专利名称：超声波气体浓度测量装置的制作方法
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釆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/0端口分别和趙声波发射头、温度信号釆样电路、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�。奖吣诰洞蟮闹嵯蛲ǹ祝� 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，釆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--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，进而压縮O型橡胶圈，依靠O型橡胶圏弹力将发射板、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�。亓壳幔骺氐缏钒逶骷� 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。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图l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，Ml.测试腔，M2.主控电路板，l.外筒，2.吸音体，3.圆形电路板，4.圆形电路板， 5.0型橡胶圈，6.0型橡胶圈，7.进气挡板，8.出气挡板，9.弹性挡圈，IO.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，Sl.超 声波发射头，S2.超声波接收头，Ul.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(Sl)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。0型橡胶圈(5)和0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(Ml)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(Ml)和主控电路板(M2)的电连接，并使测试腔(Ml)固定在主控电路板 (M2)上。图5中，单片机(Ul)通过其I/0端口和温度信号釆样电路(U2)、波形整理电路(U3)、声光报警电路(U4)连接。单片机(Ul)由IN1端口发出一串40KHZ连续方波给超声波发射头 (Sl)，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(Ul) IN2端口读入，同时， 单片机(Ul)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(Ul)的片内A/D，转换成数值，由程序査表可得到对应温度。单片机(Ul)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(til)的IN1端口发 出方波TS1后，单片机(Ul)内部计数器在TS1上升沿开始计数，当单片机(Ul)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tmO, Gl为已知低浓度 氧气的浓度值，产生相位差dtl,对应温度也为tmO，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-Gl,除以相位差 差值dt2-dtl，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dtl，再乘以该比值，最后加上Gl,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 tmO,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�。娪貌钩ブ祌ate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ratel 参与补偿，ratel值比rate值大，起到加速补偿作用。单片机(U1)可以将G2、 Gl、 tmO、 rate、 ratel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EEPR0M中的G2、 Gl、 tmO、 rate、 ratel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M02,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ratel进行补偿，计算的氧气浓度值曲线为K1;另一种是单片 机(Ul)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。 Tl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，Kl、 K2较M02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M02的误差小于2.0%,而K2较M02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ratel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。
权利要求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/0端口分别和 超声波发射头、温度信号釆样电路、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l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�。奖吣诰洞蟮闹嵯蛲ǹ祝讲嗄诳缀椭卸文诳椎慕岷喜课� 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l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 內部，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 上的小孔后被弯成卯度夹角，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型橡胶圏，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。
专利摘要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。
文档编号G01N29/02GK201222055SQ200820063519
公开日2009年4月15日 申请日期2008年5月27日 优先权日2008年5月27日
发明者孙豫川, 李智浩 申请人:成都敏博科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
