CN207742153U

CN207742153U - 一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置

Info

Publication number: CN207742153U
Application number: CN201721896254.1U
Authority: CN
Inventors: 王如月; 商烁; 丁喜波
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-08-17
Anticipated expiration: 2027-12-29

Abstract

一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置属于气体检测领域；该检测装置由单片机系统定时器控制PWM为超声波发射探头提供驱动信号，输出与超声波驱动电路连接；超声波发射电路与超声波接收电路通过单个超声波传播通道气腔连接；测量电路主要由时间数字转换芯片TDC‑GP21完成，时间测量电路与单片机系统的PWM和超声波接收电路的信号处理电路相连；用于补偿功能的温度测量电路是时间数字转换芯片TDC‑GP21外围连接一个铂电阻，电阻和电容自动完成温度测量；测量电路与单片机系统通过四线制SPI接口连接。本实用新型的检测装置解决了甲烷浓度检测中测量范围小、寿命短、稳定性差，精度不高等问题，避免了超声波的回波反射干扰，电路简单，成本低。

Description

一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置

技术领域

一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置属于气体检测领域，具体适用于甲烷气体的浓度检测。

背景技术

在气体浓度检测方面，现有的检测装置都存在一些不足。常用的几种测量装置中，催化燃烧式装置由于催化元件的工作温度及温升很大，使得该方法的安全测量范围仅有0~4%，如果气体浓度过大催化元件会损坏，测量范围窄而且寿命短。半导体气敏式装置成本低，在半导体内添加贵金属能有效地提高元件的灵敏度和响应时间，但是其工作温度高、稳定性和一致性较差是很大的问题。红外传感器的测量装置虽然避免了催化燃烧元件的中毒现象，提高了测量精度，但结构复杂，价格昂贵。超声波气体检测近年来发展迅速，但现有的超声波检测装置一部分是检测超声波传播的相位差，这种方法由于超声波发生反射带来的回波干扰比较严重，对结果影响较大；超声波传播速度较大，以往直接测量超声波传播时间即使使用很大主频的处理器也不能达到很好的测量精度。

发明内容

为了解决甲烷浓度检测中存在的测量范围小、寿命短、稳定性差、结构复杂等问题，本实用新型的检测装置使用一对固定在气腔两端的超声波探头作为敏感元件，通过一个数字时间转换芯片测量超声波在被测气体中的传播时间，通过单片机控制时间测量的工作，并且将传播时间处理成甲烷气体浓度。检测范围宽，稳定性好，成本低，结构简单。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置，包含单片机系统（1），超声波发射电路（2），气腔（3），超声波接收电路（4），测量电路（5）；所述超声波发射电路（2）包括驱动电路（201）和超声波发射探头（202）；气腔（3）包括气腔进气口（301）和气腔出气口（302）；超声波接收电路（4）包括超声波接收探头（401）和信号处理电路（402）；测量电路（5）包含时间测量电路（501）和温度测量电路（502）；所述单片机系统（1）定时器控制PWM（101）为超声波发射探头（202）提供驱动信号，输出与超声波驱动电路（201）连接；超声波发射电路（2）与超声波接收电路（4）通过单个超声波传播通道气腔（3）连接；测量电路（5）主要由时间数字转换芯片TDC-GP21完成，时间测量电路（501）外围并联两个电阻和两个电容与单片机系统（1）的PWM（101）和超声波接收电路（4）的信号处理电路（402）相连；用于补偿功能的温度测量电路（502）是时间数字转换芯片TDC-GP21外围连接一个铂电阻和电容自动完成温度测量；测量电路（5）与单片机系统（1）通过四线制SPI接口连接。

本实用新型的有益结果是：带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置可以成功检测0~100%范围的甲烷浓度值，测量甲烷浓度的误差不超过2%，测量精度符合国家标准GB16808-2008《可燃气体报警控制器》的要求。由于时间测量精度高可以将气腔做的较小，使得整个装置的体积小，检测精度高，成本低，稳定性好，寿命长。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的总体框图。图中1.单片机最小系统，2.超声波发射电路，3.气腔，4.超声波接收电路，5.测量电路。

图2为本实用新型的功能图。图中101.单片机内部PWM模块，102.单片机内部SPI通信模块，103.脉冲发生波形，201.超声波驱动电路，202.超声波发射探头203.激励脉冲波形，3.气腔，301. 气腔进气口，302. 气腔出气口， 401. 超声波接收探头，402.信号处理电路，403. 超声波接收信号，404.处理后信号501.时间测量部分，502.温度测量部分，503.测量电路SPI通信模块。

图3为本实用新型的工作时序图。图中6.时间测量参考时钟，601.测量开始时刻标记，602.测量结束时刻标记，603.测量过程时钟周期整数，604.参考时钟周期，605.2倍参考时钟周期，103.脉冲起始信号，504.回波停止信号，505.时间测量值。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型中的技术方案进行完整、清楚的描述。以下所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本实用新型保护范围。

在一个甲烷浓度检测的实施例中，如图1所示，装置的主要部分有单片机系统（1），超声波发射电路（2），气腔（3），超声波接收电路（4），测量电路（5）。单片机系统主要包括脉冲发生PWM（101）和SPI（102）；超声波发射电路（2）包括驱动电路（201）和超声波发射探头（202）；超声波接收电路（4）包括超声波接收探头（401）和信号处理电路（402）；测量电路（5）是以TDC-GP21芯片为主的时间测量电路（501）和温度测量电路（502）。收发两个超声波传感器通过气腔（3）连接，单片机发出的方波信号经过驱动电路（201）放大后使超声波发射探头（202）发出超声波，在气腔（3）中经过待测气体传播到接收端，温度测量电路（502）进行补偿。其中，超声波在气体中传播时间与甲烷气体浓度的数学模型是整个实用新型的理论基础，分析如下。对于同一种理想气体，不论在什么状态下，气体常数的数值不变。甲烷的气体常数值远远高于其他气体，R1=518.300 J/(kg·K)，空气的气体常数R0=287.041 J/(kg·K)，由声速计算公式得常压、15℃下，空气中声速是340m/s，甲烷中声速约为457m/s。利用甲烷的声速与其他气体的声速具有显著差别这一特性便可准确地检测出混合气体中的甲烷的浓度值。在实际测量情况下，要考虑到温度影响的因素。

设在环境温度为T的条件下，超声波在空气中传播速度为Ct，在待测气体中传播速度为Ctx，待测气体浓度用x来表示，则以上参数的函数关系如下：

（1-1）

C ₀表示超声波在0℃条件下在空气中的传播速度，K1是超声波在空气中的温度系数；K2是待测气体的浓度比例系数。超声波在长度为L的待测气体气腔中传播的时间t与速度有如下关系：

（1-1）

（1-2）

代入（1-1）式，得：

（1-3）

气体浓度：

（1-4）

气体浓度进行标定时：

当标定0点浓度时，即x=0，T=T ₀ ，t=t ₀ ，则：

（1-5）

当标定浓度为x ₁点时，即：x=x ₁ ，T=T ₁ ，t=t ₁ ，则：

(1-6)

将(1-5)式和(1-6)式整体代入到公式(1-4)中即可得到：

(1-7)

其中K ₁ 、T ₀ 、T ₁ 、x ₁ 、t ₁ 、t ₀为已知量，则可以得出气体浓度x和时间t及环境温度T有关，只需测量得出当前的环境温度T，并由设计的电路得到时间t，就可通过代入式(1-7)计算出当前待测气体浓度值x。

所述的单片机系统具有脉冲发生、控制测量电路、数据处理以及必要的显示和报警功能；脉冲发生由单片机定时器控制PWM实现，单片机选用Microchip公司的PIC16F886，定时器设定好定时时间使PWM每隔500ms发送一组频率为200K，占空比为50%的方波，幅值为单片机I/O口电压3.3V。

所述的驱动电路（201）采用MOSFET驱动，选用N沟道MOSFET普通厂家生产的5203，供电电压12V，工作在开关状态下，漏极最大输出电流可达3A。本实用新型在足够激励驱动电路负载，即超声波发射探头的情况下选择漏极电阻100Ω，负载阻抗约为1.1KΩ，此时驱动电路输出电流约110mA，输出电压0-12V。

所述的信号处理电路（402）包括放大电路和滤波电路，放大电路将接收信号由150mVp-p放大到1.5Vp-p。考虑到输入信号的频率和单电源供电、输入输出范围的问题，选择的是一个增益带宽积和压摆率较大的轨到轨精密运放，OPA4197，供电电压范围±2.25~±18V，增益带宽积10MHz，压摆率14V/uS。为了减小线路传输和外界干扰带来的噪声引起的误测量，需要对接收信号进行滤波。滤波电路的通带频率为2kHz~2MHz。

所述的温度测量电路（501）使用时间数字转换芯片TDC_GP21检测时间，时间的测量是关键部分，超声波在待测介质中传播时间很短，即便是主频很高的处理器测量精度也不高，这也是以往的超声波测甲烷浓度不直接检测传播时间的原因。TDC_GP21测量单元是通过一个START信号触发, STOP信号截止，应用内部的逻辑门延迟来以高精度测量时间间隔。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值可以计算出 START 信号和 STOP 信号之间时间间隔，测量范围可达 20 位。在4MHz时钟的工作条件下，它的一个典型测量分辨率为90 ps。

所述的温度测量电路（502）使用TDC-GP21自动测量温度，测量是基于电阻对电容的放电时间，温度测量自动完成，查询温度传感器的温度表格以获得传感器测得的当前温度值。

进一步的，本实用新型时间测量的控制工作由单片机系统（1）完成。PIC16F886与TDC-GP21通过SPI通信接口连接，单片机通过接口输入指令码控制TDC-GP21完成时间和温度的测量，并在测量结束后读回时间值与温度值，将时间值进一步处理成浓度值，用温度补偿。

在一个甲烷浓度检测的实施例中，如图2所示，首先单片机通过SPI（102）通信接口向测量电路（5）发送命令使能时间测量（501）和温度测量（502）端口；单片机PWM模块（101）在定时器控制下产生200kHz频率的脉冲（103），与超声波发射（202）和接收探头（401）的谐振频率一致；PWM引脚与驱动电路（201）相连，得到足够驱动超声波探头的激励脉冲信号（203）；超声波发射探头（202）被激励产生的超声波在长度为L的气腔（3）中传播，同时激励信号被发送给测量电路（5）的时间测量部分（501）触发时间测量；气腔依靠进气口（301）和出气口（302）对外进行气体交换，超声波接收探头（401）接收到超声波后产生正弦波（403）的电信号，经过必要的放大滤波电路（402）得到的便于测量的正弦信号（404），将这个信号发送给测量电路（5）的时间测量部分（501）结束时间测量，时间测量按照图3的时序图自动完成，通过SPI模块（503）发送给单片机系统（1），单片机系统（1）将读回的时间结果和温度结果处理成气体浓度值，显示在数码管上，并控制报警指示在气体浓度值超过1%时报警。

在图3所示的时间测量时序中，TDC-GP21（5）配置的测量范围 2 中采用前置配器来扩展可测量的最大时间间隔，分辨率保持不变。在此模式下，TDC的高速单元并不测量整个时间间隔，仅仅测量从START到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间Fc1（601）和STOP信号到相邻的基准时钟上升沿之间的间隔时间Fc2（602）。在两次精密测量之间，TDC记下基准时钟的周期数（603)，实际时钟周期时间Cal1（605）和实际两个时钟周期时间Cal2（604）用于内部时钟周期校准，得到的超声波传播时间t计算公式如下：

（1-8）

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案以及技术特征，参照实施例对本实用新型进行了详细的说明，本技术领域的技术人员在实现中对前述实施例所述的技术方案进行修改或者对其中部分技术特征进行等同替换时，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型的技术方案的范围。

Claims

1.一种带有时间数字转换芯片的超声波甲烷浓度检测装置，其特征在于：包含单片机系统（1），超声波发射电路（2），气腔（3），超声波接收电路（4）和测量电路（5）；所述超声波发射电路（2）包括超声波驱动电路（201）和超声波发射探头（202）；气腔（3）包括气腔进气口（301）和气腔出气口（302）；超声波接收电路（4）包括超声波接收探头（401）和信号处理电路（402）；测量电路（5）包含时间测量电路（501）和温度测量电路（502）；所述单片机系统（1）定时器控制PWM（101）为超声波发射探头（202）提供驱动信号，输出与超声波驱动电路（201）连接；超声波发射电路（2）与超声波接收电路（4）通过单个超声波传播通道气腔（3）连接；测量电路（5）主要由时间数字转换芯片TDC-GP21完成，时间测量电路（501）与单片机系统（1）的PWM（101）和超声波接收电路（4）的信号处理电路（402）相连；用于补偿功能的温度测量电路（502）是时间数字转换芯片TDC-GP21外围连接一个铂电阻Pt1000，电阻R₀和电容C₀自动完成温度测量；测量电路（5）与单片机系统（1）通过四线制SPI接口连接。