基于相位差的超聲波SO2濃度檢測(cè)系統(tǒng)研究

張 鵬，王 莉

（南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048）

SO2作為最常見(jiàn)的硫氧化物，是主要的大氣污染物之一，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。而我國(guó)的發(fā)電主要采用煤炭發(fā)電，煤、石油等燃料的燃燒過(guò)程是排放SO2的最主要的污染源，因此對(duì)SO2濃度進(jìn)行有效的在線檢測(cè)具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)SO2濃度檢測(cè)的方法有化學(xué)方法和物理方法，化學(xué)方法有碘量法、電導(dǎo)法、電量法、離子色譜法、比色法、電化學(xué)傳感器法和化學(xué)發(fā)光法，化學(xué)方法雖然具有較高的靈敏度和較好的測(cè)量準(zhǔn)確度，但是化學(xué)方法不能滿足對(duì)煙氣中二氧化硫的濃度進(jìn)行自動(dòng)、連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，不能進(jìn)行在線檢測(cè)。物理方法不引起被測(cè)氣體中各化學(xué)成分的改變，測(cè)量污染物使用的儀器比較簡(jiǎn)單，操作方便，適合在線檢測(cè)，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。物理測(cè)量方法主要有紫外熒光法、火焰光度法、非分散紅外吸收法和紫外光譜吸收法等，但是采用這些光源的寬度和光強(qiáng)等因素限制其廣泛應(yīng)用。隨著超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，氣體濃度的超聲波檢測(cè)法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法本身固有的缺點(diǎn)，在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，完全適應(yīng)了未來(lái)高精度測(cè)量的挑戰(zhàn)，保持在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位。超聲波檢測(cè)用于氣體檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，不需要測(cè)量試樣，是一種靈敏度和準(zhǔn)確性都較好的測(cè)量方法，適用于SO2濃度的實(shí)時(shí)、連續(xù)在線檢測(cè)。本文研究的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，準(zhǔn)確性高，尤其與其他物理檢測(cè)方法相比，超聲波探頭的價(jià)格優(yōu)勢(shì)尤為突出[1-5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，其基本原理是超聲波在氣體中傳播時(shí)，氣體成分以及濃度的不同它的聲學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這些參數(shù)的變化量來(lái)反映待測(cè)氣體的濃度值。聲速計(jì)算公式如式1。

式中，K為絕熱系數(shù)。

R為氣體常數(shù)。

T為溫度。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩路超聲波傳感器發(fā)射電路，兩路超聲波經(jīng)過(guò)兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同且對(duì)稱的氣室，一個(gè)氣室中的氣體為被測(cè)氣體，稱為被測(cè)氣室；另一個(gè)中的氣體為標(biāo)準(zhǔn)大氣，稱為標(biāo)準(zhǔn)氣室，如圖1所示。

由于兩個(gè)氣室中的氣體不同，所以超聲波通過(guò)兩個(gè)氣室時(shí)的傳播速度不同，到達(dá)氣室終端時(shí)，兩路波存在相位差，相位差的變化量反映了超聲波在被測(cè)氣室與標(biāo)準(zhǔn)氣室中傳播的時(shí)間差，如式2所示，通過(guò)測(cè)量時(shí)間差就可計(jì)算出氣體的濃度值。

式中：L為標(biāo)準(zhǔn)氣室與被測(cè)氣室長(zhǎng)度。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，CPU發(fā)出控制信號(hào)給超聲波驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)氣室和被測(cè)氣室的超聲波探頭，超聲波接收電路把接收的兩路信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波后傳送給檢相電路，得到兩路信號(hào)的相位差，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路，確定超聲波通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣室和被測(cè)氣室的時(shí)間差，最后CPU根據(jù)公式計(jì)算SO2濃度，并進(jìn)行顯示，系統(tǒng)顯示小數(shù)點(diǎn)后一位。輸入電路為鍵盤(pán)輸入電路，通過(guò)按鍵對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)由于超聲波的傳輸速度受溫度影響較大，本系統(tǒng)通過(guò)溫度檢測(cè)電路檢測(cè)溫度后進(jìn)行溫度補(bǔ)償和修正。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 超聲波驅(qū)動(dòng)電路

超聲波傳感器驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，由于超聲波頻率過(guò)高衰減比較大，但是頻率過(guò)低則不利于檢測(cè)，散射現(xiàn)象嚴(yán)重，因此為保證傳感器所接收到的有用信號(hào)的幅值可便于后續(xù)電路的處理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了頻率為200KHz方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器電路，如圖3所示。CPU通過(guò)pin端發(fā)送控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路超聲波信號(hào)，觸發(fā)超聲波探頭。

圖3 超聲波驅(qū)動(dòng)電路

1.4 接收電路

對(duì)于接收到的信號(hào)的處理是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，若接收到的信號(hào)未能準(zhǔn)確有效的處理將會(huì)影響后續(xù)電路的作用以及測(cè)量結(jié)果的精度。本系統(tǒng)接收電路由信號(hào)濾波放大、信號(hào)整形和相位差測(cè)量電路三部分組成。接收電路的框架圖如圖4所示。

圖4 接收電路框圖

由于超聲波接受傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)的幅值較小不便于處理，則要采用濾波放大電路先將信號(hào)的雜波干擾濾除并對(duì)其放大，以方便后續(xù)電路的處理；信號(hào)整形電路把傳輸來(lái)的正弦波信號(hào)進(jìn)行變換為檢測(cè)兩路信號(hào)的相位差做準(zhǔn)備；相位差測(cè)量電路直接關(guān)系到最后的測(cè)量結(jié)果，本系統(tǒng)將相位差準(zhǔn)確有效的測(cè)量，變?yōu)殡妷褐递敵龅侥?shù)轉(zhuǎn)換端口，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于濃度值的計(jì)算。信號(hào)接收處理電路的整個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)的處理的過(guò)程中要確保濾掉高頻和低頻信號(hào)的干擾，只保留有效信號(hào)，因而要設(shè)計(jì)這部分電路時(shí)采用的運(yùn)算放大器應(yīng)具有較好的特性，以免有用信號(hào)被噪聲淹沒(méi)。

2 軟件設(shè)計(jì)

儀表上電后，對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定，自動(dòng)調(diào)零。調(diào)零完成后，CPU驅(qū)動(dòng)超聲波驅(qū)動(dòng)電路以此來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，采集溫度傳感電路數(shù)據(jù)。CPU收到兩路超聲波信號(hào)的相位差后，轉(zhuǎn)換成兩者的時(shí)間差，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算，根據(jù)采集的溫度值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得出濃度值，由顯示器進(jìn)行顯示。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差分式超聲波SO2濃度檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量結(jié)果在0.5%的誤差，滿足設(shè)計(jì)要求，并且該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、不易受污染、成本低、易于在線檢測(cè)、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)。同時(shí)，低濃度時(shí)信號(hào)較弱，需要增長(zhǎng)氣室的長(zhǎng)度，不方便測(cè)量，導(dǎo)致對(duì)低濃度SO2測(cè)量誤差較大。