侯广平 丁喜波 王如月 何鑫

摘 要：针对超声波甲烷气体检测精度的问题，提出了一种超声波甲烷浓度检测系统的研究，建立了声速与气体浓度的数学模型，在超声波直接测量时间差法的基础上，采用超高精度的时间数字转换芯片TDC-GP21完成时间的精密测量。完成了超声波甲烷浓度系统设计，分析了测量精度的主要影响因素——时间测量并提出了解决方法。采用甲烷气体对系统进行测试和验证，实验结果表明该检测方法的相对误差小于2%，具有精度高、测量方便、成本低等优点，具有很好的应用前景。

关键词：超声波;甲烷;声速;时间测量;TDC-GP21

DOI：10-15938/j-jhust-2020-01-018

中图分类号： TB559

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）01-0121-06

Abstract：For the problem of ultrasonic methane gas detection accuracy， a research on ultrasonic methane concentration detection system is proposed， established a mathematical model of sound velocity and gas concentrationBased on the ultrasonic direct measurement time difference method， the ultra-high precision time digital conversion chip TDC-GP21 is used to complete the precise measurement of timeThe design of ultrasonic methane concentration system was completed， and the main influencing factors of measurement accuracy were analyzedTime measurement and solution were proposedThe system was tested and verified by methane gasThe experimental results show that the relative error of the detection method is less than 2%It has the advantages of high precision， convenient measurement and low cost， and has a good application prospect-

Keywords：ultrasonic; methane; sound velocity; time measurement; TDC-GP21

0 引 言

在工业生产、日常生活中甲烷浓度检测的需求很广泛。传统的甲烷浓度检测方法有催化燃烧法、半导体气敏法、红外吸收法等[1-5]。传统的测量方法面临测量范围小、成本高等问题，超声波法是近年来随着测量技术的发展而出现的新的检测技术，这种非接触式的测量方法受到极大的关注，测量范围宽，精度高，测试设备体积小，寿命长，稳定性好[6]。近年来，超声波检测已被广泛应用在气体检测领域，国内外在超声波检测上的研究成果已十分丰富[7-9]。

超声波检测方法主要有相位差法、脉冲法。相位差法的测量原理是超声波发射探头被持续的脉冲激励，通过检测相同声程的两路超声波接收信号的相位差来反映气体浓度[10-11];脉冲法的测量原理是超声波发射探头被一组5-10个脉冲激励，以超声波在介質气体中传播时间来得到气体浓度 [12-14]。……