基于相位差的超聲波SO2濃度檢測系統研究

張 鵬，王 莉

（南京科技職業學院，江蘇 南京 210048）

SO2作為最常見的硫氧化物，是主要的大氣污染物之一，對環境造成嚴重的危害。而我國的發電主要采用煤炭發電，煤、石油等燃料的燃燒過程是排放SO2的最主要的污染源，因此對SO2濃度進行有效的在線檢測具有十分重要的意義。

國內外對SO2濃度檢測的方法有化學方法和物理方法，化學方法有碘量法、電導法、電量法、離子色譜法、比色法、電化學傳感器法和化學發光法，化學方法雖然具有較高的靈敏度和較好的測量準確度，但是化學方法不能滿足對煙氣中二氧化硫的濃度進行自動、連續、實時測量的要求，不能進行在線檢測。物理方法不引起被測氣體中各化學成分的改變，測量污染物使用的儀器比較簡單，操作方便，適合在線檢測，因此具有廣泛的應用前景。物理測量方法主要有紫外熒光法、火焰光度法、非分散紅外吸收法和紫外光譜吸收法等，但是采用這些光源的寬度和光強等因素限制其廣泛應用。隨著超聲檢測技術的發展，氣體濃度的超聲波檢測法克服了傳統檢測方法本身固有的缺點，在氣體濃度檢測領域，完全適應了未來高精度測量的挑戰，保持在氣體濃度檢測領域中的領先地位。超聲波檢測用于氣體檢測結構簡單，操作方便，不需要測量試樣，是一種靈敏度和準確性都較好的測量方法，適用于SO2濃度的實時、連續在線檢測。本文研究的系統結構簡單，價格低廉，準確性高，尤其與其他物理檢測方法相比，超聲波探頭的價格優勢尤為突出[1-5]。

1 系統結構

1.1 設計概述

本系統采用超聲波檢測技術，其基本原理是超聲波在氣體中傳播時，氣體成分以及濃度的不同它的聲學參數會發生變化，通過測量這些參數的變化量來反映待測氣體的濃度值。聲速計算公式如式1。

式中，K為絕熱系數。

R為氣體常數。

T為溫度。

本系統設計一個驅動信號驅動兩路超聲波傳感器發射電路，兩路超聲波經過兩個結構完全相同且對稱的氣室，一個氣室中的氣體為被測氣體，稱為被測氣室；另一個中的氣體為標準大氣，稱為標準氣室，如圖1所示。

由于兩個氣室中的氣體不同，所以超聲波通過兩個氣室時的傳播速度不同，到達氣室終端時，兩路波存在相位差，相位差的變化量反映了超聲波在被測氣室與標準氣室中傳播的時間差，如式2所示，通過測量時間差就可計算出氣體的濃度值。

式中：L為標準氣室與被測氣室長度。

1.2 系統整體設計

系統結構框圖如圖2所示。系統啟動后，CPU發出控制信號給超聲波驅動電路同時驅動標準氣室和被測氣室的超聲波探頭，超聲波接收電路把接收的兩路信號通過信號調理電路進行放大、濾波后傳送給檢相電路，得到兩路信號的相位差，通過轉換電路，確定超聲波通過標準氣室和被測氣室的時間差，最后CPU根據公式計算SO2濃度，并進行顯示，系統顯示小數點后一位。輸入電路為鍵盤輸入電路，通過按鍵對系統參數進行設置，同時由于超聲波的傳輸速度受溫度影響較大，本系統通過溫度檢測電路檢測溫度后進行溫度補償和修正。

圖2 系統結構框圖

1.3 超聲波驅動電路

超聲波傳感器驅動電路用于驅動超聲波探頭，由于超聲波頻率過高衰減比較大，但是頻率過低則不利于檢測，散射現象嚴重，因此為保證傳感器所接收到的有用信號的幅值可便于后續電路的處理，本系統設計了頻率為200KHz方波信號來驅動傳感器電路，如圖3所示。CPU通過pin端發送控制信號給驅動電路，同時驅動兩路超聲波信號，觸發超聲波探頭。

圖3 超聲波驅動電路

1.4 接收電路

對于接收到的信號的處理是設計的關鍵部分，若接收到的信號未能準確有效的處理將會影響后續電路的作用以及測量結果的精度。本系統接收電路由信號濾波放大、信號整形和相位差測量電路三部分組成。接收電路的框架圖如圖4所示。

圖4 接收電路框圖

由于超聲波接受傳感器傳輸過來的信號的幅值較小不便于處理，則要采用濾波放大電路先將信號的雜波干擾濾除并對其放大，以方便后續電路的處理；信號整形電路把傳輸來的正弦波信號進行變換為檢測兩路信號的相位差做準備；相位差測量電路直接關系到最后的測量結果，本系統將相位差準確有效的測量，變為電壓值輸出到模數轉換端口，把模擬信號轉換為數字信號，用于濃度值的計算。信號接收處理電路的整個環節對信號的處理的過程中要確保濾掉高頻和低頻信號的干擾，只保留有效信號，因而要設計這部分電路時采用的運算放大器應具有較好的特性，以免有用信號被噪聲淹沒。

2 軟件設計

儀表上電后，對儀表進行標定，自動調零。調零完成后，CPU驅動超聲波驅動電路以此來驅動超聲波發射器，采集溫度傳感電路數據。CPU收到兩路超聲波信號的相位差后，轉換成兩者的時間差，進行數據處理計算，根據采集的溫度值對數據進行溫度補償，得出濃度值，由顯示器進行顯示。系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統工作流程

3 實驗結果分析

本系統設計的差分式超聲波SO2濃度檢測系統運用實驗室標準氣體進行標定，測量結果在0.5%的誤差，滿足設計要求，并且該系統具有結構簡單、測量精度高、不易受污染、成本低、易于在線檢測、測量范圍寬等特點。同時，低濃度時信號較弱，需要增長氣室的長度，不方便測量，導致對低濃度SO2測量誤差較大。