[發(fā)明專利]基于超聲波雙頻相位差的氫氣測量系統(tǒng)及方法在審
| 申請?zhí)枺?/td> | 202110251272.9 | 申請日： | 2021-03-08 |
| 公開（公告）號： | CN113030248A | 公開（公告）日： | 2021-06-25 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 丁欣;施云波;孫慧;丁喜波 | 申請（專利權(quán)）人： | 哈爾濱理工大學(xué) |
| 主分類號： | G01N29/02 | 分類號： | G01N29/02;G01N29/44 |
| 代理公司： | 哈爾濱華夏松花江知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23213 | 代理人： | 岳昕 |
| 地址： | 150080 黑龍*** | 國省代碼： | 黑龍江;23 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 基于 超聲波 雙頻 相位差 氫氣 測量 系統(tǒng) 方法 | ||
基于超聲波雙頻相位差的氫氣測量系統(tǒng)及方法，屬于聲學(xué)氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域。為了解決基于超聲波相位差法存在氫氣濃度檢測范圍小的問題。本發(fā)明所述系統(tǒng)包括：用于測量當(dāng)前環(huán)境下的氣體濃度的超聲波測量模塊，用于將超聲波測量模塊輸出的電信號轉(zhuǎn)換為幅值的方波信號的信號處理模塊，用于將所述方波信號轉(zhuǎn)換為相位差信號的檢相模塊；產(chǎn)生用于驅(qū)動超聲波換能器的頻率信號；以及根據(jù)檢相模塊傳遞的相位差信號進行雙頻相位差法數(shù)據(jù)處理，根據(jù)相位差信號的跨周期數(shù)N以及對應(yīng)的測量相位差確定氫氣濃度值的微處理器，以及用于將微處理器發(fā)送的頻率信號進行放大并提供給超聲波測量模塊的超聲波驅(qū)動模塊。主要用于氫氣的測量。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于聲學(xué)氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超聲波雙頻相位差的氫氣測量方法。
背景技術(shù)
氫氣是一種高效無污染的清潔能源在化工、冶金等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。氫氣具有無色無味、易燃易爆等特性，一旦達到了爆炸下限，即與空氣混合濃度為4％時，就會引發(fā)爆炸導(dǎo)致極為嚴重的后果。因此，對氫氣進行實時、準(zhǔn)確的測量是極為重要的。
目前氫氣傳感器主要有電化學(xué)傳感器、催化式傳感器、熱導(dǎo)式傳感器、光纖傳感器以及聲學(xué)傳感器等。電化學(xué)傳感器功耗低、精度高，但存在精度受環(huán)境因素影響、使用壽命不長等問題。催化式傳感器在氣體濃度高時存在燃爆等安全隱患。光纖式氣體傳感器檢測精度高、靈敏度高，但成本高。聲學(xué)傳感器具有可靠性高、工作壽命長和成本低等優(yōu)點。其中聲速氣體測量方法的聲氣體傳感器具有響應(yīng)速度快、低功耗以及檢測范圍寬等優(yōu)勢，在氣體檢測領(lǐng)域具有極大的潛力，但目前還沒有成熟的聲速氣體檢測產(chǎn)品，其原因在于聲速氣體檢測方法存在對溫濕度敏感以及相位差檢測精度低等問題。
超聲波氣體測量方法又稱飛行時間測量法，可以分為兩種形式，一種是絕對時間差法，另一種是相位差法。其中是絕對時間差法最為常用，這種測量方法存在兩個弊端。其一，絕對時差法采用脈沖式信號進行測量，因此需要較高的驅(qū)動頻率，需要高頻超聲波換能器探頭，且絕對時差法的驅(qū)動電路和測量電路較復(fù)雜。其二，絕對時差法直接測量超聲波換能器收發(fā)端的傳播時間，接收端脈沖組的第一個波的幅值受多方面因素影響，電壓閾值的設(shè)定存在較大誤差，這嚴重影響了時間測量精度。相位差法是絕對時差法的一種演變，利用測量信號的相位差反映時間差，具有體積小、成本低、時間分辨率高(可以達到納秒級別)等優(yōu)點，但是普通相位差法只能反映一個周期內(nèi)的時間差信息，相位差超過一個周期將會導(dǎo)致測量結(jié)果失真。因此如果能夠?qū)崿F(xiàn)多周期相位差測量將使相位差測量法具有極大優(yōu)勢。
而且，目前的超聲波相位差法的氫氣濃度測量范圍基本都是0-4％，使得目前的氫氣測量方法受到極大地制約。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決基于超聲波相位差法存在氫氣濃度檢測范圍小的問題。
基于超聲波雙頻相位差的氫氣測量系統(tǒng)，包括：
超聲波測量模塊，用于測量當(dāng)前環(huán)境下的氣體濃度，輸出為電信號；超聲波測量模塊包括超聲波換能器和雙通道超聲波測量結(jié)構(gòu)，雙通道是兩個在結(jié)構(gòu)和長度上完全一致的聲波導(dǎo)管，雙通道包括測量通道1、參比通道2；其中測量通道1與外界相通，用于進出待測氣體；參比通道2密封，內(nèi)部介質(zhì)為純凈空氣；
信號處理模塊，用于將超聲波測量模塊11輸出的電信號轉(zhuǎn)換為幅值的方波信號；
檢相模塊，用于將所述方波信號轉(zhuǎn)換為相位差信號；
微處理器，產(chǎn)生用于驅(qū)動超聲波換能器的頻率信號；以及根據(jù)檢相模塊傳遞的相位差信號進行雙頻相位差法數(shù)據(jù)處理，根據(jù)相位差信號的跨周期數(shù)N以及對應(yīng)的測量相位差確定氫氣濃度值；
超聲波驅(qū)動模塊，用于將微處理器發(fā)送的頻率信號進行放大并提供給超聲波測量模塊中的超聲波換能器。
進一步地，所述超聲波測量模塊輸出的電信號為正弦波信號。
基于超聲波雙頻相位差的氫氣測量方法，包括以下步驟：
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