超声波气体传感器的制作方法

本实用新型涉及到一种能对超低流量气体的流量或/和气体中各组成成分的浓度等进行测量的超声波气体传感器。

背景技术：

超声波气体传感器主要用于测量气体的流量大小、方向以及混合气体中各气体组分的含量（也称为浓度）。

目前广泛使用的超声波气体传感器，其结构主要包括：一个用以容纳待测气体的密闭的气室，所述气室包括两端封闭的空心管，第一超声波换能器和第二超声波换能器以设定的距离分别安装在气室的两端，在靠近空心管两端的侧壁上分别设置有一个通气口，待测气体能从一个通气口进入气室，并从另一个通气口流出气室；还包括一个连到第一超声波换能器和第二超声波换能器的气体测量控制系统，气体测量控制系统能选择性地激励任一个超声波换能器发出超声波信号、并能接收和处理另一个超声波换能器所接收到的信号。气体测量控制系统使第一超声波换能器发射一个给定频率的第一声波，第一声波穿过气室内待测气体后被第二超声波换能器接收，第一声波从发射到被接收的时间记为第一传播时间；然后气体测量控制系统使第二超声波换能器发射一个同样频率的第二声波，第二声波穿过气室内待测气体后被第一超声波换能器接收，第二声波从发射到被接收的时间记为第二传播时间。第一传播时间和第二传播时间与气室内待测气体的平均分子量、气室内的温度、气室内待测气体的流动方向和速度、以及二个超声波换能器之间的距离有关。气体测量控制系统中的接收电路对接收到的信号进行放大，通过对放大后的接收信号采用峰值振幅检测的手段来测定第一传播时间和第二传播时间。

当气室内的待测气体不流动时，气体测量控制系统中的微处理器能利用第一传播时间或第二传播时间来测算出待测气体的平均分子量，若待测气体是二元混合气体，还可进一步测算出待测气体中各气体的含量（即各气体的浓度）。

当气室内的待测气体以一定的速度向某一方向流动时，气体测量控制系统则能利用所测量到的第一传播时间和第二传播时间来测算出二者之间的时间差值，并进一步测算出待测气体流量的大小、流量方向，若待测气体是二元混合气体，同样还可进一步测算出待测气体中各气体的含量（即各气体的浓度）。

由于温度对超声波的传播速度会产生影响，因此为了提高测量精度，在气室中还常常设置有温度传感器。气体测量控制系统采集超声波传播时的温度值，并根据该温度值来修正最终的检测结果。

上述结构和原理的超声波气体传感器具有以下特点：精度高、寿命长、稳定性好、反应迅速、检测周期短、能测量气体浓度、或者既能测量气体浓度又能测量气体流量的大小及方向。

目前，在超声波气体传感器领域，为了能对更小流量（如流量为50～200毫升/分钟）的气体进行测量，理论上可行的技术思路主要有以下几条，但这些技术思路却都遇到了难以具体实施的困难，详述如下。

一、提高检测电路的时间分辨率。

提高检测电路的时间分辨率是最直接可行、最容易想到的方案。采用这样的方案，对传感器气室的结构无需做任何改进，信号的强度与正常检测相当。

但是这种方案存在如下缺点：一、需要采用高成本的时间检测元件，会增大产品的成本。二、虽然提高检测电路的时间分辨率理论上可以提高流量的检测精度，但是，传感器结构的对称性、超声波换能器性能的一致性也对传播时间差的检测带来重大影响。当流量量程降到超低流量的50～200毫升/分钟时，在结构不变的情况下，由于正、反二个方向传播时间之间的时间差值大幅度减小，各种原因导致的不对称性和超声波换能器性能的不一致性所带来的偏差远远超过时间分辨率的限制，成为检测精度难以提升的主要障碍。

二、增加两个换能器之间的间距。

正、反二个方向传播时间之间的时间差值与二个超声波换能器之间的间距成正比，因此，增加二个超声波换能器之间的间距可以达到提高流量检测精度的目的。

但是，增加二个超声波换能器之间的间距会增加超声波的衰减。而且，间距的增加也是有限制的；这是因为：由气体分子量和气体温度变化所导致的超声波在两个换能器间的传播时间的变化，不能超过超声波的周期时间，二个超声波换能器之间的间距越大，上述气体分子量和气体温度所导致的传播时间的变化就越大。

三、降低检测管道的横截面积。

管道内的气体流量等于气体流速与管道横截面积的乘积。为了在现有的时间分辨率下检测更低的气体流量，需要提升气体的流速。在气体流量一定的情况下，通过降低管道的横截面积，可以增大气体的流速，从而达到增大正、反二个方向传播时间之间的时间差的目的。但这种改进也是有限的。因为，大比例降低检测管道的横截面积会使在其中传播的超声波信号大幅衰减，接收端的信号强度大幅降低，导致无法正常检测。因此，在当前所知的超声波气体传感器设计中，为了尽可能地减少超声波在传播过程中的衰减，通常要求圆柱形空心管的内径与超声波在所检测气体中的波长大致相当或者大于此波长，最好为波长的1～2倍。

技术实现要素：

基于上述原因，本实用新型的目的是提供一种能够准确测量超低流量气体（如流量为50～200毫升/分钟）的超声波气体传感器。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案的主要技术原理如下。

首先，为了尽可能利用超声波换能器所发射的超声波能量，在空心管两端分别形成大管径段用以安装超声波换能器，空心管中间部分的管径则小于两端的大管径段而形成小管径段，并且当小管径段横截面积小于等于超声波换能器的发射端面积的四分之一时，靠近超声波换能器的中间管道不是一下子缩小到最终的中间管道尺寸，而是存在一个过渡结构，由超声波换能器发射端面大小过渡到最终的中间管道尺寸。过渡结构可以采用直线形或曲线形的喇叭形体进行过渡，以尽量利用超声波换能器所发射的超声波信号能量。其次，采用多脉冲驱动发射，多个超声波脉冲在气室管道内叠加会形成驻波，叠加的驻波会增强接收信号，从而可使小管径情况下的信噪比得到大大改善。综合采取上述创新措施之后，接收端的信噪比得到了很大改善，这使得利用超声波气体传感器实现对超低流量的气体进行检测成为可能。

下面详述为实现本实用新型的实用新型目的所采用的技术方案。

所述的超声波气体传感器，包括：一个用以容纳待测气体的密闭的气室，所述气室包括一根两端封闭的空心管，空心管两端分别形成大管径段用以安装超声波换能器，空心管中间部分的管径则小于两端的大管径段而形成小管径段，第一超声波换能器和第二超声波换能器以设定的距离分别安装在气室的两端，在靠近空心管两端的侧壁上分别设置有一个通气口，待测气体能从一个通气口进入气室，并从另一个通气口流出气室；还包括一个气体测量控制系统，所述气体测量控制系统包括：分别连到二个超声波换能器并能选择性激励一个超声波换能器发出超声波、而另一个超声波换能器接收超声波的切换开关网络，一个连到切换开关网络的微处理器，连到切换开关网络和微处理器的发射电路和接收处理电路；微处理器通过发射电路和切换开关网络激励第一超声波换能器发出给定频率的第一声波，第一声波穿过气室内的待测气体，第二超声波换能器则接收到该第一声波信号，从第一声波开始发射到被接收的时间为第一传播时间；然后，等第一声波在气室内经过阻尼振荡消失以后，微处理器通过发射电路和切换开关网络激励第二超声波换能器发出与第一声波同样频率同样脉冲数的第二声波，第二声波穿过气室内的待测气体，第一超声波换能器则接收到该第二声波信号，从第二声波开始发射到被接收的时间为第二传播时间；微处理器根据第一传播时间和第二传播时间来测算出气体的流量和／或待测气体中气体组成的含量；其特点是：所述的第一声波和第二声波均为多脉冲声波，而且第一声波和第二声波在穿过气室时分别会在气室内形成驻波；两个超声波换能器之间的管道等效横截面积不大于以第一声波波长为直径的圆面积的四分之一；并且，当小管径段横截面积不大于超声波换能器的发射端面积的四分之一时，空心管两端的大管径段分别通过一个喇叭形体平滑过渡到空心管中间的小管径段。

上述管道等效横截面积是指：假设有两个超声波气体传感器，它们所采用的空心管的管道结构不同，但第一个超声波气体传感器中的二个超声波换能器之间的间距与第二个超声波气体传感器中的二个超声波换能器之间的间距相等，并且第一个超声波气体传感器中空心管的管道横截面积是变化的，第二个超声波气体传感器中空心管的管道横截面积不变——比如采用圆柱形管道，当同样流量和流速的气体流经这两个超声波气体传感器中的管道时，若两个超声波气体传感器的正、反两个方向的传播时间差相同，则第二个超声波气体传感器的管道横截面积被称为第一个超声波气体传感器的管道等效横截面积。

另外，这里需要与美国专利US8,584,531《包括一个哑铃型流量管以增加气体流速的超声波气体流量测量装置（Ultrasonic gas flow measurement device including a dumbbell-shaped flow tube to increase gas flow speed）》中的哑铃型管设计区别开来。

在美国专利US8,584,531中，其中的第一椎体和第二椎体的作用是：第一、使流经的气流平滑，减少湍流对超声波信号的干扰；第二、减少回声干扰，为此，该专利的技术方案中必须在椎体的内表面覆盖一层静音材料。

而在本实用新型中，由于所检测的超低流量气体（如流量低至50～200毫升/分钟）的湍流对超声波信号的干扰可以忽略不计，无需借助椎体部分来平滑气流。

其次，在本实用新型中，由于实际所需的小管径段管道横载面积通常会小于超声波换能器的发射端面积，如果中间管道直接缩减到最终所需的尺寸，那么，超声波换能器的发射端面将直接面对与发射端面平行且仅有一小孔的中间管道端面，这样所发射的大部分超声波能量将被直接反射回去并阻尼衰减，没有得到利用。本实用新型中采用喇叭形体过渡结构后，能使所发射的超声波信号在斜面引导下进入中间小管径段管道，超声波信号的利用率得到了明显提高。为了尽量利用发射到喇叭形体斜面上的超声波信号，该喇叭形体内表面不但不能覆盖静音材料，反而需要采用反射能力更强的坚硬光滑表面来尽可能将发射到其上的超声波信号反射、引导到气室管道中去，并最终抵达接收换能器。由此可见，本实用新型中的喇叭形体部分与美国专利US8,584,531中的锥体部分的最终用途和目的是截然不同的。

此外，特别重要的是，美国专利US8,584,531中认为，由于“用户所要测量的气体的流量都比较小且流速低”，因此，其目的是“提供一种超声波气体测量装置，它通过一个哑铃型管增加气体流速，从而减少了气体管路长度，从而精确计算气体流速和分子量”。可见，该美国专利US8,584,531文件中并没有明确记载如何对超低流量（如50～200毫升/分钟）的气体进行准确测量的技术方案，实用新型者仅仅是通过其实用新型，在减少现有超声波气体传感器气体管路长度和体积的同时，尽量保持超声波气体传感器原来所具有的精度而不降低。

而本实用新型的目的则是为了研制出一种能够测量超低流量气体的超声波气体传感器，并且取得了全新的技术效果：流量量程只有现有产品流量量程的1/50左右，其零点精度也达到现有产品零点精度的10～50倍左右。因此，本实用新型和美国专利US8,584,531的实用新型目的、采用的技术方案、以及所获得的技术效果均具有实质性的区别，属于二种完全不同的技术方案。

进一步的，前述的超声波气体传感器，其中，接收处理电路对接收到的信号进行限幅放大，并用一屏蔽信号与经过限幅放大后的接收信号进行“或”或“与”运算，屏蔽信号能屏蔽掉接收信号包络中的小振幅部分，从而检测出接收信号包络中大振幅部分的脉冲的到达时间。优选地，所述的接收信号包络中的小振幅部分为至少小于接收信号包络最大峰值60%的部分。

在实际工作中，屏蔽信号若为高电平信号，则屏蔽信号与限幅放大后的接收信号进行“或”运算；屏蔽信号若为低电平信号，则屏蔽信号与限幅放大后的接收信号进行“与”运算。通过对限幅放大后的接收信号的包络前段振幅较小的部分进行屏蔽，使微处理器只在接近包络最大振幅处才开始检测，从而大大降低噪声等干扰信号对检测结果的影响，大大提高信噪比，确保传感器的检测精度和抗干扰性能。

进一步的，前述的超声波气体传感器，其中，通过采用使超声波换能器两电极的电平同时交替切换的方法来激励超声波换能器发出超声波信号。在实际工作中，可以通过提高超声波换能器驱动信号的电压值，使发射功率更大；也可以采用使超声波换能器两电极的电平同时交替切换的方法来提高超声波的发射强度；还可以采用上述二种方法的组合等形式来提高超声波的发射强度。

在常规的超声波换能器驱动方式中，超声波换能器两电极中的一个电极始终连接到低电平，而另一个电极则交替加上高低电平脉冲，以此来驱动超声波换能器发射超声波。而本实用新型所述超声波换能器两电极电平同时交替切换的方法，则是在每个驱动信号周期的前半周，第一个电极加上高电平，第二个电极加上低电平；而在每个驱动信号周期的后半周，第一个电极切换到低电平，第二个电极切换到高电平。在这种方式下，使用同样的驱动电平，超声波换能器能发射出更强的超声波。

进一步的，前述的超声波气体传感器，其中，还设置有用以检测待测气体温度的温度传感器，温度传感器设置在空心管内腔壁上的凹槽中或者设置在通气口中，温度传感器连到微处理器，微处理器能根据温度传感器的温度数据来修正测算结果。

进一步的，前述的超声波气体传感器，其中，当空心管上设置有二个喇叭形体时，二个通气口分别设置在空心管上的二个喇叭形体上。

进一步的，前述的超声波气体传感器，其中，空心管中的大管径段和小管径段均为圆柱体形状，所述的喇叭形体为圆台体形状。

本实用新型的有益效果是：采用本实用新型所述的技术方案，可以将超声波气体传感器的流量零点精度从目前的±100~200毫升/分钟提高到±2~10毫升/分钟，从而能将超声波气体传感器的气体流量检测范围扩大到流量为50~200毫升/分钟的超低流量领域。由于超声波气体传感器原本就具有精度高、寿命长、稳定性好、反应迅速、检测周期短、可同时测量气体浓度和气体流量的大小及方向等优点，新拓展的超低流量检测能力将让超声波气体传感器在医疗、工业、科学研究等领域得到更广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型所述的超声波气体传感器的结构原理示意图。

图2是本实用新型中涉及到的信号波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本实用新型所述的技术方案作进一步的说明，但本实用新型并不仅限于以下的实施例。

如图1、图2所示，本实用新型所述的超声波气体传感器，包括：一个用以容纳待测气体的密闭的气室5，所述气室5包括一根两端封闭的空心管1，在靠近空心管1两端的侧壁上分别设置有一个通气口，即第一通气口141和第二通气口142，在实际工作中，可以根据需要使待测气体从第一通气口141进入气室5，并从第二通气口142流出气室5，同样的，待测气体也能从第二通气口142进入气室5，并从第一通气口141流出气室5，第一超声波换能器21和第二超声波换能器22以设定的距离分别安装在气室5的两端，空心管1两端分别形成大管径段用以安装超声波换能器，即：空心管1的左端设有用以安装第一超声波换能器21的左大管径段121、右端设有用以安装第二超声波换能器22的右大管径段122，空心管1中间部分的管径则小于两端的大管径段而形成小管径段11，还包括一个气体测量控制系统，所述气体测量控制系统包括：分别连到第一超声波换能器21和第二超声波换能器22并能选择性激励一个超声波换能器发出超声波、而另一个超声波换能器接收超声波的切换开关网络3，一个连到切换开关网络3的微处理器7，连到切换开关网络3和微处理器7的发射电路8和接收处理电路6；微处理器7通过发射电路8和切换开关网络3激励第一超声波换能器21发出给定频率的多脉冲的第一声波，第一声波穿过气室5内的待测气体并在气室5内形成驻波，第二超声波换能器22则接收到该第一声波信号，从第一声波开始发射到被接收的时间为第一传播时间；然后，等第一声波在气室5内经过阻尼振荡消失以后，微处理器7通过发射电路8和切换开关网络3激励第二超声波换能器22发出与第一声波同样频率同样脉冲数的第二声波，第二声波穿过气室5内的待测气体并在气室5内形成驻波，第一超声波换能器21则接收到该第二声波信号，从第二声波开始发射到被接收的时间为第二传播时间；微处理器7根据第一传播时间和第二传播时间来测算出气体的流量和／或待测气体中气体组成的含量；第一超声波换能器21和第二超声波换能器22之间的管道等效横截面积不大于以第一声波波长为直径的圆面积的四分之一；并且，当小管径段横截面积不大于超声波换能器的发射端面积的四分之一时，空心管两端的大管径段分别通过一个喇叭形体平滑过渡到空心管中间的小管径段，即：左大管径段121通过一个左喇叭形体131平滑过渡到空心管的小管径段11的左端，右大管径段122通过一个右喇叭形体132平滑过渡到空心管的小管径段11的右端。并且，二个通气口分别设置在空心管上的二个喇叭形体上，本实施例中，第一通气口141设置在左喇叭形体131上，第二通气口142设置在右喇叭形体132上。上述的第一声波和第二声波的驱动脉冲如图2中的A波形所示，上述驻波信号的包络波形参见图2中的B波形所示。本实施例中，空心管中的大管径段和小管径段均为圆柱体形状，即：左大管径段121和右大管径段122、以及小管径段11均为圆柱体形状，所述的喇叭形体为圆台体形状，即：左喇叭形体131和右喇叭形体132均为圆台体形状。

在实际工作中，与传统的超声波气体传感器一样，当气室内的待测气体不流动时，微处理器能利用第一传播时间或第二传播时间来测算出待测气体的平均分子量，若待测气体是二元混合气体，还可进一步测算出待测气体中各气体的含量（即各气体的浓度）。当气室内的待测气体以一定的速度向某一方向流动时，微处理器则能利用所测量到的第一传播时间和第二传播时间测算出二者之间的时间差值，并进一步测算出待测气体流量的大小、流量方向，若待测气体是二元混合气体，同样还可进一步测算出待测气体中各气体的含量（即各气体的浓度）。

本实施例中，接收处理电路6对接收到的信号进行限幅放大，并用一屏蔽信号与经过限幅放大后的接收信号进行“或”或“与”运算，以屏蔽掉接收信号包络中的小振幅部分，从而检测出接收信号包络中大振幅部分的脉冲的到达时间。优选地，所述的接收信号包络中的小振幅部分为至少小于接收信号包络最大峰值60%的部分。上述的限幅放大后的接收信号参见图2中的C波形所示，上述的屏蔽信号参见图2中的D波形所示，微处理器7接收到的屏蔽后的接收信号参见图2中的E波形所示。

本实施例中，屏蔽信号采用高电平脉冲信号，屏蔽信号与激励超声波换能器的超声波信号同步发出，图2中的虚线表示发射驱动的开始时刻；屏蔽信号与限幅放大后的接收信号进行“或”运算，并且屏蔽信号屏蔽掉接收信号包络前段中的小振幅部分。该小振幅部分为至少小于接收信号包络最大峰值60%的部分，实际操作中可将小于接收信号包络最大峰值80%的包络前段部分都进行屏蔽。通过对限幅放大后的接收信号的包络前段振幅较小的部分进行屏蔽，使微处理器7只在接近包络中段最大振幅处才开始检测，从而大大降低噪声等干扰信号对检测结果的影响，大大提高信噪比，确保传感器的检测精度和抗干扰性。

由于设置了屏蔽信号来屏蔽掉接收信号包络中的小振幅部分，因此，微处理器7所检测到的接收信号包络中大振幅部分的脉冲的到达时间与超声波信号的实际传播时间之间会存在一个固定延时，即：微处理器7所检测到的传播时间是一个带有固定延时的传播时间。由于超声波气体传感器标定时，两个超声波换能器之间的距离、气体温度、以及气体分子量都是确定的，实际传播时间也因此可以计算确定。在标定时指定屏蔽信号后出现的脉冲群中的某个脉冲作为将要检测的脉冲，则此脉冲的到达时间与实际传播时间的固定延时就被确定下来。实际检测时，用此脉冲的到达时间减去上述固定延时，就得到了超声波信号的实际传播时间。

本实施例中，为提高超声波信号的发射强度，通过采用使超声波换能器两电极的电平同时交替切换的方法来激励超声波换能器发出超声波信号。在实际工作中，也可以通过提高超声波换能器驱动信号的电压值，使发射功率更大；还可以采用上述二种方法的组合等形式来提高超声波的发射强度。

本实施例中，考虑到温度对超声波的传播速度会产生影响，因此为了提高测量精度，还设置有用以检测待测气体温度的温度传感器4，温度传感器4可以设置在空心管1内腔壁上的凹槽中或者设置在任一个通气口中，温度传感器4连到微处理器7，微处理器7能根据温度传感器4的温度数据来修正测算结果。

在实际制作中，可优选将温度传感器4安装在任一个通气口中。采用这种设置方式，有助于缩短两个超声波换能器之间的间距，进而缩小整个气体传感器的尺寸。

通过采用上述的技术方案，本实用新型能将超声波气体传感器的流量零点精度从目前的±100~200毫升/分钟提高到±2~10毫升/分钟，并能将超声波气体传感器的气体流量检测范围扩大到流量为50~200毫升/分钟的超低流量领域。