超声宽量程微量气体浓度检测的仿真研究

　　1 引言

　　超声波作为一种信息载体, 具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、成本较低、低声强时对人体无害等优点。将超声波技术运用于微量气体的浓度检测方法现已取得了较好的研究进展[1]。文献[1]报道的检测仪能实现当微量气体浓度超过1000ppm 时发出声、光报警信号, 在未达到1000ppm 时能按相应要求给出具体浓度值, 但对于微量气体浓度远远超出1000ppm 时的继续测量尚有困难。原因是文献[1] 基于复杂可编程逻辑器件(CPLD), 没有给出对两束同频超声传输过程中大于半个周期乃至多个半周期的相位差进行检测的方法。传统的测量方法存在高精度、宽量程和硬件条件之间的矛盾, 提高了气体浓度的测量范围往往以牺牲测量精度为代价, 因此如何拓宽微量气体相位差的测量范围同时不影响微量气体高精度的测量, 对微量气体的浓度测量有重要的意义(在工业生产中有更广泛的应用)。本文将超声波声速测量与跨半周期相位测量结合起来,设法突破了半周期的限制, 使其相位差大于半个周期乃至多个半周期时亦能照样检测, 从而使测量范围得以拓展。

　　2 大于半个周期乃至多个半周期相位检测的实现原理

　　2.1 超声检测原理

　　论文所讨论的宽量程的微量气体浓度检测是将CPLD技术和超声检测结合来实现微量气体浓度的检测。当构成二元混合气体的两种气体的分子量相差较大时, 声波传播速度随两种气体成分的比例不同而变化, 基于这一原理, 通过准确地测量声速的变化带来的两条路径信号的相位差变化和参考腔中超声脉冲的传播时间, 就可以计算出空气中所含微量气体的浓度。

　　二元混合气体在常温常压下可以视为理想气体, 超声波以高频低幅的波动特征在气体中传播, 其过程可视为绝热过程。理想气体中声速可以表示为[2,3]:

　　其中, R0是气体常数, T是绝对气体温度, γ是气体定压比热与定容比热的比值, M是一摩尔气体的质量。等温等压条件下, 第一对换能器之间的气体介质为一定浓度的目标气体a与背景气体b组成的混合气体, 另一对换能器之间的气体介质为作为参照的纯净背景气体b, 发射换能器与接收换能器均相距L长[4]。超声波信号为脉冲波, 频率为 f。两路发射信号同相位, 则两路接收信号相位差为

　　C1是一定浓度a与b混合气体中的声速, C2是单一b气体中的声速。同时测量超声脉冲在第二个通道中传播时间为t

　　对于气体浓度很低(<2000ppm), n<<1时, 可简化为:

　　Ma, Mb为a, b两种气体摩尔质量

　　由(4)式可得: