[发明专利]多元混合气体中氢气浓度的检测装置及检测方法

说明书

本发明设计了一种多元混合气体中氢气浓度的检测装置及检测方法，超声波发射模块、接收模块设置在声学气室中，声学气室上设置2个开孔，其中一个为进气口，与配气模块连接，另一个为出气口，与压强控制模块连接，压强控制模块用于声学气室内的压强调节，压强值范围在1kPa～100kPa，通过压强的调节可以改变频率压强比，即改变声波的等效频率范围。接收模块接收超声波并测量在声学气室内的脉冲传输时间，信号处理模块对其进行处理得出超声波的传播速度。本发明通过检测气体中的声速、声衰减和环境温度、压强等参量来实现氢气浓度检测，成本低，精度高、可重复性高，不与待测气体发生接触式反应。

技术领域

本发明属于氢气浓度检测技术领域，尤其涉及一种多元混合气体中氢气浓度的检测装置及检测方法。

背景技术

作为一种高效无污染、符合可持续性发展战略的清洁能源物资，氢气是解决目前能源危机的极具潜力的一种新型能源，与太阳能、风能等并称为九大新能源，其广泛用于汽车、化工、冶金、航空航天、低温冷却和电子工业等众多领域。氢气可以作为特征检测气体，对于低浓度的氢气检测可以用于电力变压器的早期预警和诊断，可以有效防止金属冶炼过程中的氢脆现象，同时也能用于核废料的安全检测。氢能拥有很多优点，但同时也存在很多隐患。氢气是一种无色无味、易燃易爆的气体，其分子量极小，容易发生泄漏，当空气中的氢气含量达到4％以上时就极易发生强烈爆炸。因此低浓度的氢气检测对于安全有效的发挥氢能的优势具有重要意义。目前市场上常用的氢气传感器包括光学氢气传感器、电化学氢气传感器、电学氢气传感器、声学氢气传感器等，而声学传感器中的相差型氢气传感器由于其成本低、精度高、可重复性强，不与气体存在接触式反应，而更具备优势。

在相差型氢气传感器的实际应用中还存在许多问题和不足，如易受环境温度、湿度的影响，计算结果表明温度每偏移0.1摄氏度，都会引起250ppm的氢气浓度测量误差。已有气体声学传感器中，中国发明专利CN201521130425是通过检测声速变化导致的气体腔内的谐振频率的变化来实现对氢气浓度的检测，不能用于多元气体中的氢气检测。中国发明专利CN201510426316所提出的结构用到了氢敏电阻，与待测气体存在接触式反应，使用寿命有限。美国发明US4457161所提出的结构没有用到声速检测模块，而且没有用于氢气检测。

已有文献和发明的超声波气体传感器基本上是采用检测超声波在气体腔内的传播速度来实现对二元混合气体中的氢气浓度检测，受超声波脉冲检测精度的限制，精度很难再提高，同时缺少有效的温度补偿方法和装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种多元混合气体中氢气浓度的检测装置及检测方法，通过检测气体中的声速、声衰减和环境温度、压强等参量来实现氢气浓度检测，成本低，精度高、可重复性高，不与待测气体发生接触式反应。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种多元混合气体中氢气浓度的检测装置，包含声学气室、压强控制模块、超声波发射模块、接收模块和信号处理模块，超声波发射模块、接收模块设置在声学气室中，声学气室上设置2个开孔，其中一个为进气口，与配气模块连接，另一个为出气口，与压强控制模块连接，压强控制模块用于声学气室内的压强调节，压强值范围在1kPa～100kPa，通过压强的调节可以改变频率压强比，即改变声波的等效频率范围。接收模块接收超声波并测量在声学气室内的脉冲传输时间，信号处理模块对其进行处理得出超声波的传播速度。根据气体浓度与声速的对应关系计算出混合气体中各组分气体的相应浓度，实现二元混合气体中氢气浓度的检测。声学气室与超声波发射模块和接收模块统一集成在一块PCB板上，这样能最大化节省空间，便于小型化应用与封装。

按上述技术方案，接收模块还用于接收超声波并得到其在声学气室内的幅值的频谱，信号处理模块对其进行处理得出超声波的声衰减值。从而实现三元混合气体中氢气浓度的检测。