基于超声检测的新型二元混合气体传感器

王 飞，吴国贵，和卫星

(江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

基于超声检测的新型二元混合气体传感器

王 飞，吴国贵，和卫星

(江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013)

目前，国内气体浓度流量传感器存在混合气体的浓度、流量计量准确度低的问题。为解决该问题，在深入研究超声波气体流量计测量原理的基础上，准确分析了超声波计量二元混合气体浓度、流量的影响因子，提出了一种基于超声检测的新型二元混合气体传感器设计方案。以TMS320VC5402 DSP作为控制芯片，简化了硬件设计，提高了数据处理能力。采用信号有效范围检验方法，利用高精度A/D采集超声波回波信号，并运用拉伊达准则去除信号噪声。基于能量阈值法的基峰确定过零检测方法，可准确检测超声波过零点，精确计算超声波传播时间。结合理想气体状态方程等理论，计算、分析了二元混合气体浓度和流量。给出了新型二元混合气体传感器及实施方案，并对氧气、氮气组成的二元混合气体进行了试验验证。试验结果表明，该设计方案的浓度误差小于1%，流量误差小于1.2%。

超声波； 传感器； 流量计； 二元混合气体； 数字信号处理器； 过零检测

0 引言

二元混合气体的浓度和流量检测在工业生产过程中极其重要。目前，气体浓度和流量检测方法有多种。其中，超声波检测法凭借其非接触性测量、压损小、测量范围宽等优点，越来越广泛地被运用在工业和贸易计量、医疗等领域[1]。医院使用的制氧设备中，需要根据病人情况提供适当浓度和流量的氧气，一般使用氧气和氮气的二元混合气体。

与液体相比，气体的易压缩性决定了其浓度和流量测量的复杂性。超声波在气体中传播时,会携带气体的信息。因此，通过提取在气体中传播的超声波信号，就可以分析出气体的浓度和流量[2]。传统超声二元混合气体检测的可靠性和灵敏度不高。随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，通过采集有效的超声回波信号并进行相应信号处理，可以提高测量精度和可靠性[3-4]。普通气体传感器采用现场标定的方法提高测量精度，但在实际应用中仍需根据不同的检测要求进行研究，而检测环境的差别使得测量精度难以提高。对此，本文提出了一种无需现场标定的新型二元混合气体传感器的设计方案。该方案具有理论和实际应用意义。

1 检测原理

本文采用超声时差法测量二元混合气体的浓度和流量。改进型时差法测量原理如图1所示。图1中：L为管道长度；d为管道直径。气体由换能器A流入、换能器B流出，尽可能地保证了超声信号与气体流动方向平行[4-5]，在一定程度上减少了超声信号在传播过程中的衰减，且能得到足够的声程和相对稳定的超声幅值。

图1 测量原理图

由图1可得，超声波的传播时间为：

(1)

(2)

1.1 浓度测量原理

由式(1)和式(2)可知，二元混合气体的平均声速为：

(3)

设二元混合气体a和b的的浓度分别为n和1-n；气体a、b的定压比热和定容比热分别为Cpa、Cpb和Cva、Cvb；Ma和Mb为相对分子质量；R为摩尔气体常数；T为温度。浓度计算公式[6]如下：

An2+Bn+C=0

(4)

由声速、温度和已知气体参数，可求解方程的3个系数。气体浓度n的范围为0≤n≤1。方程有唯一解，从而求得n。

1.2 流量测量原理

由式(1)与式(2)，可以求出气体线平均流速v。为了得到气体的管道截面平均流速，还需知道流速的修正系数。其由管道剖面的速度分布导出。管道内氧气的线平均流速v与面平均流速vi的关系[7-8]为：

(5)

K值由雷诺数Re确定[9-10]，vi为流体的面平均流速，由此可知定长为L的管道内的气体流量为：

(6)

2 系统设计

系统以TI公司TMS320VC5402数字信号处理器(digital signal processing,DSP)为核心，硬件设计原理如图2所示。

图2 硬件设计原理图

首先，将DSP产生的脉冲方波设置为激励信号，超声脉冲宽度为超声信号周期的一半。对信号进行低通滤波和功率放大后，将送至发送端的超声波换能器，以产生超声波信号。接收端通过1个多路模拟开关来选择接收正程信号或逆程信号；对接收到的信号进行放大和模拟带通滤波后，采用有效信号范围来控制信号的开始采集时间点。模数转换器(analog to digital converter,ADC)模块开始采样超声回波信号，通过直接存储器(direct memory access,DMA)对采样结果进行数据搬运；然后，通过小波变换对采集的数据进行去噪和粗大误差去噪；采用基于能量阈值确定基峰的过零检测方法，确定信号的时间基准点，并由此确定正程信号或逆程信号的超声传播时间。DSP的通用输入/输出(general purpose input output,GPIO)口接收并存储温压传感器传来的二元混合气体实时温度和压力数据，再计算出二元混合气体传感器的实时气体浓度和流量。

3 超声波传播时长检测

由气体传感器的测量原理可知，获取准确的超声波传播时长和实时温度是提高气体浓度和流量测量精度的关键[11]。温度可由温压传感器模块获取，超声传播时长则由基于能量阈值确定基峰的过零检测法得到。

3.1 有效信号采集

超声信号从发射端向接收端传播时，由于传播距离已知，且传播速度在一定范围内，所以可以预计信号到达接收端的时间，并确定有效信号到达的时间范围，从而实现有效信号采集。有效信号采集原理如图3所示。

图3 有效信号采集原理图

根据超声波在空气中的传播速度和两端超声波换能器之间的距离，可估算出超声波在气体中的传播时间。在70%传播时间处切换模拟开关，打开接收信号通道，可以防止发射端的激励脉冲给接收端带来的干扰，也在一定程度上去除了一些在有效信号未到时产生的干扰。将70%～80%的传播时间设置为噪声范围。此时噪声含有模拟开关及其相关信号调理器件延时带来的干扰。从此处开始采集超声信号。为便于计算，预采集约10个超声波进行基峰提取及确定到达时刻。在1.4倍传播时间处关闭信号接收通道。

3.2 数据处理

(7)

3.3 时间确定

确定超声回波的基峰是求取传播时间的前提[16]。本文采用能量阈值法来确定接收到的超声波基峰。基峰分析原理图如图4所示。

图4 基峰分析原理图

设信号从起振开始，在第四个周期到达最高峰。首先，对每个周期的所有采样点幅值求平方和，得到4个周期的能量E1、E2、E3、E4；然后，设定1个根据波形情况可变的阈值，从第一个周期开始判断，找出与阈值差距最小的周期。超声波过零检测如图5所示。

图5 过零检测示意图

在找到合适的基峰之后，先设置基峰数据中第一个过零点为P1，P1后一个点P2是基峰的第二个过零点，P1前一个点P3在零点之下。对P1、P2、P3进行曲线拟合，求出拟合曲线的过零点P0，并根据采样频率计算出P0点对应的时刻。

设从发射激励脉冲到开始信号采集的时间为T1，从开始信号采集到过零点P0的时间为T2，曲线拟合的时间误差为T3，相关信号调理电路和超声波换能器的延时时间为T4。则超声传播时间为：

T=T1+T2+T3+T4-n×Tf

(8)

式中：n为基峰前的超声波周期数；Tf为超声波换能器发出的超声波周期。

4 试验验证

利用本文的方法，对目前市场上使用的某超声波氧传感器的浓度和流量检测进行试验验证。首先,将氧气和氮气的二元混合气体介质通过标准氧分析仪,并以测出的氧气浓度和流量值作为理论数据；然后,将介质通过氧传感器,并以测出的浓度和流量值作为实测数据；最后，将理论数据与实测数据进行对比。

氧传感器管径为80 mm，长度为12 cm。超声波换能器采用减小超声传播衰减的两端平行安装方式，中心频率为200 kHz。根据传感器测量原理，采用本文提出的方法，测出超声正程传播时长、逆程传播时长、温度和压力值，并按照相应算法求出传感器测出的浓度和流量值。对比氧传感器和浓度与标准氧分析仪分别测得的氧气浓度和流量，误差分析如图6所示。图6表明，采用该方法所测得的氧气浓度和流量值与标准氧分析仪示数值相比，误差很小。

图6 误差分析图

5 结束语

本文提出了一种无需现场标定的二元混合气体传感器设计方案。该传感器可实时测出混合气体的温度、压力、浓度和流量。利用DSP的数据处理能力，确保了系统方案的稳定性和可靠性。采用基于能量阈值法的基峰确定的过零检测方法，消除了传统硬件过零检测法带来的误差，能精确获取超声传输时间。重点对二元混合气体的浓度和流量算法进行了分析，给出了二元混合气体传感器的设计方案和超声传播时长的精确检测。对介质为氧气和氮气的二元混合气体的超声氧传感器进行了试验验证。试验结果表明，其测出的浓度误差小于1%、流量误差小于1.2%，能满足实际应用需要。该设计方案还可以推广应用于多元混合气体的检测，具有理论和实际应用意义。

[1] 李广峰，刘芳，高勇.超声波流量计的高精度测量技术[J].仪器仪表学报，2001，22(6):644-647．

[2] 房曙光.小波时频分析方法在超声波信号处理中应用[D].济南：山东大学,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] 汪飞，宋天添.新型医用超声波氧气流量计[J].电子测量技术，2015,38(12):100-103.

[5] 赵刚.基于DSP的时差法气体超声波流量计的设计[D].天津：河北工业大学，2014.

[6] 陈渊.基于改进阈值函数的提升小波变换超声信号去噪研究[J].组合机床与自动化加工技术,2010(9):48-51.

[7] 王明伟，姚展.一种二元混合气体浓度超声测量仪的设计[J].计算机测量与控制，2010，18(12):2908-2910．

[8] ZHU W J，XU K J，FANG 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] 陈建，孙晓颖，林琳，等.一种高精度超声波到达时刻的检测方法[J].仪器仪表学报，2012，33(11):2422-2428．

[10]王雪峰.基于时差法气体超声波流量计的关键技术研究[D].大连:大连理工大学,2011.

[11]陈益,李书.改进的小波阈值消噪法应用于超声信号处理[J].北京航空航天大学学报,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]汪伟.基于可变阈值过零检测的气体超声波流量计信号处理方法与实现[D].合肥：合肥工业大学,2015.

[14]张兴红,向凤云,张天恒,等.超声波传输时间精密测量方法及应用研究[J].中国机械工程,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]刘守山,杨辰龙,李凌,等.基于自适应小波阈值的超声信号消噪[J].浙江大学学报(工学版),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

王飞(1992—)，男，在读硕士研究生，主要从事电子信息系统及智能传感器设计方向的研究，E-mail：137223865@qq.com；和卫星(通信作者)，男，博士，教授，主要从事控制理论与控制工程、计算机检测与控制等方向的研究，E-mail： 43434810@qq.com

TH7;TP212

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712018