CN101738433A - 用气池的共振频率检测气体浓度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用气池的共振频率检测气体浓度的装置及方法，让待测气体流过气池，在气池内产生声信号，声信号在气池内来回反射形成共振；气池的共振频率测量系统测量当前环境下气池内某一声共振模式的共振频率，并将当前环境下气体温度和压强对共振频率的影响进行校正，校正后的气池的共振频率根据已知的气体浓度和气池的共振频率的对应关系得到待测气体的浓度。本发明的优点是：不需要采用繁琐的方法和复杂的装置测量待测气体的声速，利用现有的盛装气体的气池内某一声共振模式的共振频率即可进行气体浓度的检测。气体浓度检测方法与检测装置都较简单、易行，大大加强了方法的实用性，且有利于检测装置的小型化。

Description

用气池的共振频率检测气体浓度的装置及方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，特别是涉及基于气池的气体检测装置和方法。

背景技术

气体检测在现代社会的生产和生活中占有相当重要的地位，尤其是有毒、有害、易燃、易爆气体的检测，对工农业生产、人民的生活、环境、安全至关重要。例如化工生产中的气体成分检测，煤矿瓦斯气体浓度检测，环境污染气体监测，煤气泄漏、火灾报警等。

目前常见的检测方法主要有以下几种：(1)利用气体与加热的金属氧化物接触，电阻值增大或减小的半导体方法，灵敏度高、价格低，但输出与气体浓度不成比例，不宜检测气体浓度。(2)利用可燃性气体与气敏材料接触发生无焰燃烧，气敏材料温度升高，电阻值相应增大的接触燃烧法，灵敏度较低。(3)利用化学溶剂与气体反应产生电流、颜色变化、电导率增加等的化学反应法，气体选择性好，但不能重复使用。(3)利用待测气体与空气的折射率不同而产生干涉的光干涉法，寿命长，但选择性差。 4)利用发热元件的热传导率差而放热使发热元件温度降低的热传导法，构造简单，但灵敏度低，选择性差。(5)利用不同物质在不同的两相中的分配系数，使分配系数只有微小差异的组份产生很大的分离效果的气相色谱法，取样复杂，需专业技术人员操作，易中毒，不能实时检测。(6)利用被测气体在红外波段的特征吸收谱线，实现气体浓度测量的红外吸收法，灵敏度高，可靠性好，响应时间短，可以实时反映气体浓度的动态变化，但系统体积较大。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种用气池的共振频率进行气体浓度检测的装置及方法，用气池的共振频率实现气体浓度的快速、实时、连续的测量。

本发明的技术方案如下：一种用气池的共振频率检测气体浓度的装置，包括气池，在所述气池内有发声系统，发声系统通过传输线路与发声系统驱动电路连接，微音器设置在气池中，微音器通过传输线路依次与锁相放大电路和处理器连接，处理器通过传输线路依次与发声系统驱动电路和锁相放大电路连接，在气池上设置有气口，温度压强传感器设置在气池中，温度压强传感器通过传输线路与处理器连接。

所述发声系统包括光源，在光源和气池之间设置准直器，光源通过传输线路与发声系统驱动电路连接。

所述发声系统包括安装在气池内的发声器件，发声器件通过传输线路与发声系统驱动电路连接。

本发明还公开了一种利用所述的用气池的共振频率检测气体浓度的装置检测气体浓度的方法，包括如下步骤：

第一步，待测气体从气池气口进入气池；

第二步，处理器向发声系统驱动电路发出指令，发声系统驱动电路驱动发声系统产生声信号；微音器接收声信号，并向锁相放大电路提供待测信号，发声系统驱动电路向锁相放大电路提供待参考信号，待测信号送入锁相放大电路进行处理，得到声信号的幅值，再发送给处理器；

第三步，重复第二步，发声系统继续发出频率逐渐改变的声信号，直至一个周期结束；

第四步，处理器通过逻辑运算得到一个周期内的最大的声信号幅值，根据这个最大的声信号幅值对应的发射频率，求出气池的共振频率f；

第五步，温度压强传感器测出当前测量环境下的温度T和压强P并传给处理器；

第六步，处理器按下列公式进行计算，求出待测气体的浓度：

$f(P,T,x_n)=\frac{g\left(P\right)h\left(T\right)z^{\′}\left(x_n\right)}{2}{({\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}}{R_0}\right)}^2+{\left(\frac{n_z}{L}\right)}^2)}^{1/2}$

式中：R₀为圆柱状气池的半径；L为圆柱状气池的长度；n_z为自然数(n_z＝0，1，2...)，α_mn为气池R₀处m阶贝塞尔函数的第n个极值点，n_z与α_mn是与声共振模式相关的参数。

为了减少测量环境中的温度和压强的变化对气体浓度的影响，得到更准的气体浓度值，还可以用温度压强传感器测出当前测量环境下的温度T和压强P并传给处理器后，先由处理器根据当前测量环境下的温度和压强对共振频率进行温度和压强校正，然后用校正后的共振频率进行计算。

与现有技术相比，本发明的优点是：不需要采用繁琐的方法和复杂的装置测量待测气体的声速，利用现有的盛装气体的气池内某一声共振模式的共振频率即可进行气体浓度的检测。气体浓度检测方法与检测装置都较简单、易行，大大加强了方法的实用性，且有利于检测装置的小型化。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明实施例一的示意图；

图2是本发明实施例二的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一：如图1所示，一种用气池的共振频率检测气体浓度的装置，包括半导体激光光源1和气池3，半导体激光光源1和气池3之间设置光纤准直器2，光源1通过传输线路与光源驱动控制电路7连接，微音器5设置在气池3中，微音器5通过传输线路依次与锁相放大电路6和处理器8连接，处理器8通过传输线路依次与光源驱动控制电路7和锁相放大电路6连接，在气池3上设置有气口4，温度压强传感器9设置在气池3中，温度压强传感器9通过传输线路与处理器8连接。

一种利用实施例一的装置用气池的共振频率检测气体浓度的方法，包括如下步骤：

第一步，待测气体从气池气口4进入气池3；

第二步，处理器8向光源驱动控制电路7发出驱动半导体激光光源1的指令，驱动半导体激光光源1发出激光，激光通过光纤准直器2准直并耦合至气池3中；气池3中的待测气体吸收光能量产生声信号，声信号被安装在气池3中的微音器5接收后，向锁相放大电路6提供待测信号，光源驱动控制电路7向锁相放大电路6提供待参考信号，待测信号送入锁相放大电路6进行处理，得到声信号的幅值，并发给处理器8；发出的激光的波长固定，发射频率在一个周期内逐渐改变；

第三步，处理器8通过逻辑运算得到一个周期内的最大的声信号幅值，由于一个发射频率对应一个声信号幅值，所以这个最大的声信号幅值对应的发射频率就是气池3的共振频率；

第四步，气池3内的温度压强传感器9测出当前测量环境下的温度和压强并传给处理器8，处理器8根据当前测量环境下的温度和压强对共振频率进行温度和压强校正；

校正的原理是：温度和压强对共振频率的影响通过实验获得的校正表进行校正。在已知气体浓度和温度、压强的情况下，气体浓度固定不变，改变温度和压强值则得到各个温度和压强下的校正系数，从而构造成温度和压强的校正表。

第五步，处理器8根据校正后的共振频率和已知的待测气体浓度与气池的共振频率的对应关系得到待测气体的浓度。

实施例二：如图2所示，一种用气池的共振频率检测气体浓度的装置，包括气池13，在气池内安装有扬声器11，扬声器11通过传输线路与扬声器驱动电路12连接，微音器15设置在气池13中，微音器15通过传输线路依次与锁相放大电路16和处理器18连接，处理器18通过传输线路依次与扬声器驱动电路12和锁相放大电路16连接，在气池13上设置有气口14，温度压强传感器17设置在气池13中，温度压强传感器17通过传输线路与处理器18连接。

一种利用实施例二的装置用气池的共振频率检测气体浓度的方法，包括如下步骤：

第一步，待测气体从气池气口14进入气池13；

第二步，处理器18向扬声器驱动电路12发出指令，驱动扬声器11发出声音，声音在气池13中形成声共振；声音被共振放大后形成的声信号被安装在气池13中的微音器15接收后，向锁相放大电路16提供待测信号，扬声器驱动电路12向锁相放大电路16提供待参考信号，待测信号送入锁相放大电路16进行处理，得到声信号的幅值，并发给处理器18；扬声器发出的声音的频率在一个周期内逐渐改变；

第三步，处理器18通过逻辑运算得到一个周期内的最大的声信号幅值，由于一个声音频率对应一个声信号幅值，所以这个最大的声信号幅值对应的声音频率就是气池13的共振频率；

第四步，气池13内的温度压强传感器17测出当前测量环境下的温度和压强并传给处理器18，处理器18根据当前测量环境下的温度和压强对共振频率进行温度和压强校正；

校正的原理是：温度和压强对共振频率的影响通过实验获得的校正表进行校正。在已知气体浓度和温度、压强的情况下，气体浓度固定不变，改变温度和压强值则得到各个温度和压强下的校正系数，从而构造成温度和压强的校正表。

第五步，处理器18根据校正后的共振频率和已知的待测气体浓度与气池的共振频率的对应关系得到待测气体的浓度。

本发明用气池的共振频率进行气体浓度检测的原理是：

气池是用于盛装待测气体的装置，可分为共振型和非共振型。共振型气池的主要优点是声信号在池内来回反射形成驻波，从而被共振放大，放大后的声信号更有利于信号的检测。共振型气池的共振频率主要与气池的结构、池内气体的声速，声共振模式有关。圆柱状几何结构的气池的共振频率可以表示为

$f=\frac{c_0}{2}{({\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}}{R_0}\right)}^2+{\left(\frac{n_z}{L}\right)}^2)}^{1/2}---\left(1\right)$

其中c₀为声信号在待测气体中传播的速度，即声速；R₀为圆柱状气池的半径；L为圆柱状气池的长度；n_z为自然数(n_z＝0，1，2...)，α_mn为气池R₀处m阶贝塞尔函数的第n个极值点，n_z与α_mn是与声共振模式相关的参数。从式(1)可以看出，气池的共振频率与声速是线性关系。

声速是待测气体中微弱压强扰动的传播速度，与气体的性质和状态相关。气体的组分、温度和压强的变化都会引起声速的变化。在气体温度和压强对声速的影响可知的情况下，待测气体的声速可用分离变量法分离变量，可用抽象的数学表达式表示为

c₀(P，T，M)＝g(P)h(T)z(M)       (2)

其中c₀为待测气体的声速；P为待测气体的压强；T为待测气体的温度；M为待测气体的平均分子量。气体的平均分子量又可表示为

M＝M₁×x₁+M₂×x₂+...+M_n×x_n     (3)

其中表M_n示气体中的第n个组分的分子量，x_n表示第n个组分在气体中的体积百分比，即第n个组分气体的浓度。分离出来的也z(M)就是组分气体浓度x_n的函数

c₀(P，T，x_n)＝g(P)h(T)z′(x_n)   (4)

当第i(i＝1，2，...，n)个气体组分的分子量M_i与其它组分气体(背景气体)的分子量M相差很大时，气体的第i个组分的浓度x_i的变化能及时反映在声速的变化上，且分子量的差异越大，声速对组分气体浓度的变化也就越灵敏。

声速的测量方法繁琐且测量装置复杂，通过气体声速测量气体浓度的方法在实际中应用不大。本发明不直接测量声速，而是通过声速把气体浓度映射到气池的共振频率上，用气池的共振频率进行气体浓度的检测。待测气体中的第n个组分气体浓度x_n通过声速映射到气池的共振频率f上，则气池的共振频率可进一步表示为

$f(P,T,x_n)=\frac{g\left(P\right)h\left(T\right)z^{\′}\left(x_n\right)}{2}{({\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}}{R_0}\right)}^2+{\left(\frac{n_z}{L}\right)}^2)}^{1/2}---\left(5\right)$

由式(5)可知，已知特定声共振模式下的共振频率f，则可得到一定测量环境下(一定的温度、压强下)待测气体中某一组分气体的浓度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种用气池的共振频率检测气体浓度的装置，其特征在于：包括气池，在所述气池内有发声系统，发声系统通过传输线路与发声系统驱动电路连接，微音器设置在气池中，微音器通过传输线路依次与锁相放大电路和处理器连接，处理器通过传输线路依次与发声系统驱动电路和锁相放大电路连接，在气池上设置有气口，温度压强传感器设置在气池中，温度压强传感器通过传输线路与处理器连接。

2.根据权利要求1所述的用气池的共振频率检测气体浓度的装置，其特征在于：所述发声系统包括光源，在光源和气池之间设置准直器，光源通过传输线路与发声系统驱动电路连接。

3.根据权利要求1所述的用气池的共振频率检测气体浓度的装置，其特征在于：所述发声系统包括安装在气池内的发声器件，发声器件通过传输线路与发声系统驱动电路连接。

4.一种利用权利要求1所述的用气池的共振频率检测气体浓度的装置检测气体浓度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，待测气体从气池气口进入气池；

第二步，处理器向发声系统驱动电路发出指令，发声系统驱动电路驱动发声系统产生声信号；微音器接收声信号，并向锁相放大电路提供待测信号，发声系统驱动电路向锁相放大电路提供待参考信号，待测信号送入锁相放大电路进行处理，得到声信号的幅值，再发送给处理器；

第三步，重复第二步，发声系统继续发出频率逐渐改变的声信号，直至一个周期结束；

第四步，处理器通过逻辑运算得到一个周期内的最大的声信号幅值，根据这个最大的声信号幅值对应的发射频率，求出气池的共振频率f；

第五步，温度压强传感器测出当前测量环境下的温度T和压强P并传给处理器；

第六步，处理器按下列公式进行计算，求出待测气体的浓度：

$f(P,T,x_n)=\frac{g\left(P\right)h\left(T\right)z^{\′}\left(x_n\right)}{2}{({\left(\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mn}}}{R_0}\right)}^2+{\left(\frac{n_z}{L}\right)}^2)}^{1/2}$

式中：R₀为圆柱状气池的半径；L为圆柱状气池的长度；n_z为自然数(n_z＝0，1，2…)，α_mn为气池R₀处m阶贝塞尔函数的第n个极值点，n_z与α_mn是与声共振模式相关的参数。

5.根据权利要求4所述的用气池的共振频率检测气体浓度的方法，其特征在于：所述第五步为，温度压强传感器测出当前测量环境下的温度T和压强P并传给处理器，处理器根据当前测量环境下的温度和压强对共振频率进行温度和压强校正。

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