CN113030248A - 基于超声波双频相位差的氢气测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于超声波双频相位差的氢气测量系统及方法，属于声学气体检测技术领域。为了解决基于超声波相位差法存在氢气浓度检测范围小的问题。本发明所述系统包括：用于测量当前环境下的气体浓度的超声波测量模块，用于将超声波测量模块输出的电信号转换为幅值的方波信号的信号处理模块，用于将所述方波信号转换为相位差信号的检相模块；产生用于驱动超声波换能器的频率信号；以及根据检相模块传递的相位差信号进行双频相位差法数据处理，根据相位差信号的跨周期数N以及对应的测量相位差

确定氢气浓度值的微处理器，以及用于将微处理器发送的频率信号进行放大并提供给超声波测量模块的超声波驱动模块。主要用于氢气的测量。

Description

基于超声波双频相位差的氢气测量系统及方法

技术领域

本发明属于声学气体检测技术领域，具体涉及一种基于超声波双频相位差的氢气测量方法。

背景技术

氢气是一种高效无污染的清洁能源在化工、冶金等领域应用广泛。氢气具有无色无味、易燃易爆等特性，一旦达到了爆炸下限，即与空气混合浓度为4％时，就会引发爆炸导致极为严重的后果。因此，对氢气进行实时、准确的测量是极为重要的。

目前氢气传感器主要有电化学传感器、催化式传感器、热导式传感器、光纤传感器以及声学传感器等。电化学传感器功耗低、精度高，但存在精度受环境因素影响、使用寿命不长等问题。催化式传感器在气体浓度高时存在燃爆等安全隐患。光纤式气体传感器检测精度高、灵敏度高，但成本高。声学传感器具有可靠性高、工作寿命长和成本低等优点。其中声速气体测量方法的声气体传感器具有响应速度快、低功耗以及检测范围宽等优势，在气体检测领域具有极大的潜力，但目前还没有成熟的声速气体检测产品，其原因在于声速气体检测方法存在对温湿度敏感以及相位差检测精度低等问题。

超声波气体测量方法又称飞行时间测量法，可以分为两种形式，一种是绝对时间差法，另一种是相位差法。其中是绝对时间差法最为常用，这种测量方法存在两个弊端。其一，绝对时差法采用脉冲式信号进行测量，因此需要较高的驱动频率，需要高频超声波换能器探头，且绝对时差法的驱动电路和测量电路较复杂。其二，绝对时差法直接测量超声波换能器收发端的传播时间，接收端脉冲组的第一个波的幅值受多方面因素影响，电压阈值的设定存在较大误差，这严重影响了时间测量精度。相位差法是绝对时差法的一种演变，利用测量信号的相位差反映时间差，具有体积小、成本低、时间分辨率高(可以达到纳秒级别)等优点，但是普通相位差法只能反映一个周期内的时间差信息，相位差超过一个周期将会导致测量结果失真。因此如果能够实现多周期相位差测量将使相位差测量法具有极大优势。

而且，目前的超声波相位差法的氢气浓度测量范围基本都是0-4％，使得目前的氢气测量方法受到极大地制约。

发明内容

本发明是为了解决基于超声波相位差法存在氢气浓度检测范围小的问题。

基于超声波双频相位差的氢气测量系统，包括：

超声波测量模块，用于测量当前环境下的气体浓度，输出为电信号；超声波测量模块包括超声波换能器和双通道超声波测量结构，双通道是两个在结构和长度上完全一致的声波导管，双通道包括测量通道1、参比通道2；其中测量通道1与外界相通，用于进出待测气体；参比通道2密封，内部介质为纯净空气；

信号处理模块，用于将超声波测量模块11输出的电信号转换为幅值的方波信号；

检相模块，用于将所述方波信号转换为相位差信号；

微处理器，产生用于驱动超声波换能器的频率信号；以及根据检相模块传递的相位差信号进行双频相位差法数据处理，根据相位差信号的跨周期数N以及对应的测量相位差

确定氢气浓度值；

超声波驱动模块，用于将微处理器发送的频率信号进行放大并提供给超声波测量模块中的超声波换能器。

进一步地，所述超声波测量模块输出的电信号为正弦波信号。

基于超声波双频相位差的氢气测量方法，包括以下步骤：

发射频率为f1的超声波信号，信号分别经过测量通道1、参比通道2后对信号进行接收，对频率为f1的超声波信号相位差进行测量；测量通道1与外界相通，用于进出待测气体，参比通道2密封，内部介质为纯净空气；

发射频率为f2的超声波信号，信号分别经过测量通道1、参比通道2后对信号进行接收，对频率为f2的超声波信号相位差进行测量；测量通道1、参比通道2是两个在结构和长度上完全一致的声波导管，即双通道；

频率为f2的超声波信号、频率为f1的超声波信号为不同频率信号，频率高的简称高频信号，频率低的简称低频信号；

基于两次信号的相位差确定双通道信号的跨周期数以及实际相位差，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量。

进一步地，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量的过程中，双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系如下：

其中N为双通道信号跨周期数，对应N₁或N₂；

双通道信号测量相位差，对应

或

式中A、B均为常数；

进一步地，氢气浓度x与跨周期数N和对应的相位差

的关系模型中的常数A、B分别如下：

其中，f为超声波频率，分别对应为f₁、f₂；γ为比热比；R为摩尔气体常数，T为开氏温度；M为摩尔质量，M_H2和M_air分别为氢气和空气的摩尔质量。

进一步地，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量的过程包括以下步骤：

判断双通道信号的跨周期数关系；

如果双频信号跨周期数相等，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

此时相位差值与跨周期数的关系为：

其中N₁和N₂是两种频率f₁、f₂信号对应的双通道信号跨周期数；c_mix和c_air分别为腔中充满特定浓度氢气和纯净空气时的声速；L为双通道长度；

进而得到：

其中INT为整数运算符；

基于得到的跨周期数以及测量相位差，利用双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系得到氢气浓度x；

如果高频信号的跨周期数比低频信号跨周期数增加1，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

此时相位差测量值与跨周期数的关系为：

进而得到：

基于得到的跨周期数以及测量相位差，利用双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系得到氢气浓度x。

进一步地，双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系的确定过程包括以下步骤：

参比通道和测量通道的相位差Φ与混合气体和空气声速的关系为：

实际相位差Φ与跨周期数N以及测量相位差

的关系为：

结合得到相位差Φ：

其中，f为超声波频率，γ为比热比，其表达式为C_P/C_V，其中C_P和C_V分别为定压比热容和定容比热容，于氢气的比热比和空气的比热比极为相近，分别为1.41和1.40，取均值γ＝1.405；R为摩尔气体常数，T为开氏温度；M为摩尔质量，M_H2和M_air分别为氢气和空气的摩尔质量；式中M_H2、M_air、R、f以及L为已知量；

最后根据结合的相位差Φ确定氢气浓度x与跨周期数N和对应的相位差

的关系模型：

进一步地，所述f1、f2分别为41kHz和39kHz。

有益效果：

针对传统完整周期数检测方法存在准确度低等问题，本发明提出一种双频时间差测量方法，有效的解决了信号跨周期检测问题，扩宽了气体浓度检测范围，可以达到0-50％。同时本发明的系统电路简单，元器件少，成本低。

附图说明

图1是本发明所述超声气体测量系统框图；

图2是本发明所述双通道超声波测量结构；

图3是本发明所述超声波测量结构测量通道和参比通道信号示意图；

图4是两次信号的跨周期数相等时的双频信号示意图；

图5是两次信号的跨周期数不等时的双频信号示意图；

图6是微处理器的工作流程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，

本实施方式为基于超声波双频相位差的氢气测量系统，包括：

超声波测量模块11，用于测量当前环境下的气体浓度，输出为电信号，所述电信号为正弦波信号。

超声波测量模块包括超声波换能器和双通道超声波测量结构，如图2所示，双通道超声波测量结构包括测量通道1、参比通道2、超声波换能器；其中测量通道1与外界相通，用于进出待测气体；参比通道2密封，内部介质为纯净空气；超声波换能器发射超声波信号，超声波信号分别经过测量通道1、参比通道2。

信号处理模块12，电连接超声波测量模块11，用于将超声波测量模块11输出的电信号转换为某一幅值的方波信号。

检相模块13，电连接信号处理模块12，用于将所述方波信号转换为相位差信号。

微处理器14，电连接检相模块13以及超声波驱动模块15，产生用于驱动超声波换能器的频率信号；以及对检相模块13传递的相位差信号进行双频相位差法数据处理，根据相位差信号的跨周期数N以及对应的测量相位差

确定氢气浓度值；

超声波驱动模块15，连接超声波测量模块11和微处理器14，用于将微处理器发送的频率信号进行放大并提供给超声波测量模块11中的超声波换能器。

具体实施方式二：

本实施方式为基于超声波双频相位差的氢气测量方法，是一种采用双通道相位差的检测方法，具体包括以下步骤：

超声波换能器发射频率为f1的超声波信号，并在超声波换能器接收端对信号进行接收；对频率为f1的信号相位差进行测量，并将相位差测量值存储于微处理器；

超声波换能器发射频率为f2的超声波信号，并在超声波换能器接收端对信号进行接收；对频率为f2的信号相位差进行测量，并将相位差测量值存储于微处理器；

通过微处理器对两次信号的相位差进行判断分析，得到最终信号跨周期数以及实际相位差，并根据信号跨周期数以及实际相位差确定氢气浓度。

双通道是两个在结构和长度上完全一致的声波导管，其中参比通道密封纯净空气，测量通道与外界相通，双通道超声波测量结构如图2所示。相位差Φ与混合气体和空气声速的关系可以表示为：

当测量通道1的流经气体发生变化时，测量通道与参比通道的相位差会发生变化，随着氢气浓度的升高，因声速差异导致的双通道相位差增大，而当相位差增加到一定程度，会导致信号间跨周期现象。当双通道的声速差异较大时，甚至会跨越多个周期，而相位差的实际值则是跨周期数与弧度角2π的乘积加上测量相位差。

实际相位差Φ与跨周期数N以及测量相位差

的关系可以表示为：

结合上式以及声速的方程，实际相位差Φ可以表示为：

其中，f为超声波频率，γ为比热比，其表达式为C_P/C_V，其中C_P和C_V分别为定压比热容和定容比热容，由于氢气的比热比和空气的比热比极为相近，分别为1.41和1.40，取均值γ＝1.405；R为摩尔气体常数，T为开氏温度；M为摩尔质量，M_H2和M_air分别为氢气和空气的摩尔质量；式中M_H2、M_air、R、f以及L为已知量。

由根据一般声速方程，建立氢气浓度x与跨周期数N以及对应的测量相位差

的数学模型：

其中N为双通道信号跨周期数，对应N₁或N₂；

双通道信号测量相位差，对应

或

式中A、B均为常数；

式中A、B均为常数，分别表示为：

其中f在实际计算中对应为f₁或f₂；

只要获得双通道信号测量相位差

以及跨周期数N，就可以实现氢气浓度的测量。对于测量相位差

采用检相器进行测量，而针对跨周期数N的测量，本发明提出了双频法进行测量。

首先，利用超声波换能器发射端先后发送两组频率相近的信号，设频率分别为f₁和f₂；在两次不同频率的驱动信号下，参比通道与测量通道的测量相位差发生变化，由于两次信号频率近似相等，因此两次频率信号下的完整周期数分为两种情况：相等或相差1；

结合两种情况的判断依据及理论分析进行说明：

图2中S1’(t)和S2’(t)分别为测量通道和参比通道接收端信号。信号S1’(t)和S2’(t)经过信号处理模块后被放大并转换为方波信号S1(t)和S2(t)。本发明通过捕获双通道信号S1(t)和S2(t)上升沿的方式实现双通道相位差测量。由于氢气声速远大于空气声速，空气的声信号滞后于氢气的声信号，因此相位差值的检测从测量通道的上升沿开始，并在参比通道的上升沿结束。S1(t)和S2(t)的信号示意图如图3所示。

本实施方式中，超声波换能器的中心频率为40kHz，双频组的频率选取40±1kHz，即先后发送频率为41kHz和39kHz的信号，分别测量该频率信号对应的双通道相位差。

在双频信号跨周期数相等的条件下，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

当两次信号的跨周期数相等时，双频信号示意图如图4所示，其中频率f₁为高频信号，其频率值为41kHz，频率f₂为低频信号，其频率值为39kHz，

和

分别对应各高频和低频信号的相位差测量值，由图可以发现高频信号的相位差大于低频信号的相位差。

在高频信号的跨周期数比低频信号跨周期数增加1的条件下，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

当两次信号跨周期数相差1，双频信号示意图如图5所示，同样频率f₁为高频信号，频率f₂为低频信号，由图可以发现高频信号比低频信号多跨越一个信号周期，且相位差小于低频信号的相位差。

当两次频率信号的跨周期数相等时，相位差测量值与跨周期数的关系为：

其中N₁和N₂是两种频率f₁、f₂信号对应的双通道信号跨周期数；c_mix和c_air分别为腔中充满特定浓度氢气和纯净空气时的声速；

式中L为双通道长度，测量通道与参比通道的长度相等。将上述两式整理变化为：

其中INT为整数运算符。将计算得到的跨周期数N以及测量相位差

带入上述氢气浓度数学模型就可以得到当前环境下的氢气浓度。将该情况(N₁＝N₂)下建立的跨周期数学模型称之为算法1。

当两次频率信号的跨周期数相差1时，即N₁＝N₂+1，相位差测量值与跨周期数的关系为：

将上述两式整理变化为跨周期数与频率和相位差的关系式：

将该情况(N₁＝N₂+1)下建立的跨周期数学模型称之为算法2。

将计算得到的跨周期数、测量相位差以及频率，即

或

带入到由一般声速方程建立的氢气浓度数学模型中，实现氢气浓度计算。需要注明的是，无论向数学模型中带入

还是

其氢气浓度计算结果是一样的。

通过上述分析可以准确计算出双通道信号跨周期数以及实际相位差，进而通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量。以上对跨周期数以及氢气浓度最终结果的各种数据处理均在微处理器中完成，微处理器的具体工作流程如图6所示。

通过上述分析可见要想准确计算完整周期数，需要对两次的相位差测量值进行比较，进而判断两次频率下的完整周期数是否一致，利用该方法可以得到准确的跨周期数，而相位差测量值可以通过检相器测量，最终得到氢气浓度值。本发明提供的双频时差测量法能够通过算法准确测量双通道信号的跨周期数，有效提高了双通道相位差的测量准确度，具有可行性高、精度高、适应特定环境等优点。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于超声波双频相位差的氢气测量系统，其特征在于，包括：

超声波测量模块，用于测量当前环境下的气体浓度，输出为电信号；超声波测量模块包括超声波换能器和双通道超声波测量结构，双通道是两个在结构和长度上完全一致的声波导管，双通道包括测量通道1、参比通道2；其中测量通道1与外界相通，用于进出待测气体；参比通道2密封，内部介质为纯净空气；

信号处理模块，用于将超声波测量模块1输出的电信号转换为幅值的方波信号；

检相模块，用于将所述方波信号转换为相位差信号；

微处理器，产生用于驱动超声波换能器的频率信号；以及根据检相模块传递的相位差信号进行双频相位差法数据处理，根据相位差信号的跨周期数N以及对应的测量相位差

确定氢气浓度值；

超声波驱动模块，用于将微处理器发送的频率信号进行放大并提供给超声波测量模块中的超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的基于超声波双频相位差的氢气测量系统，其特征在于，所述超声波测量模块输出的电信号为正弦波信号。

3.基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

发射频率为f1的超声波信号，信号分别经过测量通道1、参比通道2后对信号进行接收，对频率为f1的超声波信号相位差进行测量；测量通道1与外界相通，用于进出待测气体，参比通道2密封，内部介质为纯净空气；

发射频率为f2的超声波信号，信号分别经过测量通道1、参比通道2后对信号进行接收，对频率为f2的超声波信号相位差进行测量；测量通道1、参比通道2是两个在结构和长度上完全一致的声波导管，即双通道；

频率为f2的超声波信号、频率为f1的超声波信号为不同频率信号，频率高的简称高频信号，频率低的简称低频信号；

基于两次信号的相位差确定双通道信号的跨周期数以及实际相位差，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量。

4.根据权利要求3所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量的过程中，双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系如下：

其中N为双通道信号跨周期数，对应N₁或N₂；

双通道信号测量相位差，对应

或

式中A、B均为常数。

5.根据权利要求4所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，氢气浓度x与跨周期数N和对应的相位差

的关系模型中的常数A、B分别如下：

其中，f为超声波频率，分别对应为f₁、f₂；γ为比热比；R为摩尔气体常数，T为开氏温度；M为摩尔质量，M_H2和M_air分别为氢气和空气的摩尔质量。

6.根据权利要求5所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，比热比γ＝C_P/C_V，其中C_P和C_V分别为定压比热容和定容比热容。

7.根据权利要求6所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，比热比γ取值为1.405。

8.根据权利要求5所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，通过双通道信号跨周期数以及实际相位差实现氢气的测量的过程包括以下步骤：

判断双通道信号的跨周期数关系；

如果双频信号跨周期数相等，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

此时相位差值与跨周期数的关系为：

其中N₁和N₂是两种频率f₁、f₂信号对应的双通道信号跨周期数；c_mix和c_air分别为腔中充满特定浓度氢气和纯净空气时的声速；L为双通道长度；

进而得到：

其中INT为整数运算符；

基于得到的跨周期数以及测量相位差，利用双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系得到氢气浓度x；

如果高频信号的跨周期数比低频信号跨周期数增加1，高频信号相位差

与低频信号相位差

的关系满足：

此时相位差测量值与跨周期数的关系为：

进而得到：

基于得到的跨周期数以及测量相位差，利用双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系得到氢气浓度x。

9.根据权利要求3至8之一所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，双通道信号跨周期数以及实际相位差与氢气浓度的关系的确定过程包括以下步骤：

参比通道和测量通道的相位差Φ与混合气体和空气声速的关系为：

实际相位差Φ与跨周期数N以及测量相位差

的关系为：

结合得到相位差Φ：

其中，f为超声波频率，γ为比热比，其表达式为C_P/C_V，其中C_P和C_V分别为定压比热容和定容比热容；R为摩尔气体常数，T为开氏温度；M为摩尔质量，M_H2和M_air分别为氢气和空气的摩尔质量；式中M_H2、M_air、R、f以及L为已知量；

最后根据结合的相位差Φ确定氢气浓度x与跨周期数N和对应的相位差

的关系模型：

10.根据权利要求9所述的基于超声波双频相位差的氢气测量方法，其特征在于，所述f1、f2分别为41kHz和39kHz。

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