超聲波甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯廣平 丁喜波 王如月 何鑫

摘 要：針對(duì)超聲波甲烷氣體檢測(cè)精度的問題，提出了一種超聲波甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究，建立了聲速與氣體濃度的數(shù)學(xué)模型，在超聲波直接測(cè)量時(shí)間差法的基礎(chǔ)上，采用超高精度的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21完成時(shí)間的精密測(cè)量。完成了超聲波甲烷濃度系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析了測(cè)量精度的主要影響因素——時(shí)間測(cè)量并提出了解決方法。采用甲烷氣體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)方法的相對(duì)誤差小于2%，具有精度高、測(cè)量方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超聲波;甲烷;聲速;時(shí)間測(cè)量;TDC-GP21

DOI：10-15938/j-jhust-2020-01-018

中圖分類號(hào)： TB559

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）01-0121-06

Abstract：For the problem of ultrasonic methane gas detection accuracy， a research on ultrasonic methane concentration detection system is proposed， established a mathematical model of sound velocity and gas concentrationBased on the ultrasonic direct measurement time difference method， the ultra-high precision time digital conversion chip TDC-GP21 is used to complete the precise measurement of timeThe design of ultrasonic methane concentration system was completed， and the main influencing factors of measurement accuracy were analyzedTime measurement and solution were proposedThe system was tested and verified by methane gasThe experimental results show that the relative error of the detection method is less than 2%It has the advantages of high precision， convenient measurement and low cost， and has a good application prospect-

Keywords：ultrasonic; methane; sound velocity; time measurement; TDC-GP21

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中甲烷濃度檢測(cè)的需求很廣泛。傳統(tǒng)的甲烷濃度檢測(cè)方法有催化燃燒法、半導(dǎo)體氣敏法、紅外吸收法等[1-5]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法面臨測(cè)量范圍小、成本高等問題，超聲波法是近年來隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新的檢測(cè)技術(shù)，這種非接觸式的測(cè)量方法受到極大的關(guān)注，測(cè)量范圍寬，精度高，測(cè)試設(shè)備體積小，壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好[6]。近年來，超聲波檢測(cè)已被廣泛應(yīng)用在氣體檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外在超聲波檢測(cè)上的研究成果已十分豐富[7-9]。

超聲波檢測(cè)方法主要有相位差法、脈沖法。相位差法的測(cè)量原理是超聲波發(fā)射探頭被持續(xù)的脈沖激勵(lì)，通過檢測(cè)相同聲程的兩路超聲波接收信號(hào)的相位差來反映氣體濃度[10-11];脈沖法的測(cè)量原理是超聲波發(fā)射探頭被一組5-10個(gè)脈沖激勵(lì)，以超聲波在介質(zhì)氣體中傳播時(shí)間來得到氣體濃度 [12-14]。超聲波相位差法是超聲波在相同環(huán)境下的兩個(gè)傳輸通道內(nèi)分別在空氣和甲烷中傳播[15]，測(cè)量?jī)陕烦暡ǖ南辔徊?，這種方法可以減小環(huán)境帶來的干擾以及系統(tǒng)誤差，但是持續(xù)發(fā)射的超聲波會(huì)在兩個(gè)探頭之間形成反射，對(duì)信號(hào)造成很大的干擾，引起不可忽視的誤差;常用的脈沖法的測(cè)量過程是這樣：采用一對(duì)距離固定的超聲波傳感器，從發(fā)射探頭向接收探頭發(fā)射脈沖信號(hào)，發(fā)射的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到接收信號(hào)的幅值超過參考閾值時(shí)停止計(jì)數(shù)，此時(shí)計(jì)數(shù)器的值乘以計(jì)數(shù)周期就是超聲波傳輸時(shí)間，進(jìn)而得到超聲波速度。同時(shí)采集溫度參數(shù)，測(cè)得氣體濃度。脈沖法避免了回波反射造成的干擾問題，但是它的測(cè)量精度取決于處理器和溫度傳感器，超聲波在待測(cè)介質(zhì)中的傳播時(shí)間是微秒級(jí)，假設(shè)要求的測(cè)量精度為0-1，則處理器需要納秒級(jí)的計(jì)數(shù)周期，主頻需要達(dá)到1GHz，普通的處理器很難達(dá)到要求，高速M(fèi)PU成本太高。

針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)問題，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的超聲波甲烷濃度檢測(cè)裝置，在超聲波脈沖法的基礎(chǔ)上使用了一個(gè)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21來測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，同時(shí)采集溫度信息，可以完成高精度的測(cè)量。

1 測(cè)量原理及檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1-1 測(cè)量原理

1-2 檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行甲烷濃度檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)裝置測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，再由處理器處理成濃度值。

檢測(cè)裝置包括單片機(jī)系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路，氣腔，超聲波接收電路，測(cè)量電路，檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)儀將兩個(gè)超聲波探頭安置在測(cè)量通道兩端，測(cè)量通道與外界環(huán)境相通，發(fā)射探頭由方波脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)。通道的長(zhǎng)度確定，將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差測(cè)出來即得到聲波的速度。

圖1 甲烷濃度檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)圖

Fig-1 Hardware structure diagram of methane concentration detection

單片機(jī)系統(tǒng)定時(shí)器控制PWM為超聲波發(fā)射探頭提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，測(cè)量電路主要由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21完成，時(shí)間測(cè)量電路與單片機(jī)和超聲波接收電路相連，由激勵(lì)脈沖和回波信號(hào)觸發(fā);用于補(bǔ)償功能的溫度測(cè)量電路是時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21外圍連接一個(gè)鉑電阻和電容自動(dòng)完成溫度測(cè)量;單片機(jī)系統(tǒng)與測(cè)量電路通過四線制SPI接口連接，控制時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的工作以及接收處理數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2-1 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制電路采用PIC16F883型號(hào)單片機(jī)作為處理芯片，如圖2所示，包括單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)、PWM輸出、TDC控制電路、紅外檢測(cè)。

對(duì)于超聲波發(fā)射探頭可以采取方波信號(hào)或正弦波信號(hào)方式驅(qū)動(dòng)，考慮到方波脈沖容易實(shí)現(xiàn)，采用方波驅(qū)動(dòng)。超聲波的驅(qū)動(dòng)脈沖由PWM模塊輸出的。單片機(jī)內(nèi)部的比較/捕獲模塊的PWM 模式可產(chǎn)生頻率和占空比都可變化的脈寬調(diào)制信號(hào)。由單片機(jī)定時(shí)器TMR2的PWM方式輸出200kHz，0～3-3V的方波信號(hào)，由單片機(jī)RC1口輸出，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后激勵(lì)超聲波探頭。

用于時(shí)間測(cè)量的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片由單片機(jī)控制，配置工作方式、上電、開啟關(guān)斷測(cè)量工作。硬件電路部分由四線制SPI通信接口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出。時(shí)間測(cè)量的使能、復(fù)位、中斷也由單片機(jī)I/O口控制。

紅外檢測(cè)通過外部中斷引腳RB0接收紅外遙控器的信號(hào)，用于甲烷濃度的標(biāo)定。

2-2 超聲波驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)輸出的方波脈沖驅(qū)動(dòng)能力不夠，導(dǎo)致超聲波接收裝置得到的回波信號(hào)幅值太小，無法采集，因此需要驅(qū)動(dòng)電路放大后激勵(lì)超聲波探頭工作。方波驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，經(jīng)過N溝道MOS管兩級(jí)驅(qū)動(dòng)獲得與單片機(jī)輸出頻率相位相同的高能量方波，輸出電壓0～12V，電流120mA，這樣的激勵(lì)信號(hào)可以使超聲波的回波振幅達(dá)到200mV左右。

2-3 回波處理電路設(shè)計(jì)

回波信號(hào)是一個(gè)振幅為200mV左右的正弦震蕩信號(hào)，為了降低干擾，測(cè)量準(zhǔn)確，需要將回波信號(hào)進(jìn)行必要的放大和濾波。超聲波探頭作為回波信號(hào)的信號(hào)源阻抗較大，在測(cè)量時(shí)必須進(jìn)行阻抗匹配。如圖4所示，回波處理電路共分三級(jí)，選擇輸入電阻較大輸出阻抗很小的運(yùn)放OP184設(shè)計(jì)一級(jí)跟隨器;根據(jù)信號(hào)的壓擺率選擇超精密運(yùn)放OPA4197設(shè)計(jì)二級(jí)放大電路，放大倍數(shù)10倍，將回波信號(hào)放大到幅值0～2V左右;三級(jí)電路設(shè)計(jì)一個(gè)無限增益帶通濾波器，通頻帶10～400kHz。電路由單電源供電，一級(jí)跟隨電路在回波信號(hào)上增加一個(gè)2-5V的直流信號(hào)以保證回波信號(hào)在軌到軌的放大器作用下不會(huì)失真。在處理電路的輸出端加入濾波電容將直流分量濾掉。

2-4 時(shí)間測(cè)量電路設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)中時(shí)間的測(cè)量由德國(guó)ACAM公司的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21完成。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21應(yīng)用內(nèi)部的邏輯門延遲來以高精度測(cè)量時(shí)間間隔[18-20]，測(cè)量時(shí)由芯片的START引腳接收到脈沖信號(hào)觸發(fā)測(cè)量，STOP引腳接收到一個(gè)數(shù)字信號(hào)結(jié)束測(cè)量。TDC的內(nèi)部測(cè)量方法是測(cè)量從START或STOP信號(hào)到相鄰的基準(zhǔn)時(shí)鐘上升沿之間的間隔時(shí)間（fine-counts），在兩次精密測(cè)量之間，TDC記下基準(zhǔn)時(shí)鐘的周期數(shù)（coarse-count）。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21內(nèi)部集成了一個(gè)額外的模擬電路輸入部分，經(jīng)過回波處理電路處理之后的模擬信號(hào)可以直接輸入到TDC測(cè)量。

TDC的測(cè)量電路如圖5所示，Start引腳接收單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)觸發(fā)時(shí)間測(cè)量，脈沖信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)超聲波探頭，超聲波接收探頭接收到的回波信號(hào)經(jīng)處理電路處理后輸入到TDC-GP21的STOP引腳，回波信號(hào)作為時(shí)間測(cè)量終止的信號(hào)，TDC-GP21自動(dòng)計(jì)算時(shí)間。溫度的采集也由TDC-GP21完成。TDC-GP21對(duì)溫度的測(cè)量是通過測(cè)量鉑電阻對(duì)電容的放電時(shí)間進(jìn)行的，溫度測(cè)量自動(dòng)完成，查詢溫度傳感器的溫度表格以獲得傳感器測(cè)得的當(dāng)前溫度值。

TDC-GP21 的配置及使能都由單片機(jī)來控制，單片機(jī)通過SPI接口對(duì)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片寫入操作碼，配置其工作方式，通過單片機(jī)I/O口的電平設(shè)置測(cè)量的使能和禁止。時(shí)間測(cè)量結(jié)果傳回給單片機(jī)通過算法進(jìn)行甲烷濃度的精確計(jì)算，最后進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

甲烷檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要包括脈沖發(fā)生程序、TDC控制測(cè)量程序、數(shù)據(jù)處理程序、標(biāo)定程序。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試過程都是在MPLAB集成開發(fā)平臺(tái)上完成的。MPLAB是適用于使用Microchip 的PIC micro & reg系列單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開發(fā)，通過使用內(nèi)置模擬器觀察程序流程調(diào)試可執(zhí)行邏輯。軟件設(shè)計(jì)以單片機(jī)工作流程為主，完成產(chǎn)生脈沖、命令的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)處理功能。TDC的工作流程設(shè)置也由單片機(jī)來完成，使用TDC識(shí)別的指令碼在上電之后對(duì)TDC進(jìn)行初始化的配置，TDC就能自動(dòng)完成測(cè)量功能，測(cè)量結(jié)果自動(dòng)從SPI接口發(fā)送出去，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，處理成濃度值顯示。主程序流程如圖6所示。

檢測(cè)系統(tǒng)軟件程序?qū)?zhí)行下列功能：首先，進(jìn)行初始化程序，系統(tǒng)初始化將會(huì)對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)工作和各個(gè)寄存器設(shè)置;然后配置TDC進(jìn)行信號(hào)采集和測(cè)量;初始化完成之后定時(shí)器時(shí)間到達(dá)自動(dòng)發(fā)送脈沖信號(hào)。等待測(cè)量時(shí)間后向TDC發(fā)送操作碼讀回測(cè)量值，最終經(jīng)計(jì)算處理得到的甲烷濃度值，顯示輸出。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

測(cè)試實(shí)驗(yàn)通過可燃?xì)怏w配制系統(tǒng)配制需要的標(biāo)準(zhǔn)氣，配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

將100%標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體與純空氣配比成濃度分別為20%、40%、60%的混合氣體，作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)待測(cè)氣體。在環(huán)境溫度為25℃的條件下，選用200kHz中心頻率的超聲波發(fā)射探頭，并用50%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定氣體對(duì)測(cè)量裝置標(biāo)定。標(biāo)定過程如下：甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)上電后，在氣腔內(nèi)通入純凈空氣，穩(wěn)定3～5min，按下紅外遙控器的零點(diǎn)標(biāo)定按鍵，進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定;將配制的50%濃度的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣通入氣腔，在示值穩(wěn)定后按下紅外遙控器的靈敏度標(biāo)定按鍵。標(biāo)定重復(fù)進(jìn)行2～3次。

將配制的不同濃度混合氣體分別重復(fù)測(cè)量5次，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程中5組測(cè)量結(jié)果的最大相對(duì)誤差，由甲烷濃度測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果來看，利用基于TDC的超聲波甲烷濃度檢測(cè)方法測(cè)量甲烷濃度的相對(duì)誤差不超過2%，此方法的測(cè)量精度可以滿足測(cè)量要求，同時(shí)測(cè)量精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16808-2008《可燃?xì)怏w報(bào)警控制器》的要求。

5 結(jié) 論

將時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC應(yīng)用到了直接時(shí)間差超聲波測(cè)量氣體濃度的方法上，并采用甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用TDC的超聲波時(shí)間檢測(cè)方法可行。此設(shè)計(jì)方法解決了傳統(tǒng)檢測(cè)方法測(cè)量范圍不夠問題，以及超聲波相位差法測(cè)量過程中的反射干擾問題和普通的超聲波脈沖技術(shù)中測(cè)量精度的問題。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的超聲波甲烷濃度檢測(cè)裝置具有電路簡(jiǎn)單，成本低廉，測(cè)量精度高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)氣體泄漏以及其他氣體測(cè)量方面都有廣闊的發(fā)展前景。

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