[发明专利]一种分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧气分析技术，具体地说是一种利用超声波分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法。

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，采用传感器的方式，该类传感器主要以氧化锆为主要原料，采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采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，采用了超声波传感器，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，采样的气体量比较少，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。

发明内容

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，本发明的目的在于提供一种可连续分析氧气浓度和流速的装置及其分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明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。

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11厘米；容器两端的电路板与容器密封连接。

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t_r；再通过函数关系计算出被测氧气的浓度P和流速Q；