基于超聲波的流量和濃度的復(fù)合檢測系統(tǒng)

魏立峰，牟 舫，王慶輝

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

0 引言

超聲波測量法廣泛應(yīng)用于超聲波流量計(jì)或超聲波氣體濃度傳感器中。超聲波氣體流量計(jì)因?yàn)槠渚哂杏?jì)算精度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上或醫(yī)學(xué)上獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1]。超聲波氣體濃度傳感器因?yàn)槠渚哂锌垢蓴_、測量準(zhǔn)確、性價(jià)比高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，例如燃燒效率控制，工業(yè)控制，食品行業(yè)，醫(yī)療器械，汽車電子等[2]。

然而，目前國內(nèi)外的超聲波流量計(jì)和超聲波氣體濃度傳感器都是一種單一的測量儀器，僅僅能夠單獨(dú)測量氣體流量或濃度，其中一些傳感器是采用電鍍或陶瓷材料制成的，所以需要頻繁的校準(zhǔn)、產(chǎn)品壽命短、反應(yīng)時(shí)間長、能量消耗大[3]。一些是利用熱敏電阻測量溫度變化，導(dǎo)致測量誤差大[4]。還有一些是超聲波的管柱小，只允許少量氣體進(jìn)入，低速下無法測量[5]。文中提出一種新型的超聲波氣體檢測系統(tǒng)，采用溫度補(bǔ)償、回波信號(hào)處理、誤差分析等技術(shù)，提高了測量精度，與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比，該復(fù)合檢測系統(tǒng)可以同時(shí)監(jiān)測氧氣的濃度和流量，能夠滿足制氧機(jī)行業(yè)應(yīng)用的檢測需要，具有較低的成本和較高的準(zhǔn)確性，并且高效節(jié)能、校準(zhǔn)簡單。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該檢測系統(tǒng)由超聲波換能器、電子線路和計(jì)算系統(tǒng)組成。超聲波換能器能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成超聲波能量，通過發(fā)射超聲波使其穿過被測氣體，并由接收換能器接收超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換成所代表的流量和濃度的電信號(hào)，通過計(jì)算得到氣體流量與濃度。該設(shè)計(jì)利用相同距離超聲波在氣體中順流、逆流傳播時(shí)間的差異與被測氣體的流速和濃度有關(guān)，根據(jù)測出的時(shí)間差異計(jì)算氣體的流量和濃度。

圖1 檢測系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的硬件部分主要由微處理器電路、信號(hào)調(diào)整電路、開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、溫度補(bǔ)償電路、液晶顯示電路等部分組成。

2．1超聲波發(fā)生器

超聲波的發(fā)射與接收需要一種電—聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，即換能器。超聲換能器(超聲傳感器)，是超聲波檢測系統(tǒng)的重要組成部分。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將依次實(shí)現(xiàn)電能—機(jī)械能—聲能的轉(zhuǎn)化。反之，則依次完成聲能—機(jī)械能—電能的轉(zhuǎn)化。為了研究和應(yīng)用超聲波，發(fā)明并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電式超聲波發(fā)生器[6]。該設(shè)計(jì)采用的就是壓電式超聲波發(fā)生器。

檢測系統(tǒng)流程圖如圖2所示，超聲波發(fā)生器被激發(fā)后發(fā)出的超聲波經(jīng)過放大濾波整形等數(shù)字信號(hào)處理后傳播到對面的第二換能器，第二換能器檢測到入射波，此時(shí)改變角色，第一換能器作為接收器接收波形。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2．2系統(tǒng)硬件電路

該復(fù)合檢測系統(tǒng)采用的信號(hào)調(diào)整電路如圖3(a)所示，為了提高采集的微弱信號(hào)和降低輸出阻抗，采用了先放大后比較的方式，其中AD623對信號(hào)進(jìn)行放大，LM393比較器實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的比較輸出。

放大電路的各個(gè)關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中RF=R7=4.7 kΩ；Rf=R9=3 kΩ。整理得到：

Uo=2.5Ui

(2)

這樣通過放大電路將采集的信號(hào)放大2.5倍，即將電壓為0～2 V的波形放大為電壓為0～5 V的波形。采用諧振電路，減小了采樣信號(hào)的波動(dòng)幅度，提高了采樣的準(zhǔn)確度。

2．3開關(guān)轉(zhuǎn)換電路

該部分的作用是完成2個(gè)超聲波探頭發(fā)射、接收電路的切換。如圖3(b)所示，采用了三通道模擬開關(guān)(74HC4053)，根據(jù)不同的需要設(shè)置選擇不同的通道。此模擬開關(guān)帶有一個(gè)使能輸入E，2個(gè)獨(dú)立的輸入輸出(nY0，nY1)，1個(gè)共同的輸入輸出(nZ)和3個(gè)數(shù)字選擇輸入(SN)。當(dāng)E為低電平時(shí)，開關(guān)處于低阻狀態(tài)，將通道由S1切換到S3；當(dāng)E為高電平時(shí)，所有開關(guān)處于高阻狀態(tài)。模擬開關(guān)的頻率高達(dá)1 000 Hz，對信號(hào)的影響比較小。

(a)信號(hào)放大電路

(b)切換控制電路

3 算法設(shè)計(jì)

超聲波傳播時(shí)間計(jì)算。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用計(jì)數(shù)器T1記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，使得INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，并利用式(3)、式(4)計(jì)算濃度和流量。計(jì)算系統(tǒng)框圖如圖4所示，校準(zhǔn)過程中，微處理器將已知的氣體濃度定為零流量，在EEPROM中計(jì)算并存儲(chǔ)氣體濃度偏移量和零流量偏移量[7]。在正常操作期間，微處理器讀取存儲(chǔ)在EEPROM中的偏移信息和溫度補(bǔ)償信息，然后使用該信息來計(jì)算補(bǔ)償后的氣體流量和濃度。

圖4 計(jì)算系統(tǒng)框圖

微處理器計(jì)算氧氣濃度公式：

P=C1T+C2O1+C3(TFB)

(3)

計(jì)算氧氣流量的公式：

Q=ABS(C4(TF-TB))+C5O2

(4)

式中：C1，C2，C3，C4，C5為超聲組建的常數(shù)；T為氣體的溫度；TFB為通過傳感器腔的往返時(shí)間；TF為在2個(gè)傳感器之間向前的方向傳輸時(shí)間；TB為在2個(gè)傳感器之間反方向傳輸時(shí)間；O1、O2為確定校準(zhǔn)值偏移量。

超聲波是一種聲波，它的傳播速度與氣體密度有關(guān)，密度越大，傳播的速度越快，氣體的密度又與溫度有關(guān)，所以溫度變化影響聲速變化。由于氧氣濃度受密度的影響，所以超聲波發(fā)生器中的氧濃度受溫度的直接影響[8]。如式(6)所示，當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)，超聲波在氧氣中的傳播速度為v=316 m/s；當(dāng)溫度為27時(shí)，v=332 m/s；當(dāng)溫度為37℃時(shí)，v=338 m/s；聲速變化6 m/s，若在37 ℃時(shí)以27 ℃時(shí)的聲波測量，就使氧氣濃度誤差很大，所以要實(shí)現(xiàn)高精度的測量，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由溫度補(bǔ)償公式：

(5)

由泰勒公式展開近似計(jì)算公式：

v=316+0.6067T-0.000 5T2

得出

v=316+0.607×T(℃)

(6)

v=C3(TFB)+C

(7)

式中：v為聲波傳播速度；C為常數(shù)；v與TFB呈線性關(guān)系。

硬件電路如圖5所示，由于電路設(shè)計(jì)比較簡單，所以需要可靠的軟件設(shè)計(jì)來支持。軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：溫度值的測定和結(jié)果的修正。單片機(jī)讀取DS18B20 所測得的溫度，根據(jù)此溫度修正聲速，計(jì)算得到氧濃度值。對此數(shù)值進(jìn)行濾波處理，每8次數(shù)據(jù)排序，去掉最大和最小值，取中間6個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，和溫度數(shù)值一起送給CPU，根據(jù)往返時(shí)間計(jì)算結(jié)果并顯示[9]。

圖5 DS18B20溫度補(bǔ)償硬件電路圖

4 超聲波氧濃度傳感器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要是采用C語言進(jìn)行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件主要由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成。如圖(6)所示，主程序完成初始化、超聲波波形的發(fā)射和接收。初始化程序主要包括：時(shí)鐘模塊初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC初始化，串口初始化，I/O端口初始化等。定時(shí)中斷服務(wù)子程序主要完成兩方向超聲波的輪流發(fā)射，而外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、流量和濃度的計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)果驗(yàn)證

采用精度高達(dá)2%的氣流分析儀Certifier FA Plus進(jìn)行標(biāo)定，通過Certifier FA Plus氣流分析儀記錄實(shí)際的氧氣濃度和流量，將計(jì)算值與測量的實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。驗(yàn)證結(jié)果如表1、表2所示。

為了保證傳感器的準(zhǔn)確度，需要進(jìn)行定期維護(hù)與校驗(yàn)，通常采用高精度的超聲波氣體傳感器進(jìn)行直接對比，利用所測數(shù)據(jù)計(jì)算相對誤差，修正系數(shù)，溫度補(bǔ)償后使測量誤差減小到最低，由表1和表2可知該設(shè)計(jì)的氧氣濃度誤差在2%之內(nèi)，氧氣流量誤差在5%之內(nèi)，滿足制氧機(jī)的測量要求。

表1 氧氣濃度驗(yàn)證表(補(bǔ)償后) %

表2 氧氣流量驗(yàn)證表

6 結(jié)束語

該超聲波復(fù)合檢測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：該系統(tǒng)將測試環(huán)境發(fā)生裝置、檢測、數(shù)據(jù)采集、分析、顯示集于一體，減少了人工測量誤差，提高工效，降低成本，完全滿足科研或生產(chǎn)對氣體傳感器測試的要求。該設(shè)計(jì)利用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了測量精度，具有很大的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳倫瓊．氧氣濃度檢測儀在高壓開關(guān)站中的應(yīng)用，2012(12)：61-66．

[2]李文峰，褚偉．基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的礦用便攜式氧氣濃度監(jiān)測儀．西安科技大學(xué)，2009(4)：55．

[3]DIRMAN，HANAFI，YOUSEF，et al．Wall Follower Autonomous Robot Development Applying Fuzzy Incremental Controller．Intelligent Control and Automation，2013，4(1)：19-20．

[4]CHRISTOPHE，DELEBARRE，THOMAS，et al．Power Harvesting Capabilities of SHM Ultrasonic Sensors．Smart Materials Research，2012，2012：1-3．

[5]王鴻建，唐茂峰，汪學(xué)明，等．超聲波氣體流量計(jì)的研制．工礦自動(dòng)化，2012(5)：63-65．

[6]陳勇，孟凡偉，郭虎成．基于超聲波傳感器新技術(shù)的應(yīng)用．電子設(shè)計(jì)工程，2012(20)：65-70．

[7]Michael Stern，2505 Oakrill Rd．Marietta，Ga．ULTRASONIC BINARY GAS MEASURING DEVICE[P]．Foreign Patent：5627323，May 6，1977．

[8]GREGORY A MICHALES，SEVEN Hills，HOMAYOUN Birangi，et al．GAS CONCENTRATIONSENSOR AND CONTROL FOR OXYGEN CONCENTRATOR UTILIZING GAS CONCENTRATION SENSOR[P]．Foreign Patent：5917135，Jun．29，1999．

[9]龐曉峰，梁吉坤．醫(yī)用制氧機(jī)控制程序開發(fā)及氧氣濃度檢測：[學(xué)位論文]．西安：電子科技大學(xué)，2007：32-38．