專利名稱：用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置及方法
技術領域：
本發明屬于氣體檢測技術領域，特別是涉及基于氣池的氣體檢測裝置和方法。
背景技術：
氣體檢測在現代社會的生產和生活中占有相當重要的地位，尤其是有毒、有害、易 燃、易爆氣體的檢測，對工農業生產、人民的生活、環境、安全至關重要。例如化工生產中的 氣體成分檢測，煤礦瓦斯氣體濃度檢測，環境污染氣體監測，煤氣泄漏、火災報警等。
目前常見的檢測方法主要有以下幾種(l)利用氣體與加熱的金屬氧化物接觸， 電阻值增大或減小的半導體方法，靈敏度高、價格低，但輸出與氣體濃度不成比例，不宜檢 測氣體濃度。(2)利用可燃性氣體與氣敏材料接觸發生無焰燃燒，氣敏材料溫度升高，電阻 值相應增大的接觸燃燒法，靈敏度較低。(3)利用化學溶劑與氣體反應產生電流、顏色變化、 電導率增加等的化學反應法，氣體選擇性好，但不能重復使用。(3)利用待測氣體與空氣的 折射率不同而產生干涉的光干涉法，壽命長，但選擇性差。4)利用發熱元件的熱傳導率差 而放熱使發熱元件溫度降低的熱傳導法，構造簡單，但靈敏度低，選擇性差。(5)利用不同物 質在不同的兩相中的分配系數，使分配系數只有微小差異的組份產生很大的分離效果的氣 相色譜法，取樣復雜，需專業技術人員操作，易中毒，不能實時檢測。(6)利用被測氣體在紅 外波段的特征吸收譜線，實現氣體濃度測量的紅外吸收法，靈敏度高，可靠性好，響應時間 短，可以實時反映氣體濃度的動態變化，但系統體積較大。

發明內容
本發明克服了現有技術中的缺點，提供了一種用氣池的共振頻率進行氣體濃度檢
測的裝置及方法，用氣池的共振頻率實現氣體濃度的快速、實時、連續的測量。 本發明的技術方案如下一種用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，包括氣池，
在所述氣池內有發聲系統，發聲系統通過傳輸線路與發聲系統驅動電路連接，微音器設置
在氣池中，微音器通過傳輸線路依次與鎖相放大電路和處理器連接，處理器通過傳輸線路
依次與發聲系統驅動電路和鎖相放大電路連接，在氣池上設置有氣口 ，溫度壓強傳感器設
置在氣池中，溫度壓強傳感器通過傳輸線路與處理器連接。 所述發聲系統包括光源，在光源和氣池之間設置準直器，光源通過傳輸線路與發 聲系統驅動電路連接。 所述發聲系統包括安裝在氣池內的發聲器件，發聲器件通過傳輸線路與發聲系統 驅動電路連接。 本發明還公開了一種利用所述的用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置檢測氣 體濃度的方法，包括如下步驟 第一步，待測氣體從氣池氣口進入氣池； 第二步，處理器向發聲系統驅動電路發出指令，發聲系統驅動電路驅動發聲系統 產生聲信號；微音器接收聲信號，并向鎖相放大電路提供待測信號，發聲系統驅動電路向鎖相放大電路提供待參考信號，待測信號送入鎖相放大電路進行處理，得到聲信號的幅值，再 發送給處理器； 第三步，重復第二步，發聲系統繼續發出頻率逐漸改變的聲信號，直至一個周期結 束； 第四步，處理器通過邏輯運算得到一個周期內的最大的聲信號幅值，根據這個最 大的聲信號幅值對應的發射頻率，求出氣池的共振頻率f ; 第五步，溫度壓強傳感器測出當前測量環境下的溫度T和壓強P并傳給處理器；
第六步，處理器按下列公式進行計算，求出待測氣體的濃度
<formula>formula see original document page 4</formula>
式中R。為圓柱狀氣池的半徑；L為圓柱狀氣池的長度；n,為自然數(nz = O，l， 為氣池R。處m階貝塞爾函數的第n個極值點，n,與a 是與聲共振模式相關的
為了減少測量環境中的溫度和壓強的變化對氣體濃度的影響，得到更準的氣體濃 度值，還可以用溫度壓強傳感器測出當前測量環境下的溫度T和壓強P并傳給處理器后，先 由處理器根據當前測量環境下的溫度和壓強對共振頻率進行溫度和壓強校正，然后用校正 后的共振頻率進行計算。 與現有技術相比，本發明的優點是不需要采用繁瑣的方法和復雜的裝置測量待 測氣體的聲速，利用現有的盛裝氣體的氣池內某一聲共振模式的共振頻率即可進行氣體濃 度的檢測。氣體濃度檢測方法與檢測裝置都較簡單、易行，大大加強了方法的實用性，且有 利于檢測裝置的小型化。


本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中
圖1是本發明實施例一的示意圖；
圖2是本發明實施例二的示意圖。
具體實施例方式
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。 本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只 是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。 實施例一 如圖1所示，一種用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，包括半導體 激光光源1和氣池3，半導體激光光源1和氣池3之間設置光纖準直器2，光源1通過傳輸 線路與光源驅動控制電路7連接，微音器5設置在氣池3中，微音器5通過傳輸線路依次與 鎖相放大電路6和處理器8連接，處理器8通過傳輸線路依次與光源驅動控制電路7和鎖 相放大電路6連接，在氣池3上設置有氣口 4，溫度壓強傳感器9設置在氣池3中，溫度壓強傳感器9通過傳輸線路與處理器8連接。 —種利用實施例一的裝置用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的方法，包括如下步 驟 第一步，待測氣體從氣池氣口 4進入氣池3 ; 第二步，處理器8向光源驅動控制電路7發出驅動半導體激光光源1的指令，驅動 半導體激光光源1發出激光，激光通過光纖準直器2準直并耦合至氣池3中；氣池3中的待 測氣體吸收光能量產生聲信號，聲信號被安裝在氣池3中的微音器5接收后，向鎖相放大電 路6提供待測信號，光源驅動控制電路7向鎖相放大電路6提供待參考信號，待測信號送入 鎖相放大電路6進行處理，得到聲信號的幅值，并發給處理器8 ;發出的激光的波長固定，發 射頻率在一個周期內逐漸改變； 第三步，處理器8通過邏輯運算得到一個周期內的最大的聲信號幅值，由于一個 發射頻率對應一個聲信號幅值，所以這個最大的聲信號幅值對應的發射頻率就是氣池3的 共振頻率； 第四步，氣池3內的溫度壓強傳感器9測出當前測量環境下的溫度和壓強并傳給 處理器8，處理器8根據當前測量環境下的溫度和壓強對共振頻率進行溫度和壓強校正；
校正的原理是溫度和壓強對共振頻率的影響通過實驗獲得的校正表進行校正。 在已知氣體濃度和溫度、壓強的情況下，氣體濃度固定不變，改變溫度和壓強值則得到各個 溫度和壓強下的校正系數，從而構造成溫度和壓強的校正表。 第五步，處理器8根據校正后的共振頻率和已知的待測氣體濃度與氣池的共振頻 率的對應關系得到待測氣體的濃度。 實施例二 如圖2所示，一種用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，包括氣池 13，在氣池內安裝有揚聲器ll，揚聲器11通過傳輸線路與揚聲器驅動電路12連接，微音器 15設置在氣池13中，微音器15通過傳輸線路依次與鎖相放大電路16和處理器18連接，處 理器18通過傳輸線路依次與揚聲器驅動電路12和鎖相放大電路16連接，在氣池13上設 置有氣口 14，溫度壓強傳感器17設置在氣池13中，溫度壓強傳感器17通過傳輸線路與處 理器18連接。 —種利用實施例二的裝置用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的方法，包括如下步 驟 第一步，待測氣體從氣池氣口 14進入氣池13 ; 第二步，處理器18向揚聲器驅動電路12發出指令，驅動揚聲器11發出聲音，聲音 在氣池13中形成聲共振；聲音被共振放大后形成的聲信號被安裝在氣池13中的微音器15 接收后，向鎖相放大電路16提供待測信號，揚聲器驅動電路12向鎖相放大電路16提供待 參考信號，待測信號送入鎖相放大電路16進行處理，得到聲信號的幅值，并發給處理器18 ; 揚聲器發出的聲音的頻率在一個周期內逐漸改變； 第三步，處理器18通過邏輯運算得到一個周期內的最大的聲信號幅值，由于一個 聲音頻率對應一個聲信號幅值，所以這個最大的聲信號幅值對應的聲音頻率就是氣池13
的共振頻率； 第四步，氣池13內的溫度壓強傳感器17測出當前測量環境下的溫度和壓強并傳 給處理器18，處理器18根據當前測量環境下的溫度和壓強對共振頻率進行溫度和壓強校
校正的原理是溫度和壓強對共振頻率的影響通過實驗獲得的校正表進行校正。 在已知氣體濃度和溫度、壓強的情況下，氣體濃度固定不變，改變溫度和壓強值則得到各個 溫度和壓強下的校正系數，從而構造成溫度和壓強的校正表。 第五步，處理器18根據校正后的共振頻率和已知的待測氣體濃度與氣池的共振 頻率的對應關系得到待測氣體的濃度。
本發明用氣池的共振頻率進行氣體濃度檢測的原理是 氣池是用于盛裝待測氣體的裝置，可分為共振型和非共振型。共振型氣池的主要 優點是聲信號在池內來回反射形成駐波，從而被共振放大，放大后的聲信號更有利于信號 的檢測。共振型氣池的共振頻率主要與氣池的結構、池內氣體的聲速，聲共振模式有關。圓 柱狀幾何結構的氣池的共振頻率可以表示為 /, o. 、2W
/ =旦
2
乂、2
、
+
乂
山
(1) 其中c。為聲信號在待測氣體中傳播的速度，即聲速；R。為圓柱狀氣池的半徑；L為 圓柱狀氣池的長度；nz為自然數(nz = 0， 1， 2. . .) ， a 為氣池R。處m階貝塞爾函數的第n 個極值點，n,與a^是與聲共振模式相關的參數。從式(1)可以看出，氣池的共振頻率與聲 速是線性關系。 聲速是待測氣體中微弱壓強擾動的傳播速度，與氣體的性質和狀態相關。氣體的 組分、溫度和壓強的變化都會引起聲速的變化。在氣體溫度和壓強對聲速的影響可知的情 況下，待測氣體的聲速可用分離變量法分離變量，可用抽象的數學表達式表示為
c。 (P ， T ， M) = g (P) h (T) z (M) (2) 其中c。為待測氣體的聲速；P為待測氣體的壓強；T為待測氣體的溫度；M為待測 氣體的平均分子量。氣體的平均分子量又可表示為
M = M丄X Xl+M2 X x2+. +Mn X xn (3) 其中表Mn示氣體中的第n個組分的分子量，xn表示第n個組分在氣體中的體積百 分比，即第n個組分氣體的濃度。分離出來的也z (M)就是組分氣體濃度xn的函數
c0 (P ， T ， xn) = g (P) h (T) z' (xn) (4) 當第i(i = 1，2，. . . ，n)個氣體組分的分子量Mi與其它組分氣體(背景氣體)的 分子量M相差很大時，氣體的第i個組分的濃度Xi的變化能及時反映在聲速的變化上，且 分子量的差異越大，聲速對組分氣體濃度的變化也就越靈敏。 聲速的測量方法繁瑣且測量裝置復雜，通過氣體聲速測量氣體濃度的方法在實際 中應用不大。本發明不直接測量聲速，而是通過聲速把氣體濃度映射到氣池的共振頻率上， 用氣池的共振頻率進行氣體濃度的檢測。待測氣體中的第n個組分氣體濃度&通過聲速 映射到氣池的共振頻率f上，則氣池的共振頻率可進一步表示為 /(^ >H)=
、、
+
/ 、2 山
、1/2
(5) 由式(5)可知，已知特定聲共振模式下的共振頻率f ，則可得到一定測量環境下
6( 一定的溫度、壓強下)待測氣體中某一組分氣體的濃度。 本發明并不局限于前述的具體實施方式
。本發明擴展到任何在本說明書中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權利要求
一種用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，其特征在于包括氣池，在所述氣池內有發聲系統，發聲系統通過傳輸線路與發聲系統驅動電路連接，微音器設置在氣池中，微音器通過傳輸線路依次與鎖相放大電路和處理器連接，處理器通過傳輸線路依次與發聲系統驅動電路和鎖相放大電路連接，在氣池上設置有氣口，溫度壓強傳感器設置在氣池中，溫度壓強傳感器通過傳輸線路與處理器連接。
2. 根據權利要求1所述的用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，其特征在于所述 發聲系統包括光源，在光源和氣池之間設置準直器，光源通過傳輸線路與發聲系統驅動電 路連接。
3. 根據權利要求1所述的用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置，其特征在于所述 發聲系統包括安裝在氣池內的發聲器件，發聲器件通過傳輸線路與發聲系統驅動電路連
4. 一種利用權利要求1所述的用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置檢測氣體濃度 的方法，其特征在于包括如下步驟第一步，待測氣體從氣池氣口進入氣池；第二步，處理器向發聲系統驅動電路發出指令，發聲系統驅動電路驅動發聲系統產生 聲信號；微音器接收聲信號，并向鎖相放大電路提供待測信號，發聲系統驅動電路向鎖相放 大電路提供待參考信號，待測信號送入鎖相放大電路進行處理，得到聲信號的幅值，再發送 給處理器；第三步，重復第二步，發聲系統繼續發出頻率逐漸改變的聲信號，直至一個周期結束； 第四步，處理器通過邏輯運算得到一個周期內的最大的聲信號幅值，根據這個最大的 聲信號幅值對應的發射頻率，求出氣池的共振頻率f ;第五步，溫度壓強傳感器測出當前測量環境下的溫度T和壓強P并傳給處理器； 第六步，處理器按下列公式進行計算，求出待測氣體的濃度<formula>formula see original document page 2</formula>式中R。為圓柱狀氣池的半徑；L為圓柱狀氣池的長度；nz為自然數(nz = 0， 1， 2…)， a 為氣池R。處m階貝塞爾函數的第n個極值點，nz與a mn是與聲共振模式相關的參數。
5.根據權利要求4所述的用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的方法，其特征在于所述 第五步為，溫度壓強傳感器測出當前測量環境下的溫度T和壓強P并傳給處理器，處理器根 據當前測量環境下的溫度和壓強對共振頻率進行溫度和壓強校正。
全文摘要
本發明公開了一種用氣池的共振頻率檢測氣體濃度的裝置及方法，讓待測氣體流過氣池，在氣池內產生聲信號，聲信號在氣池內來回反射形成共振；氣池的共振頻率測量系統測量當前環境下氣池內某一聲共振模式的共振頻率，并將當前環境下氣體溫度和壓強對共振頻率的影響進行校正，校正后的氣池的共振頻率根據已知的氣體濃度和氣池的共振頻率的對應關系得到待測氣體的濃度。本發明的優點是不需要采用繁瑣的方法和復雜的裝置測量待測氣體的聲速，利用現有的盛裝氣體的氣池內某一聲共振模式的共振頻率即可進行氣體濃度的檢測。氣體濃度檢測方法與檢測裝置都較簡單、易行，大大加強了方法的實用性，且有利于檢測裝置的小型化。
文檔編號G01N29/036GK101738433SQ20091031059
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者樂莉, 余玉江, 劉先勇, 王壽全, 胡文, 蒙瑰, 袁長迎, 趙亮 申請人:西南科技大學;四川省煤炭產業集團有限責任公司