CN203148896U

CN203148896U - 基于相位差法的超声波气体浓度测量装置

Info

Publication number: CN203148896U
Application number: CN 201320190954
Authority: CN
Inventors: 郭晓燕; 丁喜波; 孙雪; 鲍龙; 陈晨
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2023-04-16

Abstract

基于相位差法的超声波气体浓度测量装置属于一种利用超声波进行气体浓度测量的装置；该气体浓度测量装置包括发射电路、发射端与发射电路连接的第一收发传感器和第二收发传感器、与第一收发传感器接收端连接的第一接收电路，与第二收发传感器接收端连接的第二接收电路，第一接收电路输出端和第二接收电路输出端依次连接信号调理电路、检相电路、占空比电压转换电路以及单片机，连接单片机输出端的LCD显示电路；所述的第一收发传感器和第二收发传感器声程相同，第一收发传感器放置在纯净空气中，第二收发传感器放置在待测气体中；本实用新型气体浓度测量装置具有成本低、测量方便且精度高，满足检测气体微量浓度要求的优势。

Description

基于相位差法的超声波气体浓度测量装置

技术领域

基于相位差法的超声波气体浓度测量装置属于一种利用超声波进行气体浓度测量的装置。

背景技术

气体浓度检测技术在矿业、化工、医药、轻工业等领域中得到广泛应用。超声波在气体中传播，由于气体成分以及浓度的不同会使声学参数发生改变，通过测量这些随气体成分浓度变化的参数就可以得到被检测气体的浓度。

由于工业测量中超声波的基础实验就是基于声学特性的测量，利用声学特性的常用方法有共振干涉法、临界角法、脉冲时差法。共振干涉法对应的机械装置很复杂，测量时间长；临界角法用于声速的测量精度较差；脉冲时差法通过测量声波在媒质中传播的时间来测量声速，这种测量方法的缺点是时差测量精度不够高，不能满足检测气体微量浓度的要求。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型设计了一种基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，该气体浓度测量装置具有成本低、测量方便且精度高，满足检测气体微量浓度要求的优势。

本实用新型的目的是这样实现的：

基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，包括发射电路、发射端与发射电路连接的第一收发传感器和第二收发传感器、与第一收发传感器接收端连接的第一接收电路，与第二收发传感器接收端连接的第二接收电路，第一接收电路输出端和第二接收电路输出端依次连接信号调理电路、检相电路、占空比电压转换电路以及单片机，连接单片机输出端的LCD显示电路；所述的第一收发传感器和第二收发传感器声程相同，第一收发传感器放置在纯净空气中，第二收发传感器放置在待测气体中。

上述基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，所述的第一收发传感器包括第一发射探头和第一接收探头，第一发射探头与发射电路连接，第一接收探头与第一接收电路连接；所述的第二收发传感器包括第二发射探头和第二接收探头，第二发射探头与发射电路连接，第二接收探头与第二接收电路连接。

上述基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，还包括与单片机连接的温度控制电路。

上述基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，还包括与单片机连接的红外遥控电路。

由于本实用新型基于相位差法的超声波气体浓度测量装置设置有声程相同的两个收发传感器，且一个置于纯净空气中，另一个置于待测气体中，这样可以通过检测相位差值来得到待测气体浓度，具有成本低、测量方便且精度高，满足检测气体微量浓度要求的优势。

附图说明

图1是本实用新型基于相位差法的超声波气体浓度测量装置结构示意图。

图中：1发射电路、2第一收发传感器、3第二收发传感器、4第一接收电路、5第二接收电路、6信号调理电路、7检相电路、8占空比电压转换电路、9单片机、10LCD显示电路、11温度控制电路、12红外遥控电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的基于相位差法的超声波气体浓度测量装置结构示意图如图1所示，该超声波气体浓度测量装置包括发射电路1，包括第一发射探头和第一接收探头的第一收发传感器2，包括第二发射探头和第二接收探头的第二收发传感器3，发射电路与第一发射探头和第二发射探头连接，第一接收探头与第一接收电路4连接，第二接收探头与第二接收电路5连接，第一接收电路4输出端和第二接收电路5输出端依次连接信号调理电路6、检相电路7、占空比电压转换电路8以及单片机9，连接单片机9输出端的LCD显示电路10；所述的第一收发传感器2和第二收发传感器3声程相同，第一收发传感器2放置在纯净空气中，第二收发传感器3放置在待测气体中。

上述基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，还包括与单片机9连接的温度控制电路11，控制纯净空气和待测气体的温度，避免温度变化对测量结果的影响。

上述基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，还包括与单片机9连接的红外遥控电路12，通过遥控方式实现对测量装置的控制，测量方便。

该超声波气体浓度测量装置的测量方法如下：

设环境温度为T，超声波在纯净空气中传播速度为C_t，在待测气体中的传播速度为C_tx，待测气体的浓度为x，则有下式成立：

\{\begin{matrix} C_{tx} = C_{t} (1 + K_{2} x) \\ C_{t} = C_{0} (1 + K_{1} T) \end{matrix}

其中C₀为0℃时超声波在纯净空气中的传播速度；K₁为超声波在纯净空气中的温度系数；K₂为待测气体的浓度比例系数，数值在0～1间。

则有下式成立：

\{\begin{matrix} t_{1} = \frac{L}{C_{tx}} \\ t_{2} = \frac{L + ΔL}{C_{t}} \end{matrix}

其中t₁和t₂分别为超声波在待测气体和纯净空气中传播距离L所用的时间；L为发射探头与接收探头之间的距离；ΔL为声程间距偏差。

所以：

Δt = t_{1} - t_{2} = \frac{L}{C_{tx}} - \frac{L + ΔL}{C_{t}} \approx \frac{1}{C_{t}} (- K_{2} Lx - ΔL)

根据

其中

勾两路接收信号的相位差；f为超声波发射频率。可根据测得的相位差

计算出待测气体的浓度x。

令：

则有：

θ = \frac{1}{C_{t}} (- K_{2} Lx - ΔL)

即推出待测气体浓度：

x = - \frac{θ C_{0} (1 + K_{1} T) + ΔL}{K_{2} L}

待测气体浓度进行标定时：

当标定0点浓度时，即：

x=0，T=T₀，θ=θ₀

则：

△L=-θ₀C₀(1+K₁T₀)

当标定x₁点浓度时，即：

x=x₁，T=T₁，θ=θ₁

则：

K_{2} L = - \frac{θ_{1} C_{0} (1 + K_{1} T_{1}) - θ_{0} C_{0} (1 + K_{1} T_{0})}{x_{1}}

将△L式和K₂L整体代入到x的表达式中即可得到：

x = \frac{x_{1} [θ (1 + K_{1} T) - θ_{0} (1 + K_{1} T_{0})]}{θ_{1} (1 + K_{1} T_{1}) - θ_{0} (1 + K_{1} T_{0})}

可以看出气体浓度x和相位差

和环境温度厂有关，即只要知道当前环境温度厂，在通过设计的检相电路获得相位差

即可计算出当前待测气体浓度值x₀。此计算方法计算简便，数据处理及软件编程容易，不需要对时间差进行直接测量，提高了测量精度。

Claims

1.基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，其特征在于：包括发射电路（1）、发射端与发射电路（1）连接的第一收发传感器（2）和第二收发传感器（3）、与第一收发传感器（2）接收端连接的第一接收电路（4），与第二收发传感器（3）接收端连接的第二接收电路（5），第一接收电路（4）输出端和第二接收电路（5）输出端依次连接信号调理电路（6）、检相电路（7）、占空比电压转换电路（8）以及单片机（9），连接单片机（9）输出端的LCD显示电路（10）；所述的第一收发传感器（2）和第二收发传感器（3）声程相同，第一收发传感器（2）放置在纯净空气中，第二收发传感器（3）放置在待测气体中。

2.根据权利要求1所述的基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，其特征在于：所述的第一收发传感器（2）包括第一发射探头和第一接收探头，第一发射探头与发射电路（1）连接，第一接收探头与第一接收电路（4）连接；所述的第二收发传感器（3）包括第二发射探头和第二接收探头，第二发射探头与发射电路（1）连接，第二接收探头与第二接收电路（5）连接。

3.根据权利要求1所述的基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，其特征在于：还包括与单片机（9）连接的温度控制电路（11）。

4.根据权利要求1所述的基于相位差法的超声波气体浓度测量装置，其特征在于：还包括与单片机（9）连接的红外遥控电路（12）。