丁欣++丁喜波++王麗杰++王健++鄒一風

摘要：針對現(xiàn)有氫氣檢測技術(shù)存在的問題，提出了超聲波相位差氫氣檢測法。該方法依據(jù)氫氣聲速與其他氣體聲速有顯著差別而設計，采用雙通道設計，巧妙地將超聲波速度差轉(zhuǎn)化為相位差，用測得的相位差變化來反映氣體濃度的變化，提高了測量精度，同時采用數(shù)字溫度傳感器進行環(huán)境溫度補償，擴大了傳感器的工作溫度范圍。實驗結(jié)果表明本測量方法氫氣測量相對誤差小于2%，符合相關(guān)國家標準要求，實現(xiàn)了氫氣快速、高精度、低功耗、低成本檢測，具有較高的理論意義和應用價值。

關(guān)鍵詞：氫氣；超聲波；聲速；相位差

DOI：1015938/jjhust201705015

中圖分類號： TB559

文獻標志碼： A

文章編號： 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： 國家自然科學基金（61179023）

作者簡介：

丁欣（1991—），女，碩士研究生，Email：292734576@qqcom；

丁喜波（1963—），男，教授，碩士研究生導師

0引言

氫氣作為一種無污染的高效清潔能源和重要的化工原料廣泛應用于航空航天、核電站、核潛艇、汽車和化工領域等。然而氫氣也是一種易燃易爆的氣體，在常溫常壓下，當所占體積比例達到4%以上時極易發(fā)生爆炸。氫氣檢測對保障氫氣在工業(yè)生產(chǎn)過程中的安全至關(guān)重要。目前國內(nèi)外的氫氣檢測儀普遍采用的是催化式傳感器，這類傳感器普遍存在長期穩(wěn)定性差、功耗高、壽命短等問題，無法滿足氫氣監(jiān)測的需要[1-3]。

針對現(xiàn)有氫氣檢測技術(shù)普遍存在的問題，本文提出了超聲波相位差法氫氣檢測方法，該測量方法采用測量通道和參考通道的雙通道設計，巧妙地將超聲波速度差轉(zhuǎn)化為相位差，提高了測量精度，同時消除了環(huán)境溫度對零點的影響；同時采用數(shù)字溫度傳感器進行靈敏度補償，擴大了傳感器的工作溫度范圍，減少了外界環(huán)境對測量精度的影響。

1超聲波相位差法工作原理

11傳感器結(jié)構(gòu)

本文采用測量通道和參考通道的雙通道設計，用相位差變化來反映氣體濃度的變化。傳感器原理示意圖如圖1所示。在參考通道內(nèi)部密封純凈的空氣，測量通道則與外界環(huán)境相通，兩個通道內(nèi)各安裝有一對相同的超聲波探頭，發(fā)射探頭由同一個方波信號驅(qū)動。由于兩個通道內(nèi)傳播介質(zhì)不同引起超聲波傳播速度不同，因此通過比較兩個通道超聲波傳播時間的差異，即兩路通道接收端得到的正弦波信號的相位差就可以得到待測環(huán)境中氫氣的濃度值。

12超聲波相位差法理論分析

對于同一種理想氣體，其氣體常數(shù)R都保持恒定。氫氣的氣體常數(shù)為4121735J/（kg·K），空氣的氣體常數(shù)為287041J/（kg·K）。氫氣的氣體常數(shù)值遠遠高于其他氣體的氣體常數(shù)值。由物理學聲速公式v=kRT可看出，在近似相等絕熱系數(shù)k和同一開氏溫度下Tk下，氣體常數(shù)R與聲速呈正相關(guān)[4-6]。在常壓、溫度15℃環(huán)境中，空氣中聲速是340m/s，氫氣中聲速是1295m/s?？梢姎錃獾穆曀倥c其他氣體的聲速具有顯著差別，利用這一特性便可準確地檢測出混合氣體中氫氣的濃度值，并可有效地排除其他氣體的干擾。endprint

將氫氣和空氣的氣體常數(shù)代入聲速公式可得：

V空=201Tk（1）

VH2=755Tk（2）

可以推出混合氣體的聲速：

V混=（1-c）V空+c·Vb=V空+（VH2-V空）·c（3）

在用微處理器直接計算Tk時影響運算速度并占據(jù)較大內(nèi)存。經(jīng)過理論分析可知在Tk變化范圍較小時，Tk曲線可近似成直線。在環(huán)境溫度在0～30℃范圍，27315/Tk可按（1-591Tc）（Tc為環(huán)境攝氏溫度）近似計算。

在等距離的氣體腔中，氣體傳播時間差為：

Δt=t空-tx

即：

Δt=LV空-LV混（4）

將式（1）、（2）、（3）代入式（4）得，氫氣濃度c：

c=201Δt554（L201Tk-Δt）（5）

取Δn=ΔtA，A為聲波周期（對于40kHz的超聲波是25μs），Δn為對應的周期差即占空比。

將Δt=A·Δn代入式（5）可得：

c=K2ΔnK1（1-Tc591）-Δn（6）

式中：K1、K2為與結(jié)構(gòu)和氣體特性有關(guān)的常數(shù)。

氫氣濃度為0時的相位差由于結(jié)構(gòu)和調(diào)整的需要通常取為較小的非零值Δn0，所以上式中的Δn應該用（Δn-Δn0）替換。取管長L=80mm，則可計算出常數(shù)K1=963。代入上式得：

c=K2（Δn-Δn0）963（1-Tc591）-（Δn-Δn0）（7）

在氫氣濃度為c2時進行靈敏度標定，測得相位差為Δn2，環(huán)境攝氏溫度為T2，可得常數(shù)K2為：

K2=c2[963591（591-T2）-（Δn2-Δn0）]（Δn2-Δn0）（8）

將常數(shù)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，氣體的濃度c與Δn和Tc有關(guān)，即只要知道當前環(huán)境攝氏溫度Tc，再通過檢相電路獲得零點和靈敏度標定時的相位差Δn0、Δn2，即可代入上式計算出待測氣體濃度值。上述的數(shù)學模型充分考慮了標定環(huán)境與實際測量環(huán)境的溫度差異，提高了測量的準確度。

2檢測儀組成及電路設計

本檢測儀由主模塊和測量模塊兩部分組成，系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。其中主模塊主要實現(xiàn)顯示、報警、標定等功能，以單片機PIC16F883為微控制器設計，包括有電源電路、數(shù)碼管顯示電路、聲光報警電路，信號輸出電路等。測量模塊是本檢測儀的核心，包括有信號處理電路、溫度測量電路、紅外接收電路等，以單片機PIC16F1783為微控制器設計。測量模塊實時測量溫度并對超聲波輸出信號進行了溫度補償，減少溫度對檢測結(jié)果的影響。主模塊和測量模塊間采用UART通信進行數(shù)據(jù)傳輸。

對于超聲波發(fā)射探頭可以采取方波信號或正弦波信號驅(qū)動，方波信號驅(qū)動電路簡單效果也很理想，因此本文采用方波信號驅(qū)動。MCP1415器件是能夠提供15A峰值電流的高速MOSFET驅(qū)動器[7]，反相或同相單通道輸出能直接被TTL或CMOS邏輯所控制（3V到18V）。低貫通電流、匹配的上升和下降時間以及短傳播延遲也是這些器件的特色，非常適合高頻開關(guān)應用，因此本文采用MCP1415作為超聲波驅(qū)動器件。在開和關(guān)的狀態(tài)下，它提供了足夠低的阻抗，從而確保即使在發(fā)生大的瞬態(tài)事件時，MOSFET的預期狀態(tài)也不會有影響。方波驅(qū)動信號由單片機定時器的PWM方式輸出，送入MCP1415芯片后獲得峰峰值為5～15V頻率為40KHz的大電流方波驅(qū)動信號。

信號處理電路用于對接收探頭接收到的40KHz正弦波信號進行濾波、放大，并轉(zhuǎn)換成方波信號，主要包括3個部分：濾波電路、差分放大電路、比較器電路。接收探頭接收到信號先經(jīng)過高通濾波電路濾掉高頻干擾，再經(jīng)過低通濾波電路濾除低頻信號，得到較為理想的40KHz的正弦波信號[8]。如圖3所示。

氫氣檢測儀MCU所選用的PIC單片機有可靠的內(nèi)部復位電路，無需另加復位芯片。同時PIC單片機的片內(nèi)12位AD也能很好的滿足本測試儀的精度需求，單片機內(nèi)部豐富的模擬資源在增加系統(tǒng)可靠性的同時，進一步降低了設計成本。

3測試與結(jié)果分析

本文借鑒了其他可燃性氣體配制方法，設計了能夠滿足測試要求并且配氣濃度可調(diào)的標準氣體配制系統(tǒng)。配氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

氫氣檢測儀零點標定過程：檢測儀接通電源后，通入純凈的空氣，預熱穩(wěn)定3～5min，用紅外遙控器零點標定鍵進行零點校準。

氫氣檢測儀靈敏度標定：將用配氣裝置配制的2%濃度氫氣接如檢測儀的進氣口，在示值穩(wěn)定后用紅外遙控器靈敏度標定鍵進行靈敏度校準。

表1是三臺樣機在相同的環(huán)境下的氫氣檢測實驗數(shù)據(jù)。

由氫氣濃度測量實驗數(shù)據(jù)及輸出特性曲線可以看出，利用超聲波相位差法具有很好的線性度，測量氫氣濃度的相對誤差不超過2%，測量精度符合國家標準GB16808-2008《可燃氣體報警控制器》的要求。

熱導式或催化式傳感器的的工作電流都超過了100mA，本檢測方法超聲波探頭的工作電流僅有3～5mA，工作電流降低了幾十倍。超聲波探頭選用市場價2元左右的小型測距探頭就可滿足使用要求。所以本測試方法實現(xiàn)了低功耗、低成本氫氣檢測。另外熱導式或催化式傳感器的的敏感元件需加熱到300-500℃的高溫狀態(tài)，長期工作后存在元件老化導致的長期工作穩(wěn)定性差的問題，而本檢測方法超聲波探頭工作于常溫狀態(tài)，其元件不存在高溫老化現(xiàn)象，所以其長期工作穩(wěn)定性要明顯好于熱導式或催化式測量方法，這一點已經(jīng)在完成的初步實驗中得到驗證。

基于超聲波相位差的氫氣檢測方法測量精度高且較易實現(xiàn)，但還存在多種影響測量精度的因素，通過對測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路分析，得到可能引起誤差的因素及應對措施如下：endprint

1）傳感器定位引起的誤差。

在設計時取測量通道管長L=80mm，但實際距離將存在一定偏差，造成由L計算出的常數(shù)K1偏離真實值，進而影響檢測儀的測量精度。應對措施是提高加工精度，減少結(jié)構(gòu)尺寸誤差，保證測量的雙通道管長一致。

2）環(huán)境溫度引起的誤差。

超聲波在空氣中傳播速度受環(huán)境溫度影響較大，此外環(huán)境溫度還影響測試系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電路的輸出，所以環(huán)境溫度改變時將影響測量精度，為了補償溫度變化的影響，本檢測儀設計了DS18B20實時測溫電路，通過軟件對聲速和電路各環(huán)節(jié)的輸出進行溫度補償。

3）被測氣體流速變化造成的影響。

檢測系統(tǒng)運行中由于超聲波傳感器通氣孔堵塞等原因，造成氣樣流速不均勻、不穩(wěn)定，使氣室中的氣體密度發(fā)生變化，造成測量誤差。采取的措施是控制流速盡可能小并減少流速變化。

4結(jié)語

氫氣檢測儀采用標準氫氣進行測量實驗，實驗結(jié)果表明用超聲波相位差法測量氫氣濃度的精度較高，測量方案可行。進行了檢測原理的理論分析，建立了濃度與相位差關(guān)系的數(shù)學模型，分析了溫度與測量結(jié)果的關(guān)系，采用數(shù)字溫度傳感器進行了溫度補償，提高了測量精度。本氫氣檢測儀的研制解決了其他檢測方法的存在的問題，實現(xiàn)了氫氣高精度、低功耗、低成本檢測。

參 考 文 獻：

[1]張興磊，花榕，陳雙喜，等.低濃度氫氣檢測方法研究進展[J].分析儀器，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]張振東.氫氣傳感器及其檢測技術(shù)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，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]宋濰，陳宇灝，李小慧.基于機械共振的聲譜分析技術(shù)[J].物理學報，2012，61（22）：2262021-6

[6]賈雅瓊，王殊，朱明，等.氣體聲弛豫過程中有效比熱容與弛豫時間的分解對應關(guān)系[J].物理學報，2012，61（9）： 0951011-8

[7]紀圣儒， 朱志明， 周雪珍， 等 MOSFET 隔離型高速驅(qū)動電路[J].電焊機，2007，37（5）：6-9

[8]周美蘭，魯?shù)强疲顏嗇x，等.低頻矩形波電磁流量計信號處理電路的設計[J].哈爾濱理工大學學報，2013，18（1）：104-108

（編輯：溫澤宇）endprint