侯廣平 丁喜波 王如月 何鑫

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

關(guān)鍵詞：超聲波;甲烷;聲速;時間測量;TDC-GP21

DOI：10-15938/j-jhust-2020-01-018

中圖分類號： TB559

文獻標志碼： A

文章編號： 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的需求很廣泛。傳統(tǒng)的甲烷濃度檢測方法有催化燃燒法、半導體氣敏法、紅外吸收法等[1-5]。傳統(tǒng)的測量方法面臨測量范圍小、成本高等問題，超聲波法是近年來隨著測量技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新的檢測技術(shù)，這種非接觸式的測量方法受到極大的關(guān)注，測量范圍寬，精度高，測試設(shè)備體積小，壽命長，穩(wěn)定性好[6]。近年來，超聲波檢測已被廣泛應用在氣體檢測領(lǐng)域，國內(nèi)外在超聲波檢測上的研究成果已十分豐富[7-9]。

超聲波檢測方法主要有相位差法、脈沖法。相位差法的測量原理是超聲波發(fā)射探頭被持續(xù)的脈沖激勵，通過檢測相同聲程的兩路超聲波接收信號的相位差來反映氣體濃度[10-11];脈沖法的測量原理是超聲波發(fā)射探頭被一組5-10個脈沖激勵，以超聲波在介質(zhì)氣體中傳播時間來得到氣體濃度 [12-14]。超聲波相位差法是超聲波在相同環(huán)境下的兩個傳輸通道內(nèi)分別在空氣和甲烷中傳播[15]，測量兩路超聲波的相位差，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)射的超聲波會在兩個探頭之間形成反射，對信號造成很大的干擾，引起不可忽視的誤差;常用的脈沖法的測量過程是這樣：采用一對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，發(fā)射的同時啟動單片機計數(shù)器，當檢測到接收信號的幅值超過參考閾值時停止計數(shù)，此時計數(shù)器的值乘以計數(shù)周期就是超聲波傳輸時間，進而得到超聲波速度。同時采集溫度參數(shù)，測得氣體濃度。脈沖法避免了回波反射造成的干擾問題，但是它的測量精度取決于處理器和溫度傳感器，超聲波在待測介質(zhì)中的傳播時間是微秒級，假設(shè)要求的測量精度為0-1，則處理器需要納秒級的計數(shù)周期，主頻需要達到1GHz，普通的處理器很難達到要求，高速MPU成本太高。

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

1 測量原理及檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

1-1 測量原理

1-2 檢測系統(tǒng)方案設(shè)計

在進行甲烷濃度檢測時，檢測裝置測量超聲波傳播時間，再由處理器處理成濃度值。

檢測裝置包括單片機系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路，氣腔，超聲波接收電路，測量電路，檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測儀將兩個超聲波探頭安置在測量通道兩端，測量通道與外界環(huán)境相通，發(fā)射探頭由方波脈沖信號驅(qū)動。通道的長度確定，將發(fā)射信號與接收信號的時間差測出來即得到聲波的速度。

圖1 甲烷濃度檢測硬件結(jié)構(gòu)圖

Fig-1 Hardware structure diagram of methane concentration detection

單片機系統(tǒng)定時器控制PWM為超聲波發(fā)射探頭提供驅(qū)動信號，測量電路主要由時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21完成，時間測量電路與單片機和超聲波接收電路相連，由激勵脈沖和回波信號觸發(fā);用于補償功能的溫度測量電路是時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21外圍連接一個鉑電阻和電容自動完成溫度測量;單片機系統(tǒng)與測量電路通過四線制SPI接口連接，控制時間數(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

2-1 單片機系統(tǒng)設(shè)計

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

對于超聲波發(fā)射探頭可以采取方波信號或正弦波信號方式驅(qū)動，考慮到方波脈沖容易實現(xiàn)，采用方波驅(qū)動。超聲波的驅(qū)動脈沖由PWM模塊輸出的。單片機內(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。由單片機定時器TMR2的PWM方式輸出200kHz，0～3-3V的方波信號，由單片機RC1口輸出，經(jīng)過驅(qū)動電路放大后激勵超聲波探頭。

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

紅外檢測通過外部中斷引腳RB0接收紅外遙控器的信號，用于甲烷濃度的標定。

2-2 超聲波驅(qū)動電路設(shè)計

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

2-3 回波處理電路設(shè)計

回波信號是一個振幅為200mV左右的正弦震蕩信號，為了降低干擾，測量準確，需要將回波信號進行必要的放大和濾波。超聲波探頭作為回波信號的信號源阻抗較大，在測量時必須進行阻抗匹配。如圖4所示，回波處理電路共分三級，選擇輸入電阻較大輸出阻抗很小的運放OP184設(shè)計一級跟隨器;根據(jù)信號的壓擺率選擇超精密運放OPA4197設(shè)計二級放大電路，放大倍數(shù)10倍，將回波信號放大到幅值0～2V左右;三級電路設(shè)計一個無限增益帶通濾波器，通頻帶10～400kHz。電路由單電源供電，一級跟隨電路在回波信號上增加一個2-5V的直流信號以保證回波信號在軌到軌的放大器作用下不會失真。在處理電路的輸出端加入濾波電容將直流分量濾掉。

2-4 時間測量電路設(shè)計

測量系統(tǒng)中時間的測量由德國ACAM公司的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21完成。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21應用內(nèi)部的邏輯門延遲來以高精度測量時間間隔[18-20]，測量時由芯片的START引腳接收到脈沖信號觸發(fā)測量，STOP引腳接收到一個數(shù)字信號結(jié)束測量。TDC的內(nèi)部測量方法是測量從START或STOP信號到相鄰的基準時鐘上升沿之間的間隔時間（fine-counts），在兩次精密測量之間，TDC記下基準時鐘的周期數(shù)（coarse-count）。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21內(nèi)部集成了一個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可以直接輸入到TDC測量。

TDC的測量電路如圖5所示，Start引腳接收單片機產(chǎn)生的脈沖信號觸發(fā)時間測量，脈沖信號經(jīng)過驅(qū)動電路激勵超聲波探頭，超聲波接收探頭接收到的回波信號經(jīng)處理電路處理后輸入到TDC-GP21的STOP引腳，回波信號作為時間測量終止的信號，TDC-GP21自動計算時間。溫度的采集也由TDC-GP21完成。TDC-GP21對溫度的測量是通過測量鉑電阻對電容的放電時間進行的，溫度測量自動完成，查詢溫度傳感器的溫度表格以獲得傳感器測得的當前溫度值。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

甲烷檢測系統(tǒng)的軟件部分主要包括脈沖發(fā)生程序、TDC控制測量程序、數(shù)據(jù)處理程序、標定程序。整個軟件設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試過程都是在MPLAB集成開發(fā)平臺上完成的。MPLAB是適用于使用Microchip 的PIC micro & reg系列單片機進行嵌入式設(shè)計的應用開發(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)計以單片機工作流程為主，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)置也由單片機來完成，使用TDC識別的指令碼在上電之后對TDC進行初始化的配置，TDC就能自動完成測量功能，測量結(jié)果自動從SPI接口發(fā)送出去，單片機讀取數(shù)據(jù)，處理成濃度值顯示。主程序流程如圖6所示。

檢測系統(tǒng)軟件程序?qū)?zhí)行下列功能：首先，進行初始化程序，系統(tǒng)初始化將會對內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)進行校驗工作和各個寄存器設(shè)置;然后配置TDC進行信號采集和測量;初始化完成之后定時器時間到達自動發(fā)送脈沖信號。等待測量時間后向TDC發(fā)送操作碼讀回測量值，最終經(jīng)計算處理得到的甲烷濃度值，顯示輸出。

4 測試實驗及結(jié)果分析

測試實驗通過可燃氣體配制系統(tǒng)配制需要的標準氣，配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

將100%標準甲烷氣體與純空氣配比成濃度分別為20%、40%、60%的混合氣體，作為實驗標準待測氣體。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%的標準甲烷氣體作為實驗標定氣體對測量裝置標定。標定過程如下：甲烷濃度檢測系統(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標定按鍵，進行零點標定;將配制的50%濃度的甲烷標準氣通入氣腔，在示值穩(wěn)定后按下紅外遙控器的靈敏度標定按鍵。標定重復進行2～3次。

將配制的不同濃度混合氣體分別重復測量5次，得到實驗結(jié)果如表1所示。

計算實驗過程中5組測量結(jié)果的最大相對誤差，由甲烷濃度測量實驗數(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方法測量甲烷濃度的相對誤差不超過2%，此方法的測量精度可以滿足測量要求，同時測量精度符合國家標準GB16808-2008《可燃氣體報警控制器》的要求。

5 結(jié) 論

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

參 考 文 獻：

[1] 陳曉坤，蔡燦凡，肖旸. 2005-2014年我國煤礦瓦斯事故統(tǒng)計分析[J]. 煤礦安全，2016，47（2）：224.CHEN Xiaokun， CAI Canfan， XIAO Yan. Statistical Analysis of Coal Mine Gas Accidents in China from 2005 to 2014 [J]. Coal Mine Safety， 2016， 47（2）： 224.

[2] 趙國宇. 低瓦斯礦井瓦斯爆炸原因分析及防治措施[J]. 煤炭科技，2016（4）：123.ZHAO Guoyu. Cause Analysis and Prevention Measures of Gas Explosion in Low Gas Mine [J]. Coal Science & Technology， 2016（4）： 123.

[3] 金永飛，楊棟，岳寧芳，等. 近十年我國煤礦熱動力災害統(tǒng)計分析[J]. 煤礦安全，2016（11）：47.JIN Yongfei， YANG Dong， YUE Ningfang， et al. Statistical Analysis of Thermal Disasters in Coal Mines in China in Recent Ten Years[J]. Coal Mine Safety， 2016（11）：47.

[4] 焦尚彬，宋丹，張青，等. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 電子測量與儀器學報，2013（5）：436.JIAO Shangbin， SONG Dan， ZHANG Qing， et al. Coal Mine Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Network [J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument， 2013（5）： 436.

[5] 柴大林，丁喜波，于洋. 抗中毒甲烷濃度檢測儀研制[J]. 哈爾濱理工大學學報，2018（3）：16.CHAI Dalin， DINGg Xibo， YU Yang. Development of an Instrument for Detecting Methane Concentration in Poisoning [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2018（3）：16.

[6] 張勝峰. 礦用管道式超聲波氣體流量計設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2017（3）：54.ZHANG Shengfeng. Design of Mine Pipeline Ultrasonic Gas Flowmeter [J]. Instrument Technology and Sensor， 2017（3）：54.

[7] 丁欣，丁喜波，王麗杰，等. 基于超聲波相位差的氫氣檢測方法及儀器研制[J]. 哈爾濱理工大學學報，2017，22（5）：81.DING Xin， DING Xibo， WANG Lijie， et al. Hydrogen Detection Method and Instrument Development Based on Ultrasonic Phase Difference [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2017， 22（5）： 81.

[8] 王飛，吳國貴，和衛(wèi)星. 基于超聲檢測的新型二元混合氣體傳感器[J]. 自動化儀表，2017，12（38）：77.WANG Fei， WU Guogui， HE Weixing. New Binary Mixed Gas Sensor Based on Ultrasonic Detection [J]. Automation Instrumentation， 2017， 12（38）： 77.

[9] 沈子文，徐科軍，方敏等. 基于能量變化率的氣體超聲波流量計信號處理方法[J]. 儀器儀表學報，2015，36（9）：2138.SHEN Ziwen， XU Kejun， FANG Min， et al. Signal Processing Method of Gas Ultrasonic Flowmeter Based on Energy Change Rate [J]. Journal of Instrumentation， 2015， 36（9）： 2138.

[10]SIMON Rosenkranz， CAMERON Tropea， ABDELHAK M. Zoubir. Detection of Drops Measured by the Time Shift Technique for Spray Characterization [J]. Shanghai， China. 2016 IEEE International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing：2214.