CN113295344A - 一种超声波检测燃气泄露的方法 - Google Patents

一种超声波检测燃气泄露的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波检测燃气泄露的方法，属于燃气检测技术领域，其特征在于，包括以下步骤：a、预设燃气泄露报警器的动作门限值；b、进行正向传输，多次测量获得正向平均传输时间tf；c、进行反向传输，多次测量获得反向平均传输时间tb；d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；e、通过式1计算tTOF；f、通过式2计算声速c；g、通过式6计算甲烷浓度x；将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；h、休眠0.5s，重复步骤a‑g。本发明能够有效避免气敏传感器的灵敏度漂移问题，具有极佳的响应速度，无需定期校准，适用性强。

Description

一种超声波检测燃气泄露的方法
技术领域
本发明涉及到燃气检测技术领域，尤其涉及一种超声波检测燃气泄露的方法。
背景技术
安全切断型智能燃气表内部大多具有切断阀门，安全切断型智能燃气表能够接收来自外部燃气泄露报警器的信号，从而实现安全切断功能。当发生燃气泄露事故时，燃气泄露在空气的气体体积浓度达到燃气泄露报警器的动作门限值时，燃气泄露报警器发出报警信号给安全切断型智能燃气表，安全切断型智能燃气表主动切断燃气表内的安全阀门。由于燃气泄露报警器的动作门限值远小于燃气爆炸浓度门限值，所以能够有效预防燃气泄露事故。
现有技术条件下，燃气泄露检测一般采用半导体式气敏元件。如电阻式半导体金属氧化物式传感器。传感器的主要部件为气敏电阻和伴热电路，伴热电路为气敏电阻加热，使得气敏电阻获得稳定的工作温度条件，元件工作电流较高，一般大于100mA，响应时间长，通常在5s左右。由于工作电流大，导致必须采用市电供电。这将导致两个问题：其一，停电时报警器不工作，此时发生气体泄露，无法被检测到并且进行报警切断；其二，市电供电的家用燃气泄露报警器原则上不允许与安全切断型智能燃气表电气连接，若需要电气连接，必须保证输出信号为本质安全型，且本质安全型输出信号与非本质安全型电路之间需要保证足够的介电强度。
另外半导体式的气敏传感器寿命极短，不超过3年，同时半导体式的气敏传感器灵敏度漂移严重，原则上应该定期校准，所以现有的半导体式气敏传感器的家用燃气泄露报警器并不具备很好的适用性。
公开号为CN 104599444A，公开日为2015年05月06日的中国专利文献公开了一种基于超声波实现燃气泄露报警器和关阀机械手联动的方法，其特征在于，包括：
步骤A：燃气泄露报警器通过自身的气敏传感器将燃气泄漏信息转换为电信号的变化，并将所述电信号传输到自身的超声波发送器；
步骤B：所述燃气泄露报警器通过所述超声波发送器将所述电信号的变化转换为包含关阀指令的超声波信号，并进行编码向外发送；
步骤C：所述关阀机械手通过自身的超声波接收器接收所述超声波信号，并对该信号进行解码；
步骤D：所述关阀机械手采用阈值消噪技术对所述超声波信号进行消噪处理，得到消噪后的超声波信号，并根据所述消噪后的超声波信号中的关阀指令执行关阀操作。
该专利文献公开的基于超声波实现燃气泄露报警器和关阀机械手联动的方法，由于采用了气敏传感器，仍然存在气敏传感器的灵敏度漂移问题和气敏传感器的使用寿命问题，响应时间长，且要定期校准，适用性较差。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种超声波检测燃气泄露的方法，本发明能够有效避免气敏传感器的灵敏度漂移问题，具有极佳的响应速度，无需定期校准，适用性强。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超声波检测燃气泄露的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；
b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；
c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；
d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；
e、通过式1计算tTOF；
tTOF＝tf+tb 式1
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间；
f、通过式2计算声速c；
Figure BDA0003043127070000021
其中，c为声速，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，tTOF为正向和反向总传输时间；
g、通过式3计算参数k；
Figure BDA0003043127070000022
其中，k为参数，R为气体普适常量，R＝8.314J/mol·K，T为热力学温度，c为声速；
当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；
Figure BDA0003043127070000031
其中，kA为常数，γA为空气的绝热指数，γA＝1.4，μA为空气的摩尔质量，μA＝28.9634g/mol；
当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；
Figure BDA0003043127070000032
其中，kB为常数，γB为甲烷的绝热指数，γB＝1.301，μB为甲烷的摩尔质量，μB＝16g/mol；
通过式6计算甲烷浓度x；
Figure BDA0003043127070000033
其中，x为甲烷浓度，k为参数，kA为常数，kB为常数；
将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；
h、休眠0.5s，重复步骤a-g。
所述步骤f中的式2得出过程为：
超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，正向平均传输时间tf通过式7计算获得；
Figure BDA0003043127070000034
其中，tf为正向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，反向平均传输时间tb通过式8计算获得；
Figure BDA0003043127070000035
其中，tb为反向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
令
Figure BDA0003043127070000036
因c2远大于v2，则得出声速c的计算式；
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间，c为声速，v为潜在气流速度。
本发明的基本原理如下：
因为不同介质中，声波传播速度不同，通过检查环境中的声速，就能够判断空气中燃气的浓度，燃气的主要成分为甲烷，进而与燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，就能够判断是否报警。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
1、本发明，a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；e、通过式1计算tTOF；f、通过式2计算声速c；g、通过式3计算参数k；当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；通过式6计算甲烷浓度x；将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；h、休眠0.5s，重复步骤a-g。较现有技术而言，能够有效避免气敏传感器的灵敏度漂移问题，具有极佳的响应速度，无需定期校准，适用性强。
2、本发明，超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，正向平均传输时间tf通过式7计算获得；超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，反向平均传输时间tb通过式8计算获得；因c2远大于v2，则得出声速c的计算式，采用这种特定的声速获取方式，能够避免可能存在的气流速度的影响，从而保证声速测量的准确性。
3、本发明，采用超声波探测燃气泄露，较半导体式气敏传感器而言，延长了使用寿命，寿命长达10年以上，且能够做到10年免调校；能够使用一次性的Li-SO2电池进行供电，10年以内不用更换电池。
4、本发明，采用超声波探测燃气泄露，具有极佳的响应速度，小于0.5s；具有极低的功耗，平均功耗小于20μA。
具体实施方式
实施例1
一种超声波检测燃气泄露的方法，包括以下步骤：
a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；
b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；
c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；
d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；
e、通过式1计算tTOF；
tTOF＝tf+tb 式1
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间；
f、通过式2计算声速c；
Figure BDA0003043127070000051
其中，c为声速，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，tTOF为正向和反向总传输时间；
g、通过式3计算参数k；
Figure BDA0003043127070000052
其中，k为参数，R为气体普适常量，R＝8.314J/mol·K，T为热力学温度，c为声速；
当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；
Figure BDA0003043127070000053
其中，kA为常数，γA为空气的绝热指数，γA＝1.4，μA为空气的摩尔质量，μA＝28.9634g/mol；
当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；
Figure BDA0003043127070000054
其中，kB为常数，γB为甲烷的绝热指数，γB＝1.301，μB为甲烷的摩尔质量，μB＝16g/mol；
通过式6计算甲烷浓度x；
Figure BDA0003043127070000055
其中，x为甲烷浓度，k为参数，kA为常数，kB为常数；
将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；
h、休眠0.5s，重复步骤a-g。
a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；e、通过式1计算tTOF；f、通过式2计算声速c；g、通过式3计算参数k；当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；通过式6计算甲烷浓度x；将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；h、休眠0.5s，重复步骤a-g。较现有技术而言，能够有效避免气敏传感器的灵敏度漂移问题，具有极佳的响应速度，无需定期校准，适用性强。
实施例2
一种超声波检测燃气泄露的方法，包括以下步骤：
a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；
b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；
c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；
d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；
e、通过式1计算tTOF；
tTOF＝tf+tb 式1
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间；
f、通过式2计算声速c；
Figure BDA0003043127070000071
其中，c为声速，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，tTOF为正向和反向总传输时间；
g、通过式3计算参数k；
Figure BDA0003043127070000072
其中，k为参数，R为气体普适常量，R＝8.314J/mol·K，T为热力学温度，c为声速；
当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；
Figure BDA0003043127070000073
其中，kA为常数，γA为空气的绝热指数，γA＝1.4，μA为空气的摩尔质量，μA＝28.9634g/mol；
当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；
Figure BDA0003043127070000074
其中，kB为常数，γB为甲烷的绝热指数，γB＝1.301，μB为甲烷的摩尔质量，μB＝16g/mol；
通过式6计算甲烷浓度x；
Figure BDA0003043127070000075
其中，x为甲烷浓度，k为参数，kA为常数，kB为常数；
将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；
h、休眠0.5s，重复步骤a-g。
所述步骤f中的式2得出过程为：
超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，正向平均传输时间tf通过式7计算获得；
Figure BDA0003043127070000076
其中，tf为正向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，反向平均传输时间tb通过式8计算获得；
Figure BDA0003043127070000081
其中，tb为反向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
令
Figure BDA0003043127070000082
因c2远大于v2，则得出声速c的计算式；
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间，c为声速，v为潜在气流速度。
超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，正向平均传输时间tf通过式7计算获得；超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，反向平均传输时间tb通过式8计算获得；因c2远大于v2，则得出声速c的计算式，采用这种特定的声速获取方式，能够避免可能存在的气流速度的影响，从而保证声速测量的准确性。
采用超声波探测燃气泄露，较半导体式气敏传感器而言，延长了使用寿命，寿命长达10年以上，且能够做到10年免调校；能够使用一次性的Li-SO2电池进行供电，10年以内不用更换电池。
采用超声波探测燃气泄露，具有极佳的响应速度，小于0.5s；具有极低的功耗，平均功耗小于20μA。

Claims (2)

1.一种超声波检测燃气泄露的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、预设燃气泄露报警器的动作门限值，将超声波换能器A和超声波换能器B相对设置；
b、开启超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，同时开始计时，当超声波换能器B接收到超声波信号时，停止计时，并记录正向传输时间，多次测量获得正向平均传输时间tf；
c、开启超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，同时开始计时，当超声波换能器A接收到超声波信号时，停止计时，并记录反向传输时间，多次测量获得反向平均传输时间tb；
d、多次测量环境温度获得环境平均温度T；
e、通过式1计算tTOF；
tTOF＝tf+tb 式1
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间；
f、通过式2计算声速c；
Figure FDA0003043127060000011
其中，c为声速，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，tTOF为正向和反向总传输时间；
g、通过式3计算参数k；
Figure FDA0003043127060000012
其中，k为参数，R为气体普适常量，R＝8.314J/mol·K，T为热力学温度，c为声速；
当声波在空气中传播时，通过式4计算常数kA；
Figure FDA0003043127060000013
其中，kA为常数，γA为空气的绝热指数，γA＝1.4，μA为空气的摩尔质量，μA＝28.9634g/mol；
当声波在甲烷中传播时，通过式5计算kA；
Figure FDA0003043127060000014
其中，kB为常数，γB为甲烷的绝热指数，γB＝1.301，μB为甲烷的摩尔质量，μB＝16g/mol；
通过式6计算甲烷浓度x；
Figure FDA0003043127060000021
其中，x为甲烷浓度，k为参数，kA为常数，kB为常数；
将计算的甲烷浓度x与步骤a中的燃气泄露报警器的动作门限值进行比较，当甲烷浓度x超过燃气泄露报警器的动作门限值时，则进行报警；
h、休眠0.5s，重复步骤a-g。
2.根据权利要求1所述的一种超声波检测燃气泄露的方法，其特征在于，所述步骤f中的式2得出过程为：
超声波换能器A发送和超声波换能器B接收，进行正向传输，正向平均传输时间tf通过式7计算获得；
Figure FDA0003043127060000022
其中，tf为正向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
超声波换能器B发送和超声波换能器A接收，进行反向传输，反向平均传输时间tb通过式8计算获得；
Figure FDA0003043127060000023
其中，tb为反向平均传输时间，L为超声波换能器A和超声波换能器B之间的距离，c为声速，v为潜在气流速度；
令
Figure FDA0003043127060000024
因c2远大于v2，则得出声速c的计算式；
其中，tTOF为正向和反向总传输时间，tf为正向平均传输时间，tb为反向平均传输时间，c为声速，v为潜在气流速度。
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