测定气体浓度和流量的超声波设备和方法技术

一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备，其基于气体温度计算可能的传播时间范围，确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致，所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的，处理该零交叉信号使其相位彼此一致，通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻，减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围，从而获得超声波接收点；以及在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及测定样品气体中氧气浓度和该样品气体流量的超声波设备及方法，该样品气体由医用目的的氧气浓缩器提供。
技术介绍
众所周知，超声波在样品气体中的传播速度可以表示为样品气体浓度和温度的函数。设样品气体的平均分子量为M、温度为T(K)，则穿过静态样品气体的超声波速度C(m/sec)表示为以下等式(1)C＝(κRT/M)1/2...(1)其中，κ恒定体积下的分子比热与恒定压力下的分子比热之比R气体常数因此，只要测定出穿过样品气体的超声波传播速度C(m/sec)以及样品气体的温度T(K)，就可以通过运算而求得样品气体的平均分子量M。例如，含有氧气-氮气气体混合物，混合比为P∶(1-P)(0≤P≤1)的样品气体的平均分子量M可以通过以下的方程式(2)来计算。M＝MO2P+MN2(1-P) ...(2)其中MO2氧气的分子量MN2氮气的分子量因而，根据测定的平均分子量M通过计算就可以得到氧气的浓度P。当该样品气体是氧气-氮气的混和物时，在很宽的氧气与氮气的混合比范围上κ＝1.4是合理的。如果样品气体中的超声波传播速度为C(m/sec)，而样品气体的流速为V(m/sec)，则相对于样品气体流动向前方传播的超声波速度C1(m/sec)为C1＝C+V，而相对于样品气体流动向后方传播的超声波速度C2(m/sec)为C2＝C-V，因此，样品气体的流速V(m/sec)可以通过以下的方程式(3)求出。V＝(C1-C2)/2...(3)将样品气体的流速乘以该样品气体流过管道的横截面积(m2)，即可求得样品气体的流量(m3/sec)。已经开发出利用上述原理，根据超声波在样品气体中的传播速度或传播时间来测定特定气体浓度或样品气体流速的方法及设备。例如，在日本未审专利公开(Kokai)No.6-213877中，描述了一种在样品气体流过的管道中相对地设置两个超声波换能器并测量在该超声波换能器之间传播的超声波传播时间，从而测定样品气体的浓度和流量的设备。此外，日本未审专利公开(Kokai)No.7-209265及No.8-233718中，描述了一种利用包含了超声波换能器及相对设置的反射板的反射型设备来测定在一体积内传播的超声波传播速度或传播时间，从而测定样品气体中所包含的特定气体浓度的设备。在这种利用超声波传播速度来测定浓度和流量的方法及设备中，必须精确地测量该超声波的传播时间。然而，根据接收到的超声波而产生的信号总是包含噪声成分，这使得难以确定超声波换能器接收到超声波的时刻。因而，超声波的传播时间要通过一个复杂的信号处理过程或复杂的硬件来间接估算出。例如，日本未审专利公开(Kokai)No.9-318644描述了一种测量超声波传播时间的方法，其中对所接收的超声波波形进行了积分。当波形积分的结果达到预定的波谷之后，就可将第一个零交叉时刻确定为超声波的传播时间用以测量流量。根据该方法，甚至当所接受波的振幅在一定程度上波动时，零交叉信号的生成时间都不会波动。因此，所获得的零交叉时刻相对接近于超声波实际达到的时刻。然而，所获得的零交叉时刻并非超声波的真实传播时间。尤其是在测量浓度的时候，真实传播时间与零交叉时刻之间的差异严重影响了测量误差。另外，日本未审专利公开(Kokai)No.60-138422中描述一种流量测量装置，其中根据接受到的超声波波形来计算包络曲线(envelopecurve)。通过近似方程来计算包络曲线的上升时间从而估算超声波的传播时间。然而，必须用硬件来提取所接收到的超声波，并且需要复杂的信号处理过程来根据提取的波形计算包络曲线。因此，根据专利技术JPP’422，难以低成本提供紧凑的设备。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测量气体浓度和流量的超声波设备和方法，其能够精确地测量样品气体的浓度和流量而无需复杂的信号处理和额外的硬件。根据本专利技术，提供了一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备，包括用于样品气体流动的管道；安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器；安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器；发送接收开关，用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式；设置在所述管道内的温度传感器，用于测量流经该管道的样品气体温度；所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向前的超声波，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波，则生成向后的波形；所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向后的超声波，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超声波，则生成向前的波形；当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的装置；当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的装置；传播时间计算装置，其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置，用于(1)基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围，(2)确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致，所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的，(3)如果其彼此不一致，则处理该零交叉信号使其相位彼此一致，(4)通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻，(5)减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围，从而获得超声波接收点，以及(6)在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。此外，根据本专利技术的另一特征，提供了一种测量流经管道的样品气体浓度的方法，包括步骤生成相对于样品气体流动方向向前的超声波；生成相对于样品气体流动方向向后的超声波；测量流经管道的样品气体温度；当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号；当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号；基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围；确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致，所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的；如果其彼此不一致，则处理该零交叉信号使其相位彼此一致；通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻；减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围，从而获得超声波接收点；以及在该超声波接收点基础上估算所述超声波的传播时间。此外，根据本专利技术的另一特征，提供了一种生成富氧气体的氧浓缩系统，包括通过吸收氮气以去除掉空气中的氮气从而生成富氧气体的氧浓缩设备；以及测定富氧气体中氧气浓度和该富氧气体流量的超声波设备，该超声波设备包括用于富氧气体接收和流动的管道；安装在所述管道内的第一超声波发送-接收器；安装在所述管道内与第一超声波发送-接收器相对的第二超声波发送-接收器；发送接收开关，用于在发送超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送-接收器的操作模式；设置在所述管道内的温度传感器，用于测量流经管道的富氧气体温度；所述第一超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向前的超声波，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第二超声波发送-接收器生成的超声波，则生成向后的波形；所述第二超声波发送-接收器在其发送模式下产生相对于富氧气体流向向后的超声波，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第一超声波发送-接收器生成的超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量样品气体浓度和流量的超声波设备，包括：用于样品气体流动的管道；安装在所述管道内的第一超声波发送－接收器；安装在所述管道内与第一超声波发送－接收器相对的第二超声波发送－接收器；发送－接收开关，用于在发送 超声波的发送模式与接受超声波的接收模式之间切换第一和第二超声波发送－接收器的操作模式；设置在所述管道内的温度传感器，用于测量流经该管道的样品气体温度；所述第一超声波发送－接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向前的超声波 ，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第二超声波发送－接收器生成的超声波，则生成向后的波形；所述第二超声波发送－接收器在其发送模式下产生相对于样品气体流向向后的超声波，而当其处于接收模式时，基于所接收到的第一超声波发送－接收器生成的 超声波，则生成向前的波形；当向前和向后的波形超过预定级时生成触发信号的装置；当向前和向后的波形超过零级时生成向前和向后的零交叉信号的装置；传播时间计算装置，其连接着温度传感器、触发信号生成装置和零交叉信号生成装置，用 于（１）基于温度传感器测得的气体温度计算可能的传播时间范围，（２）确定两个第一触发信号的相位是否彼此一致，所述两个第一触发信号分别是在向前和向后的波形基础上生成的，（３）如果其彼此不一致，则处理该零交叉信号使其相位彼此一致，（４）通过计算向前和向后零交叉时刻的平均值来获得基准零交叉时刻，（５）减去超声波周期的整数倍使得减后结果落入可能的传播时间范围，从而获得超声波接收点，以及（６）在该超声波接收点基础上估算所述超声波传播时间。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：藤本直登志，
申请(专利权)人：帝人制药株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]