基于超声原理的高原氧浓度测试方法及装置与流程

基于超声原理的高原氧浓度测试方法及装置
【技术领域】
1.本发明涉及氧浓度技术领域，尤其涉及一种基于超声原理的高原氧浓度测试方法及装置。


背景技术：

2.目前高原用氧浓度传感器主要以电化学氧气传感器为主，电化学氧气传感器都是自身供电，有限扩散，由空气阴极，阳极和电解液组成。简单来说就是一个密封容器里面包含有两个电极：阴极涂有活性催化剂，阳极是一个铅块。这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。两个电极通过集电器被连接到表面引脚。传感器内充满电解质溶液，使不同种离子进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电极时，立刻被还原释放出氢氧根离子，这些氢氧根离子通过电解质到达阳极(铅)，与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。发生反应时会生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度，浓度越高反应越快，这样就可以准确测量出氧气的浓度。
3.但是目前的电化学氧气传感器需要获得电势差，导致响应速度较慢；一旦阳极上的铅被完全氧化就会导致电化学氧气传感器无法继续工作，导致其使用寿命较短，而且一旦持续进行工作时，使用寿命会因铅被氧化的速度加快而缩短，且其造价较高，导致不利于企业对成本的控制，较难进行商业化批量应用。
4.因此，现有技术存在不足，需要改进。


技术实现要素：

5.为克服上述的技术问题，本发明提供了一种基于超声原理的高原氧浓度测试方法及装置。
6.本发明解决技术问题的方案是提供一种基于超声原理的高原氧浓度测试方法，包括如下步骤：
7.步骤s1：测出当前温度t1；
8.步骤s2：测出多组顺流时间ta1、ta2
…
tan；
9.步骤s3：测出与顺流时间相同组数的逆流时间tb1、tb2
…
tbn；
10.步骤s4：根据多组顺流时间ta1、ta2
…
tan与多组逆流时间tb1、tb2
…
tbn计算出平均值tm；
11.步骤s5：确定出时间值变化量δt＝与温度变化量δt之间的关系：δt＝20*δt；
12.步骤s6：测出在温度t0且空气中氧浓度为20.8％时的顺流时间ta0与逆流时间tb0；
13.步骤s7：计算出顺流时间ta0与逆流时间tb0的平均值tmc；
14.步骤s8：计算出氧浓度计算系数k0；
15.步骤s9：计算出氧浓度c。
16.优选地，所述温度t0为30℃。
17.优选地，所述k0的计算式为：(ta-tmc)/(c0*100-20.8)，所述ta为在氧浓度为c0时的顺流时间，所述浓度c0大于20.8％。
18.优选地，所述氧浓度c的计算式为((((tm δt)-tmc)*k0)/100 20.8)％。
19.本发明还提供一种基于超声原理的高原氧浓度测试装置，其采用上述的基于超声原理的高原氧浓度测试方法，包括空心管、两个收发一体的超声波探头、滤波放大器、微处理器、温度检测模块，所述空心管包括进气口与出气口，所述进气口与出气口相对设置在空心管的两端，两个所述超声波探头分别设置在进气口与出气口处用于接收彼此发出的超声波信号。
20.优选地，所述滤波放大器、微处理器设置在空心管外部，所述滤波放大器分别与两个超声波探头电性连接，所述滤波放大器还与微处理器电性连接，所述滤波放大器用于滤除超声波探头发送给微处理器的杂波并对可用波进行放大，所述微处理器用于对超声波探头进行控制并进行计算。
21.优选地，所述温度检测模块部分设置在空心管内，部分从空心管内伸出并显露与空心管表面，所述，温度检测模块与微处理器电性连接，所述温度检测模块用于对空心管内的温度进行检测并将检测结果以温度电信号的形式发送给微处理器。
22.相对于现有技术，本发明的超声原理的高原氧浓度测试方法及装置具有如下优点：
23.采用超声波技术对高原氧浓度进行检查，响应速度较快，相较于电化学氧浓度传感器，使用寿命较长，其中零部件不参与反应，因此不用担心使用频次过高而因发生反应导致使用寿命降低问题的发生；价格相较于电化学氧浓度传感器较低，有利于企业对成本的控制，结合其使用寿命较长的优点，有利于商业化批量应用，有利于增加企业对市场的占有率；同时由于零部件不参与反应，无需短时间内进行校准，减少工作人员的工作量的同时也降低了检修费用。
【附图说明】
24.图1是本发明超声原理的高原氧浓度测试装置一剖面结构示意图。
25.图2是本发明超声原理的高原氧浓度测试装置的电路连接结构示意图。
26.图3是本发明超声原理的高原氧浓度测试方法的具体流程示意图。
27.附图标记说明：
28.10、超声原理的高原氧浓度测试装置；11、空心管；12、超声波探头；13、滤波放大器；14、微处理器；15、温度检测模块；111、进气口；112、出气口。
【具体实施方式】
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
30.请参阅图1-图2,本发明提供一种超声原理的高原氧浓度测试装置10，用于对高原空气中的氧气浓度进行检测，包括空心管11、两个收发一体的超声波探头12、滤波放大器13、微处理器14、温度检测模块15，其中空心管11包括进气口111与出气口112，进气口111与
出气口112相对设置在空心管11的两端，且两个超声波探头12分别设置在进气口111与出气口112处用于接收彼此发出的超声波信号。
31.进一步地，滤波放大器13、微处理器14设置在空心管11外部，滤波放大器13分别与两个超声波探头12电性连接，滤波放大器13还与微处理器14电性连接。
32.进一步地，温度检测模块15部分设置在空心管11内，部分从空心管11内伸出并显露与空心管11表面，温度检测模块15与微处理器14电性连接。
33.其中滤波放大器13用于滤除超声波探头12发送给微处理器14的杂波并对可用波进行放大；其中一超声波探头12用于在微处理器14的控制下发射超声波给另一超声波探头12，另一超声波探头12在接收到超声波时将超声波以电信号的形式发送给微处理器14，微处理器14记录超声波在被发送及被接收所需要的时间后控制另一超声波探头12发送超声波给其中一超声波探头12，微处理器14再一次对超声波在被发送及被接收所需要的时间进行记录，即分别获得两端超声波探头12发送超声波至对方时所需要的时间；微处理器14对时间进行记录并通过时间、温度对高原氧浓度值进行计算；温度检测模块15用于对空心管11内的温度进行检测并将检测结果以温度电信号的形式发送给微处理器14，以使微处理器14获取当前空心管11内的温度信息。
34.请参阅图3，本发明还提供一种基于超声原理的高原氧浓度测试方法，上述基于超声原理的高原氧浓度测试装置10采用该基于超声原理的高原氧浓度测试方法，包括如下步骤：
35.步骤s1：测出当前温度t1。
36.温度t1为空心管11内的实时温度，并由温度检测模块15测得。
37.步骤s2：测出多组顺流时间ta1、ta2
…
tan；
38.步骤s3：测出与顺流时间相同组数的逆流时间tb1、tb2
…
tbn。
39.在本发明中，顺流时间ta1、ta2
…
tan可以为位于进气口111处的超声波探头12从发送超声波到位于出气口112处的超声波探头12接收到超声波所需要的时间，逆流时间tb1、tb2
…
tbn即为位于出气口112处的超声波探头12从发送超声波到位于进气口111处的超声波探头12接收到超声波所需要的时间，包括但不限于此，顺流时间ta1、ta2
…
tan也可为位于出气口112处的超声波探头12从发送超声波到位于进气口111处的超声波探头12接收到超声波所需要的时间，逆流时间tb1、tb2
…
tbn也可为位于进气口111处的超声波探头12从发送超声波到位于出气口112处的超声波探头12接收到超声波所需要的时间；通过测量多组顺流时间与逆流时间计算平均值可减少因单个数据出现测量误差、及压力等对数据带来的影响。可以理解，多组顺流时间ta1、ta2
…
tan可为由其中一超声波探头在连续多个周期内发送给另一个超声波探头时所测得，逆流时间tb1、tb2
…
tbn为由另一个超声波在连续多个周期内发送给其中一超声波探头时所测得的。
40.步骤s4：根据多组顺流时间ta1、ta2
…
tan与多组逆流时间tb1、tb2
…
tbn计算出平均值tm。
41.其中tm计算式为(ta1 ta2
…
tan tb1 tb2
…
tbn)/2。
42.在本发明中均测量两组的顺流时间与逆流时间，包括但不限于此，也可均测量三组及以上，具体可根据实际进行设置。
43.步骤s5：确定出时间值变化量δt＝与温度变化量δt之间的关系：δt＝20*δt；
44.步骤s6：测出在温度t0且空气中氧浓度为20.8％时的顺流时间ta0与逆流时间tb0。
45.其中δt为温度t1-温度t0；δt即为20*(t1-t0)。
46.优选地，在本发明中温度t0为30℃。
47.步骤s7：计算出顺流时间ta0与逆流时间tb0的平均值tmc。
48.tmc为(ta0 tb0)/2。
49.步骤s8：计算出氧浓度计算系数k0。
50.优选地，在本发明中氧浓度计算系数k0的计算式为(ta-tmc)/(c0*100-20.8)，其中ta为在氧浓度为c0时的顺流时间，且氧浓度c0大于20.8％。可以理解，氧浓度计算系数k0是通过已知氧浓度c0时计算而得。
51.进一步地，当温度t0为30℃时，测得顺流时间ta0的值为19808微秒，逆流时间tb0的值为19816微秒，此时tmc的值为19812微秒。在本发明中，优选氧浓度c0为100％，在t0温度下测得顺流时间ta的值为20602微秒，因此带入k0计算式得到k0近似为10；在本发明中，优选氧浓度c0为90％，在t0温度下测得顺流时间ta的值为20467微秒，因此带入k0计算式得到k0约为10。
52.步骤s9：计算出氧浓度c。
53.具体地，氧浓度c的计算式为((((tm δt)-tmc)*k0)/100 20.8)％。当在温度为32℃时从进气口111通入浓度为80％的氧气，计算得到此时的tm为20370.5微秒、δt为20*(32-30)＝40微秒、tmc为19812微秒，带入上述氧浓度c的计算式((((20370.5 40)-19812)*10)/100 20.8)％＝80.65％；当在温度为32℃时从进气口111通入浓度为90％的氧气，计算得到此时的tm为20467.5微秒、δt为20*(32-30)＝40微秒、tmc为19812微秒，带入上述氧浓度c的计算式((((20467.5 40)-19812)*10)/100 20.8)％＝90.35％。与实际浓度具有较小的误差，其在进行高原氧浓度测量时在具有一定精确程度的同时，不会因为发生反应而导致高原氧浓度测试装置的使用寿命较低。
54.相对于现有技术，本发明的超声原理的高原氧浓度测试方法及装置具有如下优点：
55.采用超声波技术对高原氧浓度进行检测，响应速度较快，相较于电化学氧浓度传感器，使用寿命较长，其中零部件不参与反应，因此不用担心使用频次过高而因发生反应导致使用寿命降低问题的发生；价格相较于电化学氧浓度传感器较低，有利于企业对成本的控制，结合其使用寿命较长的优点，有利于商业化批量应用，有利于增加企业对市场的占有率；同时由于零部件不参与反应，无需短时间内进行校准，减少工作人员的工作量的同时也降低了检修费用。
56.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含在本发明的专利保护范围内。