基于超声波的流量和浓度的复合检测系统

魏立峰，牟 舫，王庆辉

(沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳 110142)

0 引言

超声波测量法广泛应用于超声波流量计或超声波气体浓度传感器中。超声波气体流量计因为其具有计算精度高、稳定性好、应用范围广等许多优点，在工业上或医学上获得越来越广泛的应用[1]。超声波气体浓度传感器因为其具有抗干扰、测量准确、性价比高等优势，被广泛应用在生产实践的不同方面，例如燃烧效率控制，工业控制，食品行业，医疗器械，汽车电子等[2]。

然而，目前国内外的超声波流量计和超声波气体浓度传感器都是一种单一的测量仪器，仅仅能够单独测量气体流量或浓度，其中一些传感器是采用电镀或陶瓷材料制成的，所以需要频繁的校准、产品寿命短、反应时间长、能量消耗大[3]。一些是利用热敏电阻测量温度变化，导致测量误差大[4]。还有一些是超声波的管柱小，只允许少量气体进入，低速下无法测量[5]。文中提出一种新型的超声波气体检测系统，采用温度补偿、回波信号处理、误差分析等技术，提高了测量精度，与传统的检测系统相比，该复合检测系统可以同时监测氧气的浓度和流量，能够满足制氧机行业应用的检测需要，具有较低的成本和较高的准确性，并且高效节能、校准简单。

1 系统总体方案设计

检测系统原理框图如图1所示。该检测系统由超声波换能器、电子线路和计算系统组成。超声波换能器能够将电能转换成超声波能量，通过发射超声波使其穿过被测气体，并由接收换能器接收超声波信号，经电子线路放大并转换成所代表的流量和浓度的电信号，通过计算得到气体流量与浓度。该设计利用相同距离超声波在气体中顺流、逆流传播时间的差异与被测气体的流速和浓度有关，根据测出的时间差异计算气体的流量和浓度。

图1 检测系统原理框图

2 系统硬件设计

设计的硬件部分主要由微处理器电路、信号调整电路、开关转换电路、温度补偿电路、液晶显示电路等部分组成。

2．1超声波发生器

超声波的发射与接收需要一种电—声之间的能量转换装置，即换能器。超声换能器(超声传感器)，是超声波检测系统的重要组成部分。换能器处在发射状态时，将依次实现电能—机械能—声能的转化。反之，则依次完成声能—机械能—电能的转化。为了研究和应用超声波，发明并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电式超声波发生器[6]。该设计采用的就是压电式超声波发生器。

检测系统流程图如图2所示，超声波发生器被激发后发出的超声波经过放大滤波整形等数字信号处理后传播到对面的第二换能器，第二换能器检测到入射波，此时改变角色，第一换能器作为接收器接收波形。

图2 检测系统硬件结构图

2．2系统硬件电路

该复合检测系统采用的信号调整电路如图3(a)所示，为了提高采集的微弱信号和降低输出阻抗，采用了先放大后比较的方式，其中AD623对信号进行放大，LM393比较器实现对信号的比较输出。

放大电路的各个关系如式(1)所示：

(1)

式中RF=R7=4.7 kΩ；Rf=R9=3 kΩ。整理得到：

Uo=2.5Ui

(2)

这样通过放大电路将采集的信号放大2.5倍，即将电压为0～2 V的波形放大为电压为0～5 V的波形。采用谐振电路，减小了采样信号的波动幅度，提高了采样的准确度。

2．3开关转换电路

该部分的作用是完成2个超声波探头发射、接收电路的切换。如图3(b)所示，采用了三通道模拟开关(74HC4053)，根据不同的需要设置选择不同的通道。此模拟开关带有一个使能输入E，2个独立的输入输出(nY0，nY1)，1个共同的输入输出(nZ)和3个数字选择输入(SN)。当E为低电平时，开关处于低阻状态，将通道由S1切换到S3；当E为高电平时，所有开关处于高阻状态。模拟开关的频率高达1 000 Hz，对信号的影响比较小。

(a)信号放大电路

(b)切换控制电路

3 算法设计

超声波传播时间计算。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用计数器T1记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，使得INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，并利用式(3)、式(4)计算浓度和流量。计算系统框图如图4所示，校准过程中，微处理器将已知的气体浓度定为零流量，在EEPROM中计算并存储气体浓度偏移量和零流量偏移量[7]。在正常操作期间，微处理器读取存储在EEPROM中的偏移信息和温度补偿信息，然后使用该信息来计算补偿后的气体流量和浓度。

图4 计算系统框图

微处理器计算氧气浓度公式：

P=C1T+C2O1+C3(TFB)

(3)

计算氧气流量的公式：

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

(4)

式中：C1，C2，C3，C4，C5为超声组建的常数；T为气体的温度；TFB为通过传感器腔的往返时间；TF为在2个传感器之间向前的方向传输时间；TB为在2个传感器之间反方向传输时间；O1、O2为确定校准值偏移量。

超声波是一种声波，它的传播速度与气体密度有关，密度越大，传播的速度越快，气体的密度又与温度有关，所以温度变化影响声速变化。由于氧气浓度受密度的影响，所以超声波发生器中的氧浓度受温度的直接影响[8]。如式(6)所示，当温度为0 ℃时，超声波在氧气中的传播速度为v=316 m/s；当温度为27时，v=332 m/s；当温度为37℃时，v=338 m/s；声速变化6 m/s，若在37 ℃时以27 ℃时的声波测量，就使氧气浓度误差很大，所以要实现高精度的测量，必须进行温度补偿。

由温度补偿公式：

(5)

由泰勒公式展开近似计算公式：

v=316+0.6067T-0.000 5T2

得出

v=316+0.607×T(℃)

(6)

v=C3(TFB)+C

(7)

式中：v为声波传播速度；C为常数；v与TFB呈线性关系。

硬件电路如图5所示，由于电路设计比较简单，所以需要可靠的软件设计来支持。软件设计包括两部分：温度值的测定和结果的修正。单片机读取DS18B20 所测得的温度，根据此温度修正声速，计算得到氧浓度值。对此数值进行滤波处理，每8次数据排序，去掉最大和最小值，取中间6个数据求平均值，和温度数值一起送给CPU，根据往返时间计算结果并显示[9]。

图5 DS18B20温度补偿硬件电路图

4 超声波氧浓度传感器软件设计

系统软件程序主要是采用C语言进行编写，采用模块化结构设计，软件主要由主程序和中断服务子程序两部分组成。如图(6)所示，主程序完成初始化、超声波波形的发射和接收。初始化程序主要包括：时钟模块初始化，模数转换ADC初始化，串口初始化，I/O端口初始化等。定时中断服务子程序主要完成两方向超声波的轮流发射，而外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、流量和浓度的计算、结果的输出等工作。

图6 软件设计流程图

5 结果验证

采用精度高达2%的气流分析仪Certifier FA Plus进行标定，通过Certifier FA Plus气流分析仪记录实际的氧气浓度和流量，将计算值与测量的实际值进行比较，计算出误差。验证结果如表1、表2所示。

为了保证传感器的准确度，需要进行定期维护与校验，通常采用高精度的超声波气体传感器进行直接对比，利用所测数据计算相对误差，修正系数，温度补偿后使测量误差减小到最低，由表1和表2可知该设计的氧气浓度误差在2%之内，氧气流量误差在5%之内，满足制氧机的测量要求。

表1 氧气浓度验证表(补偿后) %

表2 氧气流量验证表

6 结束语

该超声波复合检测系统具有以下优点：该系统将测试环境发生装置、检测、数据采集、分析、显示集于一体，减少了人工测量误差，提高工效，降低成本，完全满足科研或生产对气体传感器测试的要求。该设计利用温度传感器进行温度补偿，提高了测量精度，具有很大的优越性。

参考文献：

[1]陈伦琼．氧气浓度检测仪在高压开关站中的应用，2012(12)：61-66．

[2]李文峰，褚伟．基于网络平台的矿用便携式氧气浓度监测仪．西安科技大学，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]王鸿建，唐茂峰，汪学明，等．超声波气体流量计的研制．工矿自动化，2012(5)：63-65．

[6]陈勇，孟凡伟，郭虎成．基于超声波传感器新技术的应用．电子设计工程，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]庞晓峰，梁吉坤．医用制氧机控制程序开发及氧气浓度检测：[学位论文]．西安：电子科技大学，2007：32-38．