專利名稱:氣體濃度測量儀的制作方法
本發(fā)明涉及利用超聲波測量氣體濃度的儀器，更具體地說，涉及一種使用了高度防潮的超聲傳感器，能夠長時間地高精度測量氣體濃度的氣體濃度測量儀。
目前已有這樣的測量儀器，它利用超聲波的傳播速度對被測氣體濃度的依賴性測量混合氣體或單一分量氣體的濃度。這種氣體濃度測量儀已經(jīng)在(例如)1980年9月2日授予的美國專利№.4，220，040中有所敘述。該美國專利是授予本申請的同一個受讓人的。首先將說明其測量原理。
超聲在混合氣體中的傳播速度是由該混合氣體的常數(shù)、濃度和溫度所確定的。換句話說，其傳播速度可以用下面的方程式表述
<math><msup><mi>V </mi><mi>2</mi></msup><mi> = </mi><munderover><mi>Σ</mi><mi>i</mi><mi></mi></munderover><mrow><mi> c p i X i /</mi><munderover><mi>Σ</mi><mi>i</mi><mi></mi></munderover><mi>c V i X i</mi><mi>·｜/</mi><munderover><mi>Σ</mi><mi>i</mi><mi></mi></munderover><mi>M i X i ·R ·T</mi></mrow><mi> </mi></math>……(1)
式中V是超聲波在混合氣體中的傳播速度;
Cpi是混合氣體中在常壓情況下目標氣體i的比熱;
Cvi是混合氣體中在固定容積情況下目標氣體i的比熱;
Mi是在混合氣體中目標氣體i的分子重量;
Xi是混合氣體中目標氣體i的克分子分率;
R是氣體常數(shù);
T是混合氣體的絕對溫度。
假定混合氣體是由氣體和二氧化碳CO2組成的，方程式(1)則可以重寫為
V2＝(Cpco2Xco2+CpairXair)/
(Cvco2Xco2+CvairXair)·R·T……(2)
將混合氣體的常數(shù)和絕對溫度293°K代入方程式(2)，便可以計算出在每個二氧化碳CO2的濃度情況中超聲波的傳播速度。其結(jié)果如表1和圖1所示。
表1
由于∑xi＝1，所以式(2)又可以由下式(3)給出
V2= ([Cpair+(Cpco2-Cpair)Xco2])/([Cvair+(Cvco2-Cvair)Xco2])
X (R·T)/([Mair+(Mco2-Mair)Xco2]) =G(X2·T)……(3)
于是，濃度Xco2便可由下式(4)給出
Xco2＝F(V·T) ……(4)
換句話說，目標氣體的濃度是超聲波傳播速度V和氣體溫度T的函數(shù)。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個測量系統(tǒng)的方框圖，它是基于上述原理而設計的。
參照圖2，超聲波傳感器1包括一個發(fā)射振子2和一個與發(fā)射振子2相對設置的接收振子3。用一種適當?shù)姆椒▽⒊晜鞲衅?安裝在目標氣體環(huán)境4中。從發(fā)射振子2發(fā)射出來的超聲波穿過含有目標氣體的超聲波通路5。為接收振子3所接收。超聲波穿過超聲波通路5的傳播速度與目標氣體的濃度成反比。發(fā)射振子2包括一個電致伸縮元件。驅(qū)動放大器6和一個負導抗轉(zhuǎn)換器7被用來放大信號產(chǎn)生器8(該信號產(chǎn)生器由一個反饋振蕩放大器10控制)所產(chǎn)生的高頻信號并用以改善其響應特性。接收振子3包括一個電致伸縮元件。前置放大器9將來自接收振子3的高頻信號放大并將其輸出信號送至反饋振蕩放大器10。電阻器11和負導抗轉(zhuǎn)換器12用于改善接收振子3的響應特性和靈敏度。
另一方面，上述的反饋振蕩系統(tǒng)13的頻率fm與超聲波穿過目標混合氣體中通路5的傳播速度V有一種關系。即fm＝K·v/e(其中e是發(fā)射振子2和接收振子3之間的距離，K是一個比例常數(shù))。于是，反饋振蕩關統(tǒng)13的頻率fm和晶體振蕩器元件14產(chǎn)生的固定參考頻率fO被加到混頻器15，在這兒確定出fm和f0之間的差頻F。這個值F由頻率-電壓轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換為一個電壓值。并被送到補償器17。
溫度傳感器18包括一個熱敏電阻，一個溫度測量電阻或一種測量目標氣體環(huán)境4的溫度的熱電偶，測量到的溫度數(shù)據(jù)被加到溫度補償器17，該溫度補償器用于消除超聲波傳播速度的溫度相關性。溫度補償后的輸出電壓由顯示單元19指示出來，該顯示單元包括一個模擬電壓表，一個數(shù)字電壓表或者一個記錄器。
參照圖2和圖3將詳細說明根據(jù)本發(fā)明對混合氣體中的二氧化碳CO2氣體濃度進行測量的一個實例(該混合氣體包括三種分量空氣、二氧化碳CO2和水蒸汽H2O)。
容納有100%二氧化碳CO2氣體的氣缸20和一個壓縮器型氣泵21分別把二氧化碳CO2氣體和空氣送到具有流量調(diào)整值的流量計22和23，利用流量調(diào)整值事先調(diào)整好二氧化碳CO2的濃度。在流量計22和23后面接有一個用于混合二氧化碳CO2和空氣的混合室24。混合室24的CO2和空氣的混合氣體通過一個導管26被引到一個測量室25。在測量室25的底部是一個水深足以將導管浸入其中的水槽27。CO2/空氣混合氣體從氣體噴出孔(它被適當?shù)卦O置在導管26之中)噴出，穿過水槽27進入測量室25。通過這樣的過程，測量室25中的相對溫度便增加到高達95至100%。在測量室25上部有一個攪拌扇，它由電動機28所驅(qū)動。這個攪拌扇的功能是使測量室25內(nèi)的混合氣體的濃度一致?；旌蠚怏w穿過一個混合氣體出口管30被排放到測量室25的外邊。根據(jù)本發(fā)明的超聲傳感器1被設置在測量室25中的一個適當位置，并通過一條屏蔽電纜31與一個計算控制制部分32相連接，該計算控制部分32包括反饋振蕩系統(tǒng)13、晶體振蕩器元件14、混頻器15、頻率-電壓轉(zhuǎn)換器16和補償器17。具有一個溫度測量電阻、補償溫度的溫度傳感器18通過一條電纜33與計算控制部分32的補償器17相連接。補償器17的輸出電壓被設置成0至20伏，對應于二氧化碳CO2氣體0至20%體積的濃度，從而使輸出電壓的讀數(shù)值代表二氧化碳CO2氣體的濃度。對于顯示單元而言，使用了一個數(shù)字電壓表，反饋振蕩系統(tǒng)13的頻率fm由一個頻率計數(shù)器34監(jiān)控。通過混合氣體出口管30而引出的混合氣體穿過一個排放管36被引入一個紅外氣體分析儀35，在該分析儀中測量二氧化碳CO2氣體的濃度。此外，氣體色譜的一個采樣部分37被提供到排放管36的通路上，使二氧化碳CO2氣體的濃度受到氣體色譜的檢驗。
在測量室25中提供了用于測量混合氣體溫度的熱敏電阻溫度傳感器39，該溫度由一個溫度測量儀器40監(jiān)控。除了混合氣體入口管41和混合氣體出口管30之外，測量室25是完全密封的，另外，測量室25是放置于一個溫度可變的氣體恒溫箱42之中，該恒溫箱可以控制在±0.1℃之內(nèi)，以便使測量室25中的溫度可以隨意改變。
這樣，在這種超聲波氣體濃度測量儀器中，流過流量計22和23的、在0至20%范圍內(nèi)變化的二氧化碳CO2氣體濃度值實際上在27℃、35℃和42℃三個不同溫度的情況下于測量室25中被測量，由紅外線氣體分析儀35和氣體色層譜儀38所得到的測量數(shù)據(jù)如表2和圖4所示。
表2
＊1超聲波氣體濃度測量系統(tǒng)的頻率。
＊2超聲波系統(tǒng)濃度測量系統(tǒng)的讀數(shù)。
從表2和圖4可以看出。根據(jù)本發(fā)明的超聲波氣體濃度測量系統(tǒng)的反饋振蕩系統(tǒng)的頻率fm相對于氣體色層譜儀和紅外線氣體分析儀所指示的濃度成線性特征。而且，由超聲波濃度測量系統(tǒng)所指示的濃度與氣體色層譜儀和紅外線氣體分析儀所指示的濃度是非常一致的。
雖然前面的敘述涉及了根據(jù)本發(fā)明來測量包括三種氣體分量(CO2、空氣和H2O)的氣體濃度的方法和系統(tǒng)的一個實施方案。但本發(fā)明不限于測量這種混合氣體的合成物。
下文中將說明超聲傳感器，這種傳感器分別用于超聲波氣體濃度測量系統(tǒng)的超聲波發(fā)射元件中和超聲波接收元件中，包括有這些元件的傳感器其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)相同。也就是說，這種結(jié)構(gòu)的傳感器由一個超聲振子(例如PZT壓電陶瓷等)構(gòu)成。它的銀電極被熔合在一起，并且附設在一個板或支架上(板或支架可以是金屬或塑料制件)。在測量/控制超聲設備中迄今一直使用這類超聲傳感器來進行超聲波的接收與發(fā)射。這種類型的傳感器有一個缺點。即在水蒸汽的環(huán)境中，PZT之類的表面上的電極(例如銀電極)容易被電腐蝕，于是常常使超聲波信號與電信號的正確轉(zhuǎn)換或其相反的正確轉(zhuǎn)換變得很困難。因此，為了防止超聲振子上的電極被腐蝕，已經(jīng)使用了一種諸如硅樹脂、環(huán)氧樹脂或聚氨基甲酸酯的密封材料來防止水蒸汽進入支架。然而，盡管超聲傳感器的超聲振子附設在支架上并用一種密封材料密封起來。但當它在濕度為80%至100%的環(huán)境中連續(xù)工作一至十年之后。水蒸汽的逐步侵入仍將超聲傳感器出問題，還有另外一種對付電腐蝕的措施，即，使用一種金屬支架并焊接密封。但是用來把超聲振子附設在金屬支架上的膠合劑樹脂很容易被焊接產(chǎn)生的熱所損壞。
下圖將參照附圖對現(xiàn)有技術進行詳細說明。圖8表示了一個傳統(tǒng)的超聲傳感器的實例。圖8a是超聲傳感器59的截面視圖。圖8b是超聲振子4s(例如電壓電陶瓷材料PZT之類的材料或具有壓電特性的樹脂制成)的放大截面視圖和它的周圍部分。
如圖8b所示，超聲波振子4s上附有電極60和61，用具有良好的超聲波傳播特性的膠合劑62將該振子45粘接在支架44上(支架44(例如)是由金屬或樹脂制成的)。通過導線46和47，電極60和61被連接到端子48和49上，而這些端子固定在基座50上(基座50由酚醛樹脂疊層板或環(huán)氧疊層板制成)，如圖8a和8b所示。使用密封材料51把基座加蓋密封。但是這種結(jié)構(gòu)有一個缺點。當在含有水蒸汽的環(huán)境中連續(xù)工作很長時間(例如1至10年)的時候，水蒸汽通過密封材料51進入支架44，使電極60和61被電腐蝕。所以不能正確地發(fā)射和接收超聲波。
下面是本發(fā)明的概要。
本發(fā)明的目的是提供一種氣體濃度測量儀器，它使用一種超聲波傳感器來作為超聲波的發(fā)射和接收元件，通過超聲波濃度傳感器的表面上形成一層防水蒸汽薄膜。它可以長時間連續(xù)地正確測量氣體濃度。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用防潮型超聲波傳感器的氣體濃度測量系統(tǒng)，該超聲波傳感器基本上包括一個超聲波振子，一個支架和一種密封材料，其特征在于在密封材料的表面上形成一層導電材料和/或非導電材料。
下面是本發(fā)明的效果。
根據(jù)本發(fā)明，在傳統(tǒng)的超聲波傳感器的密封材料上形成一層薄膜，從而大大地提高了傳統(tǒng)的超聲波傳感器的濕度阻抗。因此，超聲波氣體濃度測量儀器中所使用的超聲波傳感器可以在包含有水蒸汽的環(huán)境中連續(xù)工作很長時間。對于用于本發(fā)明中的具有薄膜的超聲波傳感器和傳統(tǒng)的超聲波傳感器已經(jīng)做了一種加速試驗，其結(jié)果如圖10所示。在這個試驗中，每個超聲波傳感器都侵入60℃的熱水中，并且加上一個直流電壓。在圖10中，縱座標軸66表示以兆歐(MΩ)為單位的絕緣電阻。橫座標65為試驗的時間。將圖10所示的本發(fā)明中所使用的具有薄膜的超聲波傳感器的曲線63和傳統(tǒng)超聲波傳感器的曲線64進行比較?？梢钥闯霰景l(fā)明所用的傳感器在絕緣電阻方面沒有變化，或者可以說其濕度阻抗很好。另外，超聲波傳感器或圖5至圖7所示的超聲波傳感器被嵌入塊67中，并且在彈性密封材料75、塊67和振動表面71上形成一層薄膜，從而使其濕度阻抗進一步增加。
因此，使用了這種超聲波傳感器(其濕度阻抗被大大提高)的超聲波氣體濃度測量系統(tǒng)幾乎不受溫度和濕度變化的影響，它可以在高溫度環(huán)境中長時間地連續(xù)地精確測量氣體的濃度，這種特性在工業(yè)上非常有用。
下面是附圖的簡要說明。
圖1表示了CO2氣體濃度與超聲波傳播速度之間的關系;
圖2是測量系統(tǒng)的一實例的方框圖;
圖3表示了一個氣體濃度測量系統(tǒng)測量CO2氣體濃度的一個方法實例;
圖4是表2中的數(shù)據(jù)的圖示;
圖5至圖7是本發(fā)明中所用的超聲波傳感器實例的截面圖;
圖8a是傳統(tǒng)的超聲波傳感器的截面圖;
圖8b是圖8a中所示的傳感器的超聲波振子45和其周圍部分的放大截面圖;
圖9是本發(fā)明中所用的超聲波傳感器的實例的截面圖;
圖10表示了傳統(tǒng)傳感器與本發(fā)明中以用的傳感器的耐潮試驗結(jié)果。
下面是本發(fā)明最佳實施方案的說明。
參照附圖將對本發(fā)明加以敘述。
圖5至圖7是本發(fā)明中所使用的超聲波傳感器43、53和56的截面?zhèn)纫晥D，每個傳感器的基本結(jié)構(gòu)與圖8所示的傳統(tǒng)的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)相同。超聲波傳感器45具有電極60和61，并用膠合劑62將其粘接在支架44上，如圖8b所示。通過導線46和47，把電極60和61連接到端子48和49。端子48和49被固定在基座50上，密封材料51將其復蓋，以對支架44密封。
圖5表示了一種在密封材料51的表面上形成薄膜52的超聲波傳感器43。這種薄膜52的材料可能是非導電材料，具體地說就是氧化硅SiO、二氧化硅SiO2或者一種諸如聚四氟乙烯之類的氟基樹脂，可以利用(例如)真空蒸發(fā)、濺射或者離子噴鍍等方法將它們沉積成薄膜。膜的厚度范圍應當在500
以上。最好是從1500
到3000
。由于薄膜52是非導電的，所以穿過密封材料51從支架44伸出的端子48和49的部分必須用聚四氟乙烯帶或類似材料遮蓋住，以便使薄膜52只沉積在密封材料51的表面上，而不會沉積在其它部位上。
圖6表示了一個在端子48和49上形成絕緣膜54和55的超聲波傳感器，假如沒有這層絕緣膜，端子48和49將與密封材料51表面上形成的薄膜57相接觸。薄膜57的材料必須是一種導電材料，它們可以通過(例如)真空蒸發(fā)、濺射或離子噴鍍的方法形成。這些材料具體可以是鋁Al、金Au、鉛Pb、銅Cu、鈦合金、鎳Ni、鉻Cr、二硫化鉬M。S2或氟化鎂Mg F2。膜的厚度范圍在500
至5000
之內(nèi)，最好在1500
至3000
之內(nèi)。由于薄膜57是導電的，所以絕緣膜54和55形成在端子48和49的表面積上，否則端子48和49將與基座50、密封材料51和薄膜57相接觸。穿過密封材料51而從支架44伸出的端子48和49的部分必須用聚四氟乙烯帶或類似材料遮蓋住，以便使薄膜52只沉積在密封材料51的表面上，而不會沉積在其它部位上。
圖7表示了一個具有薄膜58的超聲波傳感器56，該薄膜形成在密封材料51的表面上和端子48和49的表面積上。如果沒有薄膜58，該端子48和49的表面將會與薄膜58上所形成的薄膜57相接觸。薄膜58的材料必須是任何一種絕緣材料。它們可以由真空蒸發(fā)、濺射或離子噴鍍的方法成形，具體地說，它們最好是一種具有線性膨脹系數(shù)的絕緣材料。該膨脹系數(shù)處于密封材料51和薄膜57的膨脹系數(shù)之間。薄膜58的厚度范圍為100
到4000
之間，最好為500
到1000
之間。另外，當薄膜58和57形成時，穿過密封材料51而從支架44伸出的端子48和49的部分要用聚四氟乙烯或類似材料遮蓋住，以便使薄膜58只沉積在端子48和49的表面上。而不會沉積在別處，否則它將與薄膜57接觸;同樣，薄膜57只沉積在端子48和49表面所形成的薄膜58的部分上，而不會沉積在別處。
本發(fā)明中所使用的傳感器的超聲波振子45、支架44、基座50和密封材料51的材料可以與傳統(tǒng)傳感器的上述部分材料相同。也就是說，超聲波振子的材料可以是PZT之類的壓電陶瓷材料，以及具有壓電特性的樹脂。保持器的材料可以是一種酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂之類的疊壓板。密封材料可以是硅樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸酯或類似材料。
圖9表示了嵌入在塊67中的超聲波傳感器68，這種傳感器與參照圖5至圖7所敘述的傳感器相同。這個塊可以改善防潮功能。圖9所示的塊67由一種耐腐蝕金屬(例如鋁或不銹鋼)或合成樹脂制成。超聲波傳感器68在端子48和49一側(cè)的端面69被置于適當?shù)奈恢镁o貼著塊67的傳感器支撐部分70，因此超聲波傳感器68的振動端面71基本上與塊67的塊端面72齊平。在超聲波傳感器68和塊67之間的環(huán)狀間隙73中插有諸有硅樹脂或橡膠之類的彈性密封材料74和75，它們可以吸收超聲波傳感器68的超聲振動，從而將超聲波傳感器68固定在塊67上。一根雙芯電纜76將超聲波高頻信號發(fā)送到超聲波傳感器68的端子48和49并從端子48和49接收超聲波高頻信號。這根電纜76穿過塊67左端面上的小孔77與端子48和49相連。為了密封起見，塊67與電纜76之間的間隙用螺紋襯套或高抗?jié)駱渲?例如聚丁二烯聚偏二氯乙烯)填滿。
一層薄膜78和/或一層薄膜79形成在彈性密封材料75、振動端面71和塊端面72的表面上。否則它們將會暴露在空氣中。薄膜78的材料必須對彈性密封材料75有高度的附著力。例如，當彈性密封材料75是硅樹脂時，必須用真空蒸發(fā)、濺射、離子噴鍍或類似方法將其形成，而且它最好是一種氧化硅SiO或二氧化硅SiO2之類的非導電薄膜。薄膜79的材料相對于SiO或SiO2之類的薄膜78、塊67和振動端面71有良好的附著力，它是以真空蒸發(fā)、濺射、離子噴鍍或類似方法成形的，并且在其自身上產(chǎn)生一些針孔。具體地說，這種薄膜79的材料最好應當是一種導電薄膜，例如鋁Al、金Au、鉛Pb、銅Cu、鈦合金、鎳Ni、鉻Cr、二氧化鉬MoS2或氟化鎂MgF2薄膜。薄膜78的厚度范圍為100
至4000
之內(nèi)，最好為500
至1000
。薄膜79的厚度范圍為500
至5000
，最好為1500
至3000
，薄膜78和79的總的厚度范圍為1000
至5000
，最好為2000A至4000
。
雖然在這種實施方案中形成了兩種薄膜78和79，但不論是膜78還是79都可以單獨形成。這取決于彈性密封材料75、塊67和振動端面71的材料的配合。
權利要求
1、一種氣體濃度測量儀器，它包括一個由反饋放大器控制的信號發(fā)生器；一個對所說的信號發(fā)生器所產(chǎn)生的高頻信號進行放大的驅(qū)動放大器；一個包括了超聲波發(fā)射元件和超聲波接收元件的超聲波傳感器，該超聲波發(fā)射元件由一種電致伸縮型振子構(gòu)成，用于把所說的驅(qū)動放大器放大的高頻信號轉(zhuǎn)換為超聲波，并發(fā)射該超聲波，而該超聲波接收元件亦由一種電致伸縮型振子構(gòu)成，用于接收所說的超聲波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號；一個于負導抗轉(zhuǎn)換器、電阻和另一負導抗轉(zhuǎn)換器組成的反饋振蕩系統(tǒng)，前一個負導抗轉(zhuǎn)換器接在所說的超聲波發(fā)射元件與驅(qū)動放大器之間，另一個負導抗轉(zhuǎn)換器則與所說的超聲波接收元件并聯(lián)；一個與反饋放大器的輸入相連的前置放大器；還包括一個計算輸出系統(tǒng)，該計算輸出系統(tǒng)包括一個混頻器，用以產(chǎn)生反饋振蕩系統(tǒng)頻率與晶體諧振器參考頻率之間的差頻；一個頻率-電壓轉(zhuǎn)換器，用于將所說的混頻器輸出的差頻轉(zhuǎn)換為電壓以及一個根據(jù)所說的頻率-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出和溫度傳感器所檢測的溫度信息計算出氣體濃度的補償器。該氣體濃度測量儀的特征為所說的超聲波傳感器是一種防潮超聲波傳感器，它基本上由一個超聲波振蕩器、一個支架和一種密封材料所構(gòu)成，密封材料的表面上沉積有一層導電材料和/或非導電材料的膜。
2、根據(jù)權項1的氣體濃度測量儀器，其中所說的超聲波傳感器的密封材料上所沉積的膜由一層在密封材料上沉積的非導電材料膜和一層在所說的非導電材料膜上沉積的導電材料膜所構(gòu)成。
3、根據(jù)權項1的氣體濃度測量儀器，其中所說的超聲波傳感器被嵌入一個塊中，并且在彈性密封材料、超聲波傳感器的振動端面和塊的端面上形成一層非導電材料和/或一層導電材料膜。
4、根據(jù)權項2的氣體濃度測量儀器，其中所說的超聲波傳感器被嵌入一個塊中，并且在彈性密封材料、超聲波傳感器的振動端面和塊的端面上形成一層非導電材料和/或一層導電材料的膜。
專利摘要
利用超聲波在氣體中傳播速度對氣體濃度的依賴性的氣體濃度測量儀包括一個防潮超聲波傳感器，它有一層利用蒸發(fā)方式沉積在密封材料表面上的金屬或類似材料。因此，該儀器幾乎不受溫度和濕度的影響，可在高濕度下長時間連續(xù)高精度測量氣體濃度。該超聲波傳感器基本上由超聲波振動器、支架和密封材料構(gòu)成。更可取的是，它被嵌入一個塊中并用彈性密封材料密封，在密封材料(彈性密封材料)表面、超聲波傳感器的振動端面和塊端面上形成一層導電和/或非導電材料的膜。
文檔編號G01N29/00GK85105865SQ85105865
公開日1986年11月19日 申請日期1985年8月2日
發(fā)明者野口康夫, 山本守人, 松永文昭 申請人:住友電木株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan