CN201222055Y - 超声波气体浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种能适应各种温度变化的超声波气体测量装置。该装置由主控电路板和测试腔构成，主控电路板由单片机，温度信号采样电路，波形整理电路组成，测试腔由外筒，进气挡板，出气挡板，O型橡胶圈，弹性挡圈，吸音体，发射板，接收板，热敏电阻，超声波发射头，超声波接收头组成，其中，一个热敏电阻安装在进气挡板处，用来测量被测气体温度的变化趋势，一个热敏电阻位于吸音体偏心小通孔内部，用来测量被测气体温度，通过两个热敏电阻不同的作用，实现准确的温度补偿，从而提高测量准确度。

Description

超声波气体浓度测量装置

所属技术领域

本实用新型涉及一种超声波气体浓度测量装置，可在双组份气体环境中测量气体浓度。

背景技术

超声波在双组份气体中传播时，发射信号和接收信号之间存在相位差，相位差同波速快的气体浓度成线性反比关系，同波速慢的气体浓度成线性正比关系。由于超声波波速随温度变化而变化，因此，需要采取温度补偿措施，才能消除温度变化带来的测量误差。现有的温度补偿措施具有一定的局限性，因为测量气体浓度时，要在一个密闭的测试腔结构中进行，普通做法是在腔体内部只安装了一个温度传感器，该温度传感器放置在腔体内部的任何位置，都会在气体温度剧烈变化时，导致测量温度值超前或滞后于实际温度值，从而带来较大的测量误差。

发明内容

为克服温度补偿方法不当引起的较大测量误差，本实用新型提供一种超声波气体浓度测量装置，该装置提高了温度补偿的及时性、准确性，能适应各种温度变化情况，从而准确测量气体浓度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：由主控电路板和测试腔组成的超声波气体浓度测量装置，其主控电路板由单片机，温度信号采样电路，波形整理电路组成，其测试腔由外筒，进气挡板，出气挡板，O型橡胶圈，弹性挡圈，吸音体，发射板，接收板，热敏电阻，超声波发射头，超声波接收头组成，其中，吸音体位于外筒内部中段，一个热敏电阻位于进气挡板处，用来测量气体温度的变化趋势，一个热敏电阻位于吸音体内部，用来测量气体温度。

单片机通过I/O端口分别和超声波发射头、温度信号采样电路、波形整理电路连接，单片机内置程序产生一串固定频率的方波信号，通过I/O端口提供给超声波发射头，超声波接收头同波形整理电路连接，该电路由比较器及其外围的电阻拓扑网络组成，可将接收到的超声波信号转换成方波信号，并由单片机I/O端口读入到内部动态存储器，两个热敏电阻分别和两个电阻拓扑网络构成的温度信号采样电路，将温度转换为电压信号，通过单片机I/O端口读入到内部动态存储器，单片机根据测量出的相位差、温度变化量，并根据不同的温度变化情况，采用不同的温度补偿值，通过预先设置的计算公式，计算出气体浓度。

外筒为中空圆柱体结构，采用工程塑料，其内部为中段内径小，两边内径大的轴向通孔，两侧内孔和中段内孔的结合部为环状平台，两侧内壁各有一个挡圈槽。

吸音体为有两个轴向通孔的圆柱体结构，采用中密度的发泡海绵，其长度、外径和外筒中段通孔长度、直径一致，中心通孔直径同超声波发射头、接收头的最大外形直径一致，偏心处有另一个小通孔，孔径同热敏电阻直径一致。

发射板、接收板的主体均为一个圆形电路板，直径和外筒两侧的通孔直径一致，板上沿略小于吸音体外径的圆周，均匀分布有数个小通孔，紧贴圆形电路板中心焊接超声波发射头和接收头，接收头旁边焊接一个热敏电阻，背面再焊接四根金属针；发射头背面中心处焊接一个热敏电阻，旁边再焊接四根金属针，两组金属针通过圆形电路板铜箔走线分别和发射头接收头、热敏电阻电连接。

进气挡板和出气挡板结构相同，采用工程塑料，其轴线有一个通孔，上半部为可以外套气管的气嘴，下半部为直径等于外筒两侧通孔直径的圆形底板，底板上面直线均匀分布四个小孔，孔距等于四脚金属针脚间距，孔径略大于金属针直径，可让金属针穿过小孔。

吸音体安装在外筒中心通孔内部，两侧安装发射电路板和接收电路板，超声波发射头和接收头正好伸入到吸音体中心通孔里面，且接收电路板上的热敏电阻正好伸入到吸音体偏心小通孔中间位置，发射电路板上的热敏电阻正好伸入到进气挡板的通孔中间位置。

发射板和接收板两侧分别安装O型橡胶圈，进气挡板，出气挡板，弹性挡圈，且金属针穿过进、出气板挡板上的小孔后被弯成90度夹角，弹性挡圈卡在外筒内壁的挡圈槽中，可以挡压进、出气挡板，进而压缩O型橡胶圈，依靠O型橡胶圈弹力将发射板、接收板挤压在外筒内部的环形平台上，并将金属针焊接在主控电路板上，使测试腔和主控电路板实现电连接并固定成为一体。

本实用新型的有益效果是，利用超声波测量双组份气体浓度时，能适应各种温度变化情况，准确测量气体浓度，测试腔结构简单，容易装配，体积小，重量轻，主控电路板元器件少，线路简明，且测试腔通过八根金属针不仅同主控电路板实现了电连接，还实现了固定连接。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的电路原理框图。

图2是本实用新型的测试腔原理构造图

图3是一个实施例的整机外观图。

图4是一个实施例的测试腔纵向装配剖面图。

图5是一个实施例的电路图。

图6是一个实施例的氧气浓度对应的相位差波形图。

图7是一个实施例的氧气浓度对应的相位差曲线图。

图8是一个实施例的两种温度补偿方式下的氧气浓度对应温度的曲线图。

图中，M1.测试腔，M2.主控电路板，1.外筒，2.吸音体，3.圆形电路板，4.圆形电路板，5.O型橡胶圈，6.O型橡胶圈，7.进气挡板，8.出气挡板，9.弹性挡圈，10.弹性挡圈，11.四根金属针，12.四根金属针，13.密封胶，14.密封胶，RT1.热敏电阻，RT2.热敏电阻，S1.超声波发射头，S2.超声波接收头，U1.单片机，U2.温度信号采样电路，U3.波形整理电路，U4.声光报警电路，U31.比较器。

具体实施方式

图4中，超声波发射头(S1)焊接在圆形电路板(3)的中心处，超声波接收头(S2)焊接在圆形电路板(4)的中心处，热敏电阻(RT1)焊接在圆形电路板(3)背面的中心处，保持和圆形电路板(3)垂直，高度控制在进气挡板(7)高度的一半位置，四根金属针(11)垂直焊接在热敏电阻(RT1)同侧相对位置，热敏电阻(RT2)焊接在超声波接收头(S2)同侧旁边的位置，保持和圆形电路板(4)垂直，高度控制在吸音体(2)长度的一半，四根金属针(12)垂直焊接在热敏电阻(RT2)背面相对位置。O型橡胶圈(5)和O型橡胶圈(6)规格型号一致，进气挡板(7)和出气挡板(8)结构尺寸一致，弹性挡圈(9)和弹性挡圈(10)规格型号一致。热敏电阻(RT1)和热敏电阻(RT2)规格型号一致。在装配进气挡板(7)和出气挡板(8)时，应将四根金属针(11)和四根金属针(12)穿过进气挡板(7)和出气挡板(8)上面的小通孔，然后将四根金属针(11)和四根金属针(12)分别弯成90度角，再分别装配弹性挡圈(9)和弹性挡圈(10)。使用密封胶(13)和密封胶(14)进行密封，保证测试腔(M1)不漏气，并将四根金属针(11)和四根金属针(12)分别焊接在主控电路板(M2)上，实现测试腔(M1)和主控电路板(M2)的电连接，并使测试腔(M1)固定在主控电路板(M2)上。

图5中，单片机(U1)通过其I/O端口和温度信号采样电路(U2)、波形整理电路(U3)、声光报警电路(U4)连接。单片机(U1)由IN1端口发出一串40KHZ连续方波给超声波发射头(S1)，超声波接收头(S2)收到一串40KHZ正弦波，经过由比较器(U31)及外围电阻网络组成的波形整理电路(U3)，输出一串连续的40KHZ方波，由单片机(U1)IN2端口读入，同时，单片机(U1)通过IN3、IN4端口，将热敏电阻(RT1)和热敏电阻(RT2)阻值对应的分压值读入单片机(U1)的片内A/D，转换成数值，由程序查表可得到对应温度。单片机(U1)内置程序可设定高、低两个浓度报警点，通过声光报警电路(U4)中的三种颜色的发光二极管，体现出高、中、低三种浓度状态，当低于低报警点时，导通蜂鸣器报警。

图6、图7中，针对氧氮双组份气体中的氧气浓度进行测量时，单片机(U1)的IN1端口发出方波TS1后，单片机(U1)内部计数器在TS1上升沿开始计数，当单片机(U1)的IN2端口接收到方波G1、G2、G3的第一个上升沿时，计数器停止计数，该计数时间就是相位差(时间差值)。如果G2为已知高浓度氧气的浓度值，产生相位差dt2，对应温度为tm0，G1为已知低浓度氧气的浓度值，产生相位差dt1，对应温度也为tm0，因为氮气波速快于氧体波速，所以氧气浓度值和相位差成线性正比关系，由于两种氧气浓度值已知，将浓度差值G2-G1，除以相位差差值dt2-dt1，就可以得到氧气浓度和相位差的比值，当未知氧气浓度G3产生相位差dt3时，对应温度为tm3时，由dt3减去dt1，再乘以该比值，最后加上G1，就可计算出未知氧气G3的浓度值。同时，如果温度tm3等于温度tm0，计算所得浓度值不用修正，如果温度tm3不等于温度tm0，需要引入温度补偿值进行修正，此时分两种情况进行修正：当热敏电阻(RT1)和热敏电阻(RT2)之间的温差较小时，表明温度变化较小，采用补偿值rate参与补偿；当热敏电阻(RT1)和热敏电阻(RT2)之间的温差较大时，表明温度变化剧烈，采用另一个补偿值rate1参与补偿，rate1值比rate值大，起到加速补偿作用。单片机(U1)可以将G2、G1、tm0、rate、rate1的值分别存入EEPROM中，根据实时测量的相位差和两个温度值，并调用EEPROM中的G2、G1、tm0、rate、rate1值，计算出不同的氧气浓度值。

图8中，已知浓度的氧氮双组份气体浓度不变，氧气浓度值为MO2，改变温度时，使用两种温度补偿方法进行测量，一种是单片机(U1)内置程序根据热敏电阻(RT1)和热敏电阻(RT2)之间的温度变化情况，进行逻辑判断，在温度不变或缓慢变化的C1区间，使用rate进行补偿，在温度剧烈变化的C2区间，使用rate1进行补偿，计算的氧气浓度值曲线为K1；另一种是单片机(U1)内置程序只监测热敏电阻(RT2)的温度值，不监测热敏电阻(RT1)的温度值，且只使用rate进行补偿，计算所得的氧气浓度值曲线为K2。T1代表热敏电阻(RT1)测得的温度曲线，T2代表热敏电阻(RT2)测得的温度曲线。在C1区间，K1、K2较MO2的误差都小于1.5％；在C2区间，T1和T2在温度快速上升阶段形成剪刀差，K1较MO2的误差小于2.0％，而K2较MO2的误差最大超过10％。由此看出，根据温度的不同变化情况，利用热敏电阻(RT1)快速响应的特点，并根据相应的逻辑判断功能，交替使用rate和rate1进行补偿，不仅适应温度缓慢变化情况，还能适应温度剧烈变化情况，实现准确的温度补偿，从而提高测量准确度。

Claims (8)

1.一种超声波气体测量装置，主控电路板和测试腔电连接，其特征是：主控电路板由单片机，温度信号采样电路，波形整理电路组成，测试腔由外筒，进气挡板，出气挡板，O型橡胶圈，弹性挡圈，吸音体，发射板，接收板，热敏电阻，超声波发射头，超声波接收头组成，其中，吸音体位于外筒内部中段，一个热敏电阻位于进气挡板处，一个热敏电阻位于吸音体内部。

2.根据权利要求1所述的超声波气体测量装置，其特征是：单片机通过I/O端口分别和超声波发射头、温度信号采样电路、波形整理电路电连接，波形整理电路由比较器及其外围的电阻拓扑网络组成，同超声波接收头电连接，两个热敏电阻分别和两个电阻拓扑网络构成温度信号采样电路。

3.根据权利要求1所述的超声波气体测量装置，其特征是：外筒为中空圆柱体结构的工程塑料，其内部为中段内径小，两边内径大的轴向通孔，两侧内孔和中段内孔的结合部为环状平台，两侧内壁各有一个挡圈槽。

4.根据权利要求1所述的超声波气体测量装置，其特征是：吸音体为有两个轴向通孔的圆柱体结构，材料为中密度的聚氨酯发泡海绵，其长度、外径和外筒中段通孔长度、直径一致，中心通孔直径同超声波发射头、接收头的最大外形直径一致，偏心处有另一个小通孔，孔径同热敏电阻直径一致。

5.根据权利要求1所述的超声波气体测量装置，其特征是：发射板、接收板的主体均为一个圆形电路板，直径和外筒两侧的通孔直径一致，板上沿略小于吸音体外径的圆周，均匀分布有数个小通孔，紧贴圆形电路板中心焊接超声波发射头和接收头，接收头旁边焊接一个热敏电阻，焊接高度控制在吸音体长度的一半，背面再焊接四根金属针；发射头背面中心处焊接一个热敏电阻，焊接高度为进气挡板高度的一半，旁边再焊接四根金属针，两组金属针通过圆形电路板铜箔走线分别和超声波发射头、超声波接收头、热敏电阻电连接。

6.根据权利要求1所述的超声波气体测量装置，其特征是：进气挡板和出气挡板结构相同，采用工程塑料，其轴线有一个通孔，上半部为可以外套气管的气嘴，下半部为直径等于外筒两侧通孔直径的圆形底板，底板上面直线均匀分布四个小孔，孔距等于四脚金属针脚间距，孔径略大于金属针直径，允许金属针穿过小孔。

7.根据权利要求4所述的超声波气体测量装置，其特征是：吸音体安装在外筒中心通孔内部，两侧安装发射电路板和接收电路板，超声波发射头和接收头正好伸入到吸音体中心通孔里面，且接收电路板上的热敏电阻正好伸入到吸音体偏心小通孔中间位置，发射电路板上的热敏电阻正好伸入到进气挡板的通孔中间位置。

8.根据权利要求5或6所述的超声波气体测量装置，其特征是：发射板和接收板两侧分别安装O型橡胶圈，进气挡板，出气挡板，弹性挡圈，且金属针穿过进气挡板和出气板挡板上的小孔后被弯成90度夹角，弹性挡圈卡在外筒内壁的挡圈槽中，可以挡压进气挡板和出气挡板，进而压缩O型橡胶圈，依靠O型橡胶圈弹力将发射板、接收板挤压在外筒内部的环形平台上，并将金属针焊接在主控电路板上。

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