專利名稱：差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體分析測(cè)量領(lǐng)域和傳感器技術(shù)領(lǐng)域。涉及氣體微量變化的智能型測(cè)量?jī)x器，并涉及反饋控制及所屬設(shè)備的技術(shù)性能作出評(píng)估的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
任何氣體中的聲音傳播速度是氣體溫度與氣體組分的函數(shù)。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)中消除溫度所帶來(lái)的影響之后，測(cè)量數(shù)據(jù)僅與氣體成分有關(guān)。
當(dāng)氣體混合物為2種氣體組分時(shí)，而且2種氣體組分的聲速不相同，此時(shí)測(cè)量聲速的變化就可以得出其中一種氣體的相對(duì)微量變化。因此準(zhǔn)確測(cè)量聲速，可以成為分析氣體成分的一種有效手段。
現(xiàn)有技術(shù)中較為實(shí)用的測(cè)量聲速的方法有以下幾種1、干涉儀法該方法是根據(jù)聲波疊加原理，當(dāng)入射波和反射波合成而出現(xiàn)波峰、波谷時(shí)，測(cè)量峰谷的位置，就確定聲傳播時(shí)間。其精度一般不超過(guò)10-2～10-3。
2、比較法它是比較入射波信號(hào)與接收換能器輸出信號(hào)的相位，計(jì)算聲傳播時(shí)間。
3、脈沖法向被測(cè)氣體發(fā)射脈沖聲波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算已知距離所需要的時(shí)間來(lái)計(jì)算聲速。它又可以分為脈沖回鳴法，脈沖疊加法，脈沖重合法等。
以上測(cè)量方法在實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)等特定條件下都存在一定缺點(diǎn)干涉儀法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量比較困難，系統(tǒng)復(fù)雜。相位比較法和脈沖法測(cè)量精度較低，一般在10-3左右。脈沖法還受空氣換能器頻帶的限制。脈沖信號(hào)的前沿和后沿時(shí)間較長(zhǎng)，除直接影響精度之外，測(cè)量最小距離亦受到盲區(qū)的限制。
以上三種方法最大的問(wèn)題還在于，溫度影響所帶來(lái)的誤差不能很好解決。如果采用預(yù)先儲(chǔ)存“溫度～速度”數(shù)據(jù)進(jìn)行比較方法，則因地域環(huán)境的變化所帶來(lái)的影響將無(wú)法克服。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明目的是提供一種不受溫度影響并獲得高靈敏度的氣體微變實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)形成自動(dòng)控制和智能管理評(píng)估系統(tǒng)。
2、技術(shù)方案解決發(fā)明目的的技術(shù)方案是采用差分法測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)微機(jī)終端處理系統(tǒng)差分法測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)基本部件是兩個(gè)空間延遲通道。它是由發(fā)射、接收兩對(duì)空氣介質(zhì)換能器組成。其中一個(gè)通道在現(xiàn)場(chǎng)密封，它接觸到的是尚未變化的氣體。另一通道則不密封，微變氣體在此產(chǎn)生聲速的微變。工作時(shí)，兩通道溫度相同，溫度響應(yīng)亦相同，通過(guò)差分電路后兩路信號(hào)相減，最后輸出信號(hào)只反映氣體含量變化的信息，而溫度的影響則受到抑制。
差分法測(cè)量系統(tǒng)分為相位差分法，頻率差分法。
雙通道之后的差分網(wǎng)絡(luò)輸出量是相位差信號(hào)時(shí)即是相位差分法。相位差代表了雙通道的時(shí)間差。該系統(tǒng)是由兩個(gè)空間延遲通道、相位差分器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和功分器等部件組成。兩個(gè)空間延遲通道分別與相位差分器相連，經(jīng)環(huán)路濾波器與壓控振蕩器相連，再與功分器相連接而構(gòu)成鎖相環(huán)路。眾所周知，鎖相環(huán)路是一種跟蹤信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它獨(dú)特而精密的跟蹤性能及技術(shù)復(fù)雜性，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域的衛(wèi)星測(cè)速定軌，深空探測(cè)等。在性能要求很高的通信和精密測(cè)量系統(tǒng)中有時(shí)也應(yīng)用它。
它運(yùn)用在本系統(tǒng)時(shí)即對(duì)雙通道的相位差進(jìn)行跟蹤。它是一種變異的鎖相環(huán)路，當(dāng)環(huán)路系統(tǒng)一旦鎖定，壓控振蕩器輸出的頻率即為微變氣體時(shí)間延遲的函數(shù)。空間延遲的雙通道的距離是固定的，而聲速等于距離除以時(shí)間，所以它可以獲得高精密度的聲速數(shù)據(jù)。
它要求空氣換能器工作頻段高，在機(jī)械系統(tǒng)等條件能滿足時(shí)，靈敏度達(dá)到10-7。
當(dāng)雙通道之后的差分網(wǎng)絡(luò)輸出量是頻率差信號(hào)時(shí)，則為頻率差分法。它是由兩個(gè)空間延遲通道、放大器、頻率差分器和環(huán)路濾波器等部件組成。兩個(gè)空間延遲通道分別與兩個(gè)放大器組成閉環(huán)振蕩。振蕩頻率分別反映了空間延遲通道1和通道2的氣體聲音速度，振蕩頻率為延遲時(shí)間的函數(shù)，亦即為氣體溫度、氣體成分的函數(shù)。通過(guò)差分器，濾波器消除溫度影響。其差頻信號(hào)輸出即為氣體微變的函數(shù)。
差分測(cè)量獲得微變信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，反饋控制和對(duì)設(shè)備評(píng)估構(gòu)成了本發(fā)明微機(jī)終端處理系統(tǒng)。
差分法測(cè)量輸出的微變信息先經(jīng)過(guò)歸一化處理，使它根據(jù)不同氣體給出體積百分比的含量值。本系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，一般都是將某一氣體含量值給以預(yù)先設(shè)定，并要根據(jù)此設(shè)定值進(jìn)行自動(dòng)控制。此時(shí)，將預(yù)設(shè)的模擬化值數(shù)字量化。然后與測(cè)量獲得的歸一化信號(hào)進(jìn)行比較，并在功率控制輸出級(jí)獲得功率放大，去控制相應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行反饋控制。此反饋閉環(huán)系統(tǒng)保證了對(duì)氣體含量的精密控制。
當(dāng)氣體的含量變化是所屬的機(jī)器設(shè)備的泄漏(或者老化)原因引起時(shí)，一般它是時(shí)間的函數(shù)。此時(shí)終端處理系統(tǒng)對(duì)歸一化信號(hào)進(jìn)行微分運(yùn)算。對(duì)時(shí)間的微分結(jié)果數(shù)據(jù)可作為設(shè)備系統(tǒng)的性能參數(shù)。輸出打印儲(chǔ)存或?qū)υO(shè)備進(jìn)行報(bào)警。
3、有益效果本發(fā)明提供的氣體微量變化測(cè)定、分析處理系統(tǒng)與現(xiàn)有的技術(shù)相比較有以下優(yōu)點(diǎn)(1)、系統(tǒng)消除了溫度所引起的干擾和測(cè)量誤差。
(2)、測(cè)量精度高，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣。
當(dāng)頻率為100kHz時(shí)，采用頻率差分法靈敏度為10-4～10-5當(dāng)頻率為500kHz以上時(shí)，采用相位差分法靈敏度為10-7可以測(cè)量濃度范圍為0～100％時(shí)的氣體微量變化。(3)、系統(tǒng)可以構(gòu)成設(shè)備質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。(4)、系統(tǒng)可以構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。(5)、系統(tǒng)可測(cè)定SF6，O2，H2，甲烷，惰性氣體等微量變化。只要滿足2種氣體組分的聲速不相同。
同時(shí)，本系統(tǒng)的參數(shù)和設(shè)計(jì)必須根據(jù)不同氣體要求和環(huán)境條件進(jìn)行相應(yīng)的改變和調(diào)試。
四

圖1差分法超聲微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)1-密封的混合氣體空間延遲通道、2-混合氣體空間延遲通道、3-雙通道差分器、4-環(huán)路濾波器、5-壓控振蕩器、6-功分器、8-歸一法處理、9-微分、10-性能參數(shù)評(píng)估、11-模擬化值數(shù)字量化、12-比較、13-功率放大輸出；圖2頻率差分法測(cè)量系統(tǒng)1、2、3、4與圖1相同7-放大器五、實(shí)施方式本發(fā)明系統(tǒng)中的附圖部件和信號(hào)處理的框圖除了雙通道空間延遲1、2之外均是公知件和可獲得的軟件。
實(shí)施例1相位差分法系統(tǒng)的實(shí)施本系統(tǒng)的基本部件是兩個(gè)空間延遲通道1、2，它是由發(fā)射接收兩對(duì)空氣介質(zhì)換能器構(gòu)成，兩對(duì)空氣換能器的相頻響應(yīng)特性必須一致，而且安裝時(shí)兩對(duì)換能器必須平行，兩通道的溫度相同，溫度響應(yīng)響應(yīng)亦相同，通道1用波紋管密封，以消除溫度的應(yīng)力。通道1、2分別與差分器3相連接，輸出的相位差信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器4、與壓控振蕩器5相連，再與功分器6相連接，功分器輸出兩路相同信號(hào)分別傳入密封通道1和通道2，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)變異鎖相環(huán)路，當(dāng)環(huán)路一旦鎖定時(shí)，壓控振蕩器輸出即為氣體微變的函數(shù)，而溫度的影響則受到了抑制，由于排除了溫度的干擾，所以大大提高了測(cè)量的精度。
實(shí)施過(guò)程以SF6氣體微量變化為例構(gòu)成頻率差分測(cè)定控制系統(tǒng)。差分器輸入的雙通道信號(hào)是頻率的變化。當(dāng)通過(guò)延遲線的放大器(即1，2，7)構(gòu)成閉環(huán)振蕩在調(diào)試和選擇中以優(yōu)選方式必須滿足四個(gè)條件
幅度條件放大器增益必須大于空氣超聲換能器的損耗和傳輸損耗之和。
相位條件滿足 式中l(wèi)為發(fā)射、接收換能器的距離，聲為氣體聲音速度。ΔΦ為氣體換能器的相移。
單模振蕩條件ΔF<1τ.]]>ΔF為氣體換能器的帶寬。τ為發(fā)射、接收換能器之間的延遲時(shí)間。
高穩(wěn)定振蕩條件τ>>1F,]]>F為閉環(huán)振蕩頻率，τ為發(fā)射、接收換能器之間的延遲時(shí)間。
在系統(tǒng)測(cè)量開(kāi)始，當(dāng)雙通道初始條件并不完全相等時(shí)可將促使數(shù)據(jù)儲(chǔ)存入微機(jī)，在運(yùn)算過(guò)程中消除。
在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，采用已知體積空氣中逐次注入等量的SF6方法，可以測(cè)SF6微量變化的靈敏度為4×10-5。
實(shí)施例2微機(jī)終端處理系統(tǒng)的實(shí)施微機(jī)終端處理系統(tǒng)由信息處理、反饋控制、評(píng)估系統(tǒng)所構(gòu)成，它是將“差分系統(tǒng)”(相位差分法中的壓控振蕩器5和頻率差分法中的環(huán)路濾波器4)輸出的信號(hào)由歸一法處理8，與預(yù)先設(shè)定的某一氣體的模擬化值數(shù)字量化11進(jìn)行比較12，并在功率控制輸出13得到放大，然后去控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行反饋控制；另一路是由歸一化處理8的信號(hào)，進(jìn)行微分運(yùn)算9，對(duì)時(shí)間微分結(jié)果數(shù)據(jù)作為評(píng)估設(shè)備系統(tǒng)的性能參數(shù)10，對(duì)該參數(shù)輸出打印儲(chǔ)存或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行報(bào)警。
權(quán)利要求
1.一種差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)，其特征是它包括差分法測(cè)量系統(tǒng)和微機(jī)終端處理系統(tǒng)，差分法測(cè)量又分為相位差分法和頻率差分法；相位差分法測(cè)量由空間延遲通道1、2、差分器3、環(huán)路濾波器4、壓控振蕩器5和功分器6等部件組成?？臻g延遲通道1、2分別與差分器3相連接，經(jīng)環(huán)路濾波器4與壓控振蕩器5相連，再與功分器6相連接，而構(gòu)成變異的鎖相環(huán)路；頻率差分法測(cè)量由空間延遲通道1、2、差分器3、環(huán)路濾波器4和放大器7等部件組成，空間延遲通道1、2分別與放大器7相連，構(gòu)成兩組振蕩環(huán)路，分別與差分器3連接，再與環(huán)路濾波器連接；微機(jī)終端處理系統(tǒng)由歸一法處理8、微分9、性能參數(shù)評(píng)估10、模擬化值數(shù)字量化11、比較12、和功率放大輸出13等組成，歸一法處理8分別與微分9比較12連接、微分9與性能參數(shù)評(píng)估10相連、模擬化值數(shù)字量化與比較12相連，比較12再與功率放大輸出13連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)，其特征是差分法測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)空間延遲通1和2，是由發(fā)射、接收兩對(duì)空氣介質(zhì)換能器組成，其中通道1密封，它接觸到的是尚未變化的氣體，通道2不密封，微變氣體在此產(chǎn)生聲速微變。通過(guò)差分器3后兩路信息相減，經(jīng)環(huán)路濾波器4后進(jìn)入壓控振蕩器5輸出的信號(hào)只反映氣體含量變化的信息，而溫度的影響則受到了抑制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)，其特征是相位差分法測(cè)量由密封的混合氣體空間延遲通道1、混合氣體空間延遲通道2分別是與差分器3連接，差分器3輸出相位差信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器4濾波后進(jìn)入壓控振蕩器5，再與功分器6相連，功分器6輸出兩路相同信號(hào)分別進(jìn)入兩個(gè)空間延遲通道1、2形成的閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)變異的鎖相環(huán)路，當(dāng)環(huán)路一旦鎖定時(shí)，壓控振蕩器5輸出的頻率即為微變氣體時(shí)間延遲的函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)，其特征是頻率差分法由空間延遲通道1、2分別與放大器7構(gòu)成的閉環(huán)振蕩，振蕩頻率分別反映了空間延遲通道1和空間延遲通道2的氣體聲音速度，經(jīng)差分器3中得到它們的差頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器4輸出的差頻信號(hào)即為氣體微變的函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)，其特征是微機(jī)終端處理是將差分法測(cè)量輸出的微變信息經(jīng)過(guò)歸一法處理8，當(dāng)給出某一氣體預(yù)先設(shè)定含量的模擬化值數(shù)字量化11，然后把歸一化處理8和模擬化值數(shù)字量化11的信號(hào)經(jīng)過(guò)比較12，并在功率控制輸出13得到放大，去控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行反饋控制；對(duì)歸一法處理8的信息，進(jìn)行微分運(yùn)算9，對(duì)時(shí)間的微分結(jié)果數(shù)據(jù)作為評(píng)估設(shè)備系統(tǒng)的性能參數(shù)10，該參數(shù)輸出打印儲(chǔ)存或?qū)υO(shè)備進(jìn)行報(bào)警。
全文摘要
本發(fā)明屬于氣體測(cè)量領(lǐng)域和傳感器技術(shù)領(lǐng)域。涉及氣體微量變化智能型測(cè)量?jī)x器，并涉及反饋控制屬設(shè)備的技術(shù)性能作出評(píng)估系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括空氣介質(zhì)換能器，超聲信號(hào)激勵(lì)和接受部件，模擬信號(hào)處理部件以及控制和評(píng)估的微機(jī)終端處理系統(tǒng)。本發(fā)明在解決測(cè)量靈敏度及溫度影響帶來(lái)的測(cè)量誤差問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)采用差分法(相位差分，頻率差分)作為模擬信號(hào)處理的關(guān)鍵部件，其中由相位差分法系統(tǒng)構(gòu)成的變異的鎖相環(huán)路，使測(cè)量的精度和靈敏度獲得很大提高。該發(fā)明可以工作在氣體成分的所有濃度范圍內(nèi)，當(dāng)氣體混合物為2種氣體組分時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)可以連續(xù)給出其中一種含量的變化，但系統(tǒng)的工作條件是2種氣體組分的聲速必須不同。
文檔編號(hào)G01N29/00GK1431496SQ03112800
公開(kāi)日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月30日
發(fā)明者林瑋, 袁憶豐, 干昌明 申請(qǐng)人:南京大學(xué)