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)能減排已成為我國的國策。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(duì)于半導(dǎo)體氣敏元件，它結(jié)構(gòu)簡單、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]。隨著超聲檢測技術(shù)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(diǎn)，在氣體濃度檢測領(lǐng)域，完全可以適應(yīng)未來高精度測量的挑戰(zhàn)，繼續(xù)保持在氣體濃度檢測領(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)測量結(jié)果進(jìn)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(jì)是利用超聲波在定長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)

由上式可以看出測量氧氣濃度即可轉(zhuǎn)化為測量超聲波在定長管道的傳播時(shí)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(guān)鍵技術(shù)在于如何精確測量超聲波在定長管道的傳播時(shí)間。超聲波氧氣濃度計(jì)測量時(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測量裝置

由于檢測氣體濃度時(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，用于測量氣體溫度。單片機(jī)將測得的時(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)

簡單的電壓比較電路結(jié)構(gòu)簡單，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量儀進(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)的檢測精度受環(huán)境、流場、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)際檢測誤差不僅包括濃度計(jì)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(gè)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(jī)誤差、寄生誤差。

實(shí)際檢測過程中，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，測試條件的改變和檢測手段的變更都可以轉(zhuǎn)變誤差的分類與歸屬?？傊?dāng)氣體濃度計(jì)安裝完畢、參數(shù)設(shè)定已經(jīng)完成，各變量引入的檢測誤差就此確定，分析氣體超聲波濃度計(jì)檢測誤差的本質(zhì)就是衡量各參數(shù)對(duì)檢測結(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　測試結(jié)果

由于儀表的測量原理是基于非常精密的時(shí)間測量，因此儀器的測量精度與對(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量過程中由延時(shí)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(jì)測量制氧機(jī)輸出氧氣的體積分?jǐn)?shù)的結(jié)果與精密氧氣濃度測量儀測量的結(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，研制的氧氣濃度測量精度較好，最大測量誤差小于2．0%，并且長時(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)測量的結(jié)果與高精度氧氣濃度測量儀測量的結(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)測量氣體的濃度和流量，并且該系統(tǒng)的測量精度、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。儀器采用非侵入式的超聲波探頭，具有在線檢測、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，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(jī)配置的晶振頻率大小，對(duì)檢測結(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(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。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔厚欣，齊汝賓，陳文亮，等．可調(diào)諧激光波長調(diào)制技術(shù)檢測氧氣濃度．中國激光,2008，35(10)：1558-1562．

[2]張帥，董鳳忠，張志榮，等．基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的氧氣測量方法的研究．光譜學(xué)與光譜分析,2009，29(10)：2593-2596．

[3]湯建明，閻玉舜，陳亦娟．智能化超聲氯氣濃度計(jì)的研制及應(yīng)用．聲學(xué)技術(shù),2000，19(2)：75-77．

[4]王朝陽，馬殿旗．新型超聲污泥濃度計(jì)的研究．中國機(jī)械工程,2001，12(3)：346-348．

[5]陳霄，隋青美，苗飛，等．高靈敏度增強(qiáng)吸收式乙炔氣體檢測系統(tǒng)．光學(xué)精密工程,2012，20(2)：9-15．

[6]霍曉程，李小平．用最小二乘法擬合曲面方程．赤峰學(xué)院學(xué)報(bào),2009，25(6)：11-13．