基于超声检测的新型二元混合气体传感器_王飞_吴国贵_和卫星

第 12 期
基于超声检测的新型二元混合气体传感器 王 飞，等
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输出（ general purpose input output，GPIO） 口接收并存储 温压传感器传来的二元混合气体实时温度和压力数 据，再计算出二元混 合 气 体 传 感 器 的 实 时 气 体 浓 度 和 流量。
3 超声波传播时长检测
第 38 卷 第 12 期 2017 年 12 月
自动化仪表
PＲOCESS AUTOMATION INSTＲUMENTATION
Vol. 38 No. 12 Dec． 2017
基于超声检测的新型二元混合气体传感器
王 飞，吴国贵，和卫星
（ 江苏大学电气信息工程学院，江苏 镇江 212013）
摘 要： 目前，国内气体浓度流量传感器存在混合气体的浓度、流量计量准确度低的问题。为解决该问题，在深入研究超声波气体流
图 2 硬件设计原理图 Fig． 2 Schematic diagram of hardware design
首先，将 DSP 产生的脉冲方波设置为激励信号， 超声脉冲宽度为超声信号周期的一半。对信号进行低 通滤波和功率放大后，将送至发送端的超声波换能器， 以产生超声波信号。接收端通过 1 个多路模拟开关来 选择接收正程信号或逆程信号； 对接收到的信号进行 放大和模拟带通滤波后，采用有效信号范围来控制信 号的开始采集时间点。模 数 转 换 器 （ analog to digital converter，ADC） 模块开始采样超声回波信号，通过直 接存储器 （ direct memory access，DMA） 对采样结果进 行数据搬运； 然后，通过小波变换对采集的数据进行去 噪和粗大误差去噪； 采用基于能量阈值确定基峰的过 零检测方法，确定信号的时间基准点，并由此确定正程 信号或逆程信号的超声传播时间。DSP 的通用输入 /
量计测量原理的基础上，准确分析了超声波计量二元混合气体浓度、流量的影响因子，提出了一种基于超声检测的新型二元混合气体
传感器设计方案。以 TMS320VC5402 DSP 作为控制芯片，简化了硬件设计，提高了数据处理能力。采用信号有效范围检验方法，利用
高精度 A / D 采集超声波回波信号，并运用拉伊达准则去除信号噪声。基于能量阈值法的基峰确定过零检测方法，可准确检测超声波
中图分类号： TH7； TP212
文献标志码： A
DOI： 10． 16086 / j． cnki． issn1000 － 0380． 201712018
New Type of Binary Mixed Gas Sensor Based on Ultrasonic Detection
WANG Fei，WU Guogui，HE Weixing
图 1 测量原理图 Fig． 1 Schematic diagram of measurement
由图 1 可得，超声波的传播时间为：
t AB
=
L 珋 c + v
（ 1）
tBA
=
L 珋 c － v
（ 2）
式中： tAB（ 顺程） 为超声信号由换能器 A 到换能器 B 的 传播时间； tBA（ 逆程） 为换能器 B 到换能器 A 的传播时 间； v 为气流的速度； 珋 c 为超声波在气体中传播的平均
0 引言
二元混合气体的浓度和流量检测在工业生产过程 中极其重要。目前，气体浓度和流量检测方法有多种。 其中，超声波检测法 凭 借 其 非 接 触 性 测 量 、压 损 小、测 量范围宽等优点，越来越广泛地被运用在工业和贸易 计量、医疗等领域［1］。医院使用的制氧设备中，需要根 据病人情况提供适 当 浓 度 和 流 量 的 氧 气 ，一 般 使 用 氧 气和氮气的二元混合气体。
过零点，精确计算超声波传播时间。结合理想气体状态方程等理论，计算、分析了二元混合气体浓度和流量。给出了新型二元混合气
体传感器及实施方案，并对氧气、氮气组成的二元混合气体进行了试验验证。试验结果表明，该设计方案的浓度误差小于 1% ，流量误
差小于 1． 2% 。
关键词： 超声波； 传感器； 流量计； 二元混合气体； 数字信号处理器； 过零检测
（ School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）
Abstract： At present，there is a problem that the domestic gas concentration and flow sensor has a low measurement accuracy of the mixed gas concentration and flow measuring． To solve the problems，and on the basis of studying the measuring principle of ultrasonic gas flowmeter and analyzing the influencing factors on the concentration and flow measurement of binary mixed gas，a new type scheme of binary mixed gas sensor based on ultrasonic detection is proposed． With TMS320VC5402 DSP as the control chip，the hardware design is simplified，and the data processing ability is improved． The method of signal valid range examination is adopted，and by using high precision A / D，the ultrasonic echo signal is acquired，and Pauta criterion is taken to remove the signal noise． A zero － crossing detection method based on the energy threshold is proposed to detect the zero － crossing point of ultrasonic wave and calculate the ultrasonic transmission time． Combined with the ideal gas state equation and other theories，the concentration and flow of binary mixed gas are calculated and analyzed． The new type of binary mixed gas sensor and the specific implementation scheme are given，and the experimental measurement of the binary mixed gas combining oxygen and nitrogen is carried out． The experimental results show that the concentration error is less than 1% ，and the flow error is less than 1． 2% ． Keywords： Ultrasonic； Sensor； Flowmeter； Binary mixed gas； Digital signal processing（ DSP） ； Zero － crossing detection
n
∑ （ xi － x珋） 2
由气体传感器的 测 量 原 理 可 知 ，获 取 准 确 的 超 声 波传播时长和实时温度是提高气体浓度和流量测量精 度的关键［11］。温度可由温压传感器模块获取，超声传 播时长 则 由 基 于 能 量 阈 值 确 定 基 峰 的 过 零 检 测 法 得到。 3． 1 有效信号采集
超声信号从发射 端 向 接 收 端 传 播 时 ，由 于 传 播 距 离已知，且传播速度在一定范围内，所以可以预计信号 到达接收端的时间，并确定有效信号到达的时间范围， 从而实现有效信号采集。有效信号采集原理如图 3 所示。
－ Cpb
由声速、温度和已知气体参数，可求解方程的 3 个
系数。气体浓度 n 的范围为 0 ≤n ≤1。方程有唯一
解，从而求得 n。
1． 2 流量测量原理
由式（ 1） 与式（ 2 ） ，可以求出气体线平均流速 v。
为了得到气体的管 道 截 面 平 均 流 速 ，还 需 知 道 流 速 的
修正系数。其由管道剖面的速度分布导出。管道内氧
修改稿收到日期： 2017 － 07 － 21 作者简介： 王飞（ 1992—） ，男，在读硕士研究生，主要从事电子信息系统及智能传感器设． com；
和卫星（ 通信作者） ，男，博士，教授，主要从事控制理论与控制工程、计算机检测与控制等方向的研究，E － mail： 43434810@ qq． com
数； T 为温度。浓度计算公式［6］如下：
An2 + Bn + C = 0
（ 4）
A = （ Ma Cva + Mb Cvb － Ma Cvb － Mb Cva ） 珋 c2 ＲT
B=
Ma Cvb + Mb Cva － 2Mb Cvb 珋 c2 ＲT
－ Cpa + Cpb
C=
Mb Cvb 珋 c2 ＲT
与液体相比，气体 的 易 压 缩 性 决 定 了 其 浓 度 和 流
量测量的复杂性。超声波在气体中传播时，会携带气 体的信息。因此，通过提取在气体中传播的超声波信 号，就可以分析 出 气 体 的 浓 度 和 流 量［2］。 传 统 超 声 二 元混合气体检测的可靠性和灵敏度不高。随着计算机 技术和数字信号处理技术的发展，通过采集有效的超 声回波信号并进行相应信号处理，可以提高测量精度 和可靠性［3 －4］。普通气体传感器采用现场标定的方法 提高测量精度，但在实际应用中仍需根据不同的检测 要求进行研究，而检测环境的差别使得测量精度难以 提高。对此，本文提出了一种无需现场标定的新型二