氧濃度測定儀的製作方法
2023-12-07 20:48:46 2
專利名稱：氧濃度測定儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體分析儀器，尤其是一種能夠測試氣體環境中氧分壓或氧氣含量的氧濃度測試儀。
目前的氧濃度測試儀主要有三種，一種是雷磁式氧分析儀，它體積大，造價成本高，當用於在線檢測時，對於安裝或檢修都帶來一定的困難；一種是氧化鋯濃差電池式氧分析儀，這種儀器消耗功率大，需要參比氣體，受可燃性氣體影響大，使用時需要校準；一種是伽伐尼電池式氧分析儀因使用壽命短，使用時需校準，且不適應高、低溫條件下使用，但國內企業生產的主要是這種氧分析儀。另外還有色譜儀對氧含量進行分析等方法主要用於實驗室做分析使用。
本發明的目的是為了提供一種使用時無需基準氣體，使用溫度範圍較寬，體積小，使用壽命長的一種氧濃度測試儀。
本發明的目的可以通過以下措施來實現本發明包括氧化鋯界限電流式氧傳感器，加熱電壓產生電路，工作電壓產生電路，採樣單元、CPU單元、輸出單元、顯示及鍵盤單元。它們的連接關係是氧傳感器的輸入端a與加熱電壓產生電路的輸出端b相接，氧傳感器的輸入端o與工作電壓產生電路的輸出端p正相接，氧傳感器的輸出端g與採樣單元的輸入端h相接，CPU單元的輸出d與加熱電壓產生電路的輸入端c相接，CPU單元的輸出r與工作電壓產生電路的輸入端q相接，CPU單元的輸出端k與顯示及鍵盤單元的輸入端l相接，CPU單元的輸入端已與顯示及鍵盤單元的輸出端f相接，CPU單元的輸入端j與採樣單元的輸出端i相接，CPU單元的輸出端m與輸出單元的輸入端n相接。
氧化鋯界限電流式氧傳感器工作時，其晶片工作環境溫度為350℃～400℃，產生這個溫度所需的電源由加熱電壓電路提供，由於不同傳感器所需加熱電壓不一樣，因此本發明中通過鍵盤及顯示單元將加熱電壓值送入CPU單元，再由CPU單元將信號轉化後送給加熱電壓電路，由加熱電壓電路產生設定的加熱電壓提供給傳感器以供加熱所用。加熱電壓電路的連接方法及工作原理是加熱電壓產生電路由DC/DC轉換晶片IC3，數字電位器IC4，場效應管T1，快速恢復二極體D2，電阻R3、R4、R5、R6，電容C5、C6、C7、C8和電感L等組成，其中數字電位器IC4與電阻R3、R4串接在電路的輸出端b與地之間，它們的分壓輸出即R3、R4相接的點接在IC4的反饋FB端2，IC3的驅動EXT端7接至場效應管T1的柵極，場效應管T1的源極與IC3的CS的端6及電阻R6相接，電阻R6的另一端接至電源電壓。場效應管T1的漏極與快速恢復二極體D2的負極、與電阻R5的一端、與電感L的一端相接，R5的另一端與C7串接，C7另一端接地，L的另一端按加熱電壓產生電路輸出端b，數字電位器的U/D端2與加熱電壓產生電路的輸入端C相接，電容C8跨接於輸出與地線之間，C6接於IC3的GB端2與IC4的VH端3之間。因此，CPU可以根據鍵盤鍵入的值來控制加熱電壓的輸出值，從而避免了手動調節加熱電壓帶來的不便和不準確。
另外，界限電流式氧傳感器的工作電壓由工作電壓產生電路提供，在不同氧濃度時氧傳感器所需要的工作電壓值也不一樣，所以工作電壓產生電路需要能夠根據氧濃度範圍對不同檔位的工作電壓值進行自動切換，工作電壓電路的連接方法和工作原理為精密電壓基準D1，數字電位器IC2，運算放大器IC1，電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4組成，其連接方式為電容C4與精密電壓基準D1並聯後再與電阻R2串聯在電源電壓與地線之間，數字電位器IC2和電阻R1串接在電壓基準輸出與地線之間，數字電位器IC2的VL端6與電壓基準D1的「+」端相連，IC2的VH端3與電阻R1的一端相聯，電阻R1的另一端接地，數字電位器IC2的U/D端2接q，運放IC1的「+」端3與IC2的VW端5相接，運算放大器IC1的輸出端6作為工作電壓產生電路的輸出端p，運算放大器IC1的4端通過電容C1接地，運算放大器IC1的7端通過電容C2接地，運算放大器IC1的8端通過電容C3與地相接。當氧濃度不一樣時，其氧傳感器工作電壓平臺範圍也不一樣，為了保證測試濃度變化時電壓值保持在工作電壓平臺範圍內，在儀器初始工作時，工作電壓產生電路給傳感器一個初始電壓，並在傳感器端產生一個初始信號，此信號通過採樣處理對應一個氧濃度輸出，在CPU單元中，根據氧濃度範圍設定高、中、低三個檔次，同時對應三個設定工作電壓值，CPU根據初始氧濃度自動選定一個相應工作電壓值作為校正後的電壓輸出值供給傳感器，能保證使傳感器最大限度地工作在最佳狀態，從而提高測試的精確度、穩定性和準確度。
運算放大器IC1接成一個跟隨器，運算放大器IC1的「+」端3與數字電位器IC2的VW端5相接，運算放大器IC1的輸出端6作為該電路的輸出端P，使氧傳感器與工作電壓產生電路輸出端相互隔離。
界限電流式氧傳感器產生的電流信號由採樣單元經過線性化及放大處理後送入CPU單元，最後CPU單元將氧濃度送給鍵盤及顯示單元顯示氧濃度，同時送給輸出單元；由輸出單元輸出相應電流或電壓標準信號及開關量。
由於加熱電壓產生電路能根據不同的氧傳感器提供相應加熱電壓，從而使氧傳感器的工作溫度範圍不易受外界環境影響，可保持測試的獨立性和抗幹擾能力。工作電壓產生電路根據不同氧濃度提供相應的、高穩定度的工作電壓，提高了測試的精確度和穩定性。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是氧濃度測試儀的原理方框圖；圖2是加熱電壓產生電路的線路圖；圖3是工作電壓產生電路的線路圖；圖4是氧傳感器電流電壓特性圖。
圖1所描述的氧濃度測試儀原理方框圖包括一個氧傳感器，加熱電壓產生電路，工作電壓產生電路，採樣單元、CPU單元、顯示及鍵盤單元幾個部分。其中氧傳感器為氧化鋯界限電流式氧傳感器，它與儀表的線路部分既可是一體的，也可以是分體的。它們的連接關係是氧傳感器的輸入端a與加熱電壓產生電路的輸出端b相接，氧傳感器的輸入端o與工作電壓產生電路的輸出端p正相接，氧傳感器的輸出端g與採樣單元的輸入端h相接，CPU單元的輸出d與加熱電壓產生電路的輸入端c相接，CPU單元的輸出r與工作電壓產生電路的輸入端q相接，CPU單元的輸出端k與顯示及鍵盤單元的輸入端l相接，CPU單元的輸入端已與顯示及鍵盤單元的輸出端f相接，CPU單元的輸入端j與採樣單元的輸出端i相接，CPU單元的輸出端m與輸出單元的輸入端n相接。
在本發明的最佳實施例中，加熱電壓產生電路中各種元件為DC/DC轉換晶片IC3，數字電位器IC4，場效應管T1，快速恢復二極體D2，電阻R3、R4、R5、R6，電容C5、C6、C7、C8和電感L，它們的連接關係是數字電位器IC4與電阻R3、R4串接在電路的輸出端b與地之間，它們的分壓輸出即R3、R4相接的點接在IC4的反饋FB端2，IC3的驅動EXT端7接至場效應管T1的柵極，場效應管T1的源極與IC3的CS的端6及電阻R6相接，電阻R6的另一端接至電源電壓。場效應管T1的漏極與快速恢復二極體D2的負極、與電阻R5的一端、與電感L的一端相接，R5的另一端與C7串接，C7另一端接地，L的另一端按加熱電壓產生電路輸出端b，數字電位器的U/D端2與加熱電壓產生電路的輸入端C相接，電容C8跨接於輸出與地線之間，C6接於IC3的GB端2與IC4的VH端3之間。轉換器IC3是型號為MAX1627的DC/DC轉換器，數字電位器IC4的型號為X9312V，它的內阻為50KΩ並具有4100個抽頭，在它的輸入電壓為5V時，需提供的加熱電壓為2.2V，它的控制精度可達到5/100＝0.05V，按照傳感器工作要求，加熱電壓的控制範圍為要求值的+0.1V，所以它是它是可以滿足的。D2的型號為IN5817，即它使數字電位器的可調電壓為5V。工作電壓產生電路中各種元件為精密電壓基準D1，數字電位器IC2，運算放大器IC1，電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4，它們的連接關係是電容C4與精密電壓基準D1並聯後再與電阻R2串聯在電源電壓與地線之間，數字電位器IC2和電阻R1串接在電壓基準輸出與地線之間，數字電位器IC2的VL端6與電壓基準D1的「+」端相連，IC2的VH端3與電阻R1的一端相聯，電阻R1的另一端接地，數字電位器IC2的U/D端2接q，運放IC1的「+」端3與IC2的VW端5相接，運算放大器IC1的輸出端6作為工作電壓產生電路的輸出端p，運算放大器IC1的4端通過電容C1接地，運算放大器IC1的7端通過電容C2接地，運算放大器IC1的8端通過電容C3與地相接。數字電位器IC2的型號為X9313Z。它內阻為1KΩ，抽頭數為32抽頭，當D1為CM336B-2.5時即它的可控電壓為2.5V，控制精度可為2.5/32＝0.078V，這與傳感器工作電壓要求為要求值±0.1V也是適用的。當氧傳感器為氧化鋯界限電流式低氧傳感器，型號為98100236，測試範圍為100ppm～2％氧濃度時，CPU按氧濃度範圍分為100ppm～1000ppm，1000ppm～10000ppm，10000ppm～20000ppm，將工作電壓對應設定為-0.4V、-0.8V、-1.2V三個檔次，初始工作電壓設定為-0.8V，當初始測試值在1000ppm～10000ppm內時，加熱電壓不變，當初始測試值不在此範圍內時，則CPU控制工作電壓電路自行轉換提供相應工作電壓。
本發明的另一實施例中，氧傳感器為氧化鋯界限電流式高氧傳感器，測試範圍為1～98％，CPU按氧濃度範圍分為1～20％，2～40％，4～98％三段，將工作電壓對應設定為-1.6V，-2.0V，-2.4V三個檔次，初始工作電壓設定為-2.0V，當測試值在20～40％內時，加熱電壓不變，當初始測試值不在此範圍時，則CPU控制工作電壓產生電路自行切換提供相應工作電壓，此時電路中其它元器件不需做另外變化。
權利要求
1.一種氧濃度測定儀，包括氧傳感器、採樣單元、CPU單元、顯示與鍵盤單元以及輸出單元，氧傳感器的輸出端g與採樣單元的輸入端h相接，CPU單元的輸出端k接顯示與鍵盤單元的輸入端l，CPU單元的輸入端接顯示與鍵盤單元的輸出端f，CPU單元的輸入端j與採樣單元的輸出端i相接，CPU單元的輸出端m與輸出單元的輸入端n相接，其特徵在於在它還有一個加熱電壓產生電路和工作電壓產生電路連接在氧傳感器與CPU之間，氧傳感器的輸入端a與加熱電壓產生電路的輸出端b相接，加熱電壓產生電路的輸入端c與CPU單元的輸出端d相接，氧傳感器的輸入端o與工作電壓產生電路訴輸出端p相接，工作電壓產生電路的輸入端q與CPU單元的輸出端r相接。
2.如權利要求1所述一種氧濃度測試儀，其特徵在於其中所述的氧傳感器為固體電解質氧化鋯界限電流式氧傳感器。
3.如權利要求1所述一種氧濃度測試儀，其特徵在於其中所述的加熱電壓產生電路由DC/DC轉換晶片IC3，數字電位器IC4，場效應管T1，快速恢復二極體D2，電阻R3、R4、R5、R6，電容C5、C6、C7、C8和電感L等組成，其中數字電位器IC4與電阻R3、R4串接在電路的輸出端b與地之間，它們的分壓輸出即R3、R4相接的點接在IC4的反饋FB端2，IC3的驅動EXT端7接至場效應管T1的柵極，場效應管T1的源極與IC3的CS的端6及電阻R6相接，電阻R6的另一端接至電源電壓，場效應管T1的漏極與快速恢復二極體D2的負極、與電阻R5的一端、與電感L的一端相接，R5的另一端與C7串接，C7另一端接地，L的另一端按加熱電壓產生電路輸出端b，數字電位器的U/D端2與加熱電壓產生電路的輸入端C相接，電容C8跨接於輸出與地線之間，C6接於IC3的GB端2與IC4的VH端3之間。
4.如權利要求1所述一種氧濃度測定儀，其特徵在於其中所述的工作電壓產生電路由精密電壓基準D1，數字電位器IC2，運算放大器IC1，電阻R1、R2和電容C1、C2、C3、C4組成，其連接方式為電容C4與精密電壓基準D1並聯後再與電阻R2串聯在電源電壓與地線之間，數字電位器IC2和電阻R1串接在電壓基準輸出與地線之間，數字電位器IC2的VL端6與電壓基準D1的「+」端相連，IC2的VH端3與電阻R1的一端相聯，電阻R1的另一端接地，數字電位器IC2的U/D端2接q，運放IC1的「+」端3與IC2的VW端5相接，運算放大器IC1的輸出端6作為工作電壓產生電路的輸出端p，運算放大器IC1的4端通過電容C1接地，運算放大器IC1的7端通過電容C2接地，運算放大器IC1的8端通過電容C3與地相接。
全文摘要
一種氧濃度測定儀,由氧化鋯界限電流式氧傳感器、加熱電壓產生電路、工作電壓產生電路、採樣單元、CPU單元、顯示與鍵盤單元以及輸出單元組成。由於加熱電壓工作電路和工作電壓產生電路均獨立工作,與以前的氧深度測定儀相比較,其有使用壽命長,穩定性好,使用時不需參比氣體,且校正周期長。
文檔編號G01N27/26GK1243950SQ99114650
公開日2000年2月9日 申請日期1999年1月29日 優先權日1999年1月29日
發明者張益康, 楊邦朝 申請人:康達(成都)電子有限公司