CN117367509A - 基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法 - Google Patents

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CN117367509A CN202311407458.4A CN202311407458A CN117367509A CN 117367509 A CN117367509 A CN 117367509A CN 202311407458 A CN202311407458 A CN 202311407458A CN 117367509 A CN117367509 A CN 117367509A
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Abstract

本申请提供一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其包括以下步骤：在气体浓度与流量测试的管道装配结构的同一管道本体上设置两组不同频率的超声波收发传感器；驱动两组不同频率的超声波收发传感器在相同管段固定声程下工作，分别获得两组超声波收发传感器的信号传输时间；根据上述步骤中检测的信号传输时间分别绘制两组超声波的气体浓度的相位曲线，该相位曲线为φ＝sin2πft；根据上述两条相位曲线的相位差来拟合得待测气体的气体浓度。

Description

基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法
技术领域
本申请涉及氢气检测技术领域，尤其涉及一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法。
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。
但采用声速气体测量方法进行实际气体测量时，由于存在不同的环境干扰，例如温漂、振动、电磁干扰等，或者测量装置经过长期工作后导致性能衰减，上述情况均会影响到测量精度。
发明内容
本申请的目的旨在提供一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，该方法在剔除环境对超声波信号干扰的基础上，将超声波的速度差转化为相位差，用测得的相位差变化来反映气体浓度的变化，有助于提高测量精度。
为了实现上述目的，本申请提供以下技术方案：
一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其包括以下步骤：
在气体浓度与流量测试的管道装配结构的同一管道本体上设置两组不同频率的超声波收发传感器；
驱动两组不同频率的超声波收发传感器在相同管段固定声程下工作，分别获得两组超声波收发传感器在当前气体浓度下的信号传输时间；
根据上述步骤中检测的信号顺流传输时间和信号逆流传输时间分别绘制两组超声波在不同气体浓度的相位曲线，该相位曲线为f为超声波信号频率，t为超声波信号在当前浓度气体下的传输时间；
根据上述每组超声波收发传感器的通过信号顺流传输时间和信号逆流传输时间的相位曲线的相位差来拟合获得待测气体的气体浓度。
进一步设置：每组所述超声波收发传感器的信号顺流传输时间的相位曲线为其信号逆流传输时间的相位曲线/>其中，t为信号顺流传输时间和信号逆流传输时间的时间差。
进一步设置：两组所述超声波收发传感器的工作频率分别为200kHz和500kHz。
进一步设置：所述气体浓度与流量测试的管道装配结构包括管道本体及设于管道本体上的两组超声波收发传感器，每组所述超声波收发传感器包括两个相互配对的超声波传感器，各组所述超声波收发传感器的信号传输距离相等。
进一步设置：所述超声波收发传感器的两个超声波传感器位于所述管道本体的同一侧时，其超声波的传输路径呈V字形状。
进一步设置：两组所述超声波收发传感器均位于所述管道本体的同一侧时，两组超声波传输路径的V字开口方向相同。
进一步设置：两组的所述超声波收发传感器位于所述管道本体的不同侧时，两组超声波传输路径的V字开口方向相反。
进一步设置：所述超声波收发传感器的两个超声波传感器分别位于所述管道本体的对称两侧，所述超声波收发传感器的超声波信号的传输路径为直线，且两组所述超声波收发传感器的超声波传输路径相互平行。
本申请的方案具有以下优点：
在本申请涉及的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法中，采用了气体浓度与流量测试的管道装配结构，即在同一管道本体上设置两组不同频率的超声波收发传感器进行超声波的传输，能够剔除环境对于超声波检测的影响，例如对于超声波传输时间影响极大的温度条件，仅需考虑超声波频率对于其传输速度的影响，同时超声波的速度差转化为相位差，建立了气体浓度与相位差的数学模型，有利于提高测量精度。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请气体浓度与流量测试的管道装配结构中两组超声波收发传感器均位于同一侧的实施例的结构示意图；
图2为本申请气体浓度与流量测试的管道装配结构中两组超声波收发传感器分别位于管道本体的对称两侧的实施例的结构示意图；
图3为本申请气体浓度与流量测试的管道装配结构中超声波收发传感器的两个超声波传感器分别位于管道本体对称两侧的实施例的结构示意图；
图4为本申请双频气体浓度与流量的测试方法的一个实施例中两组不同频率的超声波收发传感器的衰减拟合曲线图；
图5为本申请双频气体浓度与流量的测试方法的一个实施例中浓度与时间差拟合曲线图；
图6为本申请基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法的一个实施例中的相位图。
图中，1、管道本体；2、超声波传感器。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
针对目前在实际管段测试气体性质时，存在不同的环境干扰，例如温漂、振动、电磁干扰等，或者由于测试装置经过长期工作后的结构和性能减弱，会影响到对气体的测试精度，故本申请提供了一种气体浓度与流量测试的管道装配结构，请结合图1至图3，通过设置收发不同超声波频率的传感器，分别获得不同频率下的超声波的衰减程度，利用不同频率下超声波的衰减差来抵消环境、线路等方面因素的干扰，继而实现高精度的气体测量。
具体地，本申请的气体浓度与流量测试的管道装配结构包括管道本体1及至少两组超声波收发传感器，每组所述超声波收发传感器均包括安装在管道本体1侧壁上的相互配对的两个超声波传感器2，每个所述超声波传感器2均能实现超声波信号的发射与接收，且在两个所述超声波传感器2的其中一个用作发射超声波信号时，另一个超声波传感器2用于接收该超声波信号。并且，所述管道本体1上所设置的各组超声波收发传感器的超声波信号的传输距离相等，而各组超声波收发传感器的所传输的超声波信号的频率不等。
本申请通过限定各组超声波收发传感器中的超声波信号的传输距离相等，能够减少因传输距离不同而带来的误差干扰，确保管道本体1内气体对各组超声波收发传感器的影响一致。另外，由于各组超声波收发传感器所收发超声波信号的频率不同，超声波的衰减程度与其频率呈正比，则可分别测出不同组别的超声波衰减程度，并将不同组别的超声波衰减率差值来抵消环境、线路等干扰，继而实现对气体浓度的精确测量。
优选地，本实施例中的超声波收发传感器设置两组，两组所述超声波收发传感器的超声波信号相差较大，工作状态互相无干扰。
每组所述超声波收发传感器的两个超声波传感器2均位于所述管道本体1的同一侧时，作为发射端的超声波传感器2所发射的超声波信号经过所述管道本体1的侧壁反射被同组的另一作为接收端的超声波传感器2所接收，该超声波的传输路径呈V字设置，能够延长超声波在管道本体1中的传输距离。
因此，在同组超声波收发传感器的两个超声波传感器2位于管道本体1的同侧的实施例中，两组所述超声波收发传感器可沿所述管道本体1的长度方向设置，请结合图1，此时，两组所述超声波收发传感器所传输的超声波信号的传输路径V字开口方向相同；亦或者，两组所述超声波收发传感器的分别位于所述管道本体1的对称两侧，请结合图2，两组所述超声波收发传感器的超声波信号的传输路径的V字开口方向相反。
为了进一步提高本申请管道装配结构的集成度，可将两组所述超声波收发传感器对称设置，由于两组所述超声波收发传感器的超声波频率不同，且频率相差较大时，两组超声波收发传感器的超声波相互干扰较少，以减少不同组别的超声波之间的信号干扰，提高对气体浓度的检测精度。
在其他实施例中，请结合图3，同组超声波收发传感器的两个超声波传感器2分别位于所述管道本体1的相对两侧，则超声波收发传感器的超声波信号的传输路径为直线，各组超声波收发传感器的超声波传输路径相互平行，从而确保不同组的超声波收发传感器的信号声程一致，环境因素对于不同组的超声波收发传感器的信号传输的干扰一致，以有利于后续比较不同组超声波收发传感器的信号传输来确定管道内的气体成分和浓度。
基于上述提出的气体浓度与流量测试的管道装配结构，本申请还公开了一种双频气体浓度与流量测试方法，其主要采用两种不同频段的超声波信号来对通过管道本体1的气体进行测量。
所述双频气体浓度与流量的测试方法包括以下步骤：
首先，在同一管道本体1上设置两组不同频率的超声波收发传感器，本实施例中的两组超声波收发传感器的超声波信号频率分别为200kHz和500kHz。
通过驱动两组不同频率的超声波收发传感器在相同管段固定声程下工作，分别获得两组超声波收发传感器的信号传输时间和回波幅值。
根据上述测得的回波幅值并结合衰减率计算公式来分别计算得到两组不同频率的超声波收发传感所传输的超声波的衰减率，即超声波经过气体后被气体的吸收率。所述衰减率计算公式为：其中，U0为超声波为发射时的初始回波，U为超声波经过气体衰减后被接收的实际回波，L为超声波的声程，通过该步骤可得到两个不同频率下的气体对超声波的吸收率值。
结合上述计算所得衰减率拟合衰减曲线来确定管道内的气体浓度，利用超声波收发传感器检测的超声波信号传输时间来获得气体流量。
具体地，结合一个优选的实施例来进行阐述。
两组超声波收发传感器的工作频率分别为200kHz和500kHz，两组超声波收发传感器的先后频率的差值较大，则在同时工作过程的相互之间的干扰较小，能够独立完成各传感器之间的测试，同时两组超声波收发传感器的信号传输路径和距离相同，确保两组超声波收发传感器的受到相同的环境干扰影响，减少环境对两组超声波衰减差的影响误差，使得经过衰减差抵消干扰得到的检测精度的准确度更高。
因此，通过上述方法来得到两个不同频率下的气体对超声波的吸收率值(即超声波的衰减率)，并通过这两个吸收率值来确定管道本体1内的气体成分和浓度。以氢气和空气的混合气体为例，下表为本实施例分别在不同浓度气体下所测得的回波幅值Vpp及计算所得的衰减率。
表1不同浓度气体下200kHz、500kHz频率的超声波的衰减率
序号 氢气浓度(％) 200kHz(mV) 衰减率(％/mm) 500kHz(mV) 衰减率(％/mm)
1 100 224 2.04 350 2.68
2 80 380 1.16 775 1.6
3 60 490 0.73 990 0.95
4 40 520 0.63 1140 03.71
5 20 660 0.24 1500 0.26
6 0 760 0 1750 0
结合上表1可绘制得到两组不同频率下的超声波收发传感器的衰减拟合曲线，其中氢气浓度作为衰减拟合曲线的横坐标，衰减率作为纵坐标具体如图3所示。根据所得到的衰减率拟合曲线，由于环境对两组超声波收发传感器存在相同程度的干扰影响，则两者超声波收发传感器的衰减率差值可将环境、线路等方面因素的干扰进行抵消，仅保留频率差值对应衰减的影响，从而能够实现高精度的气体浓度测量。
综上，本申请的气体浓度与流量测试的管道装配结构通过在同一管道本体1中设置至少两组频率不同的超声波收发传感器来进行检测，由于超声波收发传感器处于相同的环境中，则每组超声波收发传感器均收到相同的环境因素的干扰，因此通过计算各组的超声波收发传感器的衰减率差值，即可将环境中存在的温度、震动或电磁干扰等因素的影响剔除，仅保留频率对衰减率的影响，从而有利于提高所测量气体成分和浓度的精度，结构简单，环境、线路等方面因素对不同频率的超声波收发传感器的干扰的一致性高，检测精度高。
除此之外，考虑到气体流向对信号传输时间和回波的影响，气体流动过程中信号传输时间的差值会根据气体成分不同而体现出不同的差值，继而可拟合得到所检测的气体流量和浓度，即所述超声波收发传感器检测气体在管道内的顺流传输时间和逆流传输时间，根据顺流传输时间和逆流传输时间的时间差来获得气体流量。当超声波信号的传输方向与气体流向同向时，此时两组超声波的信号顺流传输时间记为T1和T2，两组超声波收发传感器分别接收的回波幅值为Vpp1和Vpp2；而当超声波信号的传输方向与气体流向反向时，两组超声波的信号逆流传输时间记为T1’和T2’，两组超声波收发传感器分别接收的回波幅值为Vpp1’和Vpp2’。
从而根据超声波在气体流向的影响下而存在时间差可进行气体流量的计量。具体地，采用第一组超声波收发传感器的进行举例阐述，在气体处于静止状态时，其顺流传输时间等于逆流传输时间，即T1＝T1’，该时间定义为T0，而在气体流动后，顺流传输时间和逆流传输时间会出现时间差，则可根据公式来计算获得气体流速，其中，c为超声波在非流动气体中的声速，Δt为顺流传输时间和逆流传输时间的时间差，X为同组的超声波收发传感器在管道本体轴向上的间距，继而结合所计算获得的气体流速来记得获得气体流量，即气体流量/>其中，D为管道本体的直径，V为上述计算得到的气体流速。
此外，在气体流动后，T1＝T0-T’，T1’＝T0+T’，其中T’为气体在两个超声波传感器2之间的移动时间，而T’会根据气体成分的不同而体现出不同的数值，继而可以拟合得到氢气浓度曲线，以获得氢气浓度。
假定本实施例中的声程为100mm，管道本体1中的气体流速被限定为10m/s时，可以检测得到下表2数值。
表2不同气体浓度下的超声波的顺流传输时间和逆流传输时间
结合上表2即可进一步拟合得到浓度与时间差的曲线图，具体如图5所示，其中曲线的横坐标为氢气浓度百分比，纵坐标为信号传输时间差，则可通过对超声波收发传感器在气体流量不同的情况下进行气体浓度的拟合计算。同时，可根据表1和图4直接比较Vpp1和Vpp2的回波差来得到气体浓度，亦或者可通过比较Vpp1’和Vpp2’来获得气体浓度。
基于上述提出的气体浓度与流量测试的管道装配结构，本申请还公开了一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，该方法在剔除环境对超声波信号干扰的基础上，将超声波的速度差转化为相位差，用测得的相位差变化来反映气体浓度的变化，有助于提高测量精度。
具体地，所述基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法包括以下步骤：
首先，在同一管道本体上设置两组不同频率的超声波收发传感器，本实施例中的两组超声波收发传感器的超声波信号的工作频率分别为200kHz和500kHz。
驱动两组不同频率的超声波收发传感器在相同管段固定声程下工作，分别获得两组超声波收发传感器的信号传输时间。由于在气体流动过程中，信号顺流传输时间和逆流传输时间存在时间差，则可根据上述步骤中检测的信号顺流传输时间和信号逆流传输时间分别绘制两组超声波在不同气体浓度的相位曲线，该相位曲线为φ＝sin2πft，f为超声波信号频率，t为超声波信号在当前浓度气体下的传输时间，其中，f为超声波信号频率，t为超声波信号在不同浓度气体下的传输时间。
气体静止状态所检测的超声波频率信号为sin2πft，而在有气体流动后超声波传感器的顺流传输时间的相位曲线φT＝sin2πft-Δt，逆流传输时间的相位曲线φT’＝sin2πft+Δt，其中Δt为顺流传输时间和逆流传输时间的时间差，继而可根据上述每组超声波收发传感器的通过信号顺流传输时间和信号逆流传输时间的相位曲线的相位差来拟合获得待测气体的气体浓度。
同时，由于本申请设置了两组超声波收发传感器，即分别为200kHz和500kHz，则可结合两组不同频率超声波的相位曲线来拟合得到图6的气体浓度数学模型，且两条相位曲线位于X轴上的间距即为两者的相位差。
根据上述两条相位曲线的相位差来拟合得待测气体的气体浓度。已知相位差公式中，其中/>即相位差与两组超声波的频率有关，则通过两组超声波的频率和超声波信号在不同浓度下的信号传输时间来获得相位差，并通过将相位差与图6所示的相位曲线进行比对，以构建气体浓度与相位差的数学模型，从而拟合所测气体浓度。
综上，本申请的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法采用了所述气体浓度与流量测试的管道装配结构，能够剔除环境对于超声波检测的影响，例如对于超声波传输时间影响极大的温度条件，仅需考虑超声波频率对于其传输速度的影响，同时超声波的速度差转化为相位差，建立了气体浓度与相位差的数学模型，有利于提高测量精度。
此外，需要说明的是，本申请的气体浓度与流量测试的管道装配结构及采用该结构进行气体流量或浓度的测量方法并不局限于氢气，还可进行氧气、甲烷等气体的检测。
由于两组超声波收发传感器的超声波的频率不同，则两组超声波的传输时间存在时间差。
根据上述步骤中检测的信号传输时间分别绘制两组超声波的气体浓度的相位曲线，该相位曲线为
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
在气体浓度与流量测试的管道装配结构的同一管道本体上设置两组不同频率的超声波收发传感器；
驱动两组不同频率的超声波收发传感器在相同管段固定声程下工作，分别获得两组超声波收发传感器在当前气体浓度下的信号传输时间；
根据上述步骤中检测的信号顺流传输时间和信号逆流传输时间分别绘制两组超声波在不同气体浓度的相位曲线，该相位曲线为f为超声波信号频率，t为超声波信号在当前浓度气体下的传输时间；
根据上述每组超声波收发传感器的通过信号顺流传输时间和信号逆流传输时间的相位曲线的相位差来拟合获得待测气体的气体浓度。
2.根据权利要求1的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，每组所述超声波收发传感器的信号顺流传输时间的相位曲线为其信号逆流传输时间的相位曲线/>其中，Δt为信号顺流传输时间和信号逆流传输时间的时间差。
3.根据权利要求1所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，两组所述超声波收发传感器的工作频率分别为200kHz和500kHz。
4.根据权利要求1所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，所述气体浓度与流量测试的管道装配结构包括管道本体及设于管道本体上的两组超声波收发传感器，每组所述超声波收发传感器包括两个相互配对的超声波传感器，各组所述超声波收发传感器的信号传输距离相等。
5.根据权利要求4所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，所述超声波收发传感器的两个超声波传感器位于所述管道本体的同一侧时，其超声波的传输路径呈V字形状。
6.根据权利要求5所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，两组所述超声波收发传感器均位于所述管道本体的同一侧时，两组超声波传输路径的V字开口方向相同。
7.根据权利要求5所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，两组的所述超声波收发传感器位于所述管道本体的不同侧时，两组超声波传输路径的V字开口方向相反。
8.根据权利要求4所述的基于相位差的双频气体浓度与流量测试方法，其特征在于，所述超声波收发传感器的两个超声波传感器分别位于所述管道本体的对称两侧，所述超声波收发传感器的超声波信号的传输路径为直线，且两组所述超声波收发传感器的超声波传输路径相互平行。
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