一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置，采用1只收发一体式超声波换能器，通过发射信号经传感器管体另一侧内壁反射后，测量接收信号的传播时间来实现气体浓度测量，降低了超声波换能器的安装难度，减少了成本；同时通过内置的温度传感器来实现温度动态补偿，首先建立待测气体在两种浓度下的温度与声速补偿曲线；再根据当前实测温度，利用温度与声速补偿反推出两种浓度的待测气体在当前温度下的传播速度，并实时建立处浓度与传播速度的关系曲线；根据当前温度下的传播时间计算出传播速度，并带入实时曲线中即可计算出实时浓度，保证超声波氧气浓度传感器在不同温度下的测量准确性。
【专利说明】一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，钢铁冶金、石油化工、电力、造纸、生化制药等行业的快速发展所衍生的环 境污染问题对我国可持续发展带来了很大的压力，我们迫切的需要对其生产过程分析和控 制能力进行提升，节能减排已成为我国的国策。氧气作为工业生产燃烧过程中的助燃气体 和人类赖以生存的气体，对其浓度进行实时监测已经成为节能减排的重要手段之一。目前 用于监测氧气浓度的传感器大多通过其探头的电阻或电容变化来测定氧气浓度，易受外界 电磁波干扰，且因氧气易燃易爆的特性而存在安全隐患。
[0003] 现在提出了一种运用超声波技术来测量气体浓度的传感器，利用超声波在定长管 道的传播速度随介质浓度的变化而变化这一物理原理进行在线检测气体浓度。如中国专利 号201220685025. 6公开了一种超声波氧气传感器，在气室相对两侧壁上分别布置超声波 发射器和超声波接收器，通过交替发射接收，测量正反向传播时间来进行浓度测量。由于检 测气体浓度时，气体从管道的一端流入，另外一端流出，通过分别测量超声波在顺流和逆流 时的传播时间来得到声速VI和V2,从而得到在常温下（25°C)气体浓度。这种传感器需要 使用两个超声波换能器，并布置在相对两侧的特定位置，对其安装精度要求较高，同时增加 了成本；另外，这种测量计算方法的缺点在于没有考虑到温度的影响因素，测量结果不够准 确。
[0004] 中国专利号200880018174. 3公开了一种超声波式气体浓度测定方法及使用该方 法的装置，该方法根据对应于样品气体的温度和压力的修正传播速度系数B(Ta)，修正直到 该超声波换能器接收到超声波为止的传播时间，进而来测定样品气体中的特定成分气体的 浓度，选取几个特定温度，并将标绘出的点以二次近似曲线进行近似，将传播修正系数作为 温度的函数求出，该计算过程比较复杂。
[0005] 江苏大学电气信息工程学院的张红丽、和卫星等研制了一种新型超声波氧气浓度 计，结构与上述专利文件公开的传感器的结构相同，基于最小二乘曲面拟合的方法通过标 定氧气浓度与超声波传播时间和气体温度之间的函数关系计算氧气浓度，该方法综合考虑 了温度、超声波的传播速度（时间）的影响因素，建立了相应的函数关系式，但是该方法的 计算比较麻烦，计算过程也比较复杂。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法，其计算过程 简便，且结构也较为精确，同时提供一种使用该方法的测量装置。
[0007] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于温度补偿的超声波气 体浓度测量方法，包括如下步骤：
[0008] (1)测量当前的环境温度Tn及该温度下超声波在待测样品气体测量管内的传播时 丨司tTn;
[0009] (2)利用传播时间tTn通过公式C=L/t计算得出该温度下超声波在待测样品气 体中的传播速度CTn，其中，L为测量管的管长；
[0010] (3)根据公式n=k*C2+b计算当前温度下待测气体的浓度η,其中， k= (X-V)/(C^v% - ,b=iyClx% -XClJ/ (C^t% - ,cTn_x%^ 示当前温度下超声波在待测气体浓度为x%时的传播速度，CTn_y%表示当前温度下超声波在 待测气体浓度为y%时的传播速度。
[0011] CTn_x%和CTn_y%的计算过程如下：
[0012] i、分别建立待测气体在X%、y%浓度下超声波的传播速度L/t与温度T的线性 拟合曲线（L/t)x=kjT+bJ(L/t) y=ky*T+by;
[0013] ii、测量稳定温度a、b下超声波分别在x%、y%浓度下对应的传播时间：ta_x%、 tb-x%、ta-y%、tb_y%， 进而得到对应的传播速度L/ta_x%、L/tb_x%、L/ta_y%、L/tb_y%，将（a，L/ l%)、（b、L/tb_x%)代入公式（L/t)x=kx*T+bx即可得到对应的参数IijPbx;将（a，L/ ta-y%)、（b、L/tb_y%)代入公式（L/t)y=ky*T+by即可得到对应的参数ky和by;
[0014] iii、将温度1；代入上述对应公式即得CTn_x%和CTn_y%。
[0015] 本发明的超声波气体浓度测量装置，包括中空的测量管、收发一体式超声波换能 器及控制电路，测量管的侧壁上设有气体进口和气体出口，其特征在于：所述超声波换能 器设置于测量管的一个侧壁上，该测量管上还设有用于测量待测样品气体温度的温度传感 器；该超声波换能器的控制端与控制电路通信连接，超声波换能器的信号输出端与控制电 路的信号输入端连接。
[0016] 所述控制电路包括微处理器及与其连接的超声波换能器驱动电路和信号处理电 路，所述超声波换能器驱动电路通过用于切换超声波换能器收发状态的发射接收切换单元 与超声波换能器的控制端连接，所述信号处理电路的信号输入端与超声波换能器的信号输 出端连接。
[0017] 本发明基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法及测量装置采用1只收发一体 式超声波换能器，通过发射信号经传感器管体另一侧内壁反射后，测量接收信号的传播时 间来实现气体浓度测量，降低了超声波换能器的安装难度，减少了成本；同时通过内置的温 度传感器来实现温度动态补偿，首先建立待测气体在两种浓度下的温度与声速补偿曲线； 再根据当前实测温度，利用温度与声速补偿反推出两种浓度的待测气体在当前温度下的传 播速度，并实时建立处浓度与传播速度的关系曲线；根据当前温度下的传播时间计算出传 播速度，并带入实时曲线中即可计算出实时浓度，保证超声波氧气浓度传感器在不同温度 下的测量准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明基于温度补偿的超声波气体浓度测量装置结构原理图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
[0020] 如图1所示为本发明基于温度补偿的超声波气体浓度测量装置结构原理图，由图 可知，该装置包括中空的测量管、收发一体式超声波换能器1及控制电路，测量管的侧壁上 设有气体进口 2和气体出口 3,超声波换能器设置于测量管的一个侧壁上，该测量管上还设 有用于测量待测样品气体温度的温度传感器4 ;该超声波换能器的控制端与控制电路通信 连接，超声波换能器的信号输出端与控制电路的信号输入端连接。
[0021] 控制电路包括微处理器及与其连接的超声波换能器驱动电路和信号处理电路，超 声波换能器驱动电路通过用于切换超声波换能器收发状态的发射接收切换单元与超声波 换能器的控制端连接，信号处理电路的信号输入端与超声波换能器的信号输出端连接。
[0022] 现有超声波气体浓度传感器均采用2只超声波换能器，通过交替发射接收，测量 正反向传播时间来进行浓度测量。本发明则采用1只收发一体式超声波换能器，通过发射 信号经测量管管体另一侧内壁反射后，测量接收信号的传播时间来实现气体浓度测量，同 时通过内置的温度传感器来实现温度动态补偿，保证超声波气体浓度测量装置在不同温度 下的测量准确性。
[0023] 本发明的工作原理如下：在某一稳定的环境温度下，超声波气体浓度测量装置在 工作时，CPU首先把发射接收切换单元的发射模式打开，然后向超声波换能器驱动单元发射 驱动脉冲信号使超声波换能器发射超声波信号，并开始计时；间隔一定时间后，CPU把把发 射接收切换单元的接收模式打开，接收到的超声波信号通过信号处理单元产生中断触发信 号，CPU停止计时，计算出超声波传播时间，并根据管体长度L，按照公式C=L/t分别计算 出对应的传播速度C，而传播速度的平方与气体浓度成线性关系，再通过温度补偿实现对气 体浓度的计算。
[0024] 本发明基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法，包括如下步骤：
[0025] (1)测量当前的环境温度Tn及该温度下超声波在待测样品气体测量管内的传播时 丨司tTn;
[0026] (2)利用传播时间tTn通过公式C=L/t计算得出该温度下超声波在待测样品气 体中的传播速度CTn，其中，L为测量管的管长；
[0027] (3)根据公式n=k*C2+b计算当前温度下待测气体的浓度η,其中， k= (X-V)I(Cl_% -Cl_v%) ,b= -xCLv%) / (CtT% -C^1,%) ,cTn_x%^ 示当前温度下超声波在待测气体浓度为X%时的传播速度，CTn_y%表示当前温度下超声波在 待测气体浓度为y%时的传播速度。
[0028] CTn_x%和CTn_y%的计算过程如下：
[0029] i、分别建立待测气体在X%、y%浓度下超声波的传播速度L/t与温度T的线性 拟合曲线（L/t)x=kjT+bJ(L/t) y=ky*T+by;
[0030] ii、测量稳定温度a、b下超声波分别在X%、y%浓度下对应的传播时间：ta_x%、 tb-x%、ta-y%、tb_y%， 进而得到对应的传播速度L/ta_x%、L/tb_x%、L/ta_y%、L/tb_y%，将（a，L/ l%)、（b、L/tb_x%)代入公式（L/t)x=kx*T+bx即可得到对应的参数IijPbx;将（a，L/ ta-y%)、（b、L/tb_y%)代入公式（L/t)y=ky*T+by即可得到对应的参数ky和by;
[0031 ] iii、将温度1；代入上述对应公式即得CTn_x%和CTn_y%。
[0032] 下面以氧气浓度测量为例进行说明，但是能够利用本发明所测定的样品气体不限 于本实施例所示出的氧气及其混合气体，也适用于其他气体浓度的测量。
[0033] 待测气体为氧气时，该超声波气体浓度处理装置需要进行氧气在不同浓度和不同 温度下的温度与传播速度（时间）的曲线标定，通过标定后的温度与传播速度（时间）的 曲线实时建立出浓度与传播速度（时间）的关系曲线，可实现温度动态补偿功能，保证超声 波氧气浓度传感器在不同温度下的测量准确性。
[0034] 1.建立0%(即x=0)氧气浓度下的传播时间速度（时间）与温度补偿曲线，建 立方法为：分别在T1= 10°〇和T2= 40°C(即a= 10,b= 40,当然也可选择其他温度点） 的环境下测量出超声波的传播时间〖^^和t4(KI%，由于传播时间t与声速C、管长度L的关 系为：C=L/t，在气体介质下，声速与温度呈为线性关系，即相当于仏八八与温度为线性关 系，根据标定温度的测量数据可通过下述2点（Tl，L/t1(KI%)、（T2,L/t4(KI%)建立0%氧气 下L/t与温度T的线性拟合曲线（L/t)。=kQ*T+bQ;
[0035] 同样按照上述方法，在100% (即y= 100)氧气浓度下，在温度分别为T1= 10°C 和T2= 40°C(也可选择其他温度点）的环境下测量出超声波的传播时间t10-100%和t40_100%， 根据（Tl，L/t1Q_1(IQ%)、（T2,L/t4Q_1(IQ%)建立纯氧气下的（L/t)1QQ与温度T的线性拟合曲线 (L/t) 100 -k1(l(l*T+b100;
[0036] 2.在测量装置的实际工作过程中，首先测量出当前环境下的温度Tn及当前超声 波在测量管中传播时间tTn，并根据C=L/t计算出当前温度下的超声波传播速度CTn;然 后把温度Tj别代入到公式（L/t) Q=kQ*T+bQ和公式（L/t) k1(l(l*T+b1(l(l中，计算出当 前温度下0%氧气和1〇〇%氧气的传播速度(^_(|%和(^_1(|(|%，并自动建立出（匸1_ ()。/。，0%) 和（Ci_1TO%,l〇〇%)的线性拟合曲线n=k*C2+b，其中η表示浓度，C表示传播速度， k=100/(G_loo%- Ci_o%)，b=100 c^〇%HcL〇%-CL100%)，把当前温度 下计算出的超声波传播速度cTn带入到上述公式中即可计算出当前温度下的氧气浓度。
[0037] 本发明的温度动态补偿曲线方法也可适用于其他类型的超声波气体浓度传感器 测量装置。
[0038] 本发明是通过一个受控于CPU的发射接收切换单元来实现一体式超声波换能器 收发模式的切换，当然也可以采用其他的控制方式，例如采用一个超声波发射器和接收器 组合结构的换能器，采用一个模拟开关或是单刀双掷开关电路等结构进行切换控制的方 式，只要能够实现收发切换均属于本结构的变形。
[0039] 以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领 域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在【具体实施方式】 及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于温度补偿的超声波气体浓度测量方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 测量当前的环境温度Tn及该温度下超声波在待测样品气体测量管内的传播时间 ^Tn； (2) 利用传播时间tTn通过公式C=L/t计算得出该温度下超声波在待测样品气体中 的传播速度CTn，其中，L为测量管的管长；
3. -种使用权利要求1的超声波气体浓度测量方法的测量装置，包括中空的测量管、 收发一体式超声波换能器及控制电路，测量管的侧壁上设有气体进口和气体出口，其特征 在于：所述超声波换能器设置于测量管的一个侧壁上，该测量管上还设有用于测量待测样 品气体温度的温度传感器；该超声波换能器的控制端与控制电路通信连接，超声波换能器 的信号输出端与控制电路的信号输入端连接。
4. 根据权利要求3所述的超声波气体浓度测量装置，其特征在于：所述控制电路包括 微处理器及与其连接的超声波换能器驱动电路和信号处理电路，所述超声波换能器驱动电 路通过用于切换超声波换能器收发状态的发射接收切换单元与超声波换能器的控制端连 接，所述信号处理电路的信号输入端与超声波换能器的信号输出端连接。
【文档编号】G01N29/024GK104483380SQ201410795161
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】刘东旭, 赵静涛, 陈军, 朱金明, 李珂 申请人:郑州光力科技股份有限公司