一种二元混合气体浓度超声测量仪的设计

　　0　引言

　　在工业生产中气体浓度检测技术被广泛应用于化工处理、环保检测和电力工业等领域。目前检测气体浓度的方法有很多,如化学分析法、红外线吸收法、电晕放电法、超声检测法等。化学分析法不宜在线检测;电晕放电传感器寿命较短,不能长期稳定的工作;红外线吸收法体积复杂庞大,造价高,难于推广。用超声波测量气体浓度属于非接触式测量方法,具有测量范围宽、设备体积小及易于实现在线检测等特点[1]。

　　超声检测中的超声信号中包含着被测对象的大量信息,但常规的超声检测仅利用了这些信息中的很小部分,因此检测的可靠性、灵敏度不高。随着计算机技术及数字信号处理技术的发展,通过对超声回波信号进行各种信号分析与处理,可以得到更多的、更有效的超声信号特征量,从而提高超声检测的可靠性和灵敏度[2]。本文在前人研究的基础上推导出适合工程应用的微量气体浓度计算公式,并采用三星公司新一代数字信号处理器TMS320C5509A设计的二元混合气体浓度检测系统对实际气体浓度(氯气与空气二元混合气体)进行检测,检测精度和速度均得到了很大的提高,无需现场进行标定,实现检测的智能化。

　　1　超声气体浓度检测原理

　　1·1　二元混合气体浓度超声检测[3]

　　对于二元混合气体,在常温常压的实验条件下可以看作是理想气体,可利用理想气体模型对其进行分析。超声波是以高速做小振幅振动从而在气体中传播的,其过程可以看作是绝热过程,其声速值可由其分子量、温度等参数来计算。这就给基于超声的气体分析技术提供了理论依据。已知单一成分气体中声速:

　　由声速及温度两个量可得参量Y值,并计算方程的3个系数A, B, K,代入式(6),求解方程计算浓度n。求解方程计算浓度n的计算较为复杂,可由数字信号处理器DSP完成,简捷、快速,实现智能化、绝对化测量而且无需现场进行标定。

　　1·2　声速及温度的测量

　　一般声速测量采用脉冲法,即测量固定声程L和超声脉冲传播的时间t,可得超声传播速度[4]:

　　对单一空气媒质(n=0)采用脉冲法进行超声传播时间测量,方程式系数K=0,将空气的参数Cpb=0·241, Cvb=0·172, Mb=29代入(8)式可得Y=0·04832,可以确定温度读数T0=L2/t2RY。这样无需检测系统附加额外的温度传感器,避免了由温度检测不准引入的系统误差。

　　2　超声气体浓度检测系统结构

　　系统的主要部分包括超声发射与接收、数据处理与计算、键盘输入与显示等部分。系统上电后,完成自检程序,开始工作。由DSP芯片控制三通管开关阀,首先吸入背景气体(空气)进行检测,计算温度值;接下来吸入混合二元气体,由DSP处理器计算方程系数A、B及K,解方程求出n值,可由LCD屏幕进行显示,如需要经串口发送到上位机。系统在分析和处理的时候,除了现场显示气体浓度以外,还会输出一个标准的4~20 mA电流信号,供给其它控制仪表使用。结合本系统的功能要求,并考虑到TMS320C5000系列低成本低功耗的优势,我们选择了TI ( Texas Instruments)公司的TMS320C5509ADSP芯片作为系统的核心处理器。系统硬件结构如图1所示。