[發明專利]檢測微量二元混合氣體濃度的聲學信號處理裝置及方法

無效

• 申請號: 201010166078.2
• 申請日: 2010-05-07
• 公開（公告）號: CN101813673A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 張曉花;朱昌平;單鳴雷;王森;朱陳松
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: G01N29/44
• 分類號: G01N29/44;G01N29/46;G01N29/024
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術領域

本發明屬于氣體檢測與信號處理技術領域，涉及氣體濃度電子檢測，尤其涉及微量二 元混合氣體濃度的電子檢測。

背景技術

目前，微量二元混合氣體濃度檢測一般采用光譜儀等設備，但測量代價高，不能得到 普遍應用。專利號為ZL200510037936.2、名稱為“測量六氟化硫氣體濃度的變送器及其測 量方法”的專利是由同步發射的超聲波分別經兩條等距通道到達接收端，一個通道是微量 sf₆與空氣混合氣體；另一條通道是空氣作為參比，在接收端測量兩個接收信號的相位差和 聲音傳播時間，代入公式計算獲得sf₆氣體濃度值，該測量方法免除了因環境溫度的變化而 需要進行的聲速的補償，簡化了測量過程，但該測量方法的缺陷是：1、處理信號采用計數 器測量相位和時間，測量精度受限于采樣時間間隔，容易受到干擾；2、采用連續波信號或 者長短脈沖信號，檢測精度低；3、為避免相位模糊，兩個通道的信號相位差被限制在360 度以內，可以選擇的測量裝置的長度和超聲波頻率都有限制，也使測量精度受到影響。

由于聲學檢測微量二元混合氣體濃度的精度主要是由相位測量精度和傳播時間測量精 度決定的，所以提高相位測量精度，需要采用窄帶長脈沖信號，提高傳播時間測量精度， 需要寬帶短脈沖信號，對目前的普通信號測量，要求采用信號持續時間更長，帶寬更寬的 方法是矛盾且難以實現的。

發明內容

本發明的目的為克服現有技術的缺陷而提出一種精確測量微量二元混合氣體濃度的聲 學信號處理裝置及方法，利用氣體中聲速與二元混合氣體濃度的關系快速測定微量二元混 合氣體濃度。

本發明處理裝置采用的技術方案是：由工作頭部分、模擬電路部分、數字電路部分連 接組成，工作頭部分包括具有純凈氣體b的第一測量腔和具有待測微量氣體a和純凈氣體b 構成的二元混合氣體的第二測量腔，第一測量腔的內腔兩端分別設有第一超聲波發射換能 器和第一超聲波接收換能器，第二測量腔的內腔兩端分別設有第二超聲波發射換能器和第 二超聲波接收換能器，第一發超聲波射換能器與第一超聲波接收換能器之間的間距等于第 二超聲波發射換能器與第二超聲波接收換能器之間的間距，模擬電路部分具有第一、第二 發射放大電路，第一發射放大電路輸出經第一發射匹配電路連接至第一超聲波發射換能器， 第二發射放大電路輸出經第二發射匹配電路連接至第二超聲波發射換能器；第一超聲波接 收換能器的輸出依次串接第一接收匹配電路、第一接收前置放大電路和第一低通濾波器， 第二超聲波接收換能器的輸出依次串接第二接收匹配電路、第二接收前置放大電路和第二 低通濾波器；第三低通濾波器的輸出分別連接第一、第二發射放大電路；所述數字電路部 分包括外接FLASH閃存芯片、通訊串口和RAM芯片的DSP數字信號處理器以及CPLD可編程 邏輯器件、第一、第二A/D模數轉換器，第一低通濾波器輸出通過第一A/D模數轉換器連 接DSP數字信號處理器，第二低通濾波器輸出通過第二A/D模數轉換器連接DSP數字信號 處理器；DSP數字信號處理器輸出經CPLD可編程邏輯器件連接第三低通濾波器。

本發明處理方法采用的技術方案是：包括DSP數字信號處理器控制CPLD可編程邏輯器 件產生偽隨機相位編碼脈沖信號，信號經低通濾波器分兩路分別通過發射放大電路和發射 匹配電路經由兩個超聲波發射換能器轉換為超聲波信號同時發射；超聲波信號分別經過一 測量腔內的純凈氣體和另一測量腔內的二元混合氣體傳遞，將接收換能器獲得兩個信號放 大、低通濾波處理后，由A/D模數轉換器將模擬連續信號轉變為數字離散信號，經DSP數 字信號處理器采用數字信號處理算法進行處理，根據氣體濃度與相位差的公式計算出二元 混合氣體的濃度。

本發明裝置結構簡單易實施，將聲學寬帶偽隨機碼相位調制信號作為發射信號，采用 偽隨機碼對超聲波信號相位編碼形成發射脈沖，偽隨機信號同時具有高的時間和帶寬積， 符合提高精度對信號的要求；接收處理采用了頻域補零、時延估計、復解調和匹配濾波信 號處理方法，將粗測時延和精測相位相結合，克服粗略測量精度低和精確測量相位模糊的 各自缺點，獲得無模糊的相位精確測量結果，提高了微量二元混合氣體濃度的測量精度。 是一種成本低廉，可以迅速獲得微量二元混合氣體濃度檢測結果的有效方法。

附圖說明

以下結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。

圖1為微量二元混和氣體濃度聲學信號處理裝置連接示意圖。