超聲波甲烷濃度檢測系統的設計

侯廣平 丁喜波 王如月 何鑫

摘 要：針對超聲波甲烷氣體檢測精度的問題，提出了一種超聲波甲烷濃度檢測系統的研究，建立了聲速與氣體濃度的數學模型，在超聲波直接測量時間差法的基礎上，采用超高精度的時間數字轉換芯片TDC-GP21完成時間的精密測量。完成了超聲波甲烷濃度系統設計，分析了測量精度的主要影響因素——時間測量并提出了解決方法。采用甲烷氣體對系統進行測試和驗證，實驗結果表明該檢測方法的相對誤差小于2%，具有精度高、測量方便、成本低等優點，具有很好的應用前景。

關鍵詞：超聲波;甲烷;聲速;時間測量;TDC-GP21

DOI：10-15938/j-jhust-2020-01-018

中圖分類號： TB559

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）01-0121-06

Abstract：For the problem of ultrasonic methane gas detection accuracy， a research on ultrasonic methane concentration detection system is proposed， established a mathematical model of sound velocity and gas concentrationBased on the ultrasonic direct measurement time difference method， the ultra-high precision time digital conversion chip TDC-GP21 is used to complete the precise measurement of timeThe design of ultrasonic methane concentration system was completed， and the main influencing factors of measurement accuracy were analyzedTime measurement and solution were proposedThe system was tested and verified by methane gasThe experimental results show that the relative error of the detection method is less than 2%It has the advantages of high precision， convenient measurement and low cost， and has a good application prospect-

Keywords：ultrasonic; methane; sound velocity; time measurement; TDC-GP21

0 引 言

在工業生產、日常生活中甲烷濃度檢測的需求很廣泛。傳統的甲烷濃度檢測方法有催化燃燒法、半導體氣敏法、紅外吸收法等[1-5]。傳統的測量方法面臨測量范圍小、成本高等問題，超聲波法是近年來隨著測量技術的發展而出現的新的檢測技術，這種非接觸式的測量方法受到極大的關注，測量范圍寬，精度高，測試設備體積小，壽命長，穩定性好[6]。近年來，超聲波檢測已被廣泛應用在氣體檢測領域，國內外在超聲波檢測上的研究成果已十分豐富[7-9]。

超聲波檢測方法主要有相位差法、脈沖法。相位差法的測量原理是超聲波發射探頭被持續的脈沖激勵，通過檢測相同聲程的兩路超聲波接收信號的相位差來反映氣體濃度[10-11];脈沖法的測量原理是超聲波發射探頭被一組5-10個脈沖激勵，以超聲波在介質氣體中傳播時間來得到氣體濃度 [12-14]。超聲波相位差法是超聲波在相同環境下的兩個傳輸通道內分別在空氣和甲烷中傳播[15]，測量兩路超聲波的相位差，這種方法可以減小環境帶來的干擾以及系統誤差，但是持續發射的超聲波會在兩個探頭之間形成反射，對信號造成很大的干擾，引起不可忽視的誤差;常用的脈沖法的測量過程是這樣：采用一對距離固定的超聲波傳感器，從發射探頭向接收探頭發射脈沖信號，發射的同時啟動單片機計數器，當檢測到接收信號的幅值超過參考閾值時停止計數，此時計數器的值乘以計數周期就是超聲波傳輸時間，進而得到超聲波速度。同時采集溫度參數，測得氣體濃度。脈沖法避免了回波反射造成的干擾問題，但是它的測量精度取決于處理器和溫度傳感器，超聲波在待測介質中的傳播時間是微秒級，假設要求的測量精度為0-1，則處理器需要納秒級的計數周期，主頻需要達到1GHz，普通的處理器很難達到要求，高速MPU成本太高。

針對現有的技術問題，設計了一種基于時間數字轉換芯片的超聲波甲烷濃度檢測裝置，在超聲波脈沖法的基礎上使用了一個時間數字轉換芯片TDC-GP21來測量超聲波的傳輸時間，同時采集溫度信息，可以完成高精度的測量。

1 測量原理及檢測系統方案設計

1-1 測量原理

1-2 檢測系統方案設計

在進行甲烷濃度檢測時，檢測裝置測量超聲波傳播時間，再由處理器處理成濃度值。

檢測裝置包括單片機系統，超聲波發射電路，氣腔，超聲波接收電路，測量電路，檢測系統硬件結構如圖1所示。檢測儀將兩個超聲波探頭安置在測量通道兩端，測量通道與外界環境相通，發射探頭由方波脈沖信號驅動。通道的長度確定，將發射信號與接收信號的時間差測出來即得到聲波的速度。

圖1 甲烷濃度檢測硬件結構圖

Fig-1 Hardware structure diagram of methane concentration detection

單片機系統定時器控制PWM為超聲波發射探頭提供驅動信號，測量電路主要由時間數字轉換芯片TDC-GP21完成，時間測量電路與單片機和超聲波接收電路相連，由激勵脈沖和回波信號觸發;用于補償功能的溫度測量電路是時間數字轉換芯片TDC-GP21外圍連接一個鉑電阻和電容自動完成溫度測量;單片機系統與測量電路通過四線制SPI接口連接，控制時間數字轉換芯片的工作以及接收處理數據。

2 系統硬件設計

2-1 單片機系統設計

單片機控制電路采用PIC16F883型號單片機作為處理芯片，如圖2所示，包括單片機工作的最小系統、PWM輸出、TDC控制電路、紅外檢測。

對于超聲波發射探頭可以采取方波信號或正弦波信號方式驅動，考慮到方波脈沖容易實現，采用方波驅動。超聲波的驅動脈沖由PWM模塊輸出的。單片機內部的比較/捕獲模塊的PWM 模式可產生頻率和占空比都可變化的脈寬調制信號。由單片機定時器TMR2的PWM方式輸出200kHz，0～3-3V的方波信號，由單片機RC1口輸出，經過驅動電路放大后激勵超聲波探頭。

用于時間測量的時間數字轉換芯片由單片機控制，配置工作方式、上電、開啟關斷測量工作。硬件電路部分由四線制SPI通信接口相連進行數據的寫入和讀出。時間測量的使能、復位、中斷也由單片機I/O口控制。

紅外檢測通過外部中斷引腳RB0接收紅外遙控器的信號，用于甲烷濃度的標定。

2-2 超聲波驅動電路設計

由于單片機輸出的方波脈沖驅動能力不夠，導致超聲波接收裝置得到的回波信號幅值太小，無法采集，因此需要驅動電路放大后激勵超聲波探頭工作。方波驅動電路如圖3所示，經過N溝道MOS管兩級驅動獲得與單片機輸出頻率相位相同的高能量方波，輸出電壓0～12V，電流120mA，這樣的激勵信號可以使超聲波的回波振幅達到200mV左右。

2-3 回波處理電路設計

回波信號是一個振幅為200mV左右的正弦震蕩信號，為了降低干擾，測量準確，需要將回波信號進行必要的放大和濾波。超聲波探頭作為回波信號的信號源阻抗較大，在測量時必須進行阻抗匹配。如圖4所示，回波處理電路共分三級，選擇輸入電阻較大輸出阻抗很小的運放OP184設計一級跟隨器;根據信號的壓擺率選擇超精密運放OPA4197設計二級放大電路，放大倍數10倍，將回波信號放大到幅值0～2V左右;三級電路設計一個無限增益帶通濾波器，通頻帶10～400kHz。電路由單電源供電，一級跟隨電路在回波信號上增加一個2-5V的直流信號以保證回波信號在軌到軌的放大器作用下不會失真。在處理電路的輸出端加入濾波電容將直流分量濾掉。

2-4 時間測量電路設計

測量系統中時間的測量由德國ACAM公司的時間數字轉換芯片TDC-GP21完成。時間數字轉換芯片TDC-GP21應用內部的邏輯門延遲來以高精度測量時間間隔[18-20]，測量時由芯片的START引腳接收到脈沖信號觸發測量，STOP引腳接收到一個數字信號結束測量。TDC的內部測量方法是測量從START或STOP信號到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔時間（fine-counts），在兩次精密測量之間，TDC記下基準時鐘的周期數（coarse-count）。時間數字轉換芯片TDC-GP21內部集成了一個額外的模擬電路輸入部分，經過回波處理電路處理之后的模擬信號可以直接輸入到TDC測量。

TDC的測量電路如圖5所示，Start引腳接收單片機產生的脈沖信號觸發時間測量，脈沖信號經過驅動電路激勵超聲波探頭，超聲波接收探頭接收到的回波信號經處理電路處理后輸入到TDC-GP21的STOP引腳，回波信號作為時間測量終止的信號，TDC-GP21自動計算時間。溫度的采集也由TDC-GP21完成。TDC-GP21對溫度的測量是通過測量鉑電阻對電容的放電時間進行的，溫度測量自動完成，查詢溫度傳感器的溫度表格以獲得傳感器測得的當前溫度值。

TDC-GP21 的配置及使能都由單片機來控制，單片機通過SPI接口對時間數字轉換芯片寫入操作碼，配置其工作方式，通過單片機I/O口的電平設置測量的使能和禁止。時間測量結果傳回給單片機通過算法進行甲烷濃度的精確計算，最后進行顯示。

3 系統軟件設計

甲烷檢測系統的軟件部分主要包括脈沖發生程序、TDC控制測量程序、數據處理程序、標定程序。整個軟件設計、開發、調試過程都是在MPLAB集成開發平臺上完成的。MPLAB是適用于使用Microchip 的PIC micro & reg系列單片機進行嵌入式設計的應用開發，通過使用內置模擬器觀察程序流程調試可執行邏輯。軟件設計以單片機工作流程為主，完成產生脈沖、命令的發送和接收，數據處理功能。TDC的工作流程設置也由單片機來完成，使用TDC識別的指令碼在上電之后對TDC進行初始化的配置，TDC就能自動完成測量功能，測量結果自動從SPI接口發送出去，單片機讀取數據，處理成濃度值顯示。主程序流程如圖6所示。

檢測系統軟件程序將執行下列功能：首先，進行初始化程序，系統初始化將會對內部存儲的數據進行校驗工作和各個寄存器設置;然后配置TDC進行信號采集和測量;初始化完成之后定時器時間到達自動發送脈沖信號。等待測量時間后向TDC發送操作碼讀回測量值，最終經計算處理得到的甲烷濃度值，顯示輸出。

4 測試實驗及結果分析

測試實驗通過可燃氣體配制系統配制需要的標準氣，配氣系統結構框圖如圖7所示。

將100%標準甲烷氣體與純空氣配比成濃度分別為20%、40%、60%的混合氣體，作為實驗標準待測氣體。在環境溫度為25℃的條件下，選用200kHz中心頻率的超聲波發射探頭，并用50%的標準甲烷氣體作為實驗標定氣體對測量裝置標定。標定過程如下：甲烷濃度檢測系統上電后，在氣腔內通入純凈空氣，穩定3～5min，按下紅外遙控器的零點標定按鍵，進行零點標定;將配制的50%濃度的甲烷標準氣通入氣腔，在示值穩定后按下紅外遙控器的靈敏度標定按鍵。標定重復進行2～3次。

將配制的不同濃度混合氣體分別重復測量5次，得到實驗結果如表1所示。

計算實驗過程中5組測量結果的最大相對誤差，由甲烷濃度測量實驗數據得到的結果來看，利用基于TDC的超聲波甲烷濃度檢測方法測量甲烷濃度的相對誤差不超過2%，此方法的測量精度可以滿足測量要求，同時測量精度符合國家標準GB16808-2008《可燃氣體報警控制器》的要求。

5 結 論

將時間數字轉換芯片TDC應用到了直接時間差超聲波測量氣體濃度的方法上，并采用甲烷標準氣體進行了測量，實驗結果表明利用TDC的超聲波時間檢測方法可行。此設計方法解決了傳統檢測方法測量范圍不夠問題，以及超聲波相位差法測量過程中的反射干擾問題和普通的超聲波脈沖技術中測量精度的問題。在此基礎上設計的超聲波甲烷濃度檢測裝置具有電路簡單，成本低廉，測量精度高，使用方便的優點，在工業氣體泄漏以及其他氣體測量方面都有廣闊的發展前景。

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