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(wèi)星

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)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(wèi)星

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

目前，國內(nèi)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(chǔ)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(shè)計方案。以TMS320VC5402 DSP作為控制芯片，簡化了硬件設(shè)計，提高了數(shù)據(jù)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?；谀芰块撝捣ǖ幕宕_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(jié)合理想氣體狀態(tài)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(jié)果表明，該設(shè)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(shù)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(yè)生產(chǎn)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(yōu)點，越來越廣泛地被運用在工業(yè)和貿(mào)易計量、醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。醫(yī)院使用的制氧設(shè)備中，需要根據(jù)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(fù)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(tǒng)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(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，通過采集有效的超聲回波信號并進行相應(yīng)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(xiàn)場標定的方法提高測量精度，但在實際應(yīng)用中仍需根據(jù)不同的檢測要求進行研究，而檢測環(huán)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(xiàn)場標定的新型二元混合氣體傳感器的設(shè)計方案。該方案具有理論和實際應(yīng)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(wěn)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(shè)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(zhì)量；R為摩爾氣體常數(shù)；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(shù)，可求解方程的3個系數(shù)。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(shù)。其由管道剖面的速度分布導(dǎo)出。管道內(nèi)氧氣的線平均流速v與面平均流速vi的關(guān)系[7-8]為：

(5)

K值由雷諾數(shù)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(nèi)的氣體流量為：

(6)

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)以TI公司TMS320VC5402數(shù)字信號處理器(digital signal processing,DSP)為核心，硬件設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計原理圖

首先，將DSP產(chǎn)生的脈沖方波設(shè)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(fā)送端的超聲波換能器，以產(chǎn)生超聲波信號。接收端通過1個多路模擬開關(guān)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(shù)轉(zhuǎn)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(jié)果進行數(shù)據(jù)搬運；然后，通過小波變換對采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(guān)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(fā)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(nèi)，所以可以預(yù)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(xiàn)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(jù)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(guān)，打開接收信號通道，可以防止發(fā)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(chǎn)生的干擾。將70%～80%的傳播時間設(shè)置為噪聲范圍。此時噪聲含有模擬開關(guān)及其相關(guān)信號調(diào)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(yù)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(guān)閉信號接收通道。

3.2 數(shù)據(jù)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?；宸治鲈韴D如圖4所示。

圖4 基峰分析原理圖

設(shè)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(shè)定1個根據(jù)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(shè)置基峰數(shù)據(jù)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(jù)采樣頻率計算出P0點對應(yīng)的時刻。

設(shè)從發(fā)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(guān)信號調(diào)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(shù)；Tf為超聲波換能器發(fā)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(zhì)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(shù)據(jù)；然后,將介質(zhì)通過氧傳感器,并以測出的濃度和流量值作為實測數(shù)據(jù)；最后，將理論數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)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(shù)值相比，誤差很小。

圖6 誤差分析圖

5 結(jié)束語

本文提出了一種無需現(xiàn)場標定的二元混合氣體傳感器設(shè)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(shù)據(jù)處理能力，確保了系統(tǒng)方案的穩(wěn)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(tǒng)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(shè)計方案和超聲傳播時長的精確檢測。對介質(zhì)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(jié)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(yīng)用需要。該設(shè)計方案還可以推廣應(yīng)用于多元混合氣體的檢測，具有理論和實際應(yīng)用意義。

[1] 李廣峰，劉芳，高勇.超聲波流量計的高精度測量技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2001，22(6):644-647．

[2] 房曙光.小波時頻分析方法在超聲波信號處理中應(yīng)用[D].濟南：山東大學(xué),2009.

[3] ALHROOB M,BATES R,BATTISTIN M,et al.Implementation of an ultrasonic instrument for simultaneous mixture and flow analysis of binary gas systems[C]// International Conference on Advancements in Nuclear Instrumentation Measurement Methods and Their Applications,2016:1-9.

[4] 汪飛，宋天添.新型醫(yī)用超聲波氧氣流量計[J].電子測量技術(shù)，2015,38(12):100-103.

[5] 趙剛.基于DSP的時差法氣體超聲波流量計的設(shè)計[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 陳淵.基于改進閾值函數(shù)的提升小波變換超聲信號去噪研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2010(9):48-51.

[7] 王明偉，姚展.一種二元混合氣體濃度超聲測量儀的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18(12):2908-2910．

[8] ZHU W J，XU K J，F(xiàn)ANG M，et al.Mathematical modeling of ultrasonic gas flow meter based on experimental data in three steps[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(8):1726-1738.

[9] 陳建，孫曉穎，林琳，等.一種高精度超聲波到達時刻的檢測方法[J].儀器儀表學(xué)報，2012，33(11):2422-2428．

[10]王雪峰.基于時差法氣體超聲波流量計的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].大連:大連理工大學(xué),2011.

[11]陳益,李書.改進的小波閾值消噪法應(yīng)用于超聲信號處理[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2006,32(4):466-470.

[12]ZHENG D,MEI J,WANG M.Improvement of gas ultrasonic flowmeter measurement non-linearity based on ray tracing method[J].Iet Science Measurement & Technology,2016,10(6):602-606.

[13]汪偉.基于可變閾值過零檢測的氣體超聲波流量計信號處理方法與實現(xiàn)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2015.

[14]張興紅,向鳳云,張?zhí)旌?等.超聲波傳輸時間精密測量方法及應(yīng)用研究[J].中國機械工程,2012,23(6):25-28.

[15]PETTER N，PER L，MAGNE V.Investigation of precision sound velocity measurement methods as reference for ultrasonic gas flow meters[J].IEEE Ultrasonics Symposium,2005(5):1443-1447.

[16]劉守山,楊辰龍,李凌,等.基于自適應(yīng)小波閾值的超聲信號消噪[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2007,41(9):1557-1560.

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(tǒng)及智能傳感器設(shè)計方向的研究，E-mail：137223865@qq.com；和衛(wèi)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