本發(fā)明涉及到一種能對超低流量氣體的流量或/和氣體中各組成成分的濃度等進行測量的超聲波氣體傳感器。

背景技術：

超聲波氣體傳感器主要用于測量氣體的流量大小、方向以及混合氣體中各氣體組分的含量（也稱為濃度）。

目前廣泛使用的超聲波氣體傳感器，其結構主要包括：一個用以容納待測氣體的密閉的氣室，所述氣室包括兩端封閉的空心管，第一超聲波換能器和第二超聲波換能器以設定的距離分別安裝在氣室的兩端，在靠近空心管兩端的側壁上分別設置有一個通氣口，待測氣體能從一個通氣口進入氣室，并從另一個通氣口流出氣室；還包括一個連到第一超聲波換能器和第二超聲波換能器的氣體測量控制系統(tǒng)，氣體測量控制系統(tǒng)能選擇性地激勵任一個超聲波換能器發(fā)出超聲波信號、并能接收和處理另一個超聲波換能器所接收到的信號。氣體測量控制系統(tǒng)使第一超聲波換能器發(fā)射一個給定頻率的第一聲波，第一聲波穿過氣室內待測氣體后被第二超聲波換能器接收，第一聲波從發(fā)射到被接收的時間記為第一傳播時間；然后氣體測量控制系統(tǒng)使第二超聲波換能器發(fā)射一個同樣頻率的第二聲波，第二聲波穿過氣室內待測氣體后被第一超聲波換能器接收，第二聲波從發(fā)射到被接收的時間記為第二傳播時間。第一傳播時間和第二傳播時間與氣室內待測氣體的平均分子量、氣室內的溫度、氣室內待測氣體的流動方向和速度、以及二個超聲波換能器之間的距離有關。氣體測量控制系統(tǒng)中的接收電路對接收到的信號進行放大，通過對放大后的接收信號采用峰值振幅檢測的手段來測定第一傳播時間和第二傳播時間。

當氣室內的待測氣體不流動時，氣體測量控制系統(tǒng)中的微處理器能利用第一傳播時間或第二傳播時間來測算出待測氣體的平均分子量，若待測氣體是二元混合氣體，還可進一步測算出待測氣體中各氣體的含量（即各氣體的濃度）。

當氣室內的待測氣體以一定的速度向某一方向流動時，氣體測量控制系統(tǒng)則能利用所測量到的第一傳播時間和第二傳播時間來測算出二者之間的時間差值，并進一步測算出待測氣體流量的大小、流量方向，若待測氣體是二元混合氣體，同樣還可進一步測算出待測氣體中各氣體的含量（即各氣體的濃度）。

由于溫度對超聲波的傳播速度會產(chǎn)生影響，因此為了提高測量精度，在氣室中還常常設置有溫度傳感器。氣體測量控制系統(tǒng)采集超聲波傳播時的溫度值，并根據(jù)該溫度值來修正最終的檢測結果。

上述結構和原理的超聲波氣體傳感器具有以下特點：精度高、壽命長、穩(wěn)定性好、反應迅速、檢測周期短、能測量氣體濃度、或者既能測量氣體濃度又能測量氣體流量的大小及方向。

目前，在超聲波氣體傳感器領域，為了能對更小流量（如流量為50～200毫升/分鐘）的氣體進行測量，理論上可行的技術思路主要有以下幾條，但這些技術思路卻都遇到了難以具體實施的困難，詳述如下。

一、提高檢測電路的時間分辨率。

提高檢測電路的時間分辨率是最直接可行、最容易想到的方案。采用這樣的方案，對傳感器氣室的結構無需做任何改進，信號的強度與正常檢測相當。

但是這種方案存在如下缺點：一、需要采用高成本的時間檢測元件，會增大產(chǎn)品的成本。二、雖然提高檢測電路的時間分辨率理論上可以提高流量的檢測精度，但是，傳感器結構的對稱性、超聲波換能器性能的一致性也對傳播時間差的檢測帶來重大影響。當流量量程降到超低流量的50～200毫升/分鐘時，在結構不變的情況下，由于正、反二個方向傳播時間之間的時間差值大幅度減小，各種原因導致的不對稱性和超聲波換能器性能的不一致性所帶來的偏差遠遠超過時間分辨率的限制，成為檢測精度難以提升的主要障礙。

二、增加兩個換能器之間的間距。

正、反二個方向傳播時間之間的時間差值與二個超聲波換能器之間的間距成正比，因此，增加二個超聲波換能器之間的間距可以達到提高流量檢測精度的目的。

但是，增加二個超聲波換能器之間的間距會增加超聲波的衰減。而且，間距的增加也是有限制的；這是因為：由氣體分子量和氣體溫度變化所導致的超聲波在兩個換能器間的傳播時間的變化，不能超過超聲波的周期時間，二個超聲波換能器之間的間距越大，上述氣體分子量和氣體溫度所導致的傳播時間的變化就越大。

三、降低檢測管道的橫截面積。

管道內的氣體流量等于氣體流速與管道橫截面積的乘積。為了在現(xiàn)有的時間分辨率下檢測更低的氣體流量，需要提升氣體的流速。在氣體流量一定的情況下，通過降低管道的橫截面積，可以增大氣體的流速，從而達到增大正、反二個方向傳播時間之間的時間差的目的。但這種改進也是有限的。因為，大比例降低檢測管道的橫截面積會使在其中傳播的超聲波信號大幅衰減，接收端的信號強度大幅降低，導致無法正常檢測。因此，在當前所知的超聲波氣體傳感器設計中，為了盡可能地減少超聲波在傳播過程中的衰減，通常要求圓柱形空心管的內徑與超聲波在所檢測氣體中的波長大致相當或者大于此波長，最好為波長的1～2倍。

技術實現(xiàn)要素：

基于上述原因，本發(fā)明的目的是提供一種能夠準確測量超低流量氣體（如流量為50～200毫升/分鐘）的超聲波氣體傳感器。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案的主要技術原理如下。

首先，為了盡可能利用超聲波換能器所發(fā)射的超聲波能量，在空心管兩端分別形成大管徑段用以安裝超聲波換能器，空心管中間部分的管徑則小于兩端的大管徑段而形成小管徑段，并且當小管徑段橫截面積小于等于超聲波換能器的發(fā)射端面積的四分之一時，靠近超聲波換能器的中間管道不是一下子縮小到最終的中間管道尺寸，而是存在一個過渡結構，由超聲波換能器發(fā)射端面大小過渡到最終的中間管道尺寸。過渡結構可以采用直線形或曲線形的喇叭形體進行過渡，以盡量利用超聲波換能器所發(fā)射的超聲波信號能量。其次，采用多脈沖驅動發(fā)射，多個超聲波脈沖在氣室管道內疊加會形成駐波，疊加的駐波會增強接收信號，從而可使小管徑情況下的信噪比得到大大改善。綜合采取上述創(chuàng)新措施之后，接收端的信噪比得到了很大改善，這使得利用超聲波氣體傳感器實現(xiàn)對超低流量的氣體進行檢測成為可能。

下面詳述為實現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的所采用的技術方案。

所述的超聲波氣體傳感器，包括：一個用以容納待測氣體的密閉的氣室，所述氣室包括一根兩端封閉的空心管，空心管兩端分別形成大管徑段用以安裝超聲波換能器，空心管中間部分的管徑則小于兩端的大管徑段而形成小管徑段，第一超聲波換能器和第二超聲波換能器以設定的距離分別安裝在氣室的兩端，在靠近空心管兩端的側壁上分別設置有一個通氣口，待測氣體能從一個通氣口進入氣室，并從另一個通氣口流出氣室；還包括一個氣體測量控制系統(tǒng)，所述氣體測量控制系統(tǒng)包括：分別連到二個超聲波換能器并能選擇性激勵一個超聲波換能器發(fā)出超聲波、而另一個超聲波換能器接收超聲波的切換開關網(wǎng)絡，一個連到切換開關網(wǎng)絡的微處理器，連到切換開關網(wǎng)絡和微處理器的發(fā)射電路和接收處理電路；微處理器通過發(fā)射電路和切換開關網(wǎng)絡激勵第一超聲波換能器發(fā)出給定頻率的第一聲波，第一聲波穿過氣室內的待測氣體，第二超聲波換能器則接收到該第一聲波信號，從第一聲波開始發(fā)射到被接收的時間為第一傳播時間；然后，等第一聲波在氣室內經(jīng)過阻尼振蕩消失以后，微處理器通過發(fā)射電路和切換開關網(wǎng)絡激勵第二超聲波換能器發(fā)出與第一聲波同樣頻率同樣脈沖數(shù)的第二聲波，第二聲波穿過氣室內的待測氣體，第一超聲波換能器則接收到該第二聲波信號，從第二聲波開始發(fā)射到被接收的時間為第二傳播時間；微處理器根據(jù)第一傳播時間和第二傳播時間來測算出氣體的流量和／或待測氣體中氣體組成的含量；其特點是：所述的第一聲波和第二聲波均為多脈沖聲波，而且第一聲波和第二聲波在穿過氣室時分別會在氣室內形成駐波；兩個超聲波換能器之間的管道等效橫截面積不大于以第一聲波波長為直徑的圓面積的四分之一；并且，當小管徑段橫截面積不大于超聲波換能器的發(fā)射端面積的四分之一時，空心管兩端的大管徑段分別通過一個喇叭形體平滑過渡到空心管中間的小管徑段。

上述管道等效橫截面積是指：假設有兩個超聲波氣體傳感器，它們所采用的空心管的管道結構不同，但第一個超聲波氣體傳感器中的二個超聲波換能器之間的間距與第二個超聲波氣體傳感器中的二個超聲波換能器之間的間距相等，并且第一個超聲波氣體傳感器中空心管的管道橫截面積是變化的，第二個超聲波氣體傳感器中空心管的管道橫截面積不變——比如采用圓柱形管道，當同樣流量和流速的氣體流經(jīng)這兩個超聲波氣體傳感器中的管道時，若兩個超聲波氣體傳感器的正、反兩個方向的傳播時間差相同，則第二個超聲波氣體傳感器的管道橫截面積被稱為第一個超聲波氣體傳感器的管道等效橫截面積。

另外，這里需要與美國專利US8,584,531《包括一個啞鈴型流量管以增加氣體流速的超聲波氣體流量測量裝置（Ultrasonic gas flow measurement device including a dumbbell-shaped flow tube to increase gas flow speed）》中的啞鈴型管設計區(qū)別開來。

在美國專利US8,584,531中，其中的第一椎體和第二椎體的作用是：第一、使流經(jīng)的氣流平滑，減少湍流對超聲波信號的干擾；第二、減少回聲干擾，為此，該專利的技術方案中必須在椎體的內表面覆蓋一層靜音材料。

而在本發(fā)明中，由于所檢測的超低流量氣體（如流量低至50～200毫升/分鐘）的湍流對超聲波信號的干擾可以忽略不計，無需借助椎體部分來平滑氣流。

其次，在本發(fā)明中，由于實際所需的小管徑段管道橫載面積通常會小于超聲波換能器的發(fā)射端面積，如果中間管道直接縮減到最終所需的尺寸，那么，超聲波換能器的發(fā)射端面將直接面對與發(fā)射端面平行且僅有一小孔的中間管道端面，這樣所發(fā)射的大部分超聲波能量將被直接反射回去并阻尼衰減，沒有得到利用。本發(fā)明中采用喇叭形體過渡結構后，能使所發(fā)射的超聲波信號在斜面引導下進入中間小管徑段管道，超聲波信號的利用率得到了明顯提高。為了盡量利用發(fā)射到喇叭形體斜面上的超聲波信號，該喇叭形體內表面不但不能覆蓋靜音材料，反而需要采用反射能力更強的堅硬光滑表面來盡可能將發(fā)射到其上的超聲波信號反射、引導到氣室管道中去，并最終抵達接收換能器。由此可見，本發(fā)明中的喇叭形體部分與美國專利US8,584,531中的錐體部分的最終用途和目的是截然不同的。

此外，特別重要的是，美國專利US8,584,531中認為，由于“用戶所要測量的氣體的流量都比較小且流速低”，因此，其目的是“提供一種超聲波氣體測量裝置，它通過一個啞鈴型管增加氣體流速，從而減少了氣體管路長度，從而精確計算氣體流速和分子量”?？梢?，該美國專利US8,584,531文件中并沒有明確記載如何對超低流量（如50～200毫升/分鐘）的氣體進行準確測量的技術方案，發(fā)明者僅僅是通過其發(fā)明，在減少現(xiàn)有超聲波氣體傳感器氣體管路長度和體積的同時，盡量保持超聲波氣體傳感器原來所具有的精度而不降低。

而本發(fā)明的目的則是為了研制出一種能夠測量超低流量氣體的超聲波氣體傳感器，并且取得了全新的技術效果：流量量程只有現(xiàn)有產(chǎn)品流量量程的1/50左右，其零點精度也達到現(xiàn)有產(chǎn)品零點精度的10～50倍左右。因此，本發(fā)明和美國專利US8,584,531的發(fā)明目的、采用的技術方案、以及所獲得的技術效果均具有實質性的區(qū)別，屬于二種完全不同的技術方案。

進一步的，前述的超聲波氣體傳感器，其中，接收處理電路對接收到的信號進行限幅放大，并用一屏蔽信號與經(jīng)過限幅放大后的接收信號進行“或”或“與”運算，屏蔽信號能屏蔽掉接收信號包絡中的小振幅部分，從而檢測出接收信號包絡中大振幅部分的脈沖的到達時間。優(yōu)選地，所述的接收信號包絡中的小振幅部分為至少小于接收信號包絡最大峰值60%的部分。

在實際工作中，屏蔽信號若為高電平信號，則屏蔽信號與限幅放大后的接收信號進行“或”運算；屏蔽信號若為低電平信號，則屏蔽信號與限幅放大后的接收信號進行“與”運算。通過對限幅放大后的接收信號的包絡前段振幅較小的部分進行屏蔽，使微處理器只在接近包絡最大振幅處才開始檢測，從而大大降低噪聲等干擾信號對檢測結果的影響，大大提高信噪比，確保傳感器的檢測精度和抗干擾性能。

進一步的，前述的超聲波氣體傳感器，其中，通過采用使超聲波換能器兩電極的電平同時交替切換的方法來激勵超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。在實際工作中，可以通過提高超聲波換能器驅動信號的電壓值，使發(fā)射功率更大；也可以采用使超聲波換能器兩電極的電平同時交替切換的方法來提高超聲波的發(fā)射強度；還可以采用上述二種方法的組合等形式來提高超聲波的發(fā)射強度。

在常規(guī)的超聲波換能器驅動方式中，超聲波換能器兩電極中的一個電極始終連接到低電平，而另一個電極則交替加上高低電平脈沖，以此來驅動超聲波換能器發(fā)射超聲波。而本發(fā)明所述超聲波換能器兩電極電平同時交替切換的方法，則是在每個驅動信號周期的前半周，第一個電極加上高電平，第二個電極加上低電平；而在每個驅動信號周期的后半周，第一個電極切換到低電平，第二個電極切換到高電平。在這種方式下，使用同樣的驅動電平，超聲波換能器能發(fā)射出更強的超聲波。

進一步的，前述的超聲波氣體傳感器，其中，還設置有用以檢測待測氣體溫度的溫度傳感器，溫度傳感器設置在空心管內腔壁上的凹槽中或者設置在通氣口中，溫度傳感器連到微處理器，微處理器能根據(jù)溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)來修正測算結果。

進一步的，前述的超聲波氣體傳感器，其中，當空心管上設置有二個喇叭形體時，二個通氣口分別設置在空心管上的二個喇叭形體上。

進一步的，前述的超聲波氣體傳感器，其中，空心管中的大管徑段和小管徑段均為圓柱體形狀，所述的喇叭形體為圓臺體形狀。

本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明所述的技術方案，可以將超聲波氣體傳感器的流量零點精度從目前的±100~200毫升/分鐘提高到±2~10毫升/分鐘，從而能將超聲波氣體傳感器的氣體流量檢測范圍擴大到流量為50~200毫升/分鐘的超低流量領域。由于超聲波氣體傳感器原本就具有精度高、壽命長、穩(wěn)定性好、反應迅速、檢測周期短、可同時測量氣體濃度和氣體流量的大小及方向等優(yōu)點，新拓展的超低流量檢測能力將讓超聲波氣體傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、科學研究等領域得到更廣泛的應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的超聲波氣體傳感器的結構原理示意圖。

圖2是本發(fā)明中涉及到的信號波形示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明所述的技術方案作進一步的說明，但本發(fā)明并不僅限于以下的實施例。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的超聲波氣體傳感器，包括：一個用以容納待測氣體的密閉的氣室5，所述氣室5包括一根兩端封閉的空心管1，在靠近空心管1兩端的側壁上分別設置有一個通氣口，即第一通氣口141和第二通氣口142，在實際工作中，可以根據(jù)需要使待測氣體從第一通氣口141進入氣室5，并從第二通氣口142流出氣室5，同樣的，待測氣體也能從第二通氣口142進入氣室5，并從第一通氣口141流出氣室5，第一超聲波換能器21和第二超聲波換能器22以設定的距離分別安裝在氣室5的兩端，空心管1兩端分別形成大管徑段用以安裝超聲波換能器，即：空心管1的左端設有用以安裝第一超聲波換能器21的左大管徑段121、右端設有用以安裝第二超聲波換能器22的右大管徑段122，空心管1中間部分的管徑則小于兩端的大管徑段而形成小管徑段11，還包括一個氣體測量控制系統(tǒng)，所述氣體測量控制系統(tǒng)包括：分別連到第一超聲波換能器21和第二超聲波換能器22并能選擇性激勵一個超聲波換能器發(fā)出超聲波、而另一個超聲波換能器接收超聲波的切換開關網(wǎng)絡3，一個連到切換開關網(wǎng)絡3的微處理器7，連到切換開關網(wǎng)絡3和微處理器7的發(fā)射電路8和接收處理電路6；微處理器7通過發(fā)射電路8和切換開關網(wǎng)絡3激勵第一超聲波換能器21發(fā)出給定頻率的多脈沖的第一聲波，第一聲波穿過氣室5內的待測氣體并在氣室5內形成駐波，第二超聲波換能器22則接收到該第一聲波信號，從第一聲波開始發(fā)射到被接收的時間為第一傳播時間；然后，等第一聲波在氣室5內經(jīng)過阻尼振蕩消失以后，微處理器7通過發(fā)射電路8和切換開關網(wǎng)絡3激勵第二超聲波換能器22發(fā)出與第一聲波同樣頻率同樣脈沖數(shù)的第二聲波，第二聲波穿過氣室5內的待測氣體并在氣室5內形成駐波，第一超聲波換能器21則接收到該第二聲波信號，從第二聲波開始發(fā)射到被接收的時間為第二傳播時間；微處理器7根據(jù)第一傳播時間和第二傳播時間來測算出氣體的流量和／或待測氣體中氣體組成的含量；第一超聲波換能器21和第二超聲波換能器22之間的管道等效橫截面積不大于以第一聲波波長為直徑的圓面積的四分之一；并且，當小管徑段橫截面積不大于超聲波換能器的發(fā)射端面積的四分之一時，空心管兩端的大管徑段分別通過一個喇叭形體平滑過渡到空心管中間的小管徑段，即：左大管徑段121通過一個左喇叭形體131平滑過渡到空心管的小管徑段11的左端，右大管徑段122通過一個右喇叭形體132平滑過渡到空心管的小管徑段11的右端。并且，二個通氣口分別設置在空心管上的二個喇叭形體上，本實施例中，第一通氣口141設置在左喇叭形體131上，第二通氣口142設置在右喇叭形體132上。上述的第一聲波和第二聲波的驅動脈沖如圖2中的A波形所示，上述駐波信號的包絡波形參見圖2中的B波形所示。本實施例中，空心管中的大管徑段和小管徑段均為圓柱體形狀，即：左大管徑段121和右大管徑段122、以及小管徑段11均為圓柱體形狀，所述的喇叭形體為圓臺體形狀，即：左喇叭形體131和右喇叭形體132均為圓臺體形狀。

在實際工作中，與傳統(tǒng)的超聲波氣體傳感器一樣，當氣室內的待測氣體不流動時，微處理器能利用第一傳播時間或第二傳播時間來測算出待測氣體的平均分子量，若待測氣體是二元混合氣體，還可進一步測算出待測氣體中各氣體的含量（即各氣體的濃度）。當氣室內的待測氣體以一定的速度向某一方向流動時，微處理器則能利用所測量到的第一傳播時間和第二傳播時間測算出二者之間的時間差值，并進一步測算出待測氣體流量的大小、流量方向，若待測氣體是二元混合氣體，同樣還可進一步測算出待測氣體中各氣體的含量（即各氣體的濃度）。

本實施例中，接收處理電路6對接收到的信號進行限幅放大，并用一屏蔽信號與經(jīng)過限幅放大后的接收信號進行“或”或“與”運算，以屏蔽掉接收信號包絡中的小振幅部分，從而檢測出接收信號包絡中大振幅部分的脈沖的到達時間。優(yōu)選地，所述的接收信號包絡中的小振幅部分為至少小于接收信號包絡最大峰值60%的部分。上述的限幅放大后的接收信號參見圖2中的C波形所示，上述的屏蔽信號參見圖2中的D波形所示，微處理器7接收到的屏蔽后的接收信號參見圖2中的E波形所示。

本實施例中，屏蔽信號采用高電平脈沖信號，屏蔽信號與激勵超聲波換能器的超聲波信號同步發(fā)出，圖2中的虛線表示發(fā)射驅動的開始時刻；屏蔽信號與限幅放大后的接收信號進行“或”運算，并且屏蔽信號屏蔽掉接收信號包絡前段中的小振幅部分。該小振幅部分為至少小于接收信號包絡最大峰值60%的部分，實際操作中可將小于接收信號包絡最大峰值80%的包絡前段部分都進行屏蔽。通過對限幅放大后的接收信號的包絡前段振幅較小的部分進行屏蔽，使微處理器7只在接近包絡中段最大振幅處才開始檢測，從而大大降低噪聲等干擾信號對檢測結果的影響，大大提高信噪比，確保傳感器的檢測精度和抗干擾性。

由于設置了屏蔽信號來屏蔽掉接收信號包絡中的小振幅部分，因此，微處理器7所檢測到的接收信號包絡中大振幅部分的脈沖的到達時間與超聲波信號的實際傳播時間之間會存在一個固定延時，即：微處理器7所檢測到的傳播時間是一個帶有固定延時的傳播時間。由于超聲波氣體傳感器標定時，兩個超聲波換能器之間的距離、氣體溫度、以及氣體分子量都是確定的，實際傳播時間也因此可以計算確定。在標定時指定屏蔽信號后出現(xiàn)的脈沖群中的某個脈沖作為將要檢測的脈沖，則此脈沖的到達時間與實際傳播時間的固定延時就被確定下來。實際檢測時，用此脈沖的到達時間減去上述固定延時，就得到了超聲波信號的實際傳播時間。

本實施例中，為提高超聲波信號的發(fā)射強度，通過采用使超聲波換能器兩電極的電平同時交替切換的方法來激勵超聲波換能器發(fā)出超聲波信號。在實際工作中，也可以通過提高超聲波換能器驅動信號的電壓值，使發(fā)射功率更大；還可以采用上述二種方法的組合等形式來提高超聲波的發(fā)射強度。

本實施例中，考慮到溫度對超聲波的傳播速度會產(chǎn)生影響，因此為了提高測量精度，還設置有用以檢測待測氣體溫度的溫度傳感器4，溫度傳感器4可以設置在空心管1內腔壁上的凹槽中或者設置在任一個通氣口中，溫度傳感器4連到微處理器7，微處理器7能根據(jù)溫度傳感器4的溫度數(shù)據(jù)來修正測算結果。

在實際制作中，可優(yōu)選將溫度傳感器4安裝在任一個通氣口中。采用這種設置方式，有助于縮短兩個超聲波換能器之間的間距，進而縮小整個氣體傳感器的尺寸。

通過采用上述的技術方案，本發(fā)明能將超聲波氣體傳感器的流量零點精度從目前的±100~200毫升/分鐘提高到±2~10毫升/分鐘，并能將超聲波氣體傳感器的氣體流量檢測范圍擴大到流量為50~200毫升/分鐘的超低流量領域。