连续波声波分析仪制造技术

气体分析仪使用通过导管的连续声波信号来确定导管中气体的成分。发射换能器接收声波信号。两个信号之间的相移对应于声音通过气体的速度，并且与气体的成分有关。这些信号的电子形式通过降低或划分固定频率来处理，这扩大了相移测量的范围并允许确定气体成分的扩大范围。在臭氧发生系统中，气体分析仪非常适用于确定由作为已知成分的气体和校准点的空气衍生的气体的成分。衍生的气体的成分。衍生的气体的成分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】连续波声波分析仪
[0001]描述
[0002]专利技术背景
[0003]本专利技术涉及气体成分分析仪，且更具体地说，涉及用于生成臭氧的气体成分分析仪。臭氧是一种高活性形式的氧，常用于消毒和水处理。由于其特性，臭氧通常在现场和使用时生成。
[0004]臭氧可以通过多种方式生成，其中一种是通过使用放电使氧气电离以产生等离子体。当通过放电生成臭氧时，其浓度取决于许多因素，包括但不限于原料气(feed gas)的成分、原料气的流速、臭氧发生单元(ozone generation cell)的温度、该单元的尺寸和材料，以及用于生成等离子体的电功率。影响臭氧产生的多种因素使得很难以任何精度预测臭氧产生。如果需要控制或了解臭氧的产生，则有必要或希望监测臭氧的产生。为此需要现场分析仪。
[0005]有多种不同的技术可用于分析仪测量气体中臭氧的浓度。这些包括利用在气体中对UV光的吸收，例如在爱荷华州Inwood的Oxidation Technologies，LLC和加利福尼亚州圣地亚哥的Teledyne API的产品中发现的技术。这种技术是有效的，但生产成本很高。此外，没有获得关于臭氧发生单元的原料气成分的信息。需要了解原料气成分，其可能包括氧气浓度增加的干燥空气。放电式臭氧发生器在氧气含量高的情况下运行效率更高。因此，有时使用氧气浓缩器将氧气从20.9％(环境空气)增加到90％以上的值。对于放电式臭氧发生器，在原料气中存在少量氮气似乎可以显著提高效率。但是有可能从原料气中去除过多的氮气，从而降低单元的效率。在这种富氧空气中，主要组分是氮气、氧气和少量的氩气。通过互补，可以从氧气的浓度估计氮气的浓度。
[0006]在第5,644,070号美国专利(Gibboney)中描述了使用声速来估计气体中臭氧的浓度。随着原料气的温度、原料气的声速、气体从臭氧发生器中排出时的温度以及气体从臭氧发生器中排出时的声速被测量或已知，通过测量已知路径长度上的延迟来确定气体中声脉冲的速度。四个测量的或已知变量被用于估计臭氧浓度。然而，对于谐振换能器，脉冲必然由多个周期组成，这使得精确确定声音脉冲的到达变得困难；很难断定脉冲何时开始和何时结束。另一个缺点是所描述的系统很复杂。声脉冲需要相对较长的测量路径，且因此需要具有相对较大体积的导管，这会增加所需的样本气体的体积。使用昂贵的清除泵(scavenging pump)将原料气输送到臭氧发生单元或从该单元输出气体。这使测量系统复杂化。泵必须由在存在高浓度腐蚀性臭氧的情况下不会随时间劣化的材料制成。
[0007]连续声波中的声速被用于帮助确定两种气体的浓度，它们都不是臭氧。本专利技术人的第6,202,468号和第6,520,001号美国专利描述了一种系统，其中该技术与另一种技术相结合。测量两个不同且不相关的物理参数(顺磁性和声速)，以确定呼吸气体中氧气和二氧化碳的浓度。在这种情况下，单独使用声音并不能确定任何一种气体的浓度。
[0008]因此，需要一种低成本的分析仪，它既能测量臭氧发生单元的原料气中的氧气浓度，又能测量单元输出中的臭氧浓度。这种仪器可用于评估生成的臭氧和进行过程控制。例如，可以基于仪器输出来调节氧气浓度以保持所需的臭氧浓度，以及可以基于仪器输出来
控制单元功率以保持所需的臭氧浓度。处理这两种功能的单个低成本分析仪既方便又经济。本专利技术的目的是在单一、可靠、低成本的仪器中执行这两种功能。
[0009]专利技术概述
[0010]本专利技术提供了一种用于由已知成分和声速的第一气体衍生的一种或更多种气体的分析仪，每种衍生气体具有变化的组分浓度。该分析仪具有：第一换能器，其响应于固定频率信号源驱动连续声波；导管，其声学连接到第一换能器并选择性地接收和保持具有第一气体和一种或更多种衍生气体的样本；第二换能器，其与第一换能器单元相对地与导管声学连接，第二换能器通过导管接收来自第一换能器的声波并响应于接收到的声波生成第二换能器信号；处理单元，其接收固定频率信号源信号和第二换能器信号，并且其针对导管中气体样本确定在频率源信号和第二换能器信号之间的相对相移，该相对相移对应于一个气体样本相对于另一气体样本的声速差，处理单元包括降低接收到的固定频率源信号和第二换能器信号的频率以扩大相对相移的测量范围的电路；以及计算单元，其根据已知成分的第一气体确定由第一气体衍生的一种或更多种气体的声速，以及其计算源自于第一气体的一种或更多种衍生气体的样本的成分作为参考。
[0011]本专利技术还提供了一种操作用于由已知成分和声速的第一气体衍生的一种或更多种气体的分析仪的方法，每种衍生气体具有变化的组分浓度。该方法具有以下步骤：响应于固定频率的电信号，用第一换能器驱动连续声波通过导管，该导管一次保持第一气体或一种或更多种衍生气体的样本；由第二换能器接收驱动通过导管的声波并响应于接收到的声波而生成电信号，接收到的声波信号和驱动的声波信号之间的相对相移对应于气体样本中的相对声速；以降低频率处理固定频率的电信号和响应于接收到的声波所生成的电信号，以扩大相对相移的测量范围；根据导管中已知成分的第一气体和由第一气体衍生的一种或更多种气体的气体样本的相对相移，确定在扩大的范围内已知成分的第一气体和由第一气体衍生的一种或更多种气体的声速；以及计算由第一气体衍生的一种或更多种气体的样本的成分作为参考。
[0012]本专利技术还提供了一种确定由已知成分和声速的第一气体衍生的一种或更多种气体的成分的方法。该方法具有以下步骤：以固定频率驱动连续声波通过导管，在进入导管和离开导管的声波之间的相位差对应于导管中气体的声速；以降低的频率处理对应于进入导管和离开导管的连续声波的电子信号，以扩大相移的测量范围；在第一气体和一种或更多种衍生气体之间改变导管中的气体；根据已知成分的第一气体和一种或更多种衍生气体中的气体的相对相移，确定在扩大的范围内已知成分的第一气体和由第一气体衍生的一种或更多种气体的声速，相对相移对应于一个气体样本相对于另一气体样本的声速差；以及计算源自于第一气体的一种或更多种衍生气体的成分作为参考。
[0013]通过考虑以下详细描述和附图，本专利技术的其他目的、特征和优点将变得明显，其中相似的参考标号在所有附图中表示相似的特征。
[0014]附图简述
[0015]图1示出了根据本专利技术的一个实施例的臭氧发生系统中分析仪的总体结构。
[0016]图2表示到源换能器的固定频率信号和来自图1中的分析仪单元的接收换能器的信号。
[0017]图3示出了根据本专利技术的实施例的图2中的到源换能器和来自分析仪单元的接收
换能器的信号的降低的频率如何扩大相移的测量范围。
[0018]图4A显示了图1中相移检测器的简化电路；图4B显示了示例性发射换能器信号和接收换能器信号、由图4A中的相移检测器的所产生的输出信号、以及在相位检测器输出已经通过图1中的低通滤波器之后产生的信号；图4C显示了低通滤波器关于不同相移的输出；以及图4D显示了针对不同相移进行基线调整的低通滤波器的输出。
[0019]图5示出了根据本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于由已知成分和声速的第一气体衍生的一种或更多种气体的分析仪，每种衍生气体具有变化的组分浓度，所述分析仪包括：第一换能器，所述第一换能器单元响应于固定频率信号源驱动连续声波；导管，所述导管与所述第一换能器声学连接，所述导管选择性地接收和保持具有所述第一气体和一种或更多种衍生气体的样本；第二换能器，所述第二换能器与所述第一换能器单元相对地与所述导管声学连接，所述第二换能器通过所述导管接收来自所述第一换能器的声波并响应于所接收到的声波生成第二换能器信号；处理单元，所述处理单元接收固定频率信号源信号和所述第二换能器信号，所述处理单元针对所述导管中的气体样本确定在频率源信号和第二换能器信号之间的相对相移，所述相对相移对应于一个气体样本相对于另一个气体样本的声速差，所述处理单元包括降低接收到的固定频率源信号和第二换能器信号的频率以扩大所述相对相移的测量范围的电路；和计算单元，所述计算单元根据已知成分的所述第一气体确定由所述第一气体衍生的所述一种或更多种气体的声速，并计算源自于所述第一气体的一种或更多种衍生气体的样本的成分作为参考。2.根据权利要求1所述的分析仪，其中，降低所述频率源信号和第二换能器信号的固定频率的电路均包括分频器电路。3.根据权利要求2所述的分析仪，其中，所述分频器电路包括数字计数器电路。4.根据权利要求3所述的分析仪，其中，所述分频器电路以具有2的幂的值的除数进行除法。5.根据权利要求4所述的分析仪，其中，所述分频器电路以8进行除法。6.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述第一气体包括空气。7.根据权利要求6所述的分析仪，其中，第一衍生气体包括具有氧气浓度增加的空气。8.根据权利要求7所述的分析仪，其中，第二衍生气体包括具有臭氧浓度增加的空气。9.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述数字计数器具有调整的基线，使得所述相移的测量范围被扩大并且气体成分的计算范围被增加。10.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述计算单元计算在所述一种或更多种衍生气体的样本中变化的组分浓度。11.根据权利要求10所述的分析仪，其中，所述一种或更多种衍生气体的样本中变化的组分浓度主要根据所述一种或更多种衍生气体的样本中所述变化的组分的比例计算。12.根据权利要求11所述的分析仪，其中，所述一种或更多种衍生气体的样本中变化的组分的比例是根据一个比值计算出来的，所述比值的分子是所述一种或更多种衍生气体的样本的确定的声速，以及分母是100％的变化的组分的声速。13.根据权利要求11所述的分析仪，其中，对所述一种或更多种衍生气体的样本中的变化的组分的浓度的计算包括修改经验校正因子。14.根据权利要求1所述的分析仪，其中，所述导管被保持在选定的温度。15.根据权利要求14所述的分析仪，其中，所述导管包括封闭在金属块中的耐臭氧管，以向所述导管提供热质量。
16.根据权利要求15所述的分析仪，其中，所述耐臭氧管包括聚四氟乙烯(PTFE)，以及所述金属块包括铝。17.根据权利要求2所述的分析仪，其中，所述导管在所述第一换能器和第二换能器之间具有路径长度L，其中，根据下式的所述分频器电路消除了对L的约束：L<λ
最小
·
λ
最大
/(λ
最小
‑
λ
最大
)或者L<1/2λ
最小
·
λ
最大
/(λ
最小
‑
λ
最大
)，这两个公式取决于所述处理单元将所述相对相移分别限制为360度还是180度，其中λ
最小
＝所述第一气体和一种或更多种气体的最小波长和λ
最大
＝所述第一气体和一种或更多种气体的最大波长。18.根据权利要求17所述的分析仪，其中，所述导管具有路径长度L：L<nλ
最小
·
λ
最大
/(λ
最小
‑
λ
最大
)或者L<1/2nλ
最小
·
λ
最大
/(λ
最小
‑
λ
最大
)，这两个公式取决于所述处理单元将所述相对相移分别限制为360度还是180度，并且n包括用于所述分频器电路的除数。19.根据权利要求18所述的分析仪，其中，所述导管路径长度L大于所述第一气体的10个波长。20.根据权利要求19所述的分析仪，其中，所述导管路径长度L小于所述第一气体的30个波长。21.一种操作分析仪的方法，所述分析仪用于由已知成分和声速的第一气体衍生的一种或更多种气...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普，
申请(专利权)人：懿华水处理技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：