ASM salida del sensor de oxgeno por ultrasonidosEE.UU. 7574894 B2RESUMENUn mtodo de medicin de gas, aparato y sistema para la medicin de una concentracin de un gas de inters se da a conocer.La concentracin de gas se basa en un retardo de propagacin de una onda snica o ultrasnica como la onda viaja a travs del gas.El retardo de propagacin se mide de manera que retrase las contribuciones procedentes de fuentes distintas del gas s se cancelan.Un sensor de acuerdo con la invencin incluye un transmisor y un receptor snico o ultrasnico, y un mdulo de control para realizar clculos.El sensor se puede utilizar en diversas aplicaciones, incluyendo sistemas de generacin de gas inerte a bordo (OBIGGS).IMGENES(7)

RECLAMACIONES(18)1. Un dispositivo de medicin de gas para medir una concentracin de un gas de inters, el gas de inters de ser un componente de un gas que tiene al menos dos componentes diferentes, que comprende:un transmisor para generar una onda ultrasnica o snica;un receptor para la deteccin de la onda ultrasnica o snica;un reflector colocado para reflejar de vuelta al receptor de la onda snica o ultrasnica despus de haber sido previamente detectado por el receptor;yun procesador acoplado operativamente al transmisor y el receptor, dijo operativa procesador para medir un retardo de propagacin entre la deteccin inicialmente la onda snica o ultrasnica y posteriormente detectar la snico se refleja o se detecta la onda ultrasnica.2. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que la concentracin de gas se determina basndose en la velocidad de onda snica o ultrasnica en el gas cambiando con el peso molecular medio del gas.3. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que la concentracin de gas se determina basndose en una velocidad de la onda snica o ultrasnica a travs del gas, la temperatura del gas, y el peso molecular del gas.4. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, Que comprende adems un mdulo de control configurado operativamente para aplicar un algoritmo de correlacin cruzada a la forma de onda de la seal recibida.5. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el retardo de propagacin se basa en un retardo de tiempo medido de un pulso de ida y vuelta de la onda despus de la primera deteccin.6. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 5, En el que el pulso de ida y vuelta incluye un primer impulso recibido y un segundo pulso recibido.7. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 5, En el que el pulso de ida y vuelta se genera a partir de la onda se refleja en una cara del receptor, a continuacin, se refleja en una cara del transmisor y llegar de vuelta en el receptor.8. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 7, En el que toda la forma de onda recibida se registra.9. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el retardo de propagacin se mide como el tiempo de vuelo de la onda entre la transmisin y recepcin transductores, y la medicin se compensa basa en la temperatura.10. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el retardo de propagacin se mide usando una diferencia de fase entre la onda transmitida y la onda recibida.11. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el transmisor genera ondas pulsadas.12. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 11, En el que las ondas de impulsos se transmiten en el transmisor y receptor de frecuencia de resonancia.13. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, Que comprende adems al menos un sensor de temperatura para medir una temperatura del gas que pasa a travs del dispositivo.14. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el transmisor y el receptor son transductores piezoelctricos.15. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, En el que el transmisor y el receptor estn montados de modo que un camino acstico de la onda tiene un componente paralelo a una direccin de flujo de gas.16. El dispositivo de medicin de gasreivindicacin 1, Que comprende adems una unidad de control operativamente configurado para determinar que la concentracin del gas basada en un modelo de alta fidelidad, en el que el modelo de alta fidelidad incluye correcciones para al menos uno de los gases no ideales o una constante de gas adiabtico.17. Un dispositivo de medicin de gas para medir una concentracin de un gas de inters, el gas de inters de ser un componente de un gas que tiene al menos dos componentes diferentes, que comprende:una carcasa que incluye una entrada para recibir el gas y una salida para agotar el gas;un transmisor para generar una onda ultrasnica o snica;un receptor para la deteccin de la onda ultrasnica o snica;un reflector colocado para reflejar de vuelta al receptor de la onda snica o ultrasnica despus de haber sido previamente detectado por el receptor,en el que dicho transmisor y el receptor estn fijados a uno frente a la otra vivienda, ypor el que una medicin de un retardo de propagacin entre detectar inicialmente la onda snica o ultrasnica y posteriormente detectar la snico se refleja o se detecta la onda ultrasnica.18. El dispositivo de acuerdo conreivindicacin 17, Que comprende adems circuitos operativamente acoplado al transmisor y receptor, dijo operativa circuitera para medir el retardo de propagacin.DESCRIPCINCAMPO DE LA INVENCINLa presente invencin se refiere en general a un sensor de concentracin de gas y, ms especficamente, a un sensor de concentracin de oxgeno de ultrasonidos para la verificacin de la concentracin de oxgeno de merma en una aeronave.ANTECEDENTES DE LA INVENCINAviones militares han utilizado a bordo sistemas de generacin de gas inerte (OBIGGS) para algunos aos de proteccin contra explosiones de tanques de combustible debido a fenmenos no deseados, como la penetracin de disparos de armas pequeas.Aviones militares no son el nico avin que se beneficiara de OBIGGS.Por ejemplo, las investigaciones sobre la causa de los desastres areos recientes han llegado a la conclusin de que las fuentes desconocidas pueden ser responsables de la ignicin del depsito de combustible y explosin.Posteriormente, OBIGGS ha sido evaluada como una forma de proteger a los aviones comerciales contra tales explosiones de tanques de combustible iniciadas por las fuentes de ignicin desconocidas.La composicin del gas Ullage (es decir, la mezcla de aire / combustible por encima del combustible en el tanque de combustible) se compone de muchos componentes, incluyendo componentes del aire (oxgeno, nitrgeno, vapor de agua, dixido de carbono) y compuestos de hidrocarburos (vapores de combustible).OBIGGS protege contra explosiones de tanques de combustible mediante la sustitucin de la mezcla potencialmente explosiva de aire / combustible por encima del combustible en los tanques (el espacio vaco) con un gas inerte (usualmente nitrgeno).El nitrgeno se genera mediante la separacin de oxgeno del aire local, ambiente y bombear el producto inerte en los tanques de combustible.Para OBIGGS, un medio de verificar la concentracin de oxgeno de merma es necesaria para verificar el funcionamiento correcto.Sin embargo, es difcil de medir de forma fiable la concentracin de oxgeno en el espacio vaco sin comprometer la seguridad.Esto es debido en parte al hecho de que muchos sensores de oxgeno convencionales operan a temperaturas elevadas, lo que podra encender los vapores de hidrocarburos en el depsito de combustible.Un enfoque utilizado para monitorear la concentracin de oxgeno ullage es monitorear la concentracin de oxgeno en la salida del mdulo de separacin de aire OBIGGS (ASM), donde el aire enriquecido de nitrgeno (NEA) desemboca en el espacio vaco a presin elevada.La composicin del gas en la salida ASM est casi libre de vapores de agua y combustible y es mucho ms fcil de medir.Patente de Estados Unidos.No. 6.491.739 a Chrome et al.describe un sistema que utiliza un sensor de oxgeno convencional para monitorear la concentracin de oxgeno espacio vaco en la salida ASM.La concentracin de oxgeno en la salida ASM es una medida directa de la operacin OBIGGS y una indicacin indirecta de la concentracin de oxgeno en el espacio vaco.RESUMEN DE LA INVENCINLa invencin se refiere a un sensor de concentracin de gas que se puede determinar una concentracin de gas mediante la medicin de un retardo de propagacin de una onda snica o ultrasnica en el gas.El retardo de propagacin se puede calcular tales que las contribuciones de retardo de fuentes distintas del gas s se cancelan.Estas "otras fuentes" pueden incluir retrasos mecnicos y elctricos en los transductores ultrasnicos, las variaciones en la sensibilidad del transductor debido a la edad, temperatura, presin, etc.Segn un aspecto de la invencin, se proporciona un dispositivo de medicin snica o gas ultrasnico para medir una concentracin de un gas de inters, el gas de inters de ser un componente de un gas que tiene al menos dos componentes diferentes.El dispositivo puede incluir un snica o emisor de ultrasonidos para generar una onda snica o ultrasnica, un receptor para la deteccin de la onda ultrasnica o snica, y un reflector posicionado para reflejar de vuelta al receptor la snica o de ondas ultrasnicas despus de haber sido previamente detectada por el receptor , mediante el cual una medicin de retardo de propagacin entre la deteccin de la onda snica inicialmente o ultrasnica y posteriormente la deteccin de la onda ultrasnica o snica pueden ser detectados.De acuerdo con otro aspecto de la invencin, se proporciona un mtodo para medir una concentracin de un gas de inters, el gas de inters de ser un componente de un gas que tiene al menos dos componentes diferentes.El mtodo puede incluir la medicin de un retardo de propagacin de una onda ultrasnica que la onda viaja a travs del gas, en el que el retardo de propagacin se mide tales que las contribuciones de retardo de fuentes distintas del gas en s se cancelan.La invencin tambin proporciona un sistema de a bordo de generacin de gas inerte (OBIGGS) y un sensor de concentracin de oxgeno para determinar la concentracin de oxgeno en el espacio vaco.La invencin se puede utilizar para detectar la concentracin de oxgeno en gas que sale del mdulo de separacin de aire (ASM) de la OBIGGS.La concentracin de oxgeno del gas que sale del ASM es una medida directa de la operacin OBIGGS y una medida indirecta de la concentracin de oxgeno en el espacio vaco.Cuando se utiliza en OBIGGS, el sensor de concentracin de gas aumenta la precisin de la OBIGGS.De acuerdo con un aspecto adicional de la invencin, se proporciona un sistema de generacin de gas inerte de a bordo para la sustitucin de gas potencialmente explosiva en el espacio vaco de un avin.El sistema puede incluir un mdulo de separacin de aire (ASM) para generar un gas inerte, y un sensor de oxgeno acoplada a la salida de la ASM.El sensor de oxgeno puede incluir una snica o emisor de ultrasonidos para generar una onda snica o ultrasnica, un receptor para la deteccin de la onda ultrasnica o snica, y una unidad de control.La unidad de control puede medir un retardo de propagacin de la onda snica o ultrasnica entre el transmisor y el receptor de tal manera que la medicin cancela contribuciones de fuentes que no sean el propio gas.Para la realizacin de los fines anteriores y relacionados, la invencin, a continuacin, comprende las caractersticas en adelante describen completamente y particularmente sealadas en las reivindicaciones.La siguiente descripcin y los dibujos adjuntos exponen en detalle ciertas realizaciones ilustrativas de la invencin.Estas realizaciones son indicativas, sin embargo, de slo algunas de las diversas formas en las que pueden emplearse los principios de la invencin.BREVE DESCRIPCIN DE LOS DIBUJOSFIG.1es un diagrama esquemtico ejemplar de una configuracin de sistema de a bordo de generacin de gas inerte que se puede utilizar con la presente invencin.FIG.2Aes una vista en perspectiva de un sensor de concentracin de oxgeno ejemplar de acuerdo con la invencin.FIG.2Bes una vista esquemtica parcial del sensor de oxgeno deFIG.2A.FIG.3es un diagrama esquemtico detallado de la etapa de salida del sistema de OBIGGSFIG.1.FIG.4Aes una vista frontal de otro sensor de oxgeno ejemplar de acuerdo con la invencin.FIG.4Bes una vista lateral del sensor de oxgeno deFIG.4A.FIG.5es un diagrama de flujo ejemplar que ilustra los pasos para medir la concentracin de oxgeno en un gas de acuerdo con la invencin.FIG.6es un diagrama esquemtico que ilustra las ondas sonoras que viajan entre el transductor de transmisin y el transductor de recepcin.FIG.7es un diagrama de flujo ejemplar para la calibracin del sensor de concentracin de oxgeno de acuerdo con la invencin.FIG.8es otro diagrama de flujo ejemplar para la medicin de la concentracin de oxgeno en un gas de acuerdo con la invencin.DESCRIPCIN DETALLADALa presente invencin se refiere a un sensor para determinar la concentracin de oxgeno dentro de un gas de inters.El sensor de concentracin de oxgeno incluye un transmisor snico o ultrasnico (tambin referido como un transductor de transmisin) para la generacin de snicas o ultrasnicas las ondas, y un receptor snico o ultrasnico (tambin referido a un transductor de recibir) para detectar la ondas snicas o ultrasnicas generadas por el transmisor.Adems, el sensor de concentracin de oxgeno puede incluir otros sensores, incluyendo uno o ms sensores de temperatura, sensores de humedad, o sensores para la medicin de otros tipos de gas.Preferiblemente, el sensor de concentracin de oxgeno es de forma cilndrica, aunque cualquier forma puede ser utilizado como es requerido por la aplicacin especfica.La concentracin de oxgeno se determina basndose en la velocidad de la onda ultrasnica en el gas de inters (en lo sucesivo denominado "gas") cambiando con el peso molecular medio del gas.Como se describir en ms detalle a continuacin, la velocidad de la onda snica o ultrasnica o "velocidad del sonido" en el gas se determina mediante la medicin de un retardo de propagacin entre el transmisor y el receptor.Preferiblemente, el retardo de propagacin se determina basndose en un retardo de tiempo medido entre una primera y segunda pulso de ida y vuelta.El primer impulso de ida y vuelta es el segundo impulso recibido (el primer impulso recibido es el retardo de propagacin directa).El segundo pulso recibido es la onda snica o ultrasnica generada por el snica o onda ultrasnica que se refleja en una cara del receptor, a continuacin, se refleja en una cara del transmisor y, finalmente, ser detectado por el receptor.Este pulso se produce en dos veces el retardo de propagacin despus de que se reciba la primera pulso.Como resultado, la ruta de retardo medido incluye slo el gas entre las caras de transductor, y los retrasos transductor no internos.En otras palabras, la medicin del tiempo de ida y vuelta cancela contribuciones al momento de la medicin de vuelo de fuentes distintas de propagacin a travs de la propia gas, tales como retrasos, equipos de transmisin a travs de los transductores, etc. utilizando el tiempo de pulso de ida y vuelta tambin tiene el beneficio de eliminar la necesidad de sincronizar la grabacin de la transmisin y recepcin de seales.El retardo de propagacin puede determinarse tambin utilizando otros mtodos.Por ejemplo, el retardo de propagacin puede medirse directamente, por ejemplo, midiendo el tiempo requerido para que un impulso para viajar desde el transmisor al receptor, y la compensacin de la medicin sobre la base de las variaciones de temperatura entre el retardo medido y un retardo de referencia.Alternativamente, el retardo de propagacin se puede medir usando un mtodo de onda continua con un bucle de enganche de fase para medir la diferencia de fase entre la transmisin y recepcin de seales.Tales tcnicas de medicin se describen con ms detalle a continuacin.La presente invencin se describir ahora en el contexto de un sistema de a bordo de generacin de gas inerte (OBIGGS) utilizados en una aeronave.Se apreciar, sin embargo, que la invencin se puede aplicar a diversas otras aplicaciones, y el contexto de la medicin de la concentracin de oxgeno en un OBIGGS no se pretende que sean limitativos de ninguna manera.Adems, aunque la invencin se describe con respecto a un sensor de concentracin de oxgeno, la invencin se puede aplicar a la medicin de otros tipos de gases.Haciendo referencia inicialmente aFIG.1, Se muestra una configuracin OBIGGS ejemplar10que puede ser utilizado en conjuncin con la presente invencin.OBIGGS son bien conocidos por los expertos en la tcnica y, por lo tanto, una descripcin detallada de la operacin OBIGGS no ser proporcionado en el presente documento.Brevemente, se aspira aire a travs de un filtro12situado en la cabina del avin14.El aire filtrado se enruta a travs de una vlvula de cierre16y a un compresor18.Un ventilador de refrigeracin22proporciona refrigeracin de aire para el compresor18.Despus de pasar a travs del compresor18, el aire comprimido y filtrado se dirige a una vlvula de descarga24y a un sensor de temperatura26.El aire tambin puede ser purgado desde el sistema a travs de un colector de aire de purga28, que se encamina a un cierre de la vlvula de purga30y sensor de temperatura32.El aire comprimido / filtrada a continuacin, se dirige a un intercambiador de calor34y una vlvula de derivacin del intercambiador de calor36.La salida del intercambiador de calor34vlvula de derivacin y el intercambiador de calor36estn acoplados a un filtro separador de agua38, que elimina el agua del aire enfriado.El aire enfriado se enruta a un mdulo de separacin de aire (ASM)40que tiene una entrada40de unay la salida40b.El ASM40elimina el oxgeno del aire y proporciona gas inerte para el espacio vaco42unade tanques de combustible42.Un sensor de oxgeno44monitores de la concentracin de oxgeno del gas inerte, ya que sale de la ASM40.Uno o ms sensores de temperatura46supervisar la temperatura del gas que sale de la ASM y / o entrar en el espacio vaco42a.Como puede verse enFIG.1, El ASM salida40best acoplado a el espacio vaco42unay el sensor de oxgeno44.Por lo tanto, si la presin cae significativamente ASM, hidrocarburos enriquecido espacio vaco de aire puede fluir de nuevo a la salida ASM40by el oxgeno del sensor44.En consecuencia, las consideraciones de seguridad que se aplican a un sensor de merma tambin se aplican al ASM salida40by el sensor de oxgeno44.Adems, una vlvula de retencin (no mostrado) puede ser necesaria para evitar que los gases vacos de los tanques de la contaminacin de la ASM40, el ASM salida40unay / o el sensor de oxgeno44.Refirindose aFigs.2A y 2B, Se muestra una vista en perspectiva simple y lateral / vista esquemtica parcial de un sensor de concentracin de oxgeno ejemplar44de acuerdo con la presente invencin.El sensor44incluye un alojamiento50que tiene una cmara cilndrica52en el mismo.La carcasa puede estar formada de materiales convencionales, tales como plstico duro o similares.La cmara52tiene un dimetro54a travs del cual el gas puede pasar, y puede ser formado a partir de aluminio, por ejemplo.Mientras que una cmara cilndrica se ilustra, se apreciar que otras formas de la cmara se pueden emplear sin apartarse del alcance de la invencin.Por ejemplo, la cmara puede ser rectangular, semi-circular, etc. La cmara52incluye una entrada56para recibir el gas y una salida58para expulsar el gas.Un transductor de transmisin60para la generacin de ondas snicas o ultrasnicas se fija (por ejemplo, unidos) a un lado de la cmara52, y un transductor de recepcin62para la recepcin de las ondas snicas o ultrasnicas se fija en un lado opuesto de la cmara52.Las ondas ultrasnicas generadas por el transductor de transmisin60puede variar desde aproximadamente 20 kHz hasta 1 MHz, y preferiblemente estn en el intervalo de aproximadamente 200 kHz.Ondas snicas pueden variar entre aproximadamente 5 kHz y 20 kHz.Preferiblemente, la transmisin y recepcin transductores son transductores piezoelctricos, aunque tambin se pueden utilizar otros tipos de transductores.Un transductor que se puede usar con la invencin es un transductor Polaroid modelo 200 KHF18, por ejemplo.Un mdulo de control64(FIG.2B) Est acoplado elctricamente a la transmisin y recepcin transductores60,62, e incluye circuitera para enviar y recibir seales a / desde los respectivos transductores.El mdulo de control64puede incluir un microprocesador66, RAM68, ROM70, y de entrada / salida (I / O) del mdulo72, acoplado comunicativamente a travs de un bus de sistema74, como es convencional.El mdulo de control64puede transmitir y recibir seales de los transductores60,62, uno o ms sensores de temperatura46, u otros dispositivos (por ejemplo, un sensor de humedad75-FIG.3) A travs del mdulo de I / O72.Adems, los uno o ms sensores de temperatura46y / o en otros dispositivos se pueden incluir de manera integral con el sensor de oxgeno44o separado de l.El mdulo de control64est configurado para comandar el transductor de transmisin60para generar una onda snica o ultrasnica, y recibir del recibir transductor62una seal correspondiente a la deteccin de la onda snica o ultrasnica.Preferiblemente, el mdulo de control64est configurado para comandar el transductor de transmisin60para generar snica pulsada o ondas ultrasnicas (a diferencia de ondas continuas).Ondas pulsadas no se producen olas que crean reflexiones espurias que pueden degradar la medicin de pie.Como se describir en ms detalle a continuacin, el mdulo de control64determina la concentracin de oxgeno dentro del gas que pasa a travs de la cmara52sobre la base de la velocidad del sonido en el gas, la temperatura del gas, y el peso molecular del gas.El mdulo de control64puede estar situado a distancia del sensor de oxgeno44(por ejemplo, separado fsicamente del sensor) o situado local para el sensor de oxgeno44(por ejemplo, sobre o en el sensor).Puesto que el gas de salida ASM es relativamente limpio, la concentracin de oxgeno del gas de salida puede ser determinada midiendo la velocidad del sonido a travs del gas, que es una funcin del peso molecular medio o eficaz de los componentes del gas.Se supone que las concentraciones de gas de nitrgeno y oxgeno slo se pueden variar en la salida ASM40b.Si otras concentraciones de gases (tales como vapor de agua o hidrocarburos) tambin varan, sensores de gas adicionales (por ejemplo, el sensor de humedad75) pueden ser necesarios para medir para tales gases y para corregir sus variaciones.Adems, se supone que el aire ambiente (no enriquecido) se puede utilizar como una referencia de calibracin en 20,8% de oxgeno (siempre que el aire ambiente se seca y bien filtrada).Con referencia adicional aFIG.3, Un diagrama esquemtico que ilustra con ms detalle la configuracin de la etapa de salida OBIGGS.Especficamente, la salida de la ASM40est acoplado al sensor de concentracin de oxgeno antes descrita44y sensor de temperatura46.Aire enriquecido de nitrgeno (NEA) que sale del ASM40pasa a travs del sensor de oxgeno44y se inyecta en el depsito de combustible42.A medida que el NEA pasa a travs del sensor de oxgeno44, ondas snicas o ultrasnicas se transmiten desde el transductor de transmisin60para recibir el transductor62, y la temperatura de la NEA se mide por el sensor de temperatura46.Los datos snica / ultrasnica y la temperatura se comunica al mdulo de control64y, basndose en los datos recogidos, se proporciona un clculo de la concentracin de oxgeno de la NEA, como se describe en ms detalle a continuacin.Dado que la velocidad del sonido es sensible a la temperatura, as como al medio de gas, el sensor de temperatura46el control de la salida de ASM debe ser un sensor de temperatura de alta precisin (por ejemplo, precisin dentro de 0,1 grados C o mejor).Como se discute a continuacin, un pequeo cambio en la temperatura del gas podra enmascarar un cambio en la concentracin de oxgeno.Como resultado, un cambio en la temperatura respecto a la temperatura de calibracin de aire debe medirse con precisin.Precisin de la temperatura absoluta, sin embargo, no es tan importante.La velocidad del sonido V (m / s) se puede medir mediante la colocacin de dos transductores a travs de una tubera de salida de la ASM en una, conocido distancia fija s (metros).Tal configuracin se proporciona en el sensor de oxgeno44se describe enFigs.2A y 2B, En el que transmitir y recibir los transductores60,62estn separadas por el dimetro54(la distancia s) de la cmara52.El retardo de tiempo t (segundos) entre la transmisin de un pulso desde el transductor de transmisin60y la recepcin del impulso en el transductor recibir62se puede medir y V se puede calcular utilizando la Ecuacin 1.V=stEcuacin1La velocidad del sonido a travs de un gas es una funcin de su peso molecular eficaz y la temperatura del gas.Ecuacin 2 a continuacin define la velocidad del sonido en el gas, donde V es la velocidad del sonido en el gas en metros por segundo, es la constante de los gases adiabtico para el gas (aproximadamente 1,4 para aire), R es la constante universal de los gases, T es la temperatura absoluta (grados Kelvin) y ees el peso molecular efectivo (promedio ponderado de gases componentes MW).Ecuacin 3 es la ecuacin 2 reescrito para resolver correo.V=RTeEcuacin2e=RTV2Ecuacin3Si el gas se compone de slo los dos componentes variables, nitrgeno y oxgeno (suponiendo gases traza tales como argn y dixido de carbono son a concentraciones constantes), la concentracin de oxgeno es una funcin del peso molecular eficaz y los pesos moleculares de oxgeno y nitrgeno, como se define en la Ecuacin 4, donde COes la concentracin de oxgeno en por ciento, ees el peso molecular efectivo (calculado a partir de la velocidad del sonido en la Ecuacin 3), Oes el peso molecular de oxgeno (32 por O2) y nes el peso molecular de nitrgeno (28 para N2).CO=e-nO-n*100Ecuacin4En consecuencia, la concentracin de oxgeno del gas se puede calcular rpidamente y fcilmente mediante la medicin de la temperatura y de retardo de propagacin de la onda snica o ultrasnica a travs de los dos transductores, mientras que el gas pasa entre los transductores.Para mantener una alta tasa de precisin, el sistema puede ser calibrado usando aire no enriquecido, donde COes de aproximadamente 20,8%.Esto permite al sistema para calibrar a cabo ninguna fuente de retardo de propagacin fijos, tales como retrasos electrnicos, retrasos longitud del cable, etc. Una vez que el sistema se calibra a una concentracin de oxgeno conocida, un cambio en el retardo de propagacin medido en relacin con el retardo de referencia indica un cambio en concentracin de oxgeno (despus de la correccin de temperatura).Por ejemplo, suponiendo que la cmara52tiene un dimetro54de 1,0 pulgadas, a continuacin, la separacin transductor sera 1,0 pulgadas.A temperatura ambiente (25 grados C) y la concentracin de aire normal (CO= 20,8%), Vde airees 331.45 m / seg (13,049.2 en / seg).En esta configuracin, el t retardo de propagacin a travs de una ruta de 1,0 pulgadas sera 76,633 microsegundos, y esera 28.842.Para una cada de 1% en la concentracin de oxgeno (CO= 19,8%) a temperatura constante, ees 28.802 y Vde airees 331,68 m / seg (13,058.3 en / seg) (ntese que en la Ecuacin 2 V es inversamente proporcional al cuadrado raz de e).Como resultado, el t retardo de propagacin a travs de una ruta de 1,0 pulgadas sera 76.580 microsegundos y el cambio en el retardo de propagacin Dtpulgadaspara un camino acstico 1,0 pulgadas sera 53 nseg.Esto resulta en una sensibilidad de 53 nseg para un cambio en la concentracin de 1%.Si la concentracin de oxgeno se reduce an ms (CO= 0,8% a temperatura constante), ees 28.045 y Vde airees 336,13 m / seg (13,233.3 en / seg).El t retardo de propagacin a travs de una ruta de 1,0 pulgadas sera 75.567 microsegundos y el cambio en el retardo de propagacin Dt1 pulgadapara un camino acstico 1,0 pulgadas sera 1,066 microsegundos.Esto corresponde de nuevo a una sensibilidad de Dt1 pulgada= 53 ns para un cambio del 1% en CO. Por lo tanto, la sensibilidad es lineal sobre el rango de operacin del sensor.Para resolver COal 1%, las medidas del retardo de propagacin deben resolverse a alrededor de 50 nseg para un camino acstico 1,0 pulgadas.Se observa que la sensibilidad de 53 nseg por 1% COcambio es lineal y, por lo tanto, doblando la longitud del camino a 2,0 pulgadas duplica la salida a Dt2 pulgadas= 106 nseg por 1% de cambio en CO.De la ecuacin 2, se puede observar que V es proporcional a la raz cuadrada de la temperatura (T).Si, por ejemplo, la temperatura del gas ASM se eleva desde 25 grados C a 35 grados C. con COconstante en 20,8%, entonces Vde airees 336,97 m / seg (13,266.4 en / seg), y el t retardo de propagacin a travs de una ruta de 1,0 pulgadas sera 75,379 microsegundos, lo que resulta en un cambio en el retardo de propagacin Dt1 pulgadapara un camino acstico 1,0 pulgadas de 1,254 microsegundos.Esto corresponde a una sensibilidad retardo de propagacin de Dt1degC= 125,4 nseg por grado C. La sensibilidad a la temperatura de 125,4 nseg por 1 grado C. Tambin es lineal en el rango de funcionamiento del sensor.Adems, la temperatura del gas se debe medir con alta precisin, como un cambio de temperatura de 0,1 grados centgrados puede enmascarar un COcambio de 0,24%.El enfoque ms directo para medir el retardo de propagacin es utilizar un mtodo de transmisin de impulsos, donde slo uno o un pequeo nmero de ciclos a la frecuencia de resonancia de los transductores 'se transmite a travs del transductor de transmisin.Dado que la eficiencia de los transductores con aire acoplado es baja, es ventajoso transmitir a la frecuencia de resonancia de los transductores ', como la transmisin de resonancia reduce an ms la amplitud de la seal.El transductor recibir62ve el tiempo desplazado de la seal y la transmisin a recepcin tiempo puede ser determinado.Si el retardo de propagacin se mide mediante la digitalizacin de la forma de onda analgica del transductor recibir62y el desplazamiento de tiempo de la forma de onda con relacin a la posicin de calibracin se mide (a una concentracin de oxgeno conocida de 20,8% para el aire), una tasa de muestreo ADC de aproximadamente 80 MHz (para una resolucin de tiempo 12,5 nseg, correspondiente a 0,25% COresolucin) se debe utilizar si el camino acstico es de 1,0 pulgadas.La velocidad de muestreo puede reducirse si se aumenta el camino acstico.Si se usa un ADC, el enfoque ms fcil para determinar el cambio en el retardo de propagacin es aplicar un algoritmo de correlacin cruzada a la forma de onda de la seal recibida con respecto a la forma de onda de referencia almacenado (a una temperatura conocida y CO).Este clculo se puede hacer usando ya sea un procesador de gama baja de seal digital (DSP) o un microcontrolador de propsito general.Alternativamente, la necesidad de una forma de onda de referencia puede ser evitado mediante la realizacin de una auto-correlacin en la forma de onda de seal recibida y midiendo el tiempo entre el primer impulso recibido y el segundo pulso recibido (el primer viaje redondo reflexin).Esta medida es dos veces el retardo de propagacin entre las dos caras del transductor y elimina cualquier retraso de transductor internos (y su variabilidad).Para mejorar an ms la precisin, toda la forma de onda recibida (incluyendo mltiples pulsos de ida y vuelta) puede ser digitalizada, y una tcnica de correlacin cruzada de ventana puede ser utilizado para determinar con precisin el tiempo de retardo entre las primera (directa) y segundo (ida y vuelta) pulsos.Usando esta tcnica, tiempo de retardo errores pueden ser menos que el intervalo de tiempo de muestreo del ADC.Adems, los retrasos relativos a mando el transductor de transmisin para generar una onda ultrasnica o snica, el transductor de transmisin en realidad la generacin de una onda snica o ultrasnica, y el transductor de deteccin de la onda ultrasnica o snica, as como retrasos elctricos recibir, se eliminan eficazmente.Otro enfoque de medicin sera utilizar un mtodo de onda continua (CW) con un bucle de enganche de fase (PLL) (no mostrado) para medir la diferencia de fase entre la seal de transmisin y la seal recibida.El voltaje de error de salida PLL (filtrada) es una medida de diferencia de fase y puede ser digitalizada con un ADC mucho ms lento (cualquier frecuencia de muestreo muy por debajo de los transductores de frecuencia resonante, es decir,