CN107238659A - 一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置，建立一套在密闭腔体的不同频率的超声收发装置，往密闭腔体通入待测量的气体，发射发送不同频率的超声波，并在步进电机和导轨的作用下精确移动以改变超声波发射端与接收端之间的距离；通过外部抽气泵调整腔内待测气体压强，测量得到不同频率、不同压强、不同距离下的声速和声衰减系数并对声衰减系数进行校正；绘制校正后的声衰减系数关于超声波频率的谱线图，通过将所绘制的谱线图与预设样本库中的谱线比较，确定待测气体的种类和浓度；本发明提供的气体测量方法及装置可以测量大部分无腐蚀性气体、具有测量范围广、无需专门气体传感器、成本低、能够在线实时监测、响应速度快、长时间稳定等优点。
Description
技术领域
本发明属于气体测量技术领域，更具体地，涉及一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置。
背景技术
在传统的气体检测技术中，一种传感器只能检测一种气体，对于混合气体的检测需要多种传感器协同配合，增加了调试和安装的难度，而且提高了测试成本；在大气、航天、环境气体等探测中，尤其是天然气等混合气体的精度测试、管道内、大规模、实时探测的探测需求下，传统的气体探测技术无法满足其探测实时性、探测精度以及低成本探测的需求；而且传统的各种气体传感器的使用寿命有限，一般是2-5年，造成探测的成本高昂。
近年来，超声气体探测领域的研究和突破成为超声学、量子物理和信号处理等交叉学科的热门之一。基于超声波换能器的气体探测技术，以器件结构简易、耐用性好、成本低、鲁棒性好等特点，在气体泄漏、气体成分监测等领域得到了广泛应用，其探测精度可达30ppm，响应速度可快至ms级。然而，现有技术也暂时没有提供一种基于超声波换能器的通用的气体测量的解决方案。论文《一种基于声吸收谱的超声气体传感器实验装置》(宋运隆,丁圆,程菊明.企业技术开发:上旬刊，2016，35(8):48-51.)中，公开了进行空气的声速测试的技术方案，但是只简单测试了空气的声速，并没有对其他气体进行测量，也没有公开声衰减系数的测量方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法及系统，其目的在于由此解决目前气体测量中针对每种气体必须用专门的传感器测量、成本高、耐用性差的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超声波换能器的通用气体测量方法，包括如下步骤：
(1)根据超声波信号在待测气体气氛环境下的传播距离与传播时间，获取超声波信号在待测气体中的传播速度；
(2)根据在待测气体气氛环境下发送的超声波信号与接收到的超声波信号的电压比值与传播距离之比，获取待测气体的声衰减系数α；
(3)根据声波波长、超声波换能器的半径、发射的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值Ve、以及接收到的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值Vr，对步骤(2)获得的声衰减系数α进行校正；
其中，声波波长由传播速度除以频率得到；
(4)改变待测气体气氛环境的压强，以及超声波信号发射端与接收端的距离，重复步骤(1)～(3)，获取多个不同频率、多个不同压强、多个不同收发距离下的声衰减系数并校正；
绘制校正后的声衰减系数关于超声波频率的谱线图，通过将所绘制的谱线图与预设样本库中的谱线比较，确定待测气体的种类和浓度；其中，收发距离是指超声波信号发射端与接收端之间的距离。
优选地，上述的通用气体测量方法中，在获取传播速度的步骤中，利用步进电机来控制超声波换能器发送端与接收端超声波换能器之间的距离，利用步进电机的相数、拍数、步距角、细分获取超声波的准确传播距离x；
利用在接收端检测到的电压信号波形，获取超声波在其发送端与接收端之间传播的传播时间t；根据传播距离与传播时间获取传播速度
优选地，上述的通用气体测量方法，待测气体的声衰减系数其中，Ve是发送的超声波信号经超声波换能器转换后的电压信号波形的峰峰值，Vr是接收端的超声波信号经超声波换能器转换后的电压信号波形的峰峰值。
优选地，上述的通用气体测量方法，由于发射的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值Ve是固定不变常数，上述衰减系数简化为
优选地，上述的通用气体测量方法，
校正后的声衰减系数
其中，λ为测量气体不同频率下声波的波长，R为超声波换能器的半径，x为超声波发射端与接收端之间的距离；
由于超声波换能器尺寸的衍射和声波的扩散作用，当超声波换能器接收端与发送端之间的距离随着超声波传播距离增大到的距离后，会发生衍射，导致测量结果不准确；通过本步骤的校正处理，消除了超声波换能器尺寸的衍射和声波扩散对声衰减系数的影响。
优选地，上述的通用气体测量方法，采集多组发送的超声波信号经转换后的电压信号波形的峰峰值、接收到的超声波信号经转换后的多组电压信号波形的峰峰值，根据上述多组峰峰值，来获取多组(V，x)数据；根据多组(V，x)数据来计算声衰减系数，以减小电压信号波形峰峰值测量值、传播距离x的测量误差对声衰减系数的影响。
优选地，上述的通用气体测量方法，根据声衰减系数中气体的测量频率与气体压强成反比的关系，通过改变待测气体的压强来反向获得超声波频率的改变，以扩大超声波频率范围，克服现有的超声波换能器的频率覆盖范围较小的局限，以尽可能准确的绘制声衰减系数关于超声波频率的谱线图。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于超声波换能器的通用气体测量装置，包括信号发生驱动电路、发射端超声波换能器(发射器)、接收端超声波换能器(接收器)、信号放大电路和导轨；
其中，信号产生驱动电路用于产生发射端超声波换能器所需的各种频率的正弦波；
发射端超声波换能器用于发射上述各种频率的正弦波；在发射端超声波换能器中，可以设置多个不同频率的超声波发射换能器，以发送多个不同频率的波形；
接收端超声波换能器用于接收发射端超声波换能器所发射的波形；
信号放大电路用于将接收端超声波换能器接收到的信号放大，方便示波器进行检测；
导轨具有连接外部步进电机的接口；工作时，通过步进电机控制导轨的中心螺纹轴的转动，从而控制接收端超声波换能器与发射端超声波换能器之间的距离；通过导轨实现发射端超声波换能器与接收端超声波换能器准确定位，通过导轨上的机械装置使得发送端的超声波平面与接收端的超声波平面平行且正对应，以使得接收端所接收的信号最大，提高接收端信号测量的准确性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置，其测量原理不同于现有的气体传感器，可作为一种通用装置，对具有谱线样本库的多种气体进行测试，而无需频繁更换、调试传感器；
(2)本发明提供的基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置，由于不同浓度不同种类的气体的声衰减系数随频率变化的曲线图不同，因此能够测量混合气体里各气体的种类和浓度，可应用于大气、航天、环境等气体探测；
(3)本发明提供的基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置，由于通用性好，能够测量多种气体，改变了测量不同气体需要专门传感器的现状，无需校正传感器，因此降低了测量成本，且耐用性高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于超声波换能器的通用气体测量装置的示意图；
图2是基于本发明实施例提供的基于超声波换能器的通用气体测量装置进行测试的系统示意图；
图3是本发明实施例中采用示波器测量的100K频率下99.999％纯度二氧化碳气体在温度为25℃下的超声波发射信号与接收信号的示波器截图，发射端与接收端的距离为2厘米；
图4是本发明实施例中采用示波器测量的100K频率下99.999％纯度二氧化碳气体在温度为25℃下的超声波发射信号与接收信号的示波器截图，发射端与接收端的距离为7.5厘米；
图5是本发明实施例中100K频率下99.999％纯度二氧化碳气体在温度为25℃下的超声波接收端信号随发射端与接收端之间的距离增大变化图；
图6是本发明实施例中不同比例混合气体的声衰减系数随频率变化的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所提供的测量方法及系统，其建立一套在密闭腔体的不同频率的超声收发实验装置，给密闭腔体通入待测量的气体，超声波换能器发射端能够发射不同频率的波形，并在步进电机的转动下精确移动，改变发射端和接收端之间的距离，通过抽气泵改变压强，测量得到不同频率、不同压强、不同距离下的声速和声衰减系数的数据，然后经过数据校正和信号处理，实现对气体浓度和成分的检测。
实施例提供的基于超声波换能器的通用气体测量装置如图1所示，包括信号发生驱动电路、发射端超声波换能器(发射器)、接收端超声波换能器(接收器)、信号放大电路和导轨；
其中，信号发生驱动电路用于产生发射端超声波换能器所需的各种频率的正弦波；发射端超声波换能器用于发射这些不同频率的波形；发射端超声波换能器可以设置多个不同频率的超声波发射换能器，以发送多个不同频率的波形；
超声波接收端信号放大电路将超声波接收换能器接收到的微弱信号放大，方便示波器的检测；导轨与外部步进电机相连，通过步进电机控制导轨的中心螺纹轴的转动，以控制接收端超声波换能器与发射端超声波换能器之间的距离；接收端超声波换能器用于接收发射端超声波换能器所发射的波形；发射端超声波换能器与接收端超声波换能器在步进电机的控制下准确定位，通过导轨的机械装置使得发送端的超声波平面与接收端的超声波平面平行且正对应，以提高发射波形信号与接收波形信号测量的准确性。
本实施例中，超声波换能器优选为5组，5组超声波换能器的声频率分别为75KHz、100KHz、200KHz、300KHz、400KHz，利用气压可变声学气体腔，基本覆盖了气体超声学研究的范围。
如图2所示，是基于实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置进行测试的系统示意图，结合外部示波器、上位机、控制器、驱动板、电源、温湿度监测仪器、压力指示表以及抽气泵进行气体测试的系统；
测试时，将基于超声波换能器的通用气体测量装置设于密闭腔体内，腔体采用不锈钢材料，耐压范围为0.01～32个大气压；腔体的一边安装有负压指示计和正压指示表：负压指示计用于测量腔体里的负压，正压指示表测量腔体里的正压。腔体上还安装有温/湿度监测仪，用于监测腔体里的温度和湿度。腔体另一边设有进气口与出气口，进气口连接微调充气阀、减压阀、气瓶等充气设备；出气口连接抽气泵的抽气孔，抽气泵用于抽空腔体内的气体，改变腔体里的气体压强，抽气泵的出气口配有排气管道，方便气体向外排放；采用示波器来测量发射端和接收端的波形信号；电源用于给基于超声波换能器的通用气体测量装置供电；上位机、控制板和驱动器协同用于控制步进电机按照指令移动。
为了克服超声波的回波对发射端超声波换能器的影响，实施例中发射端超声波换能器发送的正弦波信号的周期个数在5～10之间；否则接收端超声波换能器反射的声波在发射端超声波换能器还未结束发送前就已到达发射端超声波换能器，反射波将和发射端发射的正常信号混叠在一起发射，使接收端接收到的信号变大，影响测量的准确性。
图3所示，是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置及方法，在100K频率下，99.999％纯度的二氧化碳气体温度为25℃的超声波发射信号与接收信号的示波器截图，发射端与接收端之间的距离为2厘米；
图3中上面的是发射的正弦波波形，下面的是接收端接收到的波形；发射端发射了6个完整正弦波波形，波形电压为2.136V，接收端接收到的波形电压为3.038V；从图3可以看到，发射端波形与接收端波形截然不同，接收端的波形有更多的包络，包含更多的信息。
图4所示，是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置及方法，在100K频率下，99.999％纯度的二氧化碳气体温度在25℃下的超声波发射信号与接收信号的示波器截图，发射端与接收端之间的距离为7.5厘米。图4上面的是发射端发射的正弦波波形，下面的是接收端接收到的波形。发射端的波形电压仍然为2.136V，接收端接收到的波形电压在距离为7.5厘米时却变成了1.713V。从图3、图4中可以看到，随着发射端与接收端之间距离的增大，接收端的波形信号在减小。本发明提供的基于超声波换能器的通用气体测量方法及装置正是利用了接收端的波形随发射端和接收端之间距离变化而衰减的性质，测量接收端的波形，从而计算得到声衰减系数。
图5所示，是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置及方法，在100K频率下，99.999％纯度的二氧化碳气体温度在25℃的超声波接收端信号随不同距离变化图；其中，y轴为不同距离下超声波换能器接收端正弦波的信号取对数，x轴为超声波换能器发送端与接收端之间的距离，从图中可以看到，发射端与接收端的距离从1厘米增加到8厘米，每次距离增加0.5厘米，共15个测量点形成一条直线。y＝-0.1074x+1.312为测量点所形成的直线的方程，其中-0.1074是直线的斜率，也就是所测量的100KHz的频率的声衰减系数。
图6所示，是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置及方法，所测量的50％二氧化碳和50％氮气混合气体在温度为25℃的条件下的声衰减系数随频率变化图；图中，实线的曲线为理论值曲线，“*”状符号从左到右依次代表在75K频率下、待测气体压强为1个大气压、0.7个大气压、0.4个大气压条件下的测量值；“○”状符号从左到右依次为在100K频率下、待测气体压强为1个大气压、0.7个大气压、0.4个大气压条件下的测量值；从该可以看出，采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置及方法所测量得到的数据与理论曲线吻合较好，精度高。
以下表1是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置在温度为25℃、压强为1个大气压条件下，测量99.999％纯度的二氧化碳气体的部分测量结果,其中α为二氧化碳气体声衰减系数，αλ为二氧化碳气体一个波长的声衰减系数，c为二氧化碳气体的声速，λ为波长；从表1可以看出，不同频率下的声速数值差别不大，随着频率的增大，二氧化碳气体一个波长的声衰减系数在逐渐减小。
表1 实施例测量结果之一
以下表2是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置在温度为25℃、压强为一个大气压测量50％CO2-50％N2的部分测量结果，其中α为50％二氧化碳+50％氮气混合气体的声衰减系数，αλ为50％二氧化碳+50％氮气混合气体一个波长的声衰减系数，c为50％二氧化碳+50％氮气混合气体的声速，λ为波长，等于50％二氧化碳+50％氮气混合气体的声速除以频率；由于不同频率下的声速差别很小，在该测量中，为了简化测量步骤，只测量了75k频率下的声速。
表2 实施例测量结果之二
以下表3是采用实施例提供的上述基于超声波换能器的通用气体测量装置在温度为25℃、99.999％纯度的二氧化碳气体，在0.1、0.5和1个大气压下，200K频率对应声衰减系数。
表3 实施例测量结果之三
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于超声波换能器的通用气体测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据超声波信号在待测气体气氛环境下的传播距离与传播时间，获取超声波信号在待测气体中的传播速度；
(2)根据在待测气体气氛环境下发送的超声波信号与接收到的超声波信号的电压比值与传播距离之比，获取待测气体的声衰减系数；
(3)根据超声波波长、超声波换能器的半径、发射的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值、以及接收的超声波信号经超声换能器转换后的电压信号波形峰峰值，对所述声衰减系数进行校正；
其中，超声波波长由所述传播速度除以频率得到；
(4)改变待测气体气氛环境的压强，以及超声波信号发射端与接收端的距离，重复步骤(1)～(3)，获取多个频率、多个压强、以及多个收发距离下的声衰减系数并校正；
绘制校正后的声衰减系数关于超声波频率的谱线图，通过将所绘制的谱线图与预设样本库中的谱线比较，确定待测气体的种类和浓度；其中，收发距离是指超声波信号发射端与接收端之间的距离。
2.如权利要求1所述的通用气体测量方法，其特征在于，在获取传播速度的步骤中，利用步进电机来控制超声波发送端与接收端之间的距离，利用步进电机的相数、拍数、步距角、细分获取超声波的准确传播距离x；
利用在接收端检测到的电压信号波形，获取超声波在其发送端与接收端之间传播的传播时间t；根据传播距离与传播时间获取传播速度
3.如权利要求2所述的通用气体测量方法，其特征在于，待测气体的声衰减系数
其中，Ve是发送的超声波信号经超声波换能器转换后的电压信号波形的峰峰值，Vr是接收端的超声波信号经超声波换能器转换后的电压信号波形的峰峰值。
4.如权利要求2所述的通用气体测量方法，其特征在于，衰减系数其中，Vr是接收端的超声波信号经超声波换能器转换后的电压信号波形的峰峰值。
5.如权利要求4所述的通用气体测量方法，其特征在于，校正后的声衰减系数
其中，λ为待测气体不同频率下声波的波长，R为超声波换能器的半径，x为超声波发射端与接收端之间的距离。
6.如权利要求4或5所述的通用气体测量方法，其特征在于，采集多组发送的超声波信号经转换后的电压信号波形的峰峰值、多组接收到的超声波信号经转换后的电压信号波形的峰峰值；
根据多组峰峰值来获取多组(V，x)数据；根据多组(V，x)数据来计算声衰减系数，以减小电压信号波形峰峰值测量误差和传播距离x的测量误差对声衰减系数的影响。
7.如权利要求4所述的通用气体测量方法，其特征在于，通过改变待测气体的压强来反向获得超声波频率的改变，以扩大超声波频率范围。
8.一种基于超声波换能器的通用气体测量装置，其特征在于，包括信号发生驱动电路、发射端超声波换能器、接收端超声波换能器、信号放大电路和导轨；
所述信号产生驱动电路用于产生发射端超声波换能器所需的各种频率的正弦波；
所述发射端超声波换能器用于发射所述正弦波；接收端超声波换能器用于接收发射端超声波换能器所发射的波形；
信号放大电路用于将接收端超声波换能器接收到的信号放大；
所述导轨具有连接外部步进电机的接口；工作时，通过步进电机控制导轨的中心螺纹轴的转动，从而控制接收端超声波换能器与发射端超声波换能器之间的距离；通过导轨实现发射端超声波换能器与接收端超声波换能器准确定位，通过导轨上的机械装置使得发送端的超声波平面与接收端的超声波平面平行且正对应。
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