,在该情况下所述相位彼此不一致;图8是和图6类似的图示,在该情况下所述相位彼此不一致;图9是假定样品气体处于静止状态时,用于表示获得零交叉时刻的方式的说明性图示;图10是用于表示获得超声波接收点的方式的说明性图示;图11是根据本发明另一个实施方案的超声波设备的截面;图12是表示在超声波换能器前面形成的声场的说明性图示;图13表示由图11的设备获得的超声波波形的实验结果;图14表示由图11的设备获得的超声波波形的实验结果;并且图15表示由图11的设备获得的超声波波形的实验结果。
实施发明的最佳方式以下描述本发明的优选实施方案。在下面描述的实施方案中,样品气体由氧气和氮气组成。然而,可测量的样品气体并不限于氧气和氮气的气体样品,本发明也可以应用于包含其它气体的混和物。
图1表示了根据本发明的优选实施方案的氧浓缩系统示意图,其具有超声波气体浓度和流量测量设备。
设备100包括氧浓缩设备102,其通过去除空气中的氮气而产生富氧气体,其中空气由压缩机104通过过滤器106从系统外部提供。由氧浓缩设备102产生的富氧气体通过流量设定装置108,如减压阀,提供给本发明的超声波设备200。所产生的富氧气体随后通过产品过滤器110提供给用户或患者。
所述氧浓缩设备包括用于容纳氮气吸附剂如沸石的多个柱体(未示出),管道系统(未示出),其包括引导压缩空气从压缩机104到所述多个柱体中的每一个,并引导生成的富氧气体从柱体到流量设定装置108的管道,以及设置在所述管道系统中的阀门(未示出),用于选择性地打开和关闭管道使得其中一个柱体中包含的吸附剂吸收氮气以生成富氧气体,而其它柱体中包含的吸附剂释放所吸附的氮气使得所述吸附剂再生。
参见图2,下面将说明本发明的用于测量样品气体浓度和流量的超声波设备200。
气体浓度和流量的测量设备200包括一个管道202,用于样品气体或由氧浓缩设备102生成的富氧气体的流动。该管道202具有直线部分208和连接着该直线部分末端的垂直部分204和206。直线部分208包含具有环形截面的管道元件,其直径不随着纵轴而改变。提供第一超声波发送-接收器的第一超声波换能器218固定在所述直线部分内的一端,而提供第二超声波发送-接收器的第二超声波换能器222固定在所述直线部分208内的另一端,与第一超声波换能器218相对。在该实施方案中,第一和第二超声波换能器218和222之间的距离称为传播长度LS。
垂直部分204设置在通过管道202的气体流动方向的相对上游处,具有入口204a。氧浓缩设备102通过供给管210连接着该入口204a作为样品气体源212。
垂直部分206设置在通过管道202的气体流动方向的相对下游处,具有出口206a,与产品过滤器110相连。
发送-接收开关224连接着所述第一和第二超声波换能器218和222。该发送-接收开关224独立地切换所述第一和第二超声波换能器218和222的操作模式,使其处于第一和第二超声波换能器218和222发射超声波的发送模式与第一和第二超声波换能器218和222接收超声波的接收模式之间。该发送-接收开关224与微机226相连,使得该发送-接收开关224的切换操作受到微机226的控制。
用于测量流经管道202的气体温度的温度传感器216和220优选设置在所述垂直部分204和206中,使其不干扰直线部分208中的流动。该温度传感器216和220与微机226相连。这种连接中,如果样品气体的温度变化很小,可以只设置一个温度传感器216或220。
用于驱动第一和第二超声波换能器218和222的驱动器228,用于检测来自第一和第二超声波换能器218和222的信号的零交叉时刻的零交叉检测电路230,用于显示例如装置200的运行状态和测量结果的显示单元234,以及用于存储微机226的操作系统和各种参数的存储器232,包括固定存储器或磁盘装置,都连接着微机226。
下面将描述本实施方案的超声波浓度和流速测量设备200的操作。
将样品气体,例如氮-氧气体混和物,其混和比为P∶(1-P)(0≤P≤1),提供给管道202。此时,通过温度传感器216和220测量样品气体的温度,并将其平均值存储在存储器232中作为基准温度T0(K)。根据该实施方案,系统100的工作温度范围优选在,例如5-35摄氏度。
在提供样品气体的过程中,从微机226向驱动器228发送用于生成超声波的脉冲。通过发送-接收开关224从驱动器228向第一超声波换能器218施加脉冲电压。该第一超声波换能器218发出与该脉冲电压相应的超声波。由该第一超声波换能器218发出的超声波,在流经管道202的直线部分208的样品气体中传播,并由第二超声波换能器222接收。该第二超声波换能器222产生与所接收的超声波相应的电信号,通过发送-接收开关224和零交叉检测电路230传给微机226。微机226基于向驱动器228产生所发送的脉冲的时间和从第二超声波换能器222接收到电信号的时间,来计算向前的传播时间tS1(sec)。
随后,在接收到来自第二超声波换能器222的电信号后,发送-接收开关224立即将第一超声波换能器218的操作模式从发送模式切换到接收模式,同时将第二超声波换能器222的操作模式从接收模式切换到发送模式。之后,从微机226将生成超声波的脉冲发送到驱动器228。通过发送-接收开关224将来自于驱动器228的脉冲电压提供给第二超声波换能器222。该第二超声波换能器222产生与该脉冲电压相应的超声波。通过第一超声波换能器218接收该超声波。该第一超声波换能器218产生与接收到的超声波相应的电信号,通过发送-接收开关224和零交叉检测电路230传给微机226。微机226基于向驱动器228产生发送脉冲的时间和从第一超声波换能器218接收到电信号的时间,计算向后的传播时间tS2(sec)。
获得tS1和tS2的平均值,则可以排除在管道202中样品气体流动的影响。在静止的样品气体中超声波传播时间tS由以下等式(4)定义。
tS=(tS1+tS2)/2 ....(4)然后微机226通过以下等式(5)来计算超声波在静止样品气体中的传播速度CS(m/sec)。
CS=LS/tS...(5)氧气浓度PS在等式(1)和(2)的基础上通过以下等式(6)求得。
PS=(κRTS/CS2-MN2)/(MO2-MN2) ...(6)此外,样品气体中的氧气浓度可以根据样品气体中的超声波传播速度与100%氧气和100%氮气中超声波传播速度的比例求得。也就是说,通过等式(1),可以很容易求出温度TS(K)下在100%的氧气中超声波的传播速度CO2(m/sec),和温度TS(K)下在100%的氮气中超声波的传播速度CN2(m/sec)。因此,设样品气体中超声波的传播速度为CS(m/sec),通过以下等式(7)可以计算PS。
PS=(1/CS2-1/CN22)/(1/CO22-1/CN22) ...(7)该运算可以通过微机126执行,并由显示单元134显示出结果。
接下来,将说明获得tS1和tS2的方法。在此关系中,本申请中第一或第二超声波换能器218或222发送超声波的时刻称为发射时间,而第一和第二超声波换能器218或222接收超声波的时刻称为超声波接收点。
图3A表示通过微机226接收到的典型超声波波形,图3B是周期3B所示的波形部分的放大。如图3A和3B所示,所述波形含有多种噪声成分,使得难以检测到在样品气体中传播的超声波的超声波接收点。因此,根据本发明,基于在波形的振幅充分增大到一定程度之后所测波形的零交叉时刻可估算出超声波接收点。为此,零交叉检测电路230包括零交叉比较器和触发器比较器。
参见图4,当波形向上超过预定级时,所述触发器比较器输出触发信号Sti给微机226。当波形向上越过零级时,所述零交叉比较器输出零交叉信号Zci给微机226。当微机226接收到第一触发信号Sti之后,该微机226就确定每个零交叉信号Zci作为零交叉时刻。优选地,微机226确定前三个零交叉信号作为第一到第三个零交叉时刻Zc1、Zc2和Zc3。
理论上各个零交叉时刻之间的间隔与超声波的周期相关。因此,沿着时间轴从第一个零交叉时刻Zc1追溯起,乘以超声波周期的整数倍,就可估算出超声波接收点,从而通过从超声波接收点减去发射时间和超声波周期的整数倍就可以估算出传播时间。
如上所述,超声波在静止气体中的传播速度C(m/sec)可以通过等式(1)得出。例如,超声波在20摄氏度下的纯氮气中的传播速度是349.1m/sec,在20摄氏度下的纯氧气中的速度是326.6m/sec。因此,在20摄氏度下,超声波在氧-氮气体混合物中的传播速度落在326.6到349.1m/sec的范围内。图5是表示超声波速度和气体温度之间关系的曲线图,其中超声波在氧-氮气体混合物中的传播速度的上限和下限分别表示为Cmax(T)和Cmin(T)。可能的传播时间范围为LS/Cmax(T)到LS/Cmin(T)。因此,如果选择传播长度LS满足以下关系(8),则仅有一个整数可以选择使得超声波接收点落入可能的传播时间范围内。
(LS/Cmin(T)-LS/Cmax(T))<1/f ...(8)其中f超声波在样品气体中的频率使(LS/Cmax(T)-LS/Cmin(T))具有最大值的气体温度T是工作温度的下限。如果工作温度是5摄氏度,并且超声波频率为40KHz,则满足关系式(8)的传播长度LS计算如下。
LS<12.3cm ...(9)根据该实施方案,采用了LS=0.1m作为一个实例。
为了获得超声波的传播时间tS,要预先测量向前和向后的传播时间tS1和tS2。参见图6,当向前和向后波形中的第二个波均超过触发级时,就产生了触发信号。在此情况下,触发信号在相对于波形的相同时间或相位时生成,并且在向前和向后波之间的零交叉时刻之差,A=ZcBi-ZcFi,基本上等于向前和向后波之间的传播时间tS1和tS2的差td(ZcFi向前波形的零交叉时刻,ZcBi向后波形的零交叉时刻,i=1,2,3...(波数量))。
然而,甚至在使用相同触发级时,触发信号Sti也通常在向前和向后波之间的不同波形相位处产生。参见图7,对于向前波来说,触发信号在第三个波超过触发级时生成,对于向后波来说,触发信号在第二个波超过触发级时生成。因此,向后波的触发信号比向前波的触发信号早一个周期生成。在这种情况下,向前和向后波之间的零交叉时刻之差,A=ZcBi-ZcFi,为负值。如果样品气体流经管道102,A=ZcBi-ZcFi一定不会是负值。因而,如果A=ZcBi-ZcFi为负值,很明显向后波的触发信号比向前波的触发信号生成早。
另一方面,参见图8,对于向前波来说,触发信号在第二个波超过触发级时生成。对于向后波来说,触发信号在第三个波超过触发级时生成。在这种情况下,向前和向后波之间的零交叉时刻差,A=ZcBi-ZcFi,大于该超声波的一个周期,表明向前波的触发信号比向后波的触发信号生成早。
根据本发明的实施方案,管道102设计成使向前和向后波之间的传播时间之差td总是落入一个超声波周期内。该特征使得微机226能够互相区分图7和8中所示的情况,并计算传播时间之差td。也就是说,如果A=ZcBi-ZcFi为负,则是图7中所示的情况,而如果A=ZcBi-ZcFi大于一个超声波周期,则是图8所示的情况。
因而,下面将描述具有上述特征的管道102的结构。
样品气体流速V(m/sec)的可能范围如下面不等式(10)所示。
0≤V≤Q/(60000π/r2) ..(10)其中Q样品气体的流量(litter/min)r管道内径(cm)如上所述,以相对于样品气流向前传播的超声波速度是C1=C+V,以相对于样品气流向后传播的超声波速度是C2=C-V。
其中C在静止气体中传播的超声波速度(m/sec)
C1相对于样品气流向前传播的超声波速度(m/sec)C2相对于样品气流向后传播的超声波速度(m/sec)V流速(m/sec)传播时间之差td由下列等式计算。
td=LS/C2-LS/C1=LS/(C-V)-LS/(C+V) ...(11)因此,如果管道102的内径满足以下关系式(12),则传播时间之差td将小于超声波周期。
LS/(C-Q/(60000π/r2))-LS/(C+Q/(60000π/r2))<1/f ...(12)当通过管道102的超声波速度最小时(C=Cmin(5摄氏度)=318.1m/sec),不等式(12)的左边项取得最大值。因此,例如,如果通过管道102的超声波频率是40(KHz),流量Q=10(litter/min)并且管道102的长度是10(cm),则管道102的内径r(mm)是r>2.05(mm)。根据本实施方案,选r=2.5(mm)作为一个实例。
接着,下面将详细描述测量样品气体的浓度和流量的方法。
首先,在图6所示的情况下,向前和向后波之间的传播时间差td根据A=ZcBi-ZcFi得到,因为正如以上所述,传播时间差td基本上等于差A=ZcBi-ZcFi是。在图7所示的情况下,传播时间差td根据B=ZcBi+1-ZcFi得到。另外,在图8所示的情况下,传播时间差根据B=ZcBi-ZcFi+1得到。优选地,获得多个A或B值以求算术平均值。
接下来,假设样品气体为静态,来估算样品气体中的超声波速度。为此,预先基于值A来确定触发信号输出结果中的相位差。如果没有相位差,如图6所示,向前和向后波形的第一零交叉时刻的平均值Zc_ave由以下等式计算。
Zc_ave=(ZcF1+ZcB1)/2 ...(13)在图7所示的情况下,向前和向后波形的第一零交叉时刻的平均值Zc_ave由以下等式计算。
Zc_ave=(ZcF1+ZcB2)/2 ...(14)在图8所示的情况下,向前和向后波形的第一零交叉时刻的平均值Zc_ave由以下等式计算。
Zc_ave=(ZcF2+ZcB1)/2 ...(15)假设超声波通过静态样品气体,则平均值Zc_ave可看成是所获得的第一零交叉时刻。Zc_ave在本申请中被称为基准零交叉时刻。
如上所述,管道102的长度设计成使得只能选择一个整数使超声波接收点落在可能的传播时间范围内(图9)。因此,沿着时间轴从第一个零交叉时刻Zc_ave追溯起,乘以超声波周期的整数倍直到超声波接收点落入可能的范围内,就可估算出超声波传播时间tS。
在静态样品气体中的超声波速度CS通过以下等式(16)估算。
CS=LS/tS...(16)氧浓度PS通过等式(6)或(7)与计算出的CS可获得。
在流经管道102的样品气体中的向前和向后传播时间tS1和tS2通过以下等式(17)和(18)估算。
tS1=tS-td/2 ...(17)tS2=tS+td/2 ...(18)在流经管道102的样品气体中的超声波向前和向后速度C1和C2通过以下等式(19)和(20)估算。
C1=LS/tS1...(19)C2=LS/tS2...(20)之后,通过等式(3)、(19)和(20)得到经过管道102的样品气体流速V。进一步,样品气体的流量Q由以下等式(21)计算。
Q=6000πr2V....(21)接者,参见图11到15,下面将描述优选实施方案的超声波浓度和流量测量设备。
超声波浓度和流量测量设备10包括提供图2实施方案的管道102的管道27。外壳25和26,用于封装第一和第二超声波换能器20和21,通过焊接部分41和42固定在管道27的两端。外壳25和26包括延长线垂直于管道27的口28和29,以提供图2实施方案中的入口和出口部分204a和206a。管道27和外壳25和26优选由相同的金属材料如铝合金制成。
管道27和外壳25和26通过螺栓45固定在基板30或氧浓缩设备外壳的一个位置上。这种结构使管道27在受到外力时可以自由地纵向形变,所述外力可能在该管道27热形变时产生。
盖23和24通过螺栓43和44与外壳25和26相连,使O型环39和40夹在外壳25和26与盖23和24之间,从而封闭该外壳的末端开口。第一和第二超声波换能器20和21与盖23和24的内表面相连。第一和第二超声波换能器20和21产生40KHz的超声波。
另外,用于检测气体温度的温度传感器37和38与盖23和24的内表面相连。第一和第二超声波换能器20和21与温度传感器37和38通过连接着盖23和24外表面的连接器31和34而连接到微机226上,电缆33和36与连接器32和35安装在基板30上。
第一和第二超声波换能器20和21的端面与管道27的对应端之间的距离D是重要设计内容。通常,来自超声波换能器的超声波所形成的声场包括近声场和远声场,如图12所示。超声波线性地传播通过近声场,而另一方面,在远声场中,其以球面波的形式传播。因此,如果管道27的末端超出了近声场,则与末端设置在近声场中的管道相比,管道27中发送的超声波能量会减少,并且因此使来自于换能器的信号的声/噪比减小。
众所周知,近声场和远声场之间的分界以点Z0表示,其与超声波换能器的端面沿着换能器的中心线的距离D由以下等式(22)表示。
D=f-r2/C ...(22)其中f在样品气体中的超声波频率(Hz)r管道内径(m)C超声波速度(m/sec)如上所述,在样品气体中的速度C由等式(1)表示。因此,气体温度越高并且分子量越小,速度C就越高。根据本实施方案,使Z0呈最大值的条件是,例如,样品气体是35摄氏度的空气,则Z0大约为1.4mm。
图13-15表示了由图11的设备所获得的超声波波形实验结果,其中距离d为0.3mm,1.0mm和1.8mm。该实验结果表明,当距离d为1.8mm时,与距离d为0.3mm和1.0mm的情况相比,由超声波换能器接收到的超声波能量显著降低。
权利要求
1.一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备,包括用于样品气体流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;发送-接收开关,用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式;设置在所述管道内的温度传感器,用于测量流经该管道的样品气体温度;所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向前的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向后的波形;所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向后的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向前的波形;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的装置;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的装置;传播时间计算装置,其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置,用于(1)基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围,(2)确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的,(3)如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致,(4)通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻,(5)减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点,以及(6)在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
2.根据权利要求1的超声波设备,其中第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离这样选择,使得在所述超声波设备可能的工作条件下,仅有一个减后结果落入所确定的可能的传播时间范围内。
3.根据权利要求2的超声波设备,其中第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离选择成满足以下关系(LS/Cmin(Tmin)-LS/Cmax(Tmin))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的下限;Cmax(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的上限。
4.根据权利要求1的超声波设备,其中所述管道的内径这样选择,使得在样品气体的工作条件下,所述向前和向后传播时间之间的差小于超声波的周期。
5.根据权利要求1的超声波设备,其中所述管道的内径选择成满足以下关系L/(Cmin(Tmin)-Qmax/(60000π/r2))-L/(Cmin(Tmin)+Qmax/(60000π/r2))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的下限Qmax样品气体流量的上限(litter/min)。
6.根据权利要求1的超声波设备,其中所述管道包括直线部分和与该直线部分垂直连接的垂直部分;所述第一和第二超声波发送-接收器设置在所述垂直部分以面对着所述直线部分的末端;并且所述第一和第二超声波发送-接收器与所述管道直线部分的相应末端之间的距离满足下述关系0<D<f-r2/C其中D所述第一和第二超声波发送-接收器与所述直线部分的相应末端之间的距离(m)f样品气体中的超声波频率(Hz)r管道的内径(m)C超声波的速度(m/sec)。
7.一种测量流经管道的样品气体浓度的方法,包括步骤生成相对于样品气体流动方向向前的超声波;生成相对于样品气体流动方向向后的超声波;测量流经管道的样品气体温度;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号;基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围;确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的;如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致;通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻;减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点;以及在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
8.根据权利要求7的方法,其中所述向前和向后的超声波通过设置在所述管道中的第一和第二超声波发送-接收器来发送和接收,第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离这样选择,使得在所述超声波设备可能的工作条件下,仅有一个减后结果落入所确定的可能的传播时间范围内。
9.根据权利要求8的方法,其中第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离选择成满足以下关系(LS/Cmin(Tmin)-LS/Cmax(Tmin))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的下限Cmax(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的上限。
10.根据权利要求7的方法,其中所述管道的内径这样选择,使得在样品气体的工作条件下,所述向前和向后传播时间之间的差小于超声波的周期。
11.根据权利要求7的方法,其中所述管道的内径选择成满足以下关系L/(Cmin(Tmin)-Qmax/(60000π/r2))-L/(Cmin(Tmin)+Qmax/(60000π/r2))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)样品气体中的超声波速度(m/sec)的下限Qmax样品气体流量的上限(litter/min)。
12.一种用于生成富氧气体的氧浓缩系统,包括通过吸收氮气以去除掉空气中的氮气从而生成富氧气体的氧浓缩设备;以及用于测定所述富氧气体中氧气浓度和该富氧气体流量的超声波设备,该超声波设备包括用于富氧气体接收和流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与所述第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;发送接收开关,用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式;设置在所述管道内的温度传感器,用于测量流经管道的富氧气体温度;所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向前的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向后的波形;所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向后的超声波,而当其处于接收模式时,基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超声波,则生成向前的波形;当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的设备;当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的设备;传播时间计算装置,其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置,用于(1)基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围,(2)确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的,(3)如果其彼此不一致,则处理该零交叉信号使其相位彼此一致,(4)通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻,(5)减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点,以及(6)在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
13.根据权利要求12的超声波设备,其中第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离这样选择,使得在所述超声波设备可能的工作条件下,仅有一个减后结果落入所确定的可能的传播时间范围内。
14.根据权利要求13的超声波设备,其中第一和第二超声波发射-接收器之间沿着所述管道的距离选择成满足以下关系(LS/Cmin(Tmin)-LS/Cmax(Tmin))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)富氧气体中的超声波速度(m/sec)的下限Cmax(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)富氧气体中的超声波速度(m/sec)的上限。
15.根据权利要求12的超声波设备,其中所述管道的内径这样选择,使得在富氧气体的工作条件下,所述向前和向后传播时间之间的差小于超声波的周期。
16.根据权利要求12的超声波设备,其中所述管道的内径选择成满足以下关系L/(Cmin(Tmin)-Qmax/(60000π/r2))-L/(Cmin(Tmin)+Qmax/(60000π/r2))<1/f其中f超声波在样品气体中的频率Cmin(Tmin)在最低工作温度Tmin下(摄氏度)富氧气体中的超声波速度(m/sec)的下限Qmax样品气体流量的上限(litter/min)。
17.根据权利要求12的超声波设备,其中所述管道包括直线部分和与该直线部分垂直连接的垂直部分;所述第一和第二超声波发送-接收器设置在所述垂直部分以面对着所述直线部分的末端;并且所述第一和第二超声波发送-接收器与所述管道直线部分的相应末端之间的距离满足下述关系0<D<f-r2/C其中D所述第一和第二超声波发送-接收器与所述直线部分的相应末端之间的距离(m)f样品气体中的超声波频率(Hz)r管道的内径(m)C超声波的速度(m/sec)
18.根据权利要求12的超声波设备,其中所述管道固定在氧浓缩设备的某位置上,使管道在受到外力时可以在所述直线部分的纵向上自由地热膨胀,所述外力可能在该管道热形变时产生。
19.一种用于生成富氧气体的氧浓缩系统,包含通过吸收氮气以去除掉空气中的氮气从而生成富氧气体的氧浓缩设备;以及用于测定所述富氧气体中氧气浓度和该富氧气体流量的超声波设备,该超声波设备包括用于被测浓度的目标气体流动的管道;安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器;安装在所述管道内与所述第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器;所述管道包括直线部分和与该直线部分垂直连接的垂直部分;所述第一和第二超声波发送-接收器设置在所述垂直部分以面对着所述直线部分的末端;并且所述第一和第二超声波发送-接收器与所述管道直线部分的相应末端之间的距离满足下述关系0<D<f-r2/C其中D所述第一和第二超声波发送-接收器与所述直线部分的相应末端之间的距离(m)f样品气体中的超声波频率(Hz)r管道的内径(m)C超声波的速度(m/sec)。
20.根据权利要求19的氧浓缩系统,其中所述直线部分的内径小于第一和第二超声波换能器的外径。
21.根据权利要求19的氧浓缩系统,其中所述管道通过装置固定在氧浓缩设备上,所述装置使得受到外力时所述直线部分可以自由地发生纵向形变,所述外力可能在该管道热形变时产生。
22.根据权利要求19的氧浓缩系统,其中所述管道固定在氧浓缩设备的某位置上,使管道在受到外力时可以在所述直线部分的纵向上自由地热膨胀,所述外力可能在该管道热形变时产生。
全文摘要
一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备,其基于气体温度计算可能的传播时间范围,确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致,所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的,处理该零交叉信号使其相位彼此一致,通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻,减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围,从而获得超声波接收点;以及在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。
文档编号G01N29/02GK1777791SQ20048001042
公开日2006年5月24日 申请日期2004年4月20日 优先权日2003年4月21日
发明者藤本直登志 申请人:帝人制药株式会社
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