張紅麗，和衛(wèi)星，郁永斌

(江蘇大學電氣信息工程學院，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)境污染問題對我國可持續(xù)發(fā)展帶來了很大的壓力，我們迫切的需要對其生產(chǎn)過程分析和控制能力進行提升，節(jié)能減排已成為我國的國策。氧氣作為工業(yè)生產(chǎn)燃燒過程中的助燃氣體和人類賴以生存的氣體，對其濃度進行在線監(jiān)測已成為節(jié)能減排的重要手段之一。目前用于監(jiān)測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]。

而對于半導體氣敏元件，它結構簡單、實用方便，但不適合對氣體進行精確的分析，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存在很大困難，光源光譜的寬度和光強因素也限制了它的應用[2]。隨著超聲檢測技術的發(fā)展，氣體濃度的超聲波檢測法克服了傳統(tǒng)檢測方法本身固有的缺點，在氣體濃度檢測領域，完全可以適應未來高精度測量的挑戰(zhàn)，繼續(xù)保持在氣體濃度檢測領域中的領先地位。針對以上情況，運用超聲波技術研制了一種基于曲面擬合的氧氣濃度計，并對測量結果進行了分析研究，效果良好。

1　測量原理及裝置

1．1測量原理

超聲波在線式濃度計是利用超聲波在定長管道的傳播速度隨介質濃度的變化而變化這一物理原理進行在線檢測氣體濃度的[3]。對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中的聲速；T為氣體的溫度；p為氣體的壓力。

在實際的測量中氣體壓力是基本恒定的量。當壓力p恒定時，式(1)可以轉化為：

n=f(c，T)

(2)

n=f(t-Δt，T)

(3)

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

圖1　時序波形圖

1．2測量裝置

由于檢測氣體濃度時，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，在順流方向傳播速度會增大，逆流方向則減小，因此系統(tǒng)通過分別測量超聲波在順流和逆流時的傳播時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)通過單片機向安裝在定長管道的超聲波換能器發(fā)送激勵脈沖信號，見圖1(a)，此時開啟單片機的定時器并清零，與此同時，超聲波信號由一端的超聲波探頭A發(fā)出，在定長管道內(nèi)的氣體介質中傳播，到達管道的另一端，被安裝在另一端的超聲波探頭B接收，轉變?yōu)殡娦盘?，見圖1(b)，接收放大器將超聲波回波信號放大后，送往比較器，將輸出的比較信號，見圖1(c)，送入單片機的捕獲端口，通過單片機的定時器捕獲超聲波在管道內(nèi)的正向傳播時間ta，然后通過切換電路切換后，給超聲換能器B激勵脈沖，由此探頭發(fā)射超聲波信號，由探頭A接收，此時用單片機捕獲超聲波的逆向傳播時間為tb，氧氣傳輸管道中的高精度溫度傳感器，用于測量氣體溫度。單片機將測得的時間和溫度值進行綜合運算后，直接記錄氧氣濃度的瞬時值[5]。氧氣的濃度關于時間和溫度的系數(shù)通過最小二乘曲面擬合的方法獲得。

2　關鍵技術研究

2．1比較器的選擇與比較電路的設計

2．1．1比較器的選型

電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近無窮大的運算放大器。它主要用于比較兩個電壓的大小，當“+”輸入端電壓高于“-”輸入端時，輸出高電平；當“+”輸入端電壓低于“-”輸入端時，輸出為低電平。一般應用中，可以用線性運算放大器在不加負反饋的情況下，構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，延遲時間小，可用于專門的電壓比較場合。研制的氧氣濃度計選用了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，圖中正弦波信號為比較器輸入信號，方波信號為比較器輸出信號。

圖3　示波器觀察的LM393比較器輸出信號波形圖

2．1．2比較電路的設計

簡單的電壓比較電路結構簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，因此我們就要對其進行改進，常用的改進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供電，由單片機供電既可以實時控制比較器的通斷，又可以消除電路切換時產(chǎn)生的雜波對電路的影響。

放大器輸出的超聲波信號通過圖4所示的比較電路后輸出的波形圖如圖5所示，圖中正弦波信號為放大器輸出信號，方波信號為比較器輸出信號。由圖5可知系統(tǒng)通過捕獲單片機發(fā)出方波激勵信號的上升沿與超聲波信號經(jīng)過比較電路后轉換成方電信號的下降沿來測量時間的。設計的遲滯比較器不僅可以避免雜波對比較結果的影響，同時又可以得到準確的比較結果，從而使測量時間更精確。

圖5　由示波器觀察的遲滯比較器輸出波形圖

2．2濃度與溫度和聲時之間的關系

氧氣濃度不單純是聲時的函數(shù)，也是氧氣溫度的函數(shù)。利用高精度氧氣濃度測量儀進行了氧氣濃度和聲時、氧氣溫度之間相互關系的實驗研究，其函數(shù)關系式為：

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

(4)

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

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

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

實際檢測過程中，雖然可以根據(jù)誤差產(chǎn)生的結果對其進行籠統(tǒng)地劃分，但系統(tǒng)誤差、隨機誤差與寄生誤差之間并無明確的界限，測試條件的改變和檢測手段的變更都可以轉變誤差的分類與歸屬?？傊?，當氣體濃度計安裝完畢、參數(shù)設定已經(jīng)完成，各變量引入的檢測誤差就此確定，分析氣體超聲波濃度計檢測誤差的本質就是衡量各參數(shù)對檢測結果所產(chǎn)生的影響，為此需要建立誤差傳遞的數(shù)學模型。

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

(5)

因變量的相對誤差可以轉化為：

(6)

式中：εy、εxi為因變量和變量y、xi的相對誤差；λ為xi的相對誤差傳遞系數(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)學模型，根據(jù)建立的誤差傳遞模型既可以分析各變量對測量誤差的影響，又可以依據(jù)分析結果提出有效的減小誤差的方法。

3　測試結果

由于儀表的測量原理是基于非常精密的時間測量，因此儀器的測量精度與對聲時誤差的處理有著很大的關系。但由于儀器采用了曲面擬合的計算方法，可以很好的消除在測量過程中由延時誤差和溫度誤差帶來的影響。測試過程中將研制的氧氣濃度計測量制氧機輸出氧氣的體積分數(shù)的結果與精密氧氣濃度測量儀測量的結果進行對比，由MatLAB所作的氧氣濃度絕對誤差分析圖如圖6所示，圖中縱坐標為絕對誤差值的絕對值，橫坐標為氧氣的體積分數(shù)。

圖6　誤差分析圖

實驗結果表明，研制的氧氣濃度測量精度較好，最大測量誤差小于2．0%，并且長時間運行的零點穩(wěn)定性好，完全滿足生產(chǎn)需要。

4　結束語

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

該系統(tǒng)主要用于檢測小流量氣體的濃度，單片機配置的晶振頻率大小，對檢測結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量精度。管道的選擇也非常重要，管道太長，超聲波衰減變大，接收到的信號變小，容易受到外界干擾。管道內(nèi)徑過大，氣體流速相對降低，超聲波順向與逆向傳播時間差值減小，計算誤差會變大。

參考文獻：

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