专利名称：一种分析氧气浓度和流速的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及氧气分析技术，具体地说是一种利用超声波分析 氧气浓度和流速的装置。
背景技术：
制氧机的主要用途是将空气中的氮气和二氧化碳分离出去，再根
据需要输出不同浓度的氧气用于医疗、航天、焊接等领域；例如，分 子筛制氧机可以输出浓度高达95. 7%的氧气，但仍有4. 3%的氩气不 能过滤。因此，制氧机在实际应用中需要监测输出氧气的浓度和流速， 特别对于医疗领域的应用，供给病人高浓度、流速恒定的氧气是至关 重要的。目前，现有的监测输出氧气浓度和流速的装置，釆用传感器 的方式，该类传感器主要以氧化锆为主要原料，釆用电化学方法监测 氧气浓度，但却不能同时测量氧气的流速；这种方法存在的最大问题 是随着使用时间的增加，化学物质的化学性能会发生变化，进而导致 测量准确度的下降，就需要对用户的氧气传感器重新进行浓度标定或 直接更换传感器，增加了机器的售后维护费用，而且影响用户的使用。 随着科技的发展，逐渐出现了利用超声波来监测氧气。超声波是 指频率高于20KHz的机械波，它的好处是可以避免信号釆集过程外周 声音对信号的影响。为了以超声波作为检测手段，釆用了超声波传感 器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器 和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作 用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，
即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；在收到回波的时
候，则将超声振动转换成电信号。现有利用超声波监测氧气的装置， 其腔体内设置的传感器之间距离太短，而声波传导时间又很快，所以 容易产生较大的误差。同时，其腔体结构的目的是为了保持腔内气体 恒定，是作为一个气道旁路来监测氧气浓度的，釆样的气体量比较少， 也会产生与实际相差较大的误差。再有，现有利用超声波也只能监测 氧气的浓度，而不能同时测量氧气的流速。
实用新型内容
为了解决利用超声波不能同时监测氧气浓度和流速、监测误差大 的问题，本实用新型的目的在于提供一种可连续分析氧气浓度和流速 的装置。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的
本实用新型包括传感器单元及信号处理控制电路，所述传感器单 元包括两端分别安装有电路板的容器，容器内开有容器内腔，在容器 内、容器内腔外部分别设有入、出口外腔，两者通过容器内腔相连通, 容器上分别开有入气口及出气口，分别与入、出口外腔相连通；两块 电路板上分别安装有超声波换能器，两个超声波换能器对称设置在容 器内腔的两端口；其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线设有 温度传感器，温度传感器插设于容器内腔内；两个超声波换能器分别 与信号处理控制电路电连接。
其中所述容器内腔为圆柱形，其两端口的轴向截面为梯形，超 声波换能器插设于其内，在超声波换能器与容器内腔的端口内壁之间 留有供气体通过的缝隙；所述容器为圆柱形，入口外腔及出口外腔沿 容器内腔外部的圆周方向分别设置，入、出口外腔的彼此相邻端均为 封闭端，另一端通过容器内腔相连通；所述超声波换能器为圆柱形， 固接于电路板的内表面；带有温度传感器的电路板设有四个引腿，另 一个设有两个引腿；电路板上开有定位槽，容器端面上的凸块容置于 其内；容器的长度为ll厘米；容器两端的电路板与容器密封连接。
本实用新型的优点与积极效果为
1. 本实用新型的分析装置结构紧凑，无需例行维护更换元件， 而且标定简单。
2. 装置安装方便，电路板与容器定位准确；对浓度变化响应速 度快，节省能源。
3. 本实用新型流入容器内的气体，经过入口外腔的缓冲作用， 消除了被测氧气的层流，气体介质流入稳定。
图l为本实用新型传感器单元整体结构示意图2为图l中带有温度传感器的超声波换器电路板的结构示意
图3为本实用新型待测气体流向示意图；图4为本实用新型传感器单元装配图5为本实用新型电路框图6为本实用新型的程序流程其中，l为传感器单元，2为容器，3为出口外腔，4为第一电路 板，5为第二电路板，6为第一超声波换能器，7为第二超声波换能 器，8为温度传感器，9为入气口， IO为出气口， ll为入口外腔，12 为容器内腔，13为长管腿引线，14为定位槽，15为引腿，16为凸块。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。
如图l、图3及图4所示，本实用新型包括传感器单元l及信号 处理控制电路。传感器单元1包括容器2及安装在容器2两端的第一、 二电路板4、 5，本实施例的容器2为圆柱形，长ll厘米；容器2内 开有圆柱形的容器内腔12,其两端口的轴向截面为梯形；在容器2 内、分别设有入、出口外腔11、 3,两者沿容器内腔12外部的圆周 方向分别设置，入、出口外腔ll、 3的彼此相邻端均为封闭端，另一 端通过容器内腔12相连通;容器2上分别开有入气口 9及出气口 10, 分别与入、出口外腔ll、 3相连通。如图2所示，第一、二电路板4、 5上分别安装有第一、二超声波换能器6、 7,超声波换能器为圆柱形， 固接于电路板的内表面；其中第一超声波换能器上通过长管腿引线 13设有温度传感器8;第一、二超声波换能器6、 7对称设置在容器 内腔12的两端口 ，在超声波换能器与容器内腔12的端口内壁之间留 有供气体通过的缝隙；温度传感器8由容器内腔12的一端伸入其内 部。第一电路板4上对应长管腿引线13设有四个引腿，第二电路板 5上设有两个引腿；第一、二电路板4、 5上均开有定位槽14,当第 一、二电路板4、 5向容器2端面安装时，容器2端面上的凸块16可 先容置于定位槽14内定位，再通过紧固螺钉把紧。第一、二电路板 4、 5与容器2密封连接，以避免被测气体泄漏，影响分析结果。，第 一、二超声波换能器6、 7的接线端子分别与信号处理控制电路的传 感器信号输入端相连。所述信号处理控制电路包括微处理器、切换网 络、接收单元及发射单元，具体连接在信号处理控制电路中第一、 二超声波换能器的信号输入端都与切换网络相连，切换网络由微处理 器发出的控制信号所控制，控制其通道切换；切换网络连接着接收单 元和发射单元，通过接收单元把处理好信号送给微处理器，而微处理器控制发射单元产生lOOus窄脉冲激励；微处理器还连接有温度传感 器。
本实用新型装置的分析方法
用与信号处理控制电路相连接的发射单元控制其中一个超声波 换能器发射超声波，另外一个超声波换能器接收，用信号处理控制电 路上的切换网络切换控制超声波换能器的发射与接收，同时用温度传 感器测量出该时刻氧气的温度T，接收单元将信号送至微处理器，得 到超声波在被测氧气中相对于气体流向的正向传导时间t f及反向传 导时间L;再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q;
其中被测氧气浓度的计算式为P = Cl (丄)(^~)2 + C2T
r tf + tr
+ C3,其中Cl、 C2、 C3为传感器单元的常数，T为被测氧气的温度； 被测氧气流速的计算式为Q = ABS(C4(tr- U) +C5,其中C4、
C5为传感器单元的常数。
信号处理控制电路上的微控制器每隔一秒通过发射单元经切换 网络给其中 一个超声波换能器一个1 OOus窄脉冲激励，同时启动微控 制器以12MHz频率的时钟源做计数单元的时钟源，启动计数功能。
本实用新型的工作原理为
如图3所示，被测氧气流向以图中箭头所示，被测氧气由入气口 9流入传感器单元1内，由于容器内腔12端口内壁轴向截面为梯形 的设计，气体沿倾斜的端口内壁平衡进入容器内腔；经过入口外腔 11的缓冲作用，消除了待测氧气的层流，稳定的气体介质流入容器 内腔12,再经出口外腔3由出气口 3流出，从机械构造上保证了稳 定的气源。
信号处理控制电路上的微处理器16在以每秒一次频率控制发射 单元经切换网络给第一超声波换能器6 —个100us窄脉冲激励，超声 波换能器的频率选在40kHz,同时启动微控制器以12MHz频率的时钟 源做计数单元的时钟源，启动计数功能；当第二超声波换能器7接收 到信号后，将信号经切换网络给接收单元进行放大、滤波后送到微处 理器，记下当前的累计记数，即为正向传导时间tf;同时，信号处 理控制电路的微处理器控制发射单元经切换网络启动第二超声波换 能器7 —个100us窄脉冲激励，这时切换网络已把第一超声波传感器 6改为接收状态，第二超声波传感器7改为发射状态，当第一超声波
6传感器6接收到信号，信号经切换网络给接收单元进行放大、滤波后 送到微处理器，记下当前的累计记数，即为反向传导时间tr。同时 微控制器通过温度传感器8测量出该时刻气体的温度T。本实施例的
Cl为-6. 01、 C2为-0. 273、 C3为824. 4，这时如果tf为0. 002622秒， tr为0. 0026372秒，常温下25° C，可经公式P = Cl (丄)(_1_)2 +
r tf + tr
C2T + C3，计算出被测氧气浓度为94.5% ;釆用C4为107568, C5 为0.23,由公式Q = ABS(C4(tf- U) +C5,可得出被测氧气流速为 1. 865L/min。
由于本实用新型采用了声波在不同的密度气体中传播速度是与 气体的分子量、温度有关原理，避免了釆用化学方法监测氧浓度中化 学物质化学性能发生变化而导致测量准确度的下降；在控制中采用了 正、反向传导测试，避免了由于气体的流速所产生的多普勒效应；同 时也由于利用了多普勒效应，通过气体的正、反传导时间差推出了气 体流速与时间的关系，采用正、反向传导也有缩短装置的好处。 、本实用新型通，微控制器切换控制第一口、 、二超p声波换能曰器6、 7口，
传导时间，通过温度传感器8获得气体温度信息，正反方向传导时间 之和在温度不变的情况下与气体浓度成一定函数关系(参见浓度计算 式)，同时通过温度补偿，可以获得不同温度下气体传导时间之和与 浓度的关系。而正反方向传导时间的差是与气体的流速成线性关系 (参加流速计算式)，这样通过函数关系可以同时计算出被测氧气的 浓度和流速。本实用新型可用于医疗、环境检测等领域，例如用于监 测病人吸氧的氧气浓度和流速；本实用新型还可用于分析其他气体的 浓度和流速。
权利要求1. 一种分析氧气浓度和流速的装置，包括传感器单元及信号处理控制电路，其特征在于所述传感器单元(1)包括两端分别安装有电路板的容器(2)，容器(2)内开有容器内腔(12)，在容器(2)内、容器内腔(12)外部分别设有入、出口外腔(11、3)，两者通过容器内腔(12)相连通，容器(2)上分别开有入气口(9)及出气口(10)，分别与入、出口外腔(11、3)相连通；两块电路板上分别安装有超声波换能器，两个超声波换能器对称设置在容器内腔(12)的两端口；其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线(13)设有温度传感器(8)，温度传感器(8)插设于容器内腔(12)内；两个超声波换能器分别与信号处理控制电路电连接。
2. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述容器内腔(12)为圆柱形，其两端口的轴向截面为梯形，超 声波换能器插设于其内，在超声波换能器与容器内腔(12)的端口内 壁之间留有供气体通过的缝隙。
3. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述容器(2)为圆柱形，入口外腔(11)及出口外腔(3)沿容 器内腔(12)外部的圆周方向分别设置，入、出口外腔(11、 3)的 彼此相邻端均为封闭端，另一端通过容器内腔(12)相连通。
4. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述超声波换能器为圆柱形，固接于电路板的内表面；带有温度 传感器(8)的电路板设有四个引腿，另一个设有两个引腿。
5. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述电路板上开有定位槽(14),容器(2)端面上的凸块(16) 容置于其内。
6. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述容器(2)的长度为ll厘米。
7. 按权利要求1所述的分析氧气浓度和流速的装置，其特征在 于所述容器(2)两端的电路板与容器(2)密封连接。
专利摘要本实用新型涉及氧气分析技术，具体地说是一种利用超声波分析氧气浓度和流速的装置，包括传感器单元及信号处理控制电路，所述传感器单元包括两端分别安装有电路板的容器，容器内开有容器内腔，在容器内、容器内腔外部分别设有入、出口外腔，两者通过容器内腔相连通，容器上分别开有入气口及出气口，分别与入、出口外腔相连通；两块电路板上分别安装有超声波换能器，两个超声波换能器对称设置在容器内腔的两端口；其中任意一个超声波换能器上通过长管腿引线设有温度传感器，温度传感器插设于容器内腔内；两个超声波换能器分别与信号处理控制电路电连接。本实用新型具有结构紧凑、标定简单、安装方便，电路板与容器定位准确等优点。
文档编号G01N29/024GK201237583SQ20082001315
公开日2009年5月13日 申请日期2008年5月26日 优先权日2008年5月26日
发明者宾 仇, 傅佳萍, 叶普鑫, 琦 吴, 吴振军, 张玉谦, 王乾隆, 越 简, 锋 陈, 勇 黄 申请人:沈阳新松维尔康科技有限公司