智能化超声氯气浓度计的研制及应用

　　1　前言

　　早期曾报道了用模拟电路测量氯气浓度的实验装置[1],但这种测量装置存在一些缺陷:仪器用表头指示,精度不太高;外加恒温器进行温度补偿,装置复杂;需要实测定标比对,根据校正曲线确定浓度;功能单一,难以扩展其它气体。我们针对这些问题,采用单片机技术研制了一套实时在线氯气浓度检测仪,在上海天原化工厂氯碱车间运行,代替了手工化学分析,得到了令人满意的结果。

　　2　测量工作原理

　　该仪器的设计根据超声波在不同气体媒质中传播时有不同声速的原理,采用声速技术对气体成分进行分析。其要点为:从气体状态方程入手,推导出混合气体浓度与声速的一元二次方程式,该方程的系数是声速和温度的函数,方程的根就是气体浓度。至于声速与浓度之间的理论关系,我们已有详细的介绍[2],故不再重复,这里只给出导出的结果。

　　对于混合气体的平均声速[3]可表示为:

　　式中:c-为二元混合气体平均声速;C-为二元混合气体平均定压定容比热比;M-为二元混合气体平均分子量。T-为绝对温度;R为普适气体常数。

　　令(1)式为参量Y,则

　　经整理得:

　　系数A,B,K为参量Y的函数,将氯气常数、空气常数代入方程(3),再由声速及温度两个量,单片机可直接计算出浓度n。声速c的测量采用脉冲法,温度T通过温度传感器由单片机采样运算。于是式(2)又可表示为:

　　利用单片机对(4)式编程就可进行测量。

　　3　测量装置

　　超声波氯气浓度计的硬件装置原理图如图1所示,图2为测量原理的波形。其工作过程如下:单片机发出一个触发脉冲,它在触发发射电路的同时也触发了一个计时双稳门;发射电路通过功率放大后,去推动发射换能器F发射一个声脉冲,声脉冲在测量筒中经传播一定的时间后到接收换能器S,接收换能器将声信号转化为电信号,经过放大整形后去触发计时双稳关门。计时门的宽度即为声波在测量筒中传播的时间(声时)。为提高测量精度,采用高频晶振信号对计时门进行填充,再由单片机的计数器计算出脉冲数,进而计算出实测声时t,同时再将实测温度T一并代入表达式(4)进行处理运算。声程L、仪器的零读数t0经测定后编在软件中。最后显示测量结果。

　　仪器在软件的支持下,通过键盘可进行人机对话。图3为仪器键盘示意图,其功能为:

　　仪器的软件流程如图四,通过以下步骤完成一次测量:发射一个触发信号使硬件电路工作;读入计数信号,得到实测声时;对实测声时处理,决定是否需漏波处理,最后得实际声时;读入温度信号;对声时和温度信号进行计算、处理后得实时的氯气浓度值;检查浓度的高、低报警;给出工业检测信号D/A值;显示所需显示的参数;检查是否需要输入L、T0值(测量修正用)。