一种基于超声波换能器的气体测量系统及方法与流程

本发明属于气体测量，具体地，涉及一种基于超声波换能器的气体测量系统及方法。

背景技术：

1、在气体测量中，超声波换能器通常作为传感器，被安装在气体流动通道中，当超声波换能器发射声波时，声波会在气体中传播，然后经过一段距离后，由接收器接收，根据声波的传播速度和衰减情况，可以确定气体的流速、流量和密度等参数。

2、在超声波测量气体的实际应用中，引起气体测量误差的因素有很多，其中极为重要的因素就是超声号波形产生失真会对声波传播速度的检测造成重大影响，进而导致超声波相位测量精度和准确度下降。

技术实现思路

1、为解决上述背景技术中存在的因超声波形产生失真，而导致对声波传播速度的检测产生较大的误差，进而导致超声波相位测量的精度和准确度下降的技术问题，本发明提供了一种基于超声波换能器的气体测量系统及方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种基于超声波换能器的气体测量系统，包括远程指挥中心和现场检测系统，其中：

4、所述远程指挥中心包括监控终端和信息中心数据库，所述监控终端实时显示气体测量情况，并且通过所述监控终端反向控制所述现场检测系统；

5、所述现场检测系统包括采集器、传感器、超声波换能器和控制器，所述传感器包括温湿度传感器和氧气传感器，与所述采集器连接；所述采集器实时接收和采集传感器采集到的环境数据，与所述远程指挥中心通信连接；

6、所述控制器监测和分析采集器传输的气体数据，并根据预设的规则和逻辑进行判定和决策。

7、进一步的，所述采集器包括若干个传感器接口、数据处理单元和通信模块，所述传感器接口为rs485，用于接收传感器采集到的气体数据；所述数据处理单元接收气体数据，并对气体数据进行处理和分析；所述通信模块用于将处理后的气体数据传输到控制器。

8、进一步的，所述数据处理单元包括微处理器、计算机芯片、存储器和算法模块，所述微处理器通过总线发送指令和数据给所述计算机芯片，将计算机芯片中的各个功能模块进行协调和控制，微处理器与算法模块连接，通过指令和数据的传输，调用和执行特定的算法。

9、进一步的，所述算法模块包括双通道差分相位检测模型，所述双通道差分相位检测模型通过接收两个通道的气流信号，通过差分运算来检测气流信号的相位差的估计值。

10、进一步的，所述现场检测系统还包括若干组相同的超声换能器，所述双通道差分相位检测模型的输入数据通过超声换能器获得。

11、本发明还提供一种基于超声波换能器的气体测量方法，应用于前述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，具体包括以下步骤：

12、根据历史气体数据建立双通道差分相位检测模型；

13、通过传感器采集现场环境中的温湿度和氧气浓度，再通过超声换能器测量气流信号，通过差分运算检测气流信号的相位差的估计值；

14、通过计算气流信号的相位差估计值来确定气体流量，使用相差和物性参数来计算气体的流量值；

15、将气体的流量值和环境中的温湿度、氧气浓度通过采集器进行数据处理和分析，得到分析结果。

16、进一步的，通过超声换能器测量气流信号具体包括以下步骤：

17、使用若干组相同的超声波换能器，分别在检测腔内注入空气和待测气体；

18、同步发射脉冲驱动信号驱动换能器，完全相同的超声波信号分别经过两路腔室相同路径后被接收；

19、分别测量经过检测腔和参考腔后的超声波传播参数，经过差分后便可计算反演出待测气体浓度。

20、进一步的，相位差的表达公式为：

21、

22、其中，c0为背景气体的声速；ct为超声波在空气和待测气体中的传播速度；f为超声换能器的驱动频率；

23、待测气体中的声速与相位差之间的关系通过以下关系式表示：

24、ct＝g(θ)

25、超声传播速度与气体浓度之间的关系通过以下关系式表示：

26、n＝f(g(θ))。

27、进一步的，将相位差的计算公式代入到所述双通道差分相位检测模型，得出以下计算方式：

28、

29、其中，n为气体浓度；cpα为待测气体的定压比热容；cvα为待测气体的定容比热容；cpβ为空气的定压比热容；cvβ为空气的定容比热容；mα为待测气体的相对分子质量；mβ为空气的相对分子质量；f为超声换能器的驱动频率；t为传播速度；γβ为空气传播的时差。

30、本发明的有益效果：

31、1、本发明公开的一种基于超声波换能器的气体测量系统，一方面，本申请公开的一种基于超声波换能器的气体测量系统，通过现场检测系统对现场环境数据进行实时采集，在对现场环境数据进行采集的过程中，现场检测系统中的采集器采用差分的思想，利用双腔室检测法分别对背景气体及混合气体分别检测。另一方面，差分法检测的设计，又可以有效的消除由周围环境因素(温度、压力等)、噪声干扰、电子漂移等对测量带来的误差。

32、2、本发明公开的一种基于超声波换能器的气体测量方法，通过历史气体数据建立双通道差分相位检测模型计算相位差的估计值，通过估计值确定气体流量，结合相位差和环境中的温湿度、氧气浓度计算得到气体的流量值，从而分析得到气体的浓度，该方法可以降低超声波形变带来的失真影响，而且由于本申请公开使用同步发射脉冲驱动信号驱动换能器，使完全相同的超声波信号分别经过两路腔室相同路径后被接收，分别测量经过检测腔和参考腔后的超声波传播参数，经过差分后便可计算反演出待测气体浓度，有效地提高了测量的精度和准确度。

技术特征：

1.一种基于超声波换能器的气体测量系统，其特征在于，包括远程指挥中心和现场检测系统，其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，其特征在于，所述采集器包括若干个传感器接口、数据处理单元和通信模块，所述传感器接口为rs485，用于接收传感器采集到的气体数据；所述数据处理单元接收气体数据，并对气体数据进行处理和分析；所述通信模块用于将处理后的气体数据传输到控制器。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，其特征在于，所述数据处理单元包括微处理器、计算机芯片、存储器和算法模块，所述微处理器通过总线发送指令和数据给所述计算机芯片，将计算机芯片中的各个功能模块进行协调和控制，微处理器与算法模块连接，通过指令和数据的传输，调用和执行特定的算法。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，其特征在于，所述算法模块包括双通道差分相位检测模型，所述双通道差分相位检测模型通过接收两个通道的气流信号，通过差分运算来检测气流信号的相位差的估计值。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，其特征在于，所述现场检测系统还包括若干组相同的超声换能器，所述双通道差分相位检测模型的输入数据通过超声换能器获得。

6.一种基于超声波换能器的气体测量方法，其特征在于，应用于权利要求1至5任一项所述的一种基于超声波换能器的气体测量系统，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于超声波换能器的气体测量方法，其特征在于，通过超声换能器测量气流信号具体包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种基于超声波换能器的气体测量方法，其特征在于，相位差的表达公式为：

9.根据权利要求8所述的一种基于超声波换能器的气体测量方法，其特征在于，将相位差的计算公式代入到所述双通道差分相位检测模型，得出以下计算方式：

技术总结
本发明涉及一种基于超声波换能器的气体测量系统及方法，属于气体测量技术领域，包括远程指挥中心和现场检测系统，远程指挥中心包括监控终端和信息中心数据库，监控终端实时显示气体测量情况，并且可以反向控制现场检测系统；现场检测系统包括采集器、传感器、超声波换能器和控制器，传感器包括温湿度传感器和氧气传感器，与采集器连接；采集器实时接收和采集传感器采集到的环境数据，与远程指挥中心通信连接；控制器监测和分析采集器传输的气体数据，并根据预设的规则和逻辑进行判定和决策。将求取目标气体浓度转化为求两路超声信号相位差的问题对相位的检测避免了由超声波接收点选取不当、难以正确的检测到超声信号前面脉冲波的问题。

技术研发人员：彭蒙,程燕龙
受保护的技术使用者：广州安成电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15