新型超聲波氧氣濃度計(jì)

張紅麗，和衛(wèi)星，郁永斌

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

近年來，鋼鐵冶金、石油化工、電力、造紙、生化制藥等行業(yè)的快速發(fā)展所衍生的環(huán)境污染問題對(duì)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展帶來了很大的壓力，我們迫切的需要對(duì)其生產(chǎn)過程分析和控制能力進(jìn)行提升，節(jié)能減排已成為我國(guó)的國(guó)策。氧氣作為工業(yè)生產(chǎn)燃燒過程中的助燃?xì)怏w和人類賴以生存的氣體，對(duì)其濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)已成為節(jié)能減排的重要手段之一。目前用于監(jiān)測(cè)氧氣濃度的傳感器大多通過其探頭的電阻或電容變化來測(cè)定氧氣濃度，易受外界電磁波干擾，且由于氧氣易燃易爆的特性而存在安全隱患[1]。

而對(duì)于半導(dǎo)體氣敏元件，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便，但不適合對(duì)氣體進(jìn)行精確的分析，多用于粗略鑒別和定性分析。此外還有一類光譜吸收式的氣體傳感器，由于氧氣吸收強(qiáng)度比大氣中其他氣體低很多，所以利用傳統(tǒng)光源的光譜吸收法檢測(cè)存在很大困難，光源光譜的寬度和光強(qiáng)因素也限制了它的應(yīng)用[2]。隨著超聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，氣體濃度的超聲波檢測(cè)法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法本身固有的缺點(diǎn)，在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域，完全可以適應(yīng)未來高精度測(cè)量的挑戰(zhàn)，繼續(xù)保持在氣體濃度檢測(cè)領(lǐng)域中的領(lǐng)先地位。針對(duì)以上情況，運(yùn)用超聲波技術(shù)研制了一種基于曲面擬合的氧氣濃度計(jì)，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析研究，效果良好。

1　測(cè)量原理及裝置

1．1測(cè)量原理

超聲波在線式濃度計(jì)是利用超聲波在定長(zhǎng)管道的傳播速度隨介質(zhì)濃度的變化而變化這一物理原理進(jìn)行在線檢測(cè)氣體濃度的[3]。對(duì)于不同濃度的氧氣有：

n=f(c，T，p)

(1)

式中：n為氧氣濃度；c為超聲波在氣體介質(zhì)中的聲速；T為氣體的溫度；p為氣體的壓力。

在實(shí)際的測(cè)量中氣體壓力是基本恒定的量。當(dāng)壓力p恒定時(shí)，式(1)可以轉(zhuǎn)化為：

n=f(c，T)

(2)

n=f(t-Δt，T)

(3)

由上式可以看出測(cè)量氧氣濃度即可轉(zhuǎn)化為測(cè)量超聲波在定長(zhǎng)管道的傳播時(shí)間和氧氣溫度，而氧氣溫度由裝在定長(zhǎng)管道的DS18B20測(cè)量，因此測(cè)量氧氣濃度的關(guān)鍵技術(shù)在于如何精確測(cè)量超聲波在定長(zhǎng)管道的傳播時(shí)間。超聲波氧氣濃度計(jì)測(cè)量時(shí)間的時(shí)序波形圖如圖1所示。圖1(a)為由單片機(jī)發(fā)出的激勵(lì)脈沖信號(hào)，加在定長(zhǎng)管道內(nèi)的超聲換能器兩端；圖1(b)為接收到的超聲信號(hào)；圖1(c)為接收信號(hào)經(jīng)過放大電路和比較電路后的信號(hào)。

圖1　時(shí)序波形圖

1．2測(cè)量裝置

由于檢測(cè)氣體濃度時(shí)，氣體從管道的一端流入，另外一端流出，而超聲波在氣體中傳播時(shí)，在順流方向傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小，因此系統(tǒng)通過分別測(cè)量超聲波在順流和逆流時(shí)的傳播時(shí)間來得到氣體流速跟靜態(tài)速度，從而求得氣體濃度[4]。圖2為儀器方框原理圖。

圖2　儀器裝置圖

該系統(tǒng)通過單片機(jī)向安裝在定長(zhǎng)管道的超聲波換能器發(fā)送激勵(lì)脈沖信號(hào)，見圖1(a)，此時(shí)開啟單片機(jī)的定時(shí)器并清零，與此同時(shí)，超聲波信號(hào)由一端的超聲波探頭A發(fā)出，在定長(zhǎng)管道內(nèi)的氣體介質(zhì)中傳播，到達(dá)管道的另一端，被安裝在另一端的超聲波探頭B接收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，見圖1(b)，接收放大器將超聲波回波信號(hào)放大后，送往比較器，將輸出的比較信號(hào)，見圖1(c)，送入單片機(jī)的捕獲端口，通過單片機(jī)的定時(shí)器捕獲超聲波在管道內(nèi)的正向傳播時(shí)間ta，然后通過切換電路切換后，給超聲換能器B激勵(lì)脈沖，由此探頭發(fā)射超聲波信號(hào)，由探頭A接收，此時(shí)用單片機(jī)捕獲超聲波的逆向傳播時(shí)間為tb，氧氣傳輸管道中的高精度溫度傳感器，用于測(cè)量氣體溫度。單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間和溫度值進(jìn)行綜合運(yùn)算后，直接記錄氧氣濃度的瞬時(shí)值[5]。氧氣的濃度關(guān)于時(shí)間和溫度的系數(shù)通過最小二乘曲面擬合的方法獲得。

2　關(guān)鍵技術(shù)研究

2．1比較器的選擇與比較電路的設(shè)計(jì)

2．1．1比較器的選型

電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近無窮大的運(yùn)算放大器。它主要用于比較兩個(gè)電壓的大小，當(dāng)“+”輸入端電壓高于“-”輸入端時(shí)，輸出高電平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“-”輸入端時(shí)，輸出為低電平。一般應(yīng)用中，可以用線性運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋的情況下，構(gòu)成電壓比較器來使用?？捎米麟妷罕容^器的常用放大器有LM324 、LM358、 OP07 、OP27、TL081234。LM339、LM393是專業(yè)的電壓比較器，專業(yè)電壓比較器切換速度快，延遲時(shí)間小，可用于專門的電壓比較場(chǎng)合。研制的氧氣濃度計(jì)選用了LM393雙比較器，由示波器觀察到的LM393電壓比較器輸出的波形圖如圖3所示，圖中正弦波信號(hào)為比較器輸入信號(hào)，方波信號(hào)為比較器輸出信號(hào)。

圖3　示波器觀察的LM393比較器輸出信號(hào)波形圖

2．1．2比較電路的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的電壓比較電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，常用的改進(jìn)電壓比較器有遲滯比較器和窗口比較器。研制的氧氣濃度計(jì)采用遲滯比較器，其比較電路原理圖如圖4所示。

圖4　遲滯比較電路

由圖4可知該遲滯比較電路不是直接由電源供電而是由單片機(jī)供電，由單片機(jī)供電既可以實(shí)時(shí)控制比較器的通斷，又可以消除電路切換時(shí)產(chǎn)生的雜波對(duì)電路的影響。

放大器輸出的超聲波信號(hào)通過圖4所示的比較電路后輸出的波形圖如圖5所示，圖中正弦波信號(hào)為放大器輸出信號(hào)，方波信號(hào)為比較器輸出信號(hào)。由圖5可知系統(tǒng)通過捕獲單片機(jī)發(fā)出方波激勵(lì)信號(hào)的上升沿與超聲波信號(hào)經(jīng)過比較電路后轉(zhuǎn)換成方電信號(hào)的下降沿來測(cè)量時(shí)間的。設(shè)計(jì)的遲滯比較器不僅可以避免雜波對(duì)比較結(jié)果的影響，同時(shí)又可以得到準(zhǔn)確的比較結(jié)果，從而使測(cè)量時(shí)間更精確。

圖5　由示波器觀察的遲滯比較器輸出波形圖

2．2濃度與溫度和聲時(shí)之間的關(guān)系

氧氣濃度不單純是聲時(shí)的函數(shù)，也是氧氣溫度的函數(shù)。利用高精度氧氣濃度測(cè)量?jī)x進(jìn)行了氧氣濃度和聲時(shí)、氧氣溫度之間相互關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，其函數(shù)關(guān)系式為：

n=a1t2+a2tT+a3T2+a4t+a5T+a6

(4)

由微積分的知識(shí)可知，這一問題的求解，可歸結(jié)為求六元函數(shù)Q的極值問題，即a1、a2、a3、a4、a5和a6應(yīng)滿足

聯(lián)立上述方程組，若系數(shù)矩陣的行列式不為0，可解得a1、a2、a3、a4、a5、a6的值。

2．3誤差分析

氧氣超聲波濃度計(jì)的檢測(cè)精度受環(huán)境、流場(chǎng)、傳輸信號(hào)、硬件電路和軟件算法等多方面因素的影響和制約，實(shí)際檢測(cè)誤差不僅包括濃度計(jì)本身的測(cè)量誤差，還包括氣體、管道、以及其它現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件在內(nèi)的整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的誤差，根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因及出現(xiàn)的頻率和影響測(cè)量誤差可以將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、寄生誤差。

實(shí)際檢測(cè)過程中，雖然可以根據(jù)誤差產(chǎn)生的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行籠統(tǒng)地劃分，但系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差與寄生誤差之間并無明確的界限，測(cè)試條件的改變和檢測(cè)手段的變更都可以轉(zhuǎn)變誤差的分類與歸屬?？傊?，當(dāng)氣體濃度計(jì)安裝完畢、參數(shù)設(shè)定已經(jīng)完成，各變量引入的檢測(cè)誤差就此確定，分析氣體超聲波濃度計(jì)檢測(cè)誤差的本質(zhì)就是衡量各參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果所產(chǎn)生的影響，為此需要建立誤差傳遞的數(shù)學(xué)模型。

依據(jù)誤差理論，函數(shù)y=f(x1，x2，…，xn)，當(dāng)x1，x2，…，xn存在的檢測(cè)偏差Δx1，Δx2，…，Δxn互不相關(guān)時(shí)，因變量y的誤差為：

(5)

因變量的相對(duì)誤差可以轉(zhuǎn)化為：

(6)

式中：εy、εxi為因變量和變量y、xi的相對(duì)誤差；λ為xi的相對(duì)誤差傳遞系數(shù)，表示由xi變化引起y變化的程度。

式(6)為建立的誤差傳遞的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)建立的誤差傳遞模型既可以分析各變量對(duì)測(cè)量誤差的影響，又可以依據(jù)分析結(jié)果提出有效的減小誤差的方法。

3　測(cè)試結(jié)果

由于儀表的測(cè)量原理是基于非常精密的時(shí)間測(cè)量，因此儀器的測(cè)量精度與對(duì)聲時(shí)誤差的處理有著很大的關(guān)系。但由于儀器采用了曲面擬合的計(jì)算方法，可以很好的消除在測(cè)量過程中由延時(shí)誤差和溫度誤差帶來的影響。測(cè)試過程中將研制的氧氣濃度計(jì)測(cè)量制氧機(jī)輸出氧氣的體積分?jǐn)?shù)的結(jié)果與精密氧氣濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，由MatLAB所作的氧氣濃度絕對(duì)誤差分析圖如圖6所示，圖中縱坐標(biāo)為絕對(duì)誤差值的絕對(duì)值，橫坐標(biāo)為氧氣的體積分?jǐn)?shù)。

圖6　誤差分析圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的氧氣濃度測(cè)量精度較好，最大測(cè)量誤差小于2．0%，并且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的零點(diǎn)穩(wěn)定性好，完全滿足生產(chǎn)需要。

4　結(jié)束語

文中將超聲波氧氣濃度計(jì)測(cè)量的結(jié)果與高精度氧氣濃度測(cè)量?jī)x測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了曲面擬合計(jì)算方法的有效性。系統(tǒng)的優(yōu)異之處在于可以同時(shí)測(cè)量氣體的濃度和流量，并且該系統(tǒng)的測(cè)量精度、重復(fù)性和穩(wěn)定性等方面也可以滿足工業(yè)過程中氧氣濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。儀器采用非侵入式的超聲波探頭，具有在線檢測(cè)、快速實(shí)時(shí)、穩(wěn)定可靠、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，也可用于其他各種氣體濃度的在線檢測(cè)，測(cè)量精度優(yōu)于2．0%。

該系統(tǒng)主要用于檢測(cè)小流量氣體的濃度，單片機(jī)配置的晶振頻率大小，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精度有著很大的影響，外界的干擾和氣體本身特性也影響著測(cè)量精度。管道的選擇也非常重要，管道太長(zhǎng)，超聲波衰減變大，接收到的信號(hào)變小，容易受到外界干擾。管道內(nèi)徑過大，氣體流速相對(duì)降低，超聲波順向與逆向傳播時(shí)間差值減小，計(jì)算誤差會(huì)變大。

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