[发明专利]一种瓦斯气体浓度测量系统及方法

权利要求书

1.一种瓦斯气体浓度测量系统，其特征在于，包括检测管道，所述检测管道的两端分别为入口端和出口端，所述入口端具有两个接口，分别为第一入口接口和第二入口接口，所述出口端也具有两个接口，分别为第一出口接口和第二出口接口；所述第一入口接口上通过管道与入口阀门连接，所述第一出口接口通过管道与出口阀门连接，所述检测管道内部使用热熔胶固定安装有双开孔采样球，所述双开孔采样球为中空结构，其表面具有两个采样通孔；

所述第二入口接口安装有第一波导管，扬声器安装在所述第一波导管的末端，所述扬声器的输入端与函数发生器的输出端连接，所述函数发生器的输入端与计算机的USB接口连接；

所述第二出口接口上安装有第二波导管，传声器安装在所述第二波导管的末端，所述传声器的输出端与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器的输出端与所述计算机的另一USB接口连接；

所述计算机包括正弦波形发生模块和数据处理模块；

所述正弦波形发生模块用于产生扫描频率点指令帧，然后通过USB接口将扫描频率点指令帧传输到所述函数发生器，所述函数发生器接收到扫描频率点指令帧后提取帧中的频率数据，以该频率数据生成正弦波信号，该正弦波信号驱动所述扬声器发声；

所述数据处理模块用于通过所述计算机的USB接口向所述数据采集器发送采集启动帧，所述数据采集器接收到该采集启动帧后以默认采样频率进行数据采集；所述数据采集器将采集的数据通过USB接口传输到所述计算机的数据处理模块，所述数据处理模块将采集到的数据进行保存；所述数据处理模块依次调出扫描频率点对应的采集数据，并从采集数据中找出每个频率点对应的最大值，然后在这些最大值中查找出最小值，该最小值所对应的扫描频率点即为谐振频率f_r，将谐振频率带入公式算出待测气体中的瓦斯浓度；

具体地，所述数据处理模块的计算过程为：

所述双开孔采样球内部腔体的有效体积V为内部球体体积减去两个采样通孔的体积：

其中，R_i为所述双开孔采样球的内半径，a为所述采样通孔的半径；

根据声学原理，所述双开孔采样球球形腔体中的瓦斯气体的声容为C_A，则有：

考虑所述采样通孔两端修正情况，所述采样通孔的有效长度均为：

其中，R_o为所述双开孔采样球的外半径；

所述采样通孔的声感为：

其中，ρ为待测瓦斯气体的密度；

将两个所述采样通孔的声感视为并联情况，则总声感为：

根据谐振电路规律，所述双开孔采样球的谐振频率为：

其中，c为声音在待测瓦斯气体中的传播速度；

待测瓦斯气体中的声速满足：

其中，p为气体压强，γ是待测瓦斯气体的比热容比，则：

γ＝(1-x)γ_k+xγ_w (8)

其中，x为待测瓦斯气体的百分含量，γ_k为空气的比热容比，γ_w为瓦斯气体的比热容比；

待测瓦斯气体的密度：

ρ＝(1-x)ρ_k+xρ_w (9)

其中，ρ_k为空气的密度，ρ_w为瓦斯气体的密度；

将式(7)、式(8)和式(9)带入式(6)，可得

在其他参数已知的情况下，通过测定谐振频率f_r,通过式(10)即可获得所述双开孔采样球内待测瓦斯气体的百分含量。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二出口接口的端面上安装有完全匹配层，所述完全匹配层上安装有所述第二波导管。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述正弦波形发生模块按照步进更改扫描频率点，待扫描完成设定的频率范围后所述正弦波形发生模块向所述函数发生器发送停止发声指令帧，以控制所述扬声器停止发声。