專利名稱：基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用不同氣體對聲波產(chǎn)生的不同衰減的現(xiàn)象進(jìn)行六氟化硫氣體濃度檢測的方法和裝置，尤其涉及一種應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)和超聲技術(shù)對六氟化硫氣體濃度進(jìn)行檢測的方法及相應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
六氟化硫作為性能優(yōu)越的絕緣氣體，已經(jīng)在輸配電裝備中得到了廣泛的應(yīng)用，但是六氟化硫的泄露難于避免，為了確保輸配電設(shè)備的安全和人員安全，國家有專門的規(guī)定，要對使用六氟化硫的場合進(jìn)行空氣中六氟化硫含量的檢測。有關(guān)利用在氣體中傳播的超聲 波的傳播速度或時(shí)間來測量氣體濃度的方法及裝置已有相關(guān)方案提出，但是利用在氣體中傳播的超聲波的聲波單通道衰減來測量氣體濃度的方法還未可見。眾所周知，聲波隨距離的衰減規(guī)律可以由式I表示P = p0e_ax式 I式中P(l為聲波發(fā)射端的聲壓強(qiáng)度，P為距離聲波發(fā)射端X處的聲壓強(qiáng)度，a為介質(zhì)的衰減系數(shù)，而聲壓信號(hào)作用到聲波接收換能器可以轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。根據(jù)經(jīng)典聲波衰減理論，當(dāng)聲波的頻率一定，介質(zhì)的衰減系數(shù)僅跟介質(zhì)本身的性質(zhì)相關(guān)，可以由式2表示α= ω ^-η + ki———L)式 2
2pQc [3 Cv cp _式中ω為聲波角頻率，P ^為介質(zhì)氣體的密度，η為媒質(zhì)的切變粘滯系數(shù),k為導(dǎo)熱系數(shù)，Cv為定容比熱，Cp為定壓比熱。由于P(l、P以及X皆為可測得量，因而可以計(jì)算得到衰減系數(shù)a，通過對衰減系數(shù)a的比較計(jì)算，可以得到氣體的濃度值。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)(對等式無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))是一種新穎的移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的類型，它既可以作為一種獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可以作為當(dāng)前具有固定設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的一種補(bǔ)充形式。AdHoc網(wǎng)絡(luò)相對常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、不需要硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，通過移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自由的組網(wǎng)快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種利用無線網(wǎng)絡(luò)和聲波衰減檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法及其裝置，為氣體濃度的檢測提供一種新的方法和相應(yīng)裝置。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法，該方法包括如下步驟(I)無線子節(jié)點(diǎn)獲取檢測氣體的檢測環(huán)境信息，所述檢測環(huán)境信息包括通道長度、溫度和濕度；(2)設(shè)定在與步驟(I)相同的通道長度、溫度和濕度條件下，假設(shè)使用一定初始幅度的超聲波穿過參考?xì)怏w，結(jié)合參考?xì)怏w的摩爾質(zhì)量，無線子節(jié)點(diǎn)計(jì)算出超聲波穿過參考?xì)怏w的幅度衰減程度；(3)無線子節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)與步驟(2)相同初始幅度的超聲波穿過檢測氣體，并對穿過檢測氣體后的超聲波幅度進(jìn)程檢測，計(jì)算超聲波穿過檢測氣體的幅度衰減程度；(4)無線子節(jié)點(diǎn)通過對兩個(gè)幅度衰減程度的比值計(jì)算、表征六氟化硫濃度，并將相關(guān)信息發(fā)送至無線基站； 所述檢測氣體為混有六氟化硫的參考?xì)怏w，一般來說參考?xì)怏w為空氣。所述步驟
(2)和步驟(3)中的幅度衰減程度可以采用式I和式2中的公式計(jì)算，一般來說，由于六氟化硫的切變粘滯系數(shù)比空氣高多個(gè)數(shù)量級，而其它參數(shù)都在同一數(shù)量級，因此被測氣體的聲波衰減系數(shù)隨著六氟化硫濃度的增大而明顯增大。上述方法中，步驟(2)中的計(jì)算為已知方法的計(jì)算,其中通道長度與檢測氣體的通道長度相同(即保證超聲波在參考參考?xì)怏w和檢測氣體內(nèi)的傳播路徑相同)，為已知量；溫度和濕度可以通過對檢測氣體所處的環(huán)境進(jìn)行相關(guān)溫濕度的檢測獲得，也為已知量；超聲波的初始幅度為設(shè)定值，亦為已知量；參考?xì)怏w的摩爾質(zhì)量是客觀量，已知。比較參考?xì)怏w和檢測氣體的超聲波衰減程度的方法可以表示為式3
n ^raRx^ = =產(chǎn)D 式 3
Pd e其中，Ρκ為穿過參考?xì)怏w后的聲波聲壓強(qiáng)度，pD為穿過檢測氣體后的聲波聲壓強(qiáng)度，α κ為參考?xì)怏w的聲波衰減系數(shù)，a D為檢測氣體的聲波衰減系數(shù)，X為檢測通道長度，與步驟(I)中獲取的通道長度相同；兩邊取自然對數(shù)則得到式4 In ~ = ian ~ aR )~v 式 4
PdS卩，通過測量參考?xì)怏w和測量氣體接收到的聲波聲壓強(qiáng)度、計(jì)算兩者的比值并取自然對數(shù)的方法，得到參考?xì)怏w和測量氣體的衰減系數(shù)差值，使用這一差值可以表示空氣中六氟化硫濃度的大小。一種基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法的裝置，包括無線網(wǎng)絡(luò)、容置檢測氣體的檢測通道，所述無線網(wǎng)絡(luò)包括無線基站和無線子節(jié)點(diǎn)，無線子節(jié)點(diǎn)根據(jù)無線基站發(fā)送的請求工作，所述無線子節(jié)點(diǎn)包括聲波驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)調(diào)理電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)模塊、溫濕度傳感器和無線通信模塊；所述聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸入端接單片機(jī)模塊的聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，信號(hào)調(diào)理的電路的輸出端通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接單片機(jī)模塊的聲波接收信號(hào)輸入端，所述溫濕度傳感器的輸出端接單片機(jī)模塊的溫濕度信息輸入端，所述單片機(jī)模塊通過無線通信模塊與無線基站通信；所述檢測通道的一端設(shè)置有聲波發(fā)射換能器，另一端設(shè)置有聲波接收換能器，檢測通道接入無線子節(jié)點(diǎn)中，其中聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸出端接聲波發(fā)射換能器，聲波接收換能器接信號(hào)調(diào)理電路的輸入端。優(yōu)選的，所述信號(hào)調(diào)理電路對聲波接收換能器接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、峰值檢測后，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接入單片機(jī)模塊。優(yōu)選的，所述無線子節(jié)點(diǎn)若沒有接收到無線基站的請求，則進(jìn)入休眠狀態(tài)；若無線子節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的連續(xù)時(shí)長大達(dá)設(shè)定時(shí)間，則主動(dòng)啟動(dòng)對檢測通道內(nèi)六氟化硫濃度的檢測；若檢測出六氟化硫濃度超標(biāo)，可以給出報(bào)警提示。
有益效果本發(fā)明提供的基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法及裝置，突破了現(xiàn)有技術(shù)中僅通過利用在氣體中傳播的超聲波的傳播速度或時(shí)間來檢測氣體濃度的方法，利用單通道的方式實(shí)現(xiàn)了利用在氣體中傳播的超聲波的聲波衰減來檢測氣體濃度，方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。


圖I為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為無線網(wǎng)絡(luò)中無線基站和無線 子節(jié)點(diǎn)的關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明計(jì)算結(jié)構(gòu)的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖I、圖2所示為一種基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法的裝置，包括無線網(wǎng)絡(luò)、容置檢測氣體的檢測通道，所述無線網(wǎng)絡(luò)包括無線基站和無線子節(jié)點(diǎn)，無線子節(jié)點(diǎn)根據(jù)無線基站發(fā)送的請求工作，所述無線子節(jié)點(diǎn)包括聲波驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)調(diào)理電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)模塊、溫濕度傳感器和無線通信模塊；所述聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸入端接單片機(jī)模塊的聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，信號(hào)調(diào)理的電路的輸出端通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接單片機(jī)模塊的聲波接收信號(hào)輸入端，所述溫濕度傳感器的輸出端接單片機(jī)模塊的溫濕度信息輸入端，所述單片機(jī)模塊通過無線通信模塊與無線基站通信；所述檢測通道的一端設(shè)置有聲波發(fā)射換能器，另一端設(shè)置有聲波接收換能器，檢測通道接入無線子節(jié)點(diǎn)中，其中聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸出端接聲波發(fā)射換能器，聲波接收換能器接信號(hào)調(diào)理電路的輸入端。所述信號(hào)調(diào)理電路對聲波接收換能器接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、峰值檢測后，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接入單片機(jī)模塊。如圖3所示為基于上述裝置的計(jì)算結(jié)構(gòu)的流程圖，具體包括如下步驟(I)無線子節(jié)點(diǎn)獲取檢測通道的檢測環(huán)境信息，所述檢測環(huán)境信息包括通道長度、溫度和濕度；(2)虛擬一個(gè)參考通道，該參考通道與檢測通道具有相同的通道長度、溫度和濕度條件下，設(shè)定使用一定初始幅度的超聲波穿過參考通道內(nèi)的參考?xì)怏w，結(jié)合參考?xì)怏w的摩爾質(zhì)量，無線子節(jié)點(diǎn)計(jì)算超聲波穿過參考?xì)怏w的幅度衰減程度；(3)無線子節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)與步驟(2)相同初始幅度的超聲波穿過檢測通道內(nèi)的檢測氣體，并對穿過檢測氣體后的超聲波幅度進(jìn)程檢測，計(jì)算超聲波穿過檢測氣體的幅度衰減程度；(4)無線子節(jié)點(diǎn)通過對兩個(gè)幅度衰減程度的比值計(jì)算、表征六氟化硫濃度，并將相關(guān)信息發(fā)送至無線基站；(5)所述無線子節(jié)點(diǎn)若沒有接收到無線基站的請求，則進(jìn)入休眠狀態(tài)；若無線子節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的連續(xù)時(shí)長大達(dá)設(shè)定時(shí)間，則主動(dòng)啟動(dòng)對檢測通道內(nèi)六氟化硫濃度的檢測。所述檢測氣體為混有六氟化硫的參考?xì)怏w，所述參考?xì)怏w為空氣。參考?xì)怏w和檢測氣體的衰減程度可以采用式I和式2中的公式計(jì)算，由于六氟化硫的切變粘滯系數(shù)比空氣高多個(gè)數(shù)量級，而其它參數(shù)都在同一數(shù)量級，因此被測氣體的聲波衰減系數(shù)隨著六氟化硫濃度的增大而明顯增大。比較參考?xì)怏w和檢測氣體的超聲波衰減程度的方法可以表示為式3和式4，即通過計(jì)算參考通道和測量通道接收到的聲波聲壓強(qiáng)度、計(jì)算兩者的比值并取自然對數(shù)的方法，得到參考?xì)怏w和測量氣體的衰減系數(shù)差值，使用這一差值可以表示空氣中六氟化硫濃度的大小。所述單片機(jī)模塊通過無線通信模塊接收無線基站以及其他無線子節(jié)點(diǎn)傳送過來的命令或數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，從而判斷現(xiàn)場六氟化硫氣體濃度是否超出設(shè)定限，超出設(shè)定限后則進(jìn)行報(bào)警。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法，其特征在于該方法包括如下步驟 (1)無線子節(jié)點(diǎn)獲取檢測氣體的檢測環(huán)境信息，所述檢測環(huán)境信息包括通道長度、溫度和濕度； (2)設(shè)定在與步驟(I)相同的通道長度、溫度和濕度條件下，假設(shè)使用一定初始幅度的超聲波穿過參考?xì)怏w，結(jié)合參考?xì)怏w的摩爾質(zhì) 量，無線子節(jié)點(diǎn)計(jì)算出超聲波穿過參考?xì)怏w的幅度衰減程度； (3)無線子節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)與步驟(2)相同初始幅度的超聲波穿過檢測氣體，并對穿過檢測氣體后的超聲波幅度進(jìn)程檢測，計(jì)算超聲波穿過檢測氣體的幅度衰減程度； (4)無線子節(jié)點(diǎn)通過對兩個(gè)幅度衰減程度的比值計(jì)算、表征六氟化硫濃度，并將相關(guān)信息發(fā)送至無線基站； 所述檢測氣體為混有六氟化硫的參考?xì)怏w。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法，其特征在于所述步驟(4)中，利用下式計(jì)算兩個(gè)衰減程度的比值 In 4 = Pd 其中，Pk為穿過參考?xì)怏w后的聲波聲壓強(qiáng)度，Pd為穿過檢測氣體后的聲波聲壓強(qiáng)度，a E為參考?xì)怏w的聲波衰減系數(shù)，a D為檢測氣體的聲波衰減系數(shù)，X為檢測通道長度，利用參考?xì)怏w和檢測氣體的衰減系數(shù)差值表征六氟化硫濃度。
3.基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法的裝置，其特征在于該裝置包括無線網(wǎng)絡(luò)、容置檢測氣體的檢測通道，所述無線網(wǎng)絡(luò)包括無線基站和無線子節(jié)點(diǎn)，無線子節(jié)點(diǎn)根據(jù)無線基站發(fā)送的請求工作，所述無線子節(jié)點(diǎn)包括聲波驅(qū)動(dòng)單元、信號(hào)調(diào)理電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、單片機(jī)模塊、溫濕度傳感器和無線通信模塊；所述聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸入端接單片機(jī)模塊的聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，信號(hào)調(diào)理的電路的輸出端通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接單片機(jī)模塊的聲波接收信號(hào)輸入端，所述溫濕度傳感器的輸出端接單片機(jī)模塊的溫濕度信息輸入端，所述單片機(jī)模塊通過無線通信模塊與無線基站通信；所述檢測通道的一端設(shè)置有聲波發(fā)射換能器，另一端設(shè)置有聲波接收換能器，檢測通道接入無線子節(jié)點(diǎn)中，其中聲波驅(qū)動(dòng)單元的輸出端接聲波發(fā)射換能器，聲波接收換能器接信號(hào)調(diào)理電路的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法的裝置，其特征在于所述信號(hào)調(diào)理電路對聲波接收換能器接收到的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、峰值檢測后，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元接入單片機(jī)模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法的裝置，其特征在于所述無線子節(jié)點(diǎn)若沒有接收到無線基站的請求，則進(jìn)入休眠狀態(tài)；若無線子節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)的連續(xù)時(shí)長大達(dá)設(shè)定時(shí)間，則主動(dòng)啟動(dòng)對檢測通道內(nèi)六氟化硫濃度的檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法及其裝置，利用超聲波在氣體中傳播時(shí)聲波衰減的原理及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過對假想的參考通道發(fā)射端和接收端的聲壓強(qiáng)度計(jì)算和對檢測通道發(fā)射端和接收端的聲壓強(qiáng)度檢測，計(jì)算相應(yīng)的衰減程度，通過衰減程度的比值表征六氟化硫濃度。本發(fā)明提供的檢測微量六氟化硫濃度的聲學(xué)方法及其裝置，突破了現(xiàn)有技術(shù)中僅通過利用在氣體中傳播的超聲波的傳播速度或時(shí)間來檢測氣體濃度的方法，利用單通道的方式實(shí)現(xiàn)了利用在氣體中傳播的超聲波的聲波衰減來檢測氣體濃度，方法簡單、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01N29/032GK102778505SQ20121029132
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者單鳴雷, 周曦, 朱昌平, 朱進(jìn), 韓慶邦, 顏盛銀, 馬季 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)