CN102778505B - 基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线网络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及无线网络技术，通过对假想的参考通道发射端和接收端的声压强度计算和对检测通道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检测气体浓度的方法，利用单通道的方式实现了利用在气体中传播的超声波的声波衰减来检测气体浓度，方法简单、易于实现。

Description

基于无线网络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六氟化硫气体浓度检测的方法和装置，尤其涉及一种应用无线网络和超声技术对六氟化硫气体浓度进行检测的方法及相应装置。

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单通道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：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{2{\mathrm{\ρ}}_0{c}^3}[\frac{4}{3}\mathrm{\η}+k(\frac{1}{c_V}-\frac{1}{c_P})]$ 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。

Ad Hoc网络（对等式无线移动网络）是一种新颖的移动计算机网络的类型，它既可以作为一种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。AdHoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点、不需要硬件基础网络设施的支持，通过移动节点自由的组网快速构建起一个移动通信网络。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用无线网络和声波衰减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：

基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法，该方法包括如下步骤：

（1）无线子节点获取检测气体的检测环境信息，所述检测环境信息包括通道长度、温度和湿度；

（2）设定在与步骤（1）相同的通道长度、温度和湿度条件下，假设使用一定初始幅度的超声波穿过参考气体，结合参考气体的摩尔质量，无线子节点计算出超声波穿过参考气体的幅度衰减程度；

（3）无线子节点驱动与步骤（2）相同初始幅度的超声波穿过检测气体，并对穿过检测气体后的超声波幅度进程检测，计算超声波穿过检测气体的幅度衰减程度；

（4）无线子节点通过对两个幅度衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度，并将相关信息发送至无线基站；

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体，一般来说参考气体为空气。所述步骤（2）和步骤（3）中的幅度衰减程度可以采用式1和式2中的公式计算，一般来说，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。

上述方法中，步骤（2）中的计算为已知方法的计算，其中通道长度与检测气体的通道长度相同（即保证超声波在参考参考气体和检测气体内的传播路径相同），为已知量；温度和湿度可以通过对检测气体所处的环境进行相关温湿度的检测获得，也为已知量；超声波的初始幅度为设定值，亦为已知量；参考气体的摩尔质量是客观量，已知。

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为穿过参考气体后的声波声压强度，p_D为穿过检测气体后的声波声压强度，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为检测通道长度，与步骤（1）中获取的通道长度相同；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。

一种基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法的装置，包括无线网络、容置检测气体的检测通道，所述无线网络包括无线基站和无线子节点，无线子节点根据无线基站发送的请求工作，所述无线子节点包括声波驱动单元、信号调理电路、模拟数字转换单元、单片机模块、温湿度传感器和无线通信模块；所述声波驱动单元的输入端接单片机模块的声波驱动信号输出端，信号调理的电路的输出端通过模拟数字转换单元接单片机模块的声波接收信号输入端，所述温湿度传感器的输出端接单片机模块的温湿度信息输入端，所述单片机模块通过无线通信模块与无线基站通信；所述检测通道的一端设置有声波发射换能器，另一端设置有声波接收换能器，检测通道接入无线子节点中，其中声波驱动单元的输出端接声波发射换能器，声波接收换能器接信号调理电路的输入端。

优选的，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单片机模块。

优选的，所述无线子节点若没有接收到无线基站的请求，则进入休眠状态；若无线子节点处于休眠状态的连续时长大达设定时间，则主动启动对检测通道内六氟化硫浓度的检测；若检测出六氟化硫浓度超标，可以给出报警提示。

有益效果：本发明提供的基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法及装置，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检测气体浓度的方法，利用单通道的方式实现了利用在气体中传播的超声波的声波衰减来检测气体浓度，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为无线网络中无线基站和无线子节点的关系示意图；

图3为本发明计算结构的流程图。

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、图2所示为一种基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法的装置，包括无线网络、容置检测气体的检测通道，所述无线网络包括无线基站和无线子节点，无线子节点根据无线基站发送的请求工作，所述无线子节点包括声波驱动单元、信号调理电路、模拟数字转换单元、单片机模块、温湿度传感器和无线通信模块；所述声波驱动单元的输入端接单片机模块的声波驱动信号输出端，信号调理的电路的输出端通过模拟数字转换单元接单片机模块的声波接收信号输入端，所述温湿度传感器的输出端接单片机模块的温湿度信息输入端，所述单片机模块通过无线通信模块与无线基站通信；所述检测通道的一端设置有声波发射换能器，另一端设置有声波接收换能器，检测通道接入无线子节点中，其中声波驱动单元的输出端接声波发射换能器，声波接收换能器接信号调理电路的输入端。

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单片机模块。

如图3所示为基于上述装置的计算结构的流程图，具体包括如下步骤：

（1）无线子节点获取检测通道的检测环境信息，所述检测环境信息包括通道长度、温度和湿度；

（2）虚拟一个参考通道，该参考通道与检测通道具有相同的通道长度、温度和湿度条件下，设定使用一定初始幅度的超声波穿过参考通道内的参考气体，结合参考气体的摩尔质量，无线子节点计算超声波穿过参考气体的幅度衰减程度；

（3）无线子节点驱动与步骤（2）相同初始幅度的超声波穿过检测通道内的检测气体，并对穿过检测气体后的超声波幅度进程检测，计算超声波穿过检测气体的幅度衰减程度；

（4）无线子节点通过对两个幅度衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度，并将相关信息发送至无线基站；

（5）所述无线子节点若没有接收到无线基站的请求，则进入休眠状态；若无线子节点处于休眠状态的连续时长大达设定时间，则主动启动对检测通道内六氟化硫浓度的检测。

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体，所述参考气体为空气。

参考气体和检测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，即通过计算参考通道和测量通道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。

所述单片机模块通过无线通信模块接收无线基站以及其他无线子节点传送过来的命令或数据，并进行相应的操作，从而判断现场六氟化硫气体浓度是否超出设定限，超出设定限后则进行报警。

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 (2)

1.基于无线网络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）无线子节点获取检测气体的检测环境信息，所述检测环境信息包括通道长度、温度和湿度；

（2）设定在与步骤（1）相同的通道长度、温度和湿度条件下，假设使用一定初始幅度的超声波穿过参考气体，结合参考气体的摩尔质量，无线子节点计算出超声波穿过参考气体的幅度衰减程度；

（3）无线子节点驱动与步骤（2）相同初始幅度的超声波穿过检测气体，并对穿过检测气体后的超声波幅度进程检测，计算超声波穿过检测气体的幅度衰减程度；

（4）无线子节点通过对两个幅度衰减程度的比值计算、表征六氟化硫浓度，并将相关信息发送至无线基站；

所述检测气体为混有六氟化硫的参考气体。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络检测微量六氟化硫浓度的声学方法，其特征在于：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为穿过参考气体后的声波声压强度，p_D为穿过检测气体后的声波声压强度，a_R为参考气体的声波衰减系数，a_D为检测气体的声波衰减系数，x为检测通道长度，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。