本发明涉及瓦斯气体浓度测量技术领域，特别涉及一种瓦斯气体浓度测量系统及方法。
背景技术：
瓦斯是煤矿开采中常见的气体，严重影响着煤矿的安全生产。针对如何准确监测瓦斯浓度是预防瓦斯爆炸技术的一个关键问题。目前，煤矿井下常用的瓦斯检测传感器大多使用是催化传感元件，其检测浓度范围较小，测量结果稳定性较差。因此，科研人员对此展开了大量新的研究。例如，《煤炭学报》的2006第31卷中，文献《基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器的实验》中研制了基于红外光谱吸收原理的红外瓦斯传感器。《中北大学学报(自然科学版)》的2008年第29卷中，文献《基于光谱吸收和谐波检测的瓦斯浓度测量技术》中提出了一种瓦斯特征光谱吸收特性和二次谐波检测原理的煤矿瓦斯监测方法。《压电与声光》的2010年第4期《基于声学谐振腔的新型瓦斯气体传感器的研究》一文中，提出了一种基于声学谐振腔的瓦斯气体传感器，通过压电谐振腔的谐振频率的偏移量检测混合气体中瓦斯气体的含量。
但是目前的测量技术普遍存在结构复杂、测量可靠性不高的问题。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种瓦斯气体浓度测量系统及方法，用以解决现有技术中存在的问题。
一种瓦斯气体浓度测量系统，包括检测管道，所述检测管道的两端分别为入口端和出口端，所述入口端具有两个接口，分别为第一入口接口和第二入口接口，所述出口端也具有两个接口，分别为第一出口接口和第二出口接口；所述第一入口接口上通过管道与入口阀门连接，所述第一出口接口通过管道与出口阀门连接，所述检测管道内部固定安装有双开孔采样球，所述双开孔采样球为中空结构，其表面具有两个采样通孔；
所述第二入口接口安装有第一波导管，扬声器安装在所述第一波导管的末端，所述扬声器的输入端与函数发生器的输出端连接，所述函数发生器的输入端与计算机的usb接口连接；
所述第二出口接口上安装有第二波导管，传声器安装在所述第二波导管的末端，所述传声器的输出端与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器的输出端与所述计算机的另一usb接口连接；
所述计算机包括正弦波形发生模块和数据处理模块；
所述正弦波形发生模块用于产生扫描频率点指令帧，然后通过usb接口将扫描频率点指令帧传输到所述函数发生器，所述函数发生器接收到扫描频率点指令帧后提取帧中的频率数据，以该频率数据生成正弦波信号，该正弦波信号驱动所述扬声器发声；
所述数据处理模块用于通过所述计算机的usb接口向所述数据采集器发送采集启动帧，所述数据采集器接收到该采集启动帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集器将采集的数据通过usb接口传输到所述计算机的数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；所述数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从采集数据中找出每个频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率fr，将谐振频率带入公式算出待测气体中的瓦斯浓度；
具体地，所述数据处理模块的计算过程为：
所述双开孔采样球内部腔体的有效体积v为内部球体体积减去两个采样通孔的体积：
其中，ri为所述双开孔采样球的内半径，a为所述采样通孔的半径；
根据声学原理，所述双开孔采样球球形腔体中的瓦斯气体的声容为ca，则有：
考虑所述采样通孔两端修正情况，所述采样通孔的有效长度均为：
其中，ro为所述双开孔采样球的外半径；
所述采样通孔的声感为：
其中，ρ为待测瓦斯气体的密度；
将两个所述采样通孔的声感视为并联情况，则总声感为：
根据谐振电路规律，所述双开孔采样球的谐振频率为：
其中，c为声音在待测瓦斯气体中的传播速度；
待测瓦斯气体中的声速满足：
其中，p为气体压强，γ是待测瓦斯气体的比热容比，则：
γ＝(1-x)γk+xγw(8)
其中，x为待测瓦斯气体的百分含量，γk为空气的比热容比，γw为瓦斯气体的比热容比；
待测瓦斯气体的密度：
ρ＝(1-x)ρk+xρw(9)
其中，ρk为空气的密度，ρw为瓦斯气体的密度；
将式(7)、式(8)和式(9)带入式(6)，可得
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率fr,通过式(10)即可获得所述双开孔采样球内待测瓦斯气体的百分含量。
优选地，所述双开孔采样球使用热熔胶固定安装在所述检测管道中。
优选地，所述第二出口接口的端面上安装有完全匹配层，所述完全匹配层上安装有所述第二波导管。
优选地，所述正弦波形发生模块按照步进更改扫描频率点，待扫描完成设定的频率范围后所述正弦波形发生模块向所述函数发生器发送停止发声指令帧，以控制所述扬声器停止发声。
优选地，待所述正弦波形发生模块扫描完成设定的频率范围后，由所述数据处理模块向所述数据采集器发送停止采集指令帧，所述数据采集器接收到该停止采集指令帧后停止数据采集。
本发明还提供了一种瓦斯气体浓度测量方法，包括：
同时打开入口阀门和出口阀门，使待测瓦斯气体进入双开孔采样球中，采样完成后关闭入口阀门和出口阀门，其中，所述入口阀门和出口阀门分别安装在检测管道的第一入口接口和第一出口接口上，所述检测管道还具有第二入口接口和第二出口接口，所述第二入口接口上安装有第一波导管，所述第一波导管末端安装有扬声器，所述扬声器的输入端与函数发生器的输出端连接，所述函数发生器的输入端通过usb接口与计算机连接；所述第二出口接口上安装有第二波导管，所述第二波导管末端安装有传声器，所述传声器的输出端与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器的输出端通过usb接口与所述计算机连接，所述计算机包括正弦波形发生模块和数据处理模块；
所述正弦波形发生模块产生扫描频率点指令帧，然后通过usb接口将扫描频率点指令帧传输到所述函数发生器，所述函数发生器接收到扫描频率点指令帧后提取帧中的频率数据，以该频率数据生成正弦波信号，该正弦波信号驱动所述扬声器发声；
所述数据处理模块通过所述计算机的usb接口向所述数据采集器发送采集启动帧，所述数据采集器接收到该采集启动帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集器将采集的数据通过usb接口传输到所述计算机的数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；所述数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从采集数据中找出每个频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率fr，将谐振频率带入公式算出待测气体中的瓦斯浓度；
具体地，所述数据处理模块的计算过程为：
所述双开孔采样球内部腔体的有效体积v为内部球体体积减去两个采样通孔的体积：
其中，ri为所述双开孔采样球的内半径，a为所述采样通孔的半径；
根据声学原理，所述双开孔采样球球形腔体中的瓦斯气体的声容为ca，则有：
考虑所述采样通孔两端修正情况，所述采样通孔的有效长度均为：
其中，ro为所述双开孔采样球的外半径；
所述采样通孔的声感为：
其中，ρ为待测瓦斯气体的密度；
将两个所述采样通孔的声感视为并联情况，则总声感为：
根据谐振电路规律，所述双开孔采样球的谐振频率为：
其中，c为声音在待测瓦斯气体中的传播速度；
待测瓦斯气体中的声速满足：
其中，p为气体压强，γ是待测瓦斯气体的比热容比，则：
γ＝(1-x)γk+xγw(18)
其中，x为待测瓦斯气体的百分含量，γk为空气的比热容比，γw为瓦斯气体的比热容比；
待测瓦斯气体的密度：
ρ＝(1-x)ρk+xρw(19)
其中，ρk为空气的密度，ρw为瓦斯气体的密度；
将式(7)、式(8)和式(9)带入式(6)，可得
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率fr,通过式(20)即可获得所述双开孔采样球内待测瓦斯气体的百分含量。
优选地，所述正弦波形发生模块按照步进更改扫描频率点，待扫描完成设定的频率范围后所述正弦波形发生模块向所述函数发生器发送停止发声指令帧，以控制所述扬声器停止发声。
优选地，待所述正弦波形发生模块扫描完成设定的频率范围后，由所述数据处理模块向所述数据采集器发送停止采集指令帧，所述数据采集器接收到该停止采集指令帧后停止数据采集。
本发明的有益效果在于：1、本发明采用了一体化设计，结构简单，设计新颖合理，实现方便；
2、本发明可以有效提高瓦斯气体浓度测量的可靠性；
3、本发明也适合于其他气体浓度测量，实用性强，推广应用价值高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种瓦斯气体浓度测量系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明实施例提供了一种瓦斯气体浓度测量系统，包括检测管道100，所述检测管道100的两端分别为入口端和出口端，所述入口端具有两个接口，分别为第一入口接口和第二入口接口，所述出口端也具有两个接口，分别为第一出口接口和第二出口接口。所述第一入口接口上通过管道与入口阀门120连接，所述第一出口接口通过管道与出口阀门130连接，所述检测管道100内部使用热熔胶固定安装有双开孔采样球110，所述双开孔采样球110为中空结构，其表面具有两个采样通孔。
所述第二入口接口安装有第一波导管140，扬声器200安装在所述第一波导管140的末端，所述扬声器200的音频输出口位于所述第一波导管140内部。所述扬声器200的输入端与函数发生器300的输出端连接，所述函数发生器300的输入端与计算机400的usb(通用串行总线)接口连接。
所述第二出口接口的端面安装有完全匹配层，并在完全匹配层上安装有第二波导管150，传声器500安装在所述第二波导管150的末端，所述传声器500的输出端与数据采集器600的输入端连接，所述数据采集器600的输出端与所述计算机400的另一usb接口连接。
所述计算机400包括正弦波形发生模块410、数据记录模块420和数据处理模块430。
所述正弦波形发生模块410用于产生扫描频率点指令帧，该扫描频率点指令帧由起始指令代码(1byte)和频率数据(2byte)构成，然后通过usb接口将扫描频率点指令帧传输到所述函数发生器300，所述函数发生器300接收到扫描频率点指令帧后提取帧中的频率数据，以该频率数据生成正弦波信号，该正弦波信号驱动所述扬声器200发声；所述正弦波形发生模块410按照步进更改扫描频率点，待扫描完成设定的频率范围后所述正弦波形发生模块410向所述函数发生器300发送停止发声指令帧，该停止发声指令帧由停止指令代码(1byte)和停止指令(1byte)构成，以控制所述扬声器200停止发声；
所述数据处理模块430通过所述计算机400的usb接口向所述数据采集器600发送采集启动帧，该采集启动帧由启动指令代码(1byte)和启动指令(1byte)构成；所述数据采集器600接收到该采集启动帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集器600将采集的数据以通信帧的方式通过usb接口传输到所述数据处理模块430。通信帧由起始代码(1byte)和采集数据(2byte)构成，所述数据处理模块430将采集到的数据进行保存；采样时长2秒；待所述正弦波形发生模块410扫描完成设定的频率范围后由所述数据处理模块430向所述数据采集器600发送停止采集指令帧，该停止采集指令帧由停止指令代码(1byte)和停止指令(1byte)构成；所述数据采集器600接收到该停止采集指令帧后停止数据采集；
所述数据处理模块430依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为fr，将谐振频率带入公式算出待测气体中的瓦斯浓度；
具体地，所述数据处理模块430的计算过程为：
所述双开孔采样球110内部腔体的有效体积v为内部球体体积减去两个采样通孔的体积：
其中，ri为所述双开孔采样球110的内半径，a为所述采样通孔的半径；
根据声学原理，所述双开孔采样球110球形腔体中的瓦斯气体的声容为ca，则有：
考虑所述采样通孔两端修正情况，所述采样通孔的有效长度均为：
其中，ro为所述双开孔采样球110的外半径；
所述采样通孔的声感为：
其中，ρ为待测瓦斯气体的密度；
将两个所述采样通孔的声感视为并联情况，则总声感为：
根据谐振电路规律，所述双开孔采样球110的谐振频率为：
其中，c为声音在待测瓦斯气体中的传播速度；
待测瓦斯气体中的声速满足：
其中，p为气体压强，γ是待测瓦斯气体的比热容比，则：
γ＝(1-x)γk+xγw(8)
其中，x为待测瓦斯气体的百分含量，γk为空气的比热容比，γw为瓦斯气体的比热容比；
待测瓦斯气体的密度：
ρ＝(1-x)ρk+xρw(9)
其中，ρk为空气的密度，ρw为瓦斯气体的密度；
将式(7)、式(8)和式(9)带入式(6)，可得
在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率fr,通过式(10)即可获得所述双开孔采样球110内待测瓦斯气体的百分含量。
所述数据记录模块420将测量的瓦斯百分含量数据进行保存。
基于相同的发明构思，本发明还提供了一种瓦斯气体浓度测量方法，该方法的实施可参照上述系统的实施，重复之处不再赘述：
第一步骤，同时打开入口阀门和出口阀门，使待测瓦斯气体进入双开孔采样球中，采样完成后关闭入口阀门和出口阀门；
第二步骤，计算机的正弦波形发生模块产生扫描频率点指令帧，并通过usb接口将扫描频率点指令帧传输到函数发生器，函数发生器接收到该扫描频率点指令帧后提取频率数据，以该频率数据生成正弦波信号，该正弦波信号驱动扬声器发声；
第三步骤，数据处理模块通过计算机的usb接口向数据采集器发送采集启动帧，数据采集器接收到采集启动帧后以默认采样频率进行数据采集，数据采集器将采集的数据通过usb接口传输到计算机的数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；
第四步骤，正弦波形发生模块按照步进更改扫描频率点，循环第二、三步骤，扫描完成设定的频率范围后，由数据处理模块向数据采集器发送停止采集指令帧，数据采集器接收到该停止采集指令帧后停止数据采集；同时正弦波形发生模块向函数发生器发送停止发声指令帧，以控制扬声器停止发声；
第五步骤，数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从中找出各频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点，将谐振频率带入式(10)进而算出待测气体中的瓦斯百分含量；
第六步骤，数据记录模块将测量的瓦斯百分含量数据进行保存。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。