超声波气体传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种超声波气体传感器，包括：一个用以容纳待测气体的由密闭空心管构成的气室，二个超声波换能器分别安装在气室的两端，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，空心管两端的侧壁上分别设置有一个通气口；还包括一个气体测量控制系统，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给定频率的多脉冲超声波信号、并能对二个相向传播时间进行处理；两个超声波换能器之间的管道等效横截面积不大于以超声波波长为直径的圆面积的四分之一；本发明专利技术的优点是能对超低流量气体的流量和气体成分进行准确检测，大大拓宽了超声波气体传感器的应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
基于上述原因，本专利技术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，本专利技术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。下面详述为实现本专利技术的专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；其特征在于：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。...

【技术特征摘要】
1.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；其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕合奇，李明，
申请(专利权)人：深圳市润普科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44