一种氢气浓度检测装置及方法

本发明涉及氢能源，尤其涉及一种氢气浓度检测装置及方法。

背景技术：

1、氢能绿色环保可再生、来源广泛，且适应大规模储存，在温室效应日渐加剧，化石能源即将耗竭的今天，广受青睐。但氢能与常规能源相比，具有易燃易爆的特性，因此对氢气浓度进行准确估测与监测是至关重要的。

2、目前，传统的氢气浓度估测方法往往存在响应速度慢以及准确度低的问题，因此亟待提出一种能够快速准确检测氢气浓度的装置及方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种氢气浓度检测装置及方法，用以解决现有氢气浓度估测响应速度慢以及不准确的技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种氢气浓度检测装置，包括可编程信号发生器、声学谐振腔、乘法模块、低通滤波模块、采样模块、控制模块和温度传感器；

3、其中，所述可编程信号发生器分别与所述控制模块、所述声学谐振腔和所述乘法模块连接，所述声学谐振腔与所述乘法模块连接，所述乘法模块与所述低通滤波模块连接，所述低通滤波模块与所述采样模块连接，所述采样模块与所述控制模块连接，所述温度传感器与所述控制模块连接；

4、所述控制模块用于在接收到氢气浓度检测指令时输出浓度检测信号至所述可编程信号发生器；

5、所述可编程信号发生器用于在接收到所述控制模块发送的所述浓度检测信号时生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，并将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至所述乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至所述声学谐振腔；

6、所述声学谐振腔用于将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播，接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块；

7、所述乘法模块用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号，采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到正弦响应电信号；

8、所述低通滤波模块用于滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

9、所述采样模块用于对滤除高频干扰信号后的所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样并将采样结果传输至所述控制模块；

10、所述控制模块还用于对所述采样结果进行分析，得到幅频信息；

11、所述温度传感器用于对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

12、所述控制模块用于将所述待测空间温度信息和所述幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，得到氢气浓度估计值。

13、可选的，所述声学谐振腔包括输入换能器和输出换能器；

14、其中，所述输入换能器的输入端与所述可编程信号发生器的输出端连接，所述输入换能器的输出端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输入端与所述氢气浓度待测空间连接，所述输出换能器的输出端与所述乘法模块的输入端连接；

15、所述输入换能器用于将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在所述氢气浓度待测空间内进行传播；

16、所述输出换能器用于接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至所述乘法模块。

17、可选的，所述乘法模块包括第一乘法器和第二乘法器；

18、其中，所述第一乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第一乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接，所述第二乘法器的输入端分别与所述可编程信号发生器和所述输出换能器连接，所述第二乘法器的输出端与所述低通滤波模块的输入端连接；

19、所述第一乘法器用于采用所述余弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进幅度调节得到所述余弦响应电信号；

20、所述第二乘法器用于采用所述正弦电流反馈信号对所述激励响应电信号进行幅度调节得到所述正弦响应电信号。

21、可选的，所述低通滤波模块包括第一巴特沃斯滤波器和第二巴特沃斯滤波器；

22、其中，所述第一巴特沃斯滤波器的输入端与所述第一乘法器的输出端连接，所述第一巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输入端与所述第二乘法器的输出端连接，所述第二巴特沃斯滤波器的输出端与所述采样模块的采样端连接；

23、所述第一巴特沃斯滤波器用于滤除所述余弦响应电信号中的高频干扰信号；

24、所述第二巴特沃斯滤波器用于滤除所述正弦响应电信号中的高频干扰信号。

25、可选的，还包括用于显示所述氢气浓度估计值的lcd显示器。

26、本发明还提供一种氢气浓度检测方法，应用于上述任意一种实现方式中的氢气浓度检测装置，所述氢气浓度检测方法包括：

27、根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号；

28、通过所述可编程信号发生器将所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号输出至乘法模块，将所述正弦电流反馈信号或所述余弦电流反馈信号输出至声学谐振腔；

29、基于声学谐振腔将所述余弦电流反馈信号或所述正弦电流反馈信号转换为超声波，以使所述超声波在氢气浓度待测空间内进行传播；

30、采用声学谐振腔接收经传播后的所述超声波，并将所述超声波转换为激励响应电信号后传输至乘法模块；

31、采用所述余弦电流反馈信号和所述正弦电流反馈信号分别对所述激励响应电信号进幅度调节得到余弦响应电信号和正弦响应电信号；

32、通过低通滤波模块滤除所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号中的高频干扰信号；

33、基于采样模块对所述余弦响应电信号和所述正弦响应电信号进行采样，以使控制模块对采样结果进行分析，得到幅频信息；

34、通过温度传感器对所述氢气浓度待测空间的温度值进行检测，得到待测空间温度信息，并将所述待测空间温度信息传输至所述控制模块；

35、根据所述待测空间温度信息、所述幅频信息和所述控制模块内预设的氢气浓度计算模型对氢气浓度进行计算，得到氢气浓度估计值。

36、可选的，所述根据控制模块发送的浓度检测信号，采用可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号之前，还包括：

37、获取变温恒气密封箱；

38、对所述变温恒气密封箱内的氢气温度和氢气压力进行实时监测；

39、将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱；

40、改变所述氢气温度和所述氢气压力并不断采集所述变温恒气密封箱内所述测试激励电信号的反馈电信号；

41、记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据；

42、根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型。

43、可选的，所述根据氢气的幅频特性和所述多组测试数据建立氢气浓度计算模型包括：

44、根据氢气的幅频特性和k-近邻算法建立关于氢气浓度的初始模型；

45、采用所述测试数据对所述初始模型进行训练和学习，得到所述氢气浓度计算模型。

46、可选的，所述将测试激励电信号转化为超声波信号后输出至所述变温恒气密封箱之前，还包括：

47、采用巴特沃斯低通滤波器滤除所述测试激励电信号中的干扰信号；

48、采用宽带放大电路对滤除干扰信号后的所述测试激励电信号进行放大增益。

49、可选的，所述记录所述反馈电信号对应的中心频率对应幅值以及所述中心频率对应幅值对应的所述氢气温度值和所述氢气压力值，得到多组测试数据包括：

50、通过低通放大电平调整电路对所述反馈电信号进行干扰滤除与放大，得到目标反馈测试信号；

51、通过ad采样电路对所述目标反馈测试信号进行采样，获得幅度相位信息；

52、对所述幅度相位信息进行分析，得到所述中心频率对应幅值；

53、记录所述中心频率对应幅值及对应的所述温度值和所述氢气压力值，得到多组所述测试数据。

54、采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的氢气浓度检测装置通过控制模块控制可编程信号发生器生成正弦电流反馈信号和余弦电流反馈信号，再将正弦电流反馈信号或余弦电流反馈信号中的一个作为激励信号，通过声学谐振腔转换为超声波后输出至氢气浓度待测空间内，声学谐振腔接收传播后的超声波并转换为激励响应电信号，基于乘法模块，采用余弦电流反馈信号对该激励响应电信号进行幅度调节得到余弦响应电信号，采用正弦电流反馈信号对该激励响应信号进行幅度调节得到正弦响应电信号，通过低通滤波模块滤除余弦响应电信号和正弦响应电信号中的高频干扰信号，并基于采样模块对余弦响应电信号和正弦响应电信号进行采样分析，得到幅频信息，再通过温度传感器对氢气浓度待测空间的温度进行检测，得到温度信息，将温度信息和幅频信息输入预设的氢气浓度计算模型，即可得到氢气浓度估计值，本发明通过机器学习模型结合氢气幅频特性对氢气浓度进行检测，可以实现对氢气浓度的实时监测和快速响应，且监测的氢气浓度值更加准确。