论文部分内容阅读
摘要：针对现有氢气检测技术存在的问题，提出了超声波相位差氢气检测法。该方法依据氢气声速与其他气体声速有显著差别而设计，采用双通道设计，巧妙地将超声波速度差转化为相位差，用测得的相位差变化来反映气体浓度的变化，提高了测量精度，同时采用数字温度传感器进行环境温度补偿，扩大了传感器的工作温度范围。实验结果表明本测量方法氢气测量相对误差小于2%，符合相关国家标准要求，实现了氢气快速、高精度、低功耗、低成本检测，具有较高的理论意义和应用价值。
关键词：氢气；超声波；声速；相位差
DOI：1015938/jjhust201705015
中图分类号： TB559
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2017）05-0081-04
Hydrogen Detection Method Based on Ultrasonic Phase Difference
Method and the Development of the Instrument
DING Xin，DING Xibo，WANG LIjie，WANG Jian，ZOU Yifeng
（Higher Educational Key Laboratory for Measuring & Control Technology and Instrumentation
of Heilongjiang Province， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）
Abstract：This article aimed at the current problem of hydrogen gas detection technology put forward a detection of ultrasonic phase difference This detection design according to the different sound speed from hydrogen and other gas， utilize dualchannel design， skillfully converted ultrasound velocity into phase difference， phase difference change measured to reflect changes in gas concentration， improve the measurement accuracy， and using digital temperature sensor recompense temperature， expanded operating temperature range of the sensor Experimental results show that the measurement method to achieve a hydrogen fast， highprecision， lowpower， lowcost testing， has a high theoretical and practical value
Keywords：hydrogen； ultrasonic； sound speed； phase difference
收稿日期： 2016-03-21
基金項目： 國家自然科学基金（61179023）
作者简介：
丁欣（1991—），女，硕士研究生，Email：292734576@qqcom；
丁喜波（1963—），男，教授，硕士研究生导师
0引言
氢气作为一种无污染的高效清洁能源和重要的化工原料广泛应用于航空航天、核电站、核潜艇、汽车和化工领域等。然而氢气也是一种易燃易爆的气体，在常温常压下，当所占体积比例达到4%以上时极易发生爆炸。氢气检测对保障氢气在工业生产过程中的安全至关重要。目前国内外的氢气检测仪普遍采用的是催化式传感器，这类传感器普遍存在长期稳定性差、功耗高、寿命短等问题，无法满足氢气监测的需要[1-3]。
针对现有氢气检测技术普遍存在的问题，本文提出了超声波相位差法氢气检测方法，该测量方法采用测量通道和参考通道的双通道设计，巧妙地将超声波速度差转化为相位差，提高了测量精度，同时消除了环境温度对零点的影响；同时采用数字温度传感器进行灵敏度补偿，扩大了传感器的工作温度范围，减少了外界环境对测量精度的影响。
1超声波相位差法工作原理
11传感器结构
本文采用测量通道和参考通道的双通道设计，用相位差变化来反映气体浓度的变化。传感器原理示意图如图1所示。在参考通道内部密封纯净的空气，测量通道则与外界环境相通，两个通道内各安装有一对相同的超声波探头，发射探头由同一个方波信号驱动。由于两个通道内传播介质不同引起超声波传播速度不同，因此通过比较两个通道超声波传播时间的差异，即两路通道接收端得到的正弦波信号的相位差就可以得到待测环境中氢气的浓度值。
12超声波相位差法理论分析
对于同一种理想气体，其气体常数R都保持恒定。氢气的气体常数为4121735J/（kg·K），空气的气体常数为287041J/（kg·K）。氢气的气体常数值远远高于其他气体的气体常数值。由物理学声速公式v=kRT可看出，在近似相等绝热系数k和同一开氏温度下Tk下，气体常数R与声速呈正相关[4-6]。在常压、温度15℃环境中，空气中声速是340m/s，氢气中声速是1295m/s。可见氢气的声速与其他气体的声速具有显著差别，利用这一特性便可准确地检测出混合气体中氢气的浓度值，并可有效地排除其他气体的干扰。 将氢气和空气的气体常数代入声速公式可得：
V空=201Tk（1）
VH2=755Tk（2）
可以推出混合气体的声速：
V混=（1-c）V空+c·Vb=V空+（VH2-V空）·c（3）
在用微處理器直接计算Tk时影响运算速度并占据较大内存。经过理论分析可知在Tk变化范围较小时，Tk曲线可近似成直线。在环境温度在0～30℃范围，27315/Tk可按（1-591Tc）（Tc为环境摄氏温度）近似计算。
在等距离的气体腔中，气体传播时间差为：
Δt=t空-tx
即：
Δt=LV空-LV混（4）
将式（1）、（2）、（3）代入式（4）得，氢气浓度c：
c=201Δt554（L201Tk-Δt）（5）
取Δn=ΔtA，A为声波周期（对于40kHz的超声波是25μs），Δn为对应的周期差即占空比。
将Δt=A·Δn代入式（5）可得：
c=K2ΔnK1（1-Tc591）-Δn（6）
式中：K1、K2为与结构和气体特性有关的常数。
氢气浓度为0时的相位差由于结构和调整的需要通常取为较小的非零值Δn0，所以上式中的Δn应该用（Δn-Δn0）替换。取管长L=80mm，则可计算出常数K1=963。代入上式得：
c=K2（Δn-Δn0）963（1-Tc591）-（Δn-Δn0）（7）
在氢气浓度为c2时进行灵敏度标定，测得相位差为Δn2，环境摄氏温度为T2，可得常数K2为：
K2=c2[963591（591-T2）-（Δn2-Δn0）]（Δn2-Δn0）（8）
将常数K2代入式（7）可得：
c=c2[963591（591-T2）-（Δn2-Δn0）]（Δn-Δn0）（Δn2-Δn0）[963（1-Tc591）-（Δn-Δn0）]（9）
由上式可以看出，气体的浓度c与Δn和Tc有关，即只要知道当前环境摄氏温度Tc，再通过检相电路获得零点和灵敏度标定时的相位差Δn0、Δn2，即可代入上式计算出待测气体浓度值。上述的数学模型充分考虑了标定环境与实际测量环境的温度差异，提高了测量的准确度。
2检测仪组成及电路设计
本检测仪由主模块和测量模块两部分组成，系统硬件电路结构框图如图2所示。其中主模块主要实现显示、报警、标定等功能，以单片机PIC16F883为微控制器设计，包括有电源电路、数码管显示电路、声光报警电路，信号输出电路等。测量模块是本检测仪的核心，包括有信号处理电路、温度测量电路、红外接收电路等，以单片机PIC16F1783为微控制器设计。测量模块实时测量温度并对超声波输出信号进行了温度补偿，减少温度对检测结果的影响。主模块和测量模块间采用UART通信进行数据传输。
对于超声波发射探头可以采取方波信号或正弦波信号驱动，方波信号驱动电路简单效果也很理想，因此本文采用方波信号驱动。MCP1415器件是能够提供15A峰值电流的高速MOSFET驱动器[7]，反相或同相单通道输出能直接被TTL或CMOS逻辑所控制（3V到18V）。低贯通电流、匹配的上升和下降时间以及短传播延迟也是这些器件的特色，非常适合高频开关应用，因此本文采用MCP1415作为超声波驱动器件。在开和关的状态下，它提供了足够低的阻抗，从而确保即使在发生大的瞬态事件时，MOSFET的预期状态也不会有影响。方波驱动信号由单片机定时器的PWM方式输出，送入MCP1415芯片后获得峰峰值为5～15V频率为40KHz的大电流方波驱动信号。
信号处理电路用于对接收探头接收到的40KHz正弦波信号进行滤波、放大，并转换成方波信号，主要包括3个部分：滤波电路、差分放大电路、比较器电路。接收探头接收到信号先经过高通滤波电路滤掉高频干扰，再经过低通滤波电路滤除低频信号，得到较为理想的40KHz的正弦波信號[8]。如图3所示。
氢气检测仪MCU所选用的PIC单片机有可靠的内部复位电路，无需另加复位芯片。同时PIC单片机的片内12位AD也能很好的满足本测试仪的精度需求，单片机内部丰富的模拟资源在增加系统可靠性的同时，进一步降低了设计成本。
3测试与结果分析
本文借鉴了其他可燃性气体配制方法，设计了能够满足测试要求并且配气浓度可调的标准气体配制系统。配气系统的结构框图如图4所示。
氢气检测仪零点标定过程：检测仪接通电源后，通入纯净的空气，预热稳定3～5min，用红外遥控器零点标定键进行零点校准。
氢气检测仪灵敏度标定：将用配气装置配制的2%浓度氢气接如检测仪的进气口，在示值稳定后用红外遥控器灵敏度标定键进行灵敏度校准。
表1是三台样机在相同的环境下的氢气检测实验数据。
由氢气浓度测量实验数据及输出特性曲线可以看出，利用超声波相位差法具有很好的线性度，测量氢气浓度的相对误差不超过2%，测量精度符合国家标准GB16808-2008《可燃气体报警控制器》的要求。
热导式或催化式传感器的的工作电流都超过了100mA，本检测方法超声波探头的工作电流仅有3～5mA，工作电流降低了几十倍。超声波探头选用市场价2元左右的小型测距探头就可满足使用要求。所以本测试方法实现了低功耗、低成本氢气检测。另外热导式或催化式传感器的的敏感元件需加热到300-500℃的高温状态，长期工作后存在元件老化导致的长期工作稳定性差的问题，而本检测方法超声波探头工作于常温状态，其元件不存在高温老化现象，所以其长期工作稳定性要明显好于热导式或催化式测量方法，这一点已经在完成的初步实验中得到验证。
基于超声波相位差的氢气检测方法测量精度高且较易实现，但还存在多种影响测量精度的因素，通过对测量系统结构及电路分析，得到可能引起误差的因素及应对措施如下： 1）传感器定位引起的误差。
在设计时取测量通道管长L=80mm，但实际距离将存在一定偏差，造成由L計算出的常数K1偏离真实值，进而影响检测仪的测量精度。应对措施是提高加工精度，减少结构尺寸误差，保证测量的双通道管长一致。
2）环境温度引起的误差。
超声波在空气中传播速度受环境温度影响较大，此外环境温度还影响测试系统各环节电路的输出，所以环境温度改变时将影响测量精度，为了补偿温度变化的影响，本检测仪设计了DS18B20实时测温电路，通过软件对声速和电路各环节的输出进行温度补偿。
3）被测气体流速变化造成的影响。
检测系统运行中由于超声波传感器通气孔堵塞等原因，造成气样流速不均匀、不稳定，使气室中的气体密度发生变化，造成测量误差。采取的措施是控制流速尽可能小并减少流速变化。
4结语
氢气检测仪采用标准氢气进行测量实验，实验结果表明用超声波相位差法测量氢气浓度的精度较高，测量方案可行。进行了检测原理的理论分析，建立了浓度与相位差关系的数学模型，分析了温度与测量结果的关系，采用数字温度传感器进行了温度补偿，提高了测量精度。本氢气检测仪的研制解决了其他检测方法的存在的问题，实现了氢气高精度、低功耗、低成本检测。
参 考 文 献：
[1]张兴磊，花榕，陈双喜，等.低浓度氢气检测方法研究进展[J].分析仪器，2009（5）：6-10
[2]VYAS J C，KATTI V R，GUPTA S K，et al.A Noninvasive Ultrasonic Gas Sensor for Binary Gas Mixtures[J].Sensors and Acuators B，2006， 115（1）：28-32
[3]张振东.氢气传感器及其检测技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013
[4]KIM Sungbok， KIM Hyunbin Optimal Ultrasonic Sensor Ring with Beam Overlap for High Resolution Obstacle Detection[J] IECON 2011-37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society， 2011， 14（2）： 240-245
[5]宋潍，陈宇灏，李小慧.基于机械共振的声譜分析技术[J].物理学报，2012，61（22）：2262021-6
[6]贾雅琼，王殊，朱明，等.气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系[J].物理学报，2012，61（9）： 0951011-8
[7]纪圣儒， 朱志明， 周雪珍， 等 MOSFET 隔离型高速驱动电路[J].电焊机，2007，37（5）：6-9
[8]周美兰，鲁登科，李亚辉，等.低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计[J].哈尔滨理工大学学报，2013，18（1）：104-108
（编辑：温泽宇）
关键词：氢气；超声波；声速；相位差
DOI：1015938/jjhust201705015
中图分类号： TB559
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2017）05-0081-04
Hydrogen Detection Method Based on Ultrasonic Phase Difference
Method and the Development of the Instrument
DING Xin，DING Xibo，WANG LIjie，WANG Jian，ZOU Yifeng
（Higher Educational Key Laboratory for Measuring & Control Technology and Instrumentation
of Heilongjiang Province， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）
Abstract：This article aimed at the current problem of hydrogen gas detection technology put forward a detection of ultrasonic phase difference This detection design according to the different sound speed from hydrogen and other gas， utilize dualchannel design， skillfully converted ultrasound velocity into phase difference， phase difference change measured to reflect changes in gas concentration， improve the measurement accuracy， and using digital temperature sensor recompense temperature， expanded operating temperature range of the sensor Experimental results show that the measurement method to achieve a hydrogen fast， highprecision， lowpower， lowcost testing， has a high theoretical and practical value
Keywords：hydrogen； ultrasonic； sound speed； phase difference
收稿日期： 2016-03-21
基金項目： 國家自然科学基金（61179023）
作者简介：
丁欣（1991—），女，硕士研究生，Email：292734576@qqcom；
丁喜波（1963—），男，教授，硕士研究生导师
0引言
氢气作为一种无污染的高效清洁能源和重要的化工原料广泛应用于航空航天、核电站、核潜艇、汽车和化工领域等。然而氢气也是一种易燃易爆的气体，在常温常压下，当所占体积比例达到4%以上时极易发生爆炸。氢气检测对保障氢气在工业生产过程中的安全至关重要。目前国内外的氢气检测仪普遍采用的是催化式传感器，这类传感器普遍存在长期稳定性差、功耗高、寿命短等问题，无法满足氢气监测的需要[1-3]。
针对现有氢气检测技术普遍存在的问题，本文提出了超声波相位差法氢气检测方法，该测量方法采用测量通道和参考通道的双通道设计，巧妙地将超声波速度差转化为相位差，提高了测量精度，同时消除了环境温度对零点的影响；同时采用数字温度传感器进行灵敏度补偿，扩大了传感器的工作温度范围，减少了外界环境对测量精度的影响。
1超声波相位差法工作原理
11传感器结构
本文采用测量通道和参考通道的双通道设计，用相位差变化来反映气体浓度的变化。传感器原理示意图如图1所示。在参考通道内部密封纯净的空气，测量通道则与外界环境相通，两个通道内各安装有一对相同的超声波探头，发射探头由同一个方波信号驱动。由于两个通道内传播介质不同引起超声波传播速度不同，因此通过比较两个通道超声波传播时间的差异，即两路通道接收端得到的正弦波信号的相位差就可以得到待测环境中氢气的浓度值。
12超声波相位差法理论分析
对于同一种理想气体，其气体常数R都保持恒定。氢气的气体常数为4121735J/（kg·K），空气的气体常数为287041J/（kg·K）。氢气的气体常数值远远高于其他气体的气体常数值。由物理学声速公式v=kRT可看出，在近似相等绝热系数k和同一开氏温度下Tk下，气体常数R与声速呈正相关[4-6]。在常压、温度15℃环境中，空气中声速是340m/s，氢气中声速是1295m/s。可见氢气的声速与其他气体的声速具有显著差别，利用这一特性便可准确地检测出混合气体中氢气的浓度值，并可有效地排除其他气体的干扰。 将氢气和空气的气体常数代入声速公式可得：
V空=201Tk（1）
VH2=755Tk（2）
可以推出混合气体的声速：
V混=（1-c）V空+c·Vb=V空+（VH2-V空）·c（3）
在用微處理器直接计算Tk时影响运算速度并占据较大内存。经过理论分析可知在Tk变化范围较小时，Tk曲线可近似成直线。在环境温度在0～30℃范围，27315/Tk可按（1-591Tc）（Tc为环境摄氏温度）近似计算。
在等距离的气体腔中，气体传播时间差为：
Δt=t空-tx
即：
Δt=LV空-LV混（4）
将式（1）、（2）、（3）代入式（4）得，氢气浓度c：
c=201Δt554（L201Tk-Δt）（5）
取Δn=ΔtA，A为声波周期（对于40kHz的超声波是25μs），Δn为对应的周期差即占空比。
将Δt=A·Δn代入式（5）可得：
c=K2ΔnK1（1-Tc591）-Δn（6）
式中：K1、K2为与结构和气体特性有关的常数。
氢气浓度为0时的相位差由于结构和调整的需要通常取为较小的非零值Δn0，所以上式中的Δn应该用（Δn-Δn0）替换。取管长L=80mm，则可计算出常数K1=963。代入上式得：
c=K2（Δn-Δn0）963（1-Tc591）-（Δn-Δn0）（7）
在氢气浓度为c2时进行灵敏度标定，测得相位差为Δn2，环境摄氏温度为T2，可得常数K2为：
K2=c2[963591（591-T2）-（Δn2-Δn0）]（Δn2-Δn0）（8）
将常数K2代入式（7）可得：
c=c2[963591（591-T2）-（Δn2-Δn0）]（Δn-Δn0）（Δn2-Δn0）[963（1-Tc591）-（Δn-Δn0）]（9）
由上式可以看出，气体的浓度c与Δn和Tc有关，即只要知道当前环境摄氏温度Tc，再通过检相电路获得零点和灵敏度标定时的相位差Δn0、Δn2，即可代入上式计算出待测气体浓度值。上述的数学模型充分考虑了标定环境与实际测量环境的温度差异，提高了测量的准确度。
2检测仪组成及电路设计
本检测仪由主模块和测量模块两部分组成，系统硬件电路结构框图如图2所示。其中主模块主要实现显示、报警、标定等功能，以单片机PIC16F883为微控制器设计，包括有电源电路、数码管显示电路、声光报警电路，信号输出电路等。测量模块是本检测仪的核心，包括有信号处理电路、温度测量电路、红外接收电路等，以单片机PIC16F1783为微控制器设计。测量模块实时测量温度并对超声波输出信号进行了温度补偿，减少温度对检测结果的影响。主模块和测量模块间采用UART通信进行数据传输。
对于超声波发射探头可以采取方波信号或正弦波信号驱动，方波信号驱动电路简单效果也很理想，因此本文采用方波信号驱动。MCP1415器件是能够提供15A峰值电流的高速MOSFET驱动器[7]，反相或同相单通道输出能直接被TTL或CMOS逻辑所控制（3V到18V）。低贯通电流、匹配的上升和下降时间以及短传播延迟也是这些器件的特色，非常适合高频开关应用，因此本文采用MCP1415作为超声波驱动器件。在开和关的状态下，它提供了足够低的阻抗，从而确保即使在发生大的瞬态事件时，MOSFET的预期状态也不会有影响。方波驱动信号由单片机定时器的PWM方式输出，送入MCP1415芯片后获得峰峰值为5～15V频率为40KHz的大电流方波驱动信号。
信号处理电路用于对接收探头接收到的40KHz正弦波信号进行滤波、放大，并转换成方波信号，主要包括3个部分：滤波电路、差分放大电路、比较器电路。接收探头接收到信号先经过高通滤波电路滤掉高频干扰，再经过低通滤波电路滤除低频信号，得到较为理想的40KHz的正弦波信號[8]。如图3所示。
氢气检测仪MCU所选用的PIC单片机有可靠的内部复位电路，无需另加复位芯片。同时PIC单片机的片内12位AD也能很好的满足本测试仪的精度需求，单片机内部丰富的模拟资源在增加系统可靠性的同时，进一步降低了设计成本。
3测试与结果分析
本文借鉴了其他可燃性气体配制方法，设计了能够满足测试要求并且配气浓度可调的标准气体配制系统。配气系统的结构框图如图4所示。
氢气检测仪零点标定过程：检测仪接通电源后，通入纯净的空气，预热稳定3～5min，用红外遥控器零点标定键进行零点校准。
氢气检测仪灵敏度标定：将用配气装置配制的2%浓度氢气接如检测仪的进气口，在示值稳定后用红外遥控器灵敏度标定键进行灵敏度校准。
表1是三台样机在相同的环境下的氢气检测实验数据。
由氢气浓度测量实验数据及输出特性曲线可以看出，利用超声波相位差法具有很好的线性度，测量氢气浓度的相对误差不超过2%，测量精度符合国家标准GB16808-2008《可燃气体报警控制器》的要求。
热导式或催化式传感器的的工作电流都超过了100mA，本检测方法超声波探头的工作电流仅有3～5mA，工作电流降低了几十倍。超声波探头选用市场价2元左右的小型测距探头就可满足使用要求。所以本测试方法实现了低功耗、低成本氢气检测。另外热导式或催化式传感器的的敏感元件需加热到300-500℃的高温状态，长期工作后存在元件老化导致的长期工作稳定性差的问题，而本检测方法超声波探头工作于常温状态，其元件不存在高温老化现象，所以其长期工作稳定性要明显好于热导式或催化式测量方法，这一点已经在完成的初步实验中得到验证。
基于超声波相位差的氢气检测方法测量精度高且较易实现，但还存在多种影响测量精度的因素，通过对测量系统结构及电路分析，得到可能引起误差的因素及应对措施如下： 1）传感器定位引起的误差。
在设计时取测量通道管长L=80mm，但实际距离将存在一定偏差，造成由L計算出的常数K1偏离真实值，进而影响检测仪的测量精度。应对措施是提高加工精度，减少结构尺寸误差，保证测量的双通道管长一致。
2）环境温度引起的误差。
超声波在空气中传播速度受环境温度影响较大，此外环境温度还影响测试系统各环节电路的输出，所以环境温度改变时将影响测量精度，为了补偿温度变化的影响，本检测仪设计了DS18B20实时测温电路，通过软件对声速和电路各环节的输出进行温度补偿。
3）被测气体流速变化造成的影响。
检测系统运行中由于超声波传感器通气孔堵塞等原因，造成气样流速不均匀、不稳定，使气室中的气体密度发生变化，造成测量误差。采取的措施是控制流速尽可能小并减少流速变化。
4结语
氢气检测仪采用标准氢气进行测量实验，实验结果表明用超声波相位差法测量氢气浓度的精度较高，测量方案可行。进行了检测原理的理论分析，建立了浓度与相位差关系的数学模型，分析了温度与测量结果的关系，采用数字温度传感器进行了温度补偿，提高了测量精度。本氢气检测仪的研制解决了其他检测方法的存在的问题，实现了氢气高精度、低功耗、低成本检测。
参 考 文 献：
[1]张兴磊，花榕，陈双喜，等.低浓度氢气检测方法研究进展[J].分析仪器，2009（5）：6-10
[2]VYAS J C，KATTI V R，GUPTA S K，et al.A Noninvasive Ultrasonic Gas Sensor for Binary Gas Mixtures[J].Sensors and Acuators B，2006， 115（1）：28-32
[3]张振东.氢气传感器及其检测技术[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013
[4]KIM Sungbok， KIM Hyunbin Optimal Ultrasonic Sensor Ring with Beam Overlap for High Resolution Obstacle Detection[J] IECON 2011-37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society， 2011， 14（2）： 240-245
[5]宋潍，陈宇灏，李小慧.基于机械共振的声譜分析技术[J].物理学报，2012，61（22）：2262021-6
[6]贾雅琼，王殊，朱明，等.气体声弛豫过程中有效比热容与弛豫时间的分解对应关系[J].物理学报，2012，61（9）： 0951011-8
[7]纪圣儒， 朱志明， 周雪珍， 等 MOSFET 隔离型高速驱动电路[J].电焊机，2007，37（5）：6-9
[8]周美兰，鲁登科，李亚辉，等.低频矩形波电磁流量计信号处理电路的设计[J].哈尔滨理工大学学报，2013，18（1）：104-108
（编辑：温泽宇）