基于超聲檢測的新型二元混合氣體傳感器

王 飛，吳國貴，和衛星

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013)

基于超聲檢測的新型二元混合氣體傳感器

王 飛，吳國貴，和衛星

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013)

目前，國內氣體濃度流量傳感器存在混合氣體的濃度、流量計量準確度低的問題。為解決該問題，在深入研究超聲波氣體流量計測量原理的基礎上，準確分析了超聲波計量二元混合氣體濃度、流量的影響因子，提出了一種基于超聲檢測的新型二元混合氣體傳感器設計方案。以TMS320VC5402 DSP作為控制芯片，簡化了硬件設計，提高了數據處理能力。采用信號有效范圍檢驗方法，利用高精度A/D采集超聲波回波信號，并運用拉伊達準則去除信號噪聲。基于能量閾值法的基峰確定過零檢測方法，可準確檢測超聲波過零點，精確計算超聲波傳播時間。結合理想氣體狀態方程等理論，計算、分析了二元混合氣體濃度和流量。給出了新型二元混合氣體傳感器及實施方案，并對氧氣、氮氣組成的二元混合氣體進行了試驗驗證。試驗結果表明，該設計方案的濃度誤差小于1%，流量誤差小于1.2%。

超聲波； 傳感器； 流量計； 二元混合氣體； 數字信號處理器； 過零檢測

0 引言

二元混合氣體的濃度和流量檢測在工業生產過程中極其重要。目前，氣體濃度和流量檢測方法有多種。其中，超聲波檢測法憑借其非接觸性測量、壓損小、測量范圍寬等優點，越來越廣泛地被運用在工業和貿易計量、醫療等領域[1]。醫院使用的制氧設備中，需要根據病人情況提供適當濃度和流量的氧氣，一般使用氧氣和氮氣的二元混合氣體。

與液體相比，氣體的易壓縮性決定了其濃度和流量測量的復雜性。超聲波在氣體中傳播時,會攜帶氣體的信息。因此，通過提取在氣體中傳播的超聲波信號，就可以分析出氣體的濃度和流量[2]。傳統超聲二元混合氣體檢測的可靠性和靈敏度不高。隨著計算機技術和數字信號處理技術的發展，通過采集有效的超聲回波信號并進行相應信號處理，可以提高測量精度和可靠性[3-4]。普通氣體傳感器采用現場標定的方法提高測量精度，但在實際應用中仍需根據不同的檢測要求進行研究，而檢測環境的差別使得測量精度難以提高。對此，本文提出了一種無需現場標定的新型二元混合氣體傳感器的設計方案。該方案具有理論和實際應用意義。

1 檢測原理

本文采用超聲時差法測量二元混合氣體的濃度和流量。改進型時差法測量原理如圖1所示。圖1中：L為管道長度；d為管道直徑。氣體由換能器A流入、換能器B流出，盡可能地保證了超聲信號與氣體流動方向平行[4-5]，在一定程度上減少了超聲信號在傳播過程中的衰減，且能得到足夠的聲程和相對穩定的超聲幅值。

圖1 測量原理圖

由圖1可得，超聲波的傳播時間為：

(1)

(2)

1.1 濃度測量原理

由式(1)和式(2)可知，二元混合氣體的平均聲速為：

(3)

設二元混合氣體a和b的的濃度分別為n和1-n；氣體a、b的定壓比熱和定容比熱分別為Cpa、Cpb和Cva、Cvb；Ma和Mb為相對分子質量；R為摩爾氣體常數；T為溫度。濃度計算公式[6]如下：

An2+Bn+C=0

(4)

由聲速、溫度和已知氣體參數，可求解方程的3個系數。氣體濃度n的范圍為0≤n≤1。方程有唯一解，從而求得n。

1.2 流量測量原理

由式(1)與式(2)，可以求出氣體線平均流速v。為了得到氣體的管道截面平均流速，還需知道流速的修正系數。其由管道剖面的速度分布導出。管道內氧氣的線平均流速v與面平均流速vi的關系[7-8]為：

(5)

K值由雷諾數Re確定[9-10]，vi為流體的面平均流速，由此可知定長為L的管道內的氣體流量為：

(6)

2 系統設計

系統以TI公司TMS320VC5402數字信號處理器(digital signal processing,DSP)為核心，硬件設計原理如圖2所示。

圖2 硬件設計原理圖

首先，將DSP產生的脈沖方波設置為激勵信號，超聲脈沖寬度為超聲信號周期的一半。對信號進行低通濾波和功率放大后，將送至發送端的超聲波換能器，以產生超聲波信號。接收端通過1個多路模擬開關來選擇接收正程信號或逆程信號；對接收到的信號進行放大和模擬帶通濾波后，采用有效信號范圍來控制信號的開始采集時間點。模數轉換器(analog to digital converter,ADC)模塊開始采樣超聲回波信號，通過直接存儲器(direct memory access,DMA)對采樣結果進行數據搬運；然后，通過小波變換對采集的數據進行去噪和粗大誤差去噪；采用基于能量閾值確定基峰的過零檢測方法，確定信號的時間基準點，并由此確定正程信號或逆程信號的超聲傳播時間。DSP的通用輸入/輸出(general purpose input output,GPIO)口接收并存儲溫壓傳感器傳來的二元混合氣體實時溫度和壓力數據，再計算出二元混合氣體傳感器的實時氣體濃度和流量。

3 超聲波傳播時長檢測

由氣體傳感器的測量原理可知，獲取準確的超聲波傳播時長和實時溫度是提高氣體濃度和流量測量精度的關鍵[11]。溫度可由溫壓傳感器模塊獲取，超聲傳播時長則由基于能量閾值確定基峰的過零檢測法得到。

3.1 有效信號采集

超聲信號從發射端向接收端傳播時，由于傳播距離已知，且傳播速度在一定范圍內，所以可以預計信號到達接收端的時間，并確定有效信號到達的時間范圍，從而實現有效信號采集。有效信號采集原理如圖3所示。

圖3 有效信號采集原理圖

根據超聲波在空氣中的傳播速度和兩端超聲波換能器之間的距離，可估算出超聲波在氣體中的傳播時間。在70%傳播時間處切換模擬開關，打開接收信號通道，可以防止發射端的激勵脈沖給接收端帶來的干擾，也在一定程度上去除了一些在有效信號未到時產生的干擾。將70%～80%的傳播時間設置為噪聲范圍。此時噪聲含有模擬開關及其相關信號調理器件延時帶來的干擾。從此處開始采集超聲信號。為便于計算，預采集約10個超聲波進行基峰提取及確定到達時刻。在1.4倍傳播時間處關閉信號接收通道。

3.2 數據處理

(7)

3.3 時間確定

確定超聲回波的基峰是求取傳播時間的前提[16]。本文采用能量閾值法來確定接收到的超聲波基峰。基峰分析原理圖如圖4所示。

圖4 基峰分析原理圖

設信號從起振開始，在第四個周期到達最高峰。首先，對每個周期的所有采樣點幅值求平方和，得到4個周期的能量E1、E2、E3、E4；然后，設定1個根據波形情況可變的閾值，從第一個周期開始判斷，找出與閾值差距最小的周期。超聲波過零檢測如圖5所示。

圖5 過零檢測示意圖

在找到合適的基峰之后，先設置基峰數據中第一個過零點為P1，P1后一個點P2是基峰的第二個過零點，P1前一個點P3在零點之下。對P1、P2、P3進行曲線擬合，求出擬合曲線的過零點P0，并根據采樣頻率計算出P0點對應的時刻。

設從發射激勵脈沖到開始信號采集的時間為T1，從開始信號采集到過零點P0的時間為T2，曲線擬合的時間誤差為T3，相關信號調理電路和超聲波換能器的延時時間為T4。則超聲傳播時間為：

T=T1+T2+T3+T4-n×Tf

(8)

式中：n為基峰前的超聲波周期數；Tf為超聲波換能器發出的超聲波周期。

4 試驗驗證

利用本文的方法，對目前市場上使用的某超聲波氧傳感器的濃度和流量檢測進行試驗驗證。首先,將氧氣和氮氣的二元混合氣體介質通過標準氧分析儀,并以測出的氧氣濃度和流量值作為理論數據；然后,將介質通過氧傳感器,并以測出的濃度和流量值作為實測數據；最后，將理論數據與實測數據進行對比。

氧傳感器管徑為80 mm，長度為12 cm。超聲波換能器采用減小超聲傳播衰減的兩端平行安裝方式，中心頻率為200 kHz。根據傳感器測量原理，采用本文提出的方法，測出超聲正程傳播時長、逆程傳播時長、溫度和壓力值，并按照相應算法求出傳感器測出的濃度和流量值。對比氧傳感器和濃度與標準氧分析儀分別測得的氧氣濃度和流量，誤差分析如圖6所示。圖6表明，采用該方法所測得的氧氣濃度和流量值與標準氧分析儀示數值相比，誤差很小。

圖6 誤差分析圖

5 結束語

本文提出了一種無需現場標定的二元混合氣體傳感器設計方案。該傳感器可實時測出混合氣體的溫度、壓力、濃度和流量。利用DSP的數據處理能力，確保了系統方案的穩定性和可靠性。采用基于能量閾值法的基峰確定的過零檢測方法，消除了傳統硬件過零檢測法帶來的誤差，能精確獲取超聲傳輸時間。重點對二元混合氣體的濃度和流量算法進行了分析，給出了二元混合氣體傳感器的設計方案和超聲傳播時長的精確檢測。對介質為氧氣和氮氣的二元混合氣體的超聲氧傳感器進行了試驗驗證。試驗結果表明，其測出的濃度誤差小于1%、流量誤差小于1.2%，能滿足實際應用需要。該設計方案還可以推廣應用于多元混合氣體的檢測，具有理論和實際應用意義。

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NewTypeofBinaryMixedGasSensorBasedonUltrasonicDetection

WANG Fei,WU Guogui,HE Weixing

(School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

At present,there is a problem that the domestic gas concentration and flow sensor has a low measurement accuracy of the mixed gas concentration and flow measuring.To solve the problems,and on the basis of studying the measuring principle of ultrasonic gas flowmeter and analyzing the influencing factors on the concentration and flow measurement of binary mixed gas，a new type scheme of binary mixed gas sensor based on ultrasonic detection is proposed.With TMS320VC5402 DSP as the control chip,the hardware design is simplified,and the data processing ability is improved.The method of signal valid range examination is adopted,and by using high precision A/D,the ultrasonic echo signal is acquired,and Pauta criterion is taken to remove the signal noise.A zero - crossing detection method based on the energy threshold is proposed to detect the zero-crossing point of ultrasonic wave and calculate the ultrasonic transmission time.Combined with the ideal gas state equation and other theories,the concentration and flow of binary mixed gas are calculated and analyzed.The new type of binary mixed gas sensor and the specific implementation scheme are given,and the experimental measurement of the binary mixed gas combining oxygen and nitrogen is carried out.The experimental results show that the concentration error is less than 1%,and the flow error is less than 1.2%.

Ultrasonic; Sensor; Flowmeter; Binary mixed gas; Digital signal processing(DSP); Zero-crossing detection

修改稿收到日期:2017-07-21

王飛(1992—)，男，在讀碩士研究生，主要從事電子信息系統及智能傳感器設計方向的研究，E-mail：137223865@qq.com；和衛星(通信作者)，男，博士，教授，主要從事控制理論與控制工程、計算機檢測與控制等方向的研究，E-mail： 43434810@qq.com

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712018