CN102590337B - 一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，利用超声波在气体中传播时声波衰减的原理，通过对参考气体和检测气体发射端和接收端的声压强度检测，计算相应的衰减程度，通过衰减程度的比值表征六氟化硫浓度。本发明提供的检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，突破了现有技术中仅通过利用在气体中传播的超声波的传播速度或时间来测量气体浓度的方法，实现了利用在气体中传播的超声波的声波衰减来测量气体浓度，方法简单、易于实现。

Description

一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种利用不同气体对声波产生的不同衰减的现象进行气体浓度检测的方法和装置，尤其涉及一种检测空气中微量六氟化硫含量的方法及相应装置。

背景技术

六氟化硫作为性能优越的绝缘气体，已经在输配电装备中得到了广泛的应用，但是六氟化硫的泄露难于避免，为了确保输配电设备的安全和人员安全，国家有专门的规定，要对使用六氟化硫的场合进行空气中六氟化硫含量的检测。有关利用在气体中传播的超声波的传播速度或时间来测量气体浓度的方法及装置已有相关方案提出，但是利用在气体中传播的超声波的声波衰减来测量气体浓度的方法还未可见。

众所周知，声波随距离的衰减规律可以由式1表示：

p＝p₀e^-αx     式1

式中p₀为声波发射端的声压强度，p为距离声波发射端x处的声压强度，α为介质的衰减系数，而声压信号作用到声波接收换能器可以转化为电压信号。根据经典声波衰减理论，当声波的频率一定，介质的衰减系数仅跟介质本身的性质相关，可以由式2表示：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2p_0{c}^3}[\frac{4}{3}\mathrm{\η}+k(\frac{1}{c_V}-\frac{1}{c_P})]$ 式2

式中ω为声波角频率，ρ₀为介质气体的密度，η为媒质的切变粘滞系数，k为导热系数，c_V为定容比热，c_P为定压比热。

由于p₀、p以及x皆为可测得量，因而可以计算得到衰减系数α，通过对衰减系数α的比较计算，可以得到气体的浓度值。

发明内容

发明目的：本发明提供一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，为气体浓度的检测提供一种新的方法和相应装置。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法，包括如下步骤：

(1)分别使相同幅度的超声波穿过参考气体和检测气体；

(2)分别测量穿过参考气体和检测气体的超声波的幅度；

(3)分别计算穿过参考气体和检测气体的超声波的衰减程度；

(4)通过两个衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度；

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体；所述步骤(3)中的衰减程度可以采用式1和式2中的公式计算，一般来说，我们的参考气体为空气，由于六氟化硫的切变粘滞系数比空气高多个数量级，而其它参数都在同一数量级，因此被测气体的声波衰减系数随着六氟化硫浓度的增大而明显增大。

所述参考气体和检测气体的温度、湿度和压力相同。

所述参考气体和检测气体的容置环境相同，所述超声波在参考气体和检测气体内的传播路径相同。

比较参考气体和检测气体的超声波衰减程度的方法可以表示为式3：

$\frac{p_R}{p_D}=\frac{e^{-{\mathrm{\α}}_{R}x}}{e^{-{\mathrm{\α}}_{D}x}}=e^{({\mathrm{\α}}_D-{\mathrm{\α}}_R)x}$ 式3

其中，p_R为参考气体接收测量到的声波声压强度，p_D为检测气体接收测量到的声波声压强度，α_R为参考气体的声波衰减系数，α_D为检测气体的声波衰减系数，x声波传播距离；两边取自然对数则得到式4：

$\ln \frac{p_R}{p_D}=({\mathrm{\α}}_D-{\mathrm{\α}}_R)x$ 式4

即，通过测量参考气体和测量气体接收到的声波声压强度、计算两者的比值并取自然对数的方法，得到参考气体和测量气体的衰减系数差值，使用这一差值可以表示空气中六氟化硫浓度的大小。

一种检测微量六氟化硫浓度的声学装置，包括声波驱动单元、容置参考气体的参比通道、容置检测气体的检测通道、信号调理电路和计算六氟化硫浓度的微机单元，在参比通道和检测通道的一端分别设有一个声波发射换能器，另一端分别设有一个声波发射换能器，所述参比通道和检测通道并联在声波驱动单元和信号调理电路之间，声波接收换能器通过信号调理电路接入微机单元；要求参比通道和检测通道的形状、尺寸一致，这样，才能够保证声波在两个通道内的运行路径一致，达到准确的测量结果。

所述两个声波发射换能器通过同一个声波驱动单元驱动，这能能够保证两个声波发射换能器所发出的声波一致；所述两个声波发射换能器和两个声波接收换能器的参数设置相同；以使得测量环境一致。

所述信号调理电路对声波接收换能器接收到的电压信号进行滤波、放大、峰值检测后，通过模拟数字转换单元接入微机单元，微机单元对电压信号进行处理后，可以得到六氟化硫浓度的表征值。

所述微机单元上连接有通信接口电路，可以通过无线接口或有线接口方式将测量、计算得到的数据对外传送。微机单元还可以直接对声波驱动单元进行控制，实现定时测量气体浓度等目的。

有益效果：本发明提供的检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，突破了现有技术中仅通过利用在气体中传播的超声波的传播速度或时间来测量气体浓度的方法，实现了利用在气体中传播的超声波的声波衰减来测量气体浓度，方法简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置中信号调理电路的电路结构图；

图3为本发明发明中计算结构的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种检测微量六氟化硫浓度的声学装置，包括一个声波驱动单元、容置参考气体的参比通道、容置检测气体的检测通道、信号调理电路、模拟数字转换单元和计算六氟化硫浓度的微机单元，在参比通道和检测通道的一端分别设有一个声波发射换能器，另一端分别设有一个声波发射换能器，所述参比通道和检测通道并联在声波驱动单元和信号调理电路之间，声波接收换能器通过信号调理电路、模拟数字转换单元接入微机单元；要求声波驱动单元同时驱动两个声波发射换能器，两个声波发射换能器和两个声波接收换能器的参数设置相同，参比通道和检测通道的形状、尺寸一致，使测量环境一致，够保证声波在两个通道内的运行路径一致，获得准确的测量结果。

如图2所示为信号调理电路的电路结构图，信号调理电路对声波接收换能器接收到的电压信号进行滤波、放大、峰值检测后，通过模拟数字转换单元接入微机单元，微机单元对电压信号进行处理后，可以得到六氟化硫浓度的表征值。

如图3所示为本发明方法中计算结构的流程图，由图3可以看出，基于图1所示装置的测量方法包括如下步骤：

(1)分别使相同幅度的超声波穿过参考气体和检测气体；

(2)分别测量穿过参考气体和检测气体的超声波的幅度；

(3)分别计算穿过参考气体和检测气体的超声波的衰减程度；

(4)通过两个衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度；

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体，且参考气体和检测气体的温度、湿度和压力相同，参考气体为空气。

参考气体和测量气体的衰减程度可以采用式1和式2中的公式计算，由于六氟化硫的切变粘滞系数比空气高多个数量级，而其它参数都在同一数量级，因此被测气体的声波衰减系数随着六氟化硫浓度的增大而明显增大。

比较参考气体和检测气体的超声波衰减程度的方法可以表示为式3和式4，即通过测量参考气体和测量气体接收到的声波声压强度、计算两者的比值并取自然对数的方法，得到参考气体和测量气体的衰减系数差值，使用这一差值可以表示空气中六氟化硫浓度的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)分别使相同幅度的超声波穿过参考气体和检测气体；

(2)分别测量穿过参考气体和检测气体的超声波的幅度；

(3)分别计算穿过参考气体和检测气体的超声波的衰减程度；

(4)通过两个衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度；

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体；

所述参考气体和检测气体的温度、湿度和压力相同；

所述步骤(4)中，利用下式计算两个衰减程度的比值：

$\ln \frac{p_R}{p_D}=({\mathrm{\α}}_D-{\mathrm{\α}}_R)x,$

其中，p_R为参考气体接收测量到的声波声压强度，p_D为检测气体接收测量到的声波声压强度，α_R为参考气体的声波衰减系数，α_D为检测气体的声波衰减系数，x声波传播距离，利用参考气体和检测气体的衰减系数差值表征六氟化硫浓度。

2.根据权利要求1所述的检测微量六氟化硫浓度的声学方法，其特征在于：所述参考气体和检测气体的容置环境相同，所述超声波在参考气体和检测气体内的传播路径相同。

3.一种基于权利要求1检测微量六氟化硫浓度的声学装置，其特在在于：该装置包括声波驱动单元、容置参考气体的参比通道、容置检测气体的检测通道、信号调理电路和计算六氟化硫浓度的微机单元，在参比通道和检测通道的一端分别设有一个声波发射换能器，另一端分别设有一个声波发射换能器，所述参比通道和检测通道并联在声波驱动单元和信号调理电路之间，声波接收换能器通过信号调理电路接入微机单元；

所述信号调理电路对声波接收换能器接收到的电压信号进行滤波、放大、峰值检测后，通过模拟数字转换单元接入微机单元。

4.根据权利要求3所述的检测微量六氟化硫浓度的声学装置，其特征在于：所述两个声波发射换能器通过同一个声波驱动单元驱动；所述两个声波发射换能器和两个声波接收换能器的参数设置相同。

5.根据权利要求3所述的检测微量六氟化硫浓度的声学装置，其特征在于：所述微机单元上连接有通信接口电路。