CN201917557U - 超声波h2传感器 - Google Patents

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刘志强
何涛
石平静
熊友辉
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Sifang Optoelectronic Co., Ltd.
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WUHAN CUBIC OPTOELECTRONICS CO Ltd
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Abstract

本实用新型涉及超声波H2传感器，由二个超声波传感器、气室、传感器测控单元、供电电源接口、温度传感器组成，其特征在于：二个超声波传感器分别安装在气室的两端，气室的两端分别设有进气口及出气口，温度传感器安装在气室的中部的温度传感器安装孔内，传感器测控单元分别与供电电源接口、二个超声波传感器、温度传感器相连，且在传感器测控单元设有输入接口和输出接口。本实用新型通过采用超声波探测技术后，彻底消除了流量对H2传感器的影响，在温度恒定条件下，H2传感器准确度高，使用寿命长。

Description

超声波H<sub>2</sub>传感器
技术领域
本实用新型涉及一种测量煤气、合成气等气体中H2含量的超声波H2传感器。
背景技术
H2的含量是煤、生物质等含碳燃料气化、热解的重要产物，也是气体合成中需要严格监测的一种工业气体，因此准确、快速测量混合气体中的H2含量对于工业过程十分重要。通常对H2的测量原理包括气相色谱GC法、质谱MS法，采用以上方法不仅仪器价格昂贵，使用也十分不方便。在工业领域，热导原理H2传感器得到广泛应用，主要是结构简单，但是该方法是一种质量型的传感器，需要对气体进行稳压、稳流处理，在现场需要经常调节和标定。
专利《热导式气体检测器》(专利号ZL200620098453.3)通过采用MEMS技术的热导传感器(TCD)，设计了旁流扩散式的热导检测池，降低了气体流量对传感器的影响，可以准确地测量H2等气体的含量。但是该技术由于使用MEMS技术的传感器芯片容易受气体中焦油的污染，其引线也容易受到H2S的腐蚀，从而引起传感器故障。此外该传感器在原理上也容易受到煤气、合成气中CH4、CO2含量的影响。
发明内容
本实用新型的目的为了克服上述现有技术存在的问题和缺陷，提供一种测量精度高、使用寿命长的超声波H2传感器。
本实用新型的技术方案为：
超声波H2传感器，由二个超声波传感器、气室、传感器测控单元、供电电源接口、温度传感器组成，其特征在于：二个超声波传感器分别安装在气室的两端，气室的两端分别设有进气口及出气口，温度传感器安装在气室的中部的温度传感器安装孔内，传感器测控单元分别与供电电源接口、二个超声波传感器、温度传感器通过接插件相连，且在传感器测控单元设有输入接口和输出接口，传感器测控单元为一嵌入式的单片机。
如图2：第一超声波传感器与第二超声波传感器间的距离为L，被测气体从进气口进入，从出气口排出，第一超声波传感器发射一个波形到第二超声波传感器返回的正向时间为tF，第二超声波传感器发射一个波形到第一超声波传感器返回的反向时间为tB，传感器测控单元根据温度传感器 将气室的气体温度恒温控制(这是成熟的通知技术)，通常设置温度T为53℃，设超声波在混合气体中的传播速度为V。
根据声速计算公式： 
Figure DEST_PATH_GDA0000052029290000021
式中：γ——混合气体比热容之比，R——摩尔气体常数，T——混合气体的开氏温度，μ——混合气体分子量
又： 
Figure DEST_PATH_GDA0000052029290000022
式中tF——正向时间，tB——反向时间，
所以分子量 
由于H2的分子量相比煤气、合成气中的其他气体相差很大，因此直接根据被测气体的分子量u就可以得到H2的含量。由于传感器采用恒温控制，所以T为常数，气室3的长度L固定为常数，假设混合气体比热容之比γ不变，则H2的含量可以通过传感器测控单元7直接根据测量得到的tF，tB得到。
例如，气室长度为130mm，采用40KHZ超声波传感器，T为53℃，测量结果如下：
Figure DEST_PATH_GDA0000052029290000024
通过最小二乘法对时间-浓度曲线进行曲线拟合得到：
C＝-0.00000000168192058474*t2+0.00006385865406772160*t+102.824    (1)
R2＝0.9999
C为H2的含量，R为相关系数。
在本实用新型中，传感器测控单元7上设计了输入接口10，用于接收 其他传感器测量得到的CH4和CO2含量。实际上混合气体的比热容之比γ会因为CH4和CO2含量的不同而不同，因此会对以上的计算结果产生一定的误差。以下是经过H2标准气标定后的传感器通入CH4、CO2、CO气体(平衡气N2)后对H2传感器的读数影响：
  CH4   CO2   CO   H2传感器读数
  0   0   0   0
  10.01   0   0   4.24
  20.29   0   0   8.33
  30.31   0   0   12.32
  40.49   0   0   16.31
  49.6   0   0   19.70
  0   9.7   0   -6.03
  0   20   0   -12.51
  0   30.12   0   -19.60
  0   39.76   0   -25.56
  0   50   0   -32.76
  0   0   19.96   0.11
  0   0   39.93   0.12
  0   0   59.91   0.14
  0   0   79.9   0.15
  0   0   99.9   0.16
以上分析表明，CO对H2的影响很小，CO2存在会降低H2含量，CH4存在会提高H2含量。
H2(修正)＝H2(读数)-(0.3961097*CH4+0.21056044)-(-0.65386115*CO2+0.31861757)        (2)
因此，传感器测控单元7上通过从设计了输入接口10获得CH4和CO2的数据后，可以根据测量得到的tF，tB得到H2(读数)后通过上式计算得到H2(修正)，并通过输出接口9输出H2(修正)值。
输入接口10获得CH4和CO2的数据可以通过专利《电调制非分光红外(NDIR)气体传感器》(专利号：ZL200620098454.8)测量得到。
本实用新型通过采用超声波探测技术后，彻底消除了流量对H2传感器的影响，在温度恒定条件下，H2传感器准确度高，使用寿命长。
附图说明
图1为本实用新型的侧面爆炸图。
图2为本实用新型的侧面组装图。
图3为本实用新型的正面俯视分解图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的说明：
参照图1、2、3，本实用新型由二个超声波传感器(1，2)、气室3、传感器测控单元7、供电电源接口8、温度传感器11组成，其特征在于：二个超声波传感器(1，2)分别安装在气室3的两端，气室3的两端分别设有进气口4及出气口5，温度传感器11安装在气室3的中部的温度传感器安装孔6内，传感器测控单元7分别与供电电源接口8、二个超声波传感器(1，2)、温度传感器11通过接插件相连，且在传感器测控单元7设有输入接口10和输出接口9，传感器测控单元7为一嵌入式的单片机。
如图2：第一超声波传感器1与第二超声波传感器2间的距离为L，被测气体从进气口4进入，从出气口5排出，第一超声波传感器1发射一个波形到第二超声波传感器2返回的正向时间为tF，第二超声波传感器2发射一个波形到第一超声波传感器1返回的反向时间为tB，传感器测控单元7根据温度传感器11将气室3的气体温度恒温控制(这是成熟的通知技术)，通常设置温度T为53℃，设超声波在混合气体中的传播速度为V。
根据声速计算公式： 
Figure DEST_PATH_GDA0000052029290000041
式中：γ——混合气体比热容之比，R——摩尔气体常数，T——混合气体的开氏温度，μ——混合气体分子量
又： 式中tF——正向时间，tB——反向时间，
所以分子量 
由于H2的分子量相比煤气、合成气中的其他气体相差很大，因此直接根据被测气体的分子量u就可以得到H2的含量。由于传感器采用恒温控制，所以T为常数，气室3的长度L固定为常数，假设混合气体比热容之比γ不变，则H2的含量可以通过传感器测控单元7直接根据测量得到的tF，tB得到。
例如，气室3长度为130mm，采用40KHZ超声波传感器，T为53℃，测量结果如下：
通过最小二乘法对时间-浓度曲线进行曲线拟合得到：
C＝-0.00000000168192058474*t2+0.00006385865406772160*t+102.824      (1)
R2＝0.99999
C为H2的含量，R为相关系数。
在本实用新型中，传感器测控单元7上设计了输入接口10，用于接收其他传感器测量得到的CH4和CO2含量。实际上混合气体的比热容之比γ会因为CH4和CO2含量的不同而不同，因此会对以上的计算结果产生一定的误差。以下是经过H2标准气标定后的传感器通入CH4、CO2、CO气体(平衡气N2)后对H2传感器的读数影响：
  CH4   CO2   CO   H2传感器读数
  0   0   0   0
  10.01   0   0   4.24
  20.29   0   0   8.33
  30.31   0   0   12.32
  40.49   0   0   16.31
  49.6   0   0   19.70
  0   9.7   0   -6.03
  0   20   0   -12.51
  0   30.12   0   -19.60
  0   39.76   0   -25.56
  0   50   0   -32.76
  0   0   19.96   0.11
  0   0   39.93   0.12
  0   0   59.91   0.14
  0   0   79.9   0.15
  0   0   99.9   0.16
[0045] 
H2(修正)＝H2(读数)-(0.3961097*CH4+0.21056044)-(-0.65386115*CO2+0.31861757)        (2) 
因此，传感器测控单元7上通过从设计了输入接口10获得CH4和CO2的数据后，可以根据测量得到的tF，tB得到H2(读数)后通过上式计算得到H2(修正)，并通过输出接口9输出H2(修正)值。 
传感器测控单元7通过气室3的中部的温度传感器安装孔6内的温度传感器11将整个H2传感器温度控制在恒定的温度下，通过测量第一超声波传感器1、第二超声波传感器2在气室3见的传波时间，可以通过H2标准气体标定得到H2含量。此外传感器测控单元7通过输入接口10得到被测气体中的CH4、CO2含量，被测气体中的CH4、CO2含量可以采用专利《电调制非分光红外(NDIR)气体传感器》(专利号：ZL200620098454.8)测量得到。通过CH4、CO2标准气体可以确定CH4、CO2对H2传感器的线性影响系数，得到修正的H2含量，并通过输出接口9输出准确的H2含量。 

Claims (2)

1.超声波H2传感器，由二个超声波传感器、气室、传感器测控单元、供电电源接口、温度传感器组成，其特征在于：二个超声波传感器分别安装在气室的两端，气室的两端分别设有进气口及出气口，温度传感器安装在气室的中部的温度传感器安装孔内，传感器测控单元分别与供电电源接口、二个超声波传感器、温度传感器相连，且在传感器测控单元设有输入接口和输出接口。
2.根据权利要求1所述的超声波H2传感器，其特征在于：所述的传感器测控单元为一嵌入式的单片机。 
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102539374A (zh) * 2011-12-22 2012-07-04 武汉四方光电科技有限公司 一种用于测量煤气成分和热值的方法
CN102830164A (zh) * 2012-08-23 2012-12-19 郑州光力科技股份有限公司 一种甲烷浓度在线检测方法及装置

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