[发明专利]基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及气体颗粒浓度测量技术领域，具体涉及基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置。

背景技术

近年空气污染日益严重，人类生产生活中排放的有毒、有害物质严重影响着空气质量。同时，人类环保意识有所提高，因此人们越来越重视对空气质量的监控，也就提出了对气体中颗粒浓度测量的需求。另外，气体颗粒浓度测量对气候变化研究和火山检测等领域都有广泛的应用。目前常用的颗粒浓度测量方法有林格曼黑度法、采样法、电容法、电荷法、射线法、过程层析成像法、光学方法、超声法等。其中林格曼黑度法和采样法属于离线监测的方法，林格曼黑度法指人工观察烟尘黑度并与林格曼黑度表比较确定烟尘浓度，这种方法只能给出一个相对大小的估值，精度低，而且只适用于燃煤烟尘排放的定性测量；采样法指按照等速原则抽取一定体积的代表性烟气，将采集的固体颗粒称重，用所称重量除以气体体积得出浓度，该方法的等速原则往往难以实现，而且不能进行连续的测量。在实时在线监测的方法中，电容法和电荷法指利用颗粒浓度与电容量和静电荷量的相关性，通过检测电容量和电荷量从而测出浓度，这两种方法受到颗粒的物理性质和气体传送条件影响，而且是干扰式测量；射线法指通过测量透过介质的辐射线的衰减来测量浓度，这种方法存在放射性辐射泄露的危险，因此设备贵、对操作人员要求高；过程层析成像法指通过获取管道中传输的多组分混合物的可视化图像来测量颗粒浓度三维分布的方法，这种方法实现起来比较复杂。

另外较为常用的光学法则是利用光的衰减和散射来测量颗粒浓度，具体包括浊度法、光脉动法和散射法等，但是光学设备精细、设备成本高，而且在高浓度颗粒测量中光的衰减非常严重，因此也限制了光学法在一些场景中的应用。超声法是利用声波在气体中传播，根据声衰减、颗粒对声的散射等效应测出颗粒浓度，超声法穿透性比光好，适合用于高浓度颗粒测量，而且设备成本也比光学设备低，并且具有较宽的频率范围，因此超声法有其突出的优越性。可是，虽然超声有较宽的频率范围，但目前利用超声测量颗粒浓度的方法中大部分利用单频信号或者窄脉冲信号（CN201096703），虽然窄脉冲信号有宽频特性但它并不容易产生，而且不是频谱等幅宽频信号；另外即使有宽频信号，目前的测量装置大部分利用一个换能器，收发信号的带宽受到换能器限制。因此目前的超声测量方法和装置在发挥超声的宽频性方面有待改善，难以较为全面测量气体中各种粒子的浓度，不能全面测量气体中颗粒分布。

本发明基于宽频带LFM（线性调频）超声信号的气体颗粒浓度测量方法与装置，可以很好地解决目前技术的不足。由于本发明利用LFM信号作为测量信号以及利用换能器阵列收发，因此可以实现近似频谱等幅宽频的测量信号，并且容易产生与收发。另外，本发明的装置利用吸声材料，进一步提高测量的精度。

发明内容

    本发明的目的在于克服现有基于超声法测量气体颗粒浓度的方法及测量装置难以产生与收发宽带信号的不足，提供基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法与装置。该方法利用LFM超声信号构造测量信号，通过对接收信号进行谱分析，根据衰减频谱测量出气体中各种尺寸的颗粒浓度。另外，本发明装置利用吸声材料提高测量精度。本发明通过以下技术方案实现。

基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法，包括如下步骤：第一，利用线性调频信号（LFM）构造测量信号，将测量信号进行数模转换后从发射超声换能器阵列发射出去；第二，接收超声换能器阵列检测超声信号，得到接收信号；第三，对接收信号进行模数转换，进而对接收信号进行谱估计，得到接收信号的衰减谱；第四，对得到的衰减谱进行分析，从频率确定相应颗粒的线度，从该频率的频谱幅度根据数学建模或经验公式确定对应线度颗粒的浓度。

所述的线性调频信号（LFM）信号可表示成：

              （公式1）

式中，A是信号的幅度， 为初始频率，b为调频系数，T是信号的时间长度，其中、b和T确定了线性调频信号的频率范围为：

                             （公式2）

根据参数控制发送信号的频率范围，通过配置参数，产生频率范围[,]的LFM信号作为测量信号。

上述基于宽频带线性调频超声的气体颗粒浓度测量方法中，进一步的，将频率范围[,]的LFM信号分成多段频率[，）、[，）……[，]的LFM信号构造，不同探头发不同频率范围的LFM信号；确定了每个频率范围段的起始频率和最高频率，从而确定每个换能器所发送的LFM信号的、b和T。