[发明专利]检测微量二元混合气体浓度的声学信号处理装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于气体检测与信号处理技术领域，涉及气体浓度电子检测，尤其涉及微量二 元混合气体浓度的电子检测。

背景技术

目前，微量二元混合气体浓度检测一般采用光谱仪等设备，但测量代价高，不能得到 普遍应用。专利号为ZL200510037936.2、名称为“测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测 量方法”的专利是由同步发射的超声波分别经两条等距通道到达接收端，一个通道是微量 sf₆与空气混合气体；另一条通道是空气作为参比，在接收端测量两个接收信号的相位差和 声音传播时间，代入公式计算获得sf₆气体浓度值，该测量方法免除了因环境温度的变化而 需要进行的声速的补偿，简化了测量过程，但该测量方法的缺陷是：1、处理信号采用计数 器测量相位和时间，测量精度受限于采样时间间隔，容易受到干扰；2、采用连续波信号或 者长短脉冲信号，检测精度低；3、为避免相位模糊，两个通道的信号相位差被限制在360 度以内，可以选择的测量装置的长度和超声波频率都有限制，也使测量精度受到影响。

由于声学检测微量二元混合气体浓度的精度主要是由相位测量精度和传播时间测量精 度决定的，所以提高相位测量精度，需要采用窄带长脉冲信号，提高传播时间测量精度， 需要宽带短脉冲信号，对目前的普通信号测量，要求采用信号持续时间更长，带宽更宽的 方法是矛盾且难以实现的。

发明内容

本发明的目的为克服现有技术的缺陷而提出一种精确测量微量二元混合气体浓度的声 学信号处理装置及方法，利用气体中声速与二元混合气体浓度的关系快速测定微量二元混 合气体浓度。

本发明处理装置采用的技术方案是：由工作头部分、模拟电路部分、数字电路部分连 接组成，工作头部分包括具有纯净气体b的第一测量腔和具有待测微量气体a和纯净气体b 构成的二元混合气体的第二测量腔，第一测量腔的内腔两端分别设有第一超声波发射换能 器和第一超声波接收换能器，第二测量腔的内腔两端分别设有第二超声波发射换能器和第 二超声波接收换能器，第一发超声波射换能器与第一超声波接收换能器之间的间距等于第 二超声波发射换能器与第二超声波接收换能器之间的间距，模拟电路部分具有第一、第二 发射放大电路，第一发射放大电路输出经第一发射匹配电路连接至第一超声波发射换能器， 第二发射放大电路输出经第二发射匹配电路连接至第二超声波发射换能器；第一超声波接 收换能器的输出依次串接第一接收匹配电路、第一接收前置放大电路和第一低通滤波器， 第二超声波接收换能器的输出依次串接第二接收匹配电路、第二接收前置放大电路和第二 低通滤波器；第三低通滤波器的输出分别连接第一、第二发射放大电路；所述数字电路部 分包括外接FLASH闪存芯片、通讯串口和RAM芯片的DSP数字信号处理器以及CPLD可编程 逻辑器件、第一、第二A/D模数转换器，第一低通滤波器输出通过第一A/D模数转换器连 接DSP数字信号处理器，第二低通滤波器输出通过第二A/D模数转换器连接DSP数字信号 处理器；DSP数字信号处理器输出经CPLD可编程逻辑器件连接第三低通滤波器。

本发明处理方法采用的技术方案是：包括DSP数字信号处理器控制CPLD可编程逻辑器 件产生伪随机相位编码脉冲信号，信号经低通滤波器分两路分别通过发射放大电路和发射 匹配电路经由两个超声波发射换能器转换为超声波信号同时发射；超声波信号分别经过一 测量腔内的纯净气体和另一测量腔内的二元混合气体传递，将接收换能器获得两个信号放 大、低通滤波处理后，由A/D模数转换器将模拟连续信号转变为数字离散信号，经DSP数 字信号处理器采用数字信号处理算法进行处理，根据气体浓度与相位差的公式计算出二元 混合气体的浓度。

本发明装置结构简单易实施，将声学宽带伪随机码相位调制信号作为发射信号，采用 伪随机码对超声波信号相位编码形成发射脉冲，伪随机信号同时具有高的时间和带宽积， 符合提高精度对信号的要求；接收处理采用了频域补零、时延估计、复解调和匹配滤波信 号处理方法，将粗测时延和精测相位相结合，克服粗略测量精度低和精确测量相位模糊的 各自缺点，获得无模糊的相位精确测量结果，提高了微量二元混合气体浓度的测量精度。 是一种成本低廉，可以迅速获得微量二元混合气体浓度检测结果的有效方法。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为微量二元混和气体浓度声学信号处理装置连接示意图。