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CN110168358B - 气体浓度测量装置及其标定方法 - Google Patents

气体浓度测量装置及其标定方法 Download PDF

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CN110168358B CN201780078813.4A CN201780078813A CN110168358B CN 110168358 B CN110168358 B CN 110168358B CN 201780078813 A CN201780078813 A CN 201780078813A CN 110168358 B CN110168358 B CN 110168358B
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Ueda Japan Wireless Co ltd
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Japan Radio Co Ltd
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Abstract

本发明的目的在于提高气体浓度测量装置的测量精度。波动值计算过程包括：测量超声波传播通过壳体10内测量路径的传播时间的步骤；根据所述传播时间的测量值以及所述测量路径的基准距离，求得温度计算值的步骤；通过测量壳体10内的温度获得温度测量值的步骤；以及求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值的步骤。对于多种温度条件中的每一个执行波动值计算过程，在该多种温度条件下，壳体10内的基准气体具有不同的温度。基于在每种温度条件下获得的温度转换波动值，根据与所述气体温度测量值对应的温度补偿值，获得温度补偿表。

Description

气体浓度测量装置及其标定方法
技术领域
本发明涉及一种气体浓度测量装置及其标定方法，尤其涉及一种根据超声波的传播特性测量给定气体浓度的装置和标定方法。
背景技术
目前，人们对在燃料电池供电下行驶的燃料电池车辆进行了广泛的研究和开发。燃料电池利用氢气和氧气的化学反应发电。一般而言，氢气作为燃料供应给燃料电池，而氧气从周围空气中摄入。燃料电池车辆配有储氢罐，由该储氢罐向燃料电池供应氢气。当储氢罐内的氢气量变少时，由设于加氢站的加氢装置向燃料电池车辆的储氢罐加氢。
由于氢气是可燃气体，因此必须对燃料电池车辆及加氢装置的氢气泄露进行检测。因此，氢气浓度测量装置与燃料电池车辆和加氢装置一道获得广泛使用。氢气浓度测量装置具有测量空气中所含氢气浓度以及在氢气浓度超出预定值时发出警报的功能。
下述专利文献1和2中描述了特定气体的浓度测量装置。这些专利文献中描述的装置以空气为测量对象，并根据空气中的超声波传播速度等超声波传播特性，对特定气体的浓度进行测量，也可用于氢气浓度的测量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：公开号为JP2002-214203的日本专利申请
专利文献2：公开号为JP1991-223669的日本专利申请
发明内容
本发明解决的技术问题
利用超声波传播速度对特定气体的浓度进行测量的装置中一般设有气体浓度测量空间，而且该浓度测量空间中设有用于收发超声波的超声波传感器。其中，超声波发射传感器发出的超声波传播通过所述浓度测量空间后，由超声波接收传感器接收。然后，根据发射和接收之间经过的时间以及预先求出的传播距离，计算超声波传播速度。然而，围成所述浓度测量空间的部件材料可随温度变化发生膨胀或收缩，该胀缩使得将传播距离作为定值而求得的传播速度测量值产生误差，从而使得通过传播速度测量值求得的浓度也存在误差。
本发明的目的在于提高气体浓度测量装置的测量精度。
解决问题的技术手段
本发明涉及一种配备气体浓度测量空间的气体浓度测量装置的标定方法，所述方法包括如下步骤：在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的基准气体具有不同的温度：测量超声波传播通过所述浓度测量空间内的测量路径所需的传播时间；根据该传播时间测量值以及所述测量路径的基准距离，求得温度计算值；测量所述浓度测量空间内的温度以获得温度测量值；以及求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值(随温度而变的转换值)；以及根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将待测气体温度与针对所述温度的温度补偿值相对应的标定信息。
优选地，预先实施如下步骤：使所述气体浓度测量装置处于基准状态下，在所述基准状态下，所述浓度测量空间内存在所述基准气体，并且所述浓度测量空间的内部处于基准温度；测量所述气体浓度测量装置处于所述基准状态下时，所述超声波传播通过所述测量路径所需的基准传播时间；以及根据所述基准传播时间，求得所述测量路径的距离作为所述基准距离。
优选地，一种以上述标定方法测量气体浓度的气体浓度测量方法包括如下步骤：测量所述浓度测量空间内的温度，以获得气体温度测量值；测量所述超声波传播通过所述测量路径所需的时间，以获得传播时间测量值；根据所述气体温度测量值和所述标定信息，对所述气体温度测量值进行补偿，以求得补偿后温度测量值；以及根据所述传播时间测量值、所述基准距离以及所述补偿后温度测量值，测量待测气体的浓度。
此外，根据本发明，在一种配备气体浓度测量装置的气体浓度测量系统中，该气体浓度测量装置优选利用上述气体浓度测量方法测量待测气体的浓度。
本发明还涉及一种气体浓度测量装置，包括：用于进行气体浓度测量的浓度测量空间；发射单元，用于向所述浓度测量空间发射超声波；接收单元，用于对传播通过所述浓度测量空间内部的所述超声波进行接收；传播时间测量单元，用于通过测量从所述发射单元发出超声波开始至所述接收单元接收到传播通过所述浓度测量空间内的测量路径后的超声波为止的传播时间而获得传播时间测量值；温度测量单元，用于通过测量所述浓度测量空间内的温度而获得气体温度测量值；以及运算单元，用于根据所述传播时间测量值、所述测量路径的基准距离以及所述气体温度测量值求得待测气体浓度，其中，所述运算单元用于通过以预先求出的标定信息对所述气体温度测量值进行补偿而求得补偿后温度测量值，并根据所述补偿后温度测量值求得所述待测气体浓度，所述标定信息为将所述气体温度测量值与温度补偿值相对应的信息，所述温度补偿值包含因所述浓度测量空间的温度波动导致的所述测量路径距离的波动、因所述发射单元的温度波动导致的所述传播时间测量值的波动以及因所述接收单元的温度波动导致的所述传播时间测量值的波动中的至少一种转换为温度后的转换值，以及所述运算单元根据与所述气体温度测量值对应的温度补偿值，求得所述补偿后温度测量值。
优选地，所述标定信息通过包括如下步骤的标定信息获取过程求得：在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的基准气体具有不同的温度：由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的传播时间；由独立于所述气体浓度测量装置设置的外部运算装置或者由所述运算单元根据所述传播时间测量值以及所述基准距离，求得温度计算值；由所述温度测量单元通过测量所述浓度测量空间内的温度，获得温度测量值；以及由所述运算单元或外部运算装置求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值；以及由所述运算单元或外部运算装置根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将所述浓度测量空间内的气体温度与温度补偿值相对应的标定信息。
本发明还涉及一种气体浓度测量装置，包括：用于进行气体浓度测量的浓度测量空间；传播时间测量单元，该传播时间测量单元利用超声波的发射和接收，测量超声波传播通过所述浓度测量空间内测量路径所需的传播时间，以获得传播时间测量值；通过测量所述浓度测量空间内的温度而获得气体温度测量值的温度测量单元；以及运算单元，根据所述传播时间测量值、所述测量路径的基准距离以及所述气体温度测量值求得待测气体浓度，其中，所述运算单元通过以预先求出的标定信息对所述气体温度测量值进行补偿而求得补偿后温度测量值，并根据所述补偿后温度测量值求得所述待测气体浓度，所述标定信息通过包括如下步骤的标定信息获取过程求得：在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的基准气体具有不同的温度：由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的传播时间；由独立于所述气体浓度测量装置设置的外部运算装置或者由所述运算单元根据所述传播时间测量值以及所述基准距离，求得温度计算值；由所述温度测量单元通过测量所述浓度测量空间内的温度，获得温度测量值；以及由所述运算单元或外部运算装置求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值；以及由所述运算单元或外部运算装置根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将所述浓度测量空间内的气体温度与温度补偿值相对应的标定信息。
优选地，在所述标定信息获取过程之前实施如下步骤：在所述浓度测量空间内存在所述基准气体且所述浓度测量空间的内部处于基准温度的同时，由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的基准传播时间；以及由所述运算单元或外部运算装置根据所述基准传播时间，求得所述测量路径的距离作为所述基准距离。
本发明的有益效果
通过本发明，可提高气体浓度测量装置的测量精度。
附图说明
图1为气体浓度测量装置示意图。
图2为气体浓度测量装置详细结构图。
图3为以针对各环境温度求得的离散温度转换波动值绘制的例示图。
图4所示为气体浓度测量装置的另一实施方式。
附图标记
10、壳体，12、电路板，14、测量电路，16、发射传感器，18、接收传感器，20、温度传感器，22、透气孔，24、连接器，26、反射点，28、处理器，30、传播时间测量单元，32、温度测量单元，34、运算单元，36、发射电路，38、接收电路
具体实施方式
(1)气体浓度测量装置结构概述
图1为根据本发明实施方式的气体浓度测量装置示意图。气体浓度测量装置包括配有气体浓度测量空间的壳体10，并根据超声波在壳体10内气体中的传播速度测量气体浓度。壳体10上设有透气孔22，气体通过该透气孔22在壳体10内外流通。此外，壳体10的浓度测量空间的形状例如为长方体、圆柱形等。浓度测量空间无需一定由壳体10的壳壁在所有方向上围成，只需为允许超声波发送和接收的空间即可。举例而言，壳体10可部分缺失，从而使得浓度测量空间因该缺失部分而向外敞开。然而，如图1所示，通过采用由壳体10的壳壁围成并设有透气孔22的浓度测量空间结构，无论是室内还是户外用途，均能以稳定的状态将待测气体摄入壳体10内，从而更多地改善测量的可靠性、稳定性及其他性能。
气体浓度测量装置包括容纳于壳体10内的电路板12。电路板12上装有测量电路14、发射传感器16、接收传感器18、温度传感器20以及连接器24。发射传感器16根据测量电路14的运行发射超声波。发射传感器16发射的超声波被设于壳体10内侧的反射板反射后，由接收传感器18接收。测量电路14根据超声波发射和接收之间经过的时间以及预先求出的超声波传播距离，求取超声波传播速度。测量电路14根据温度传感器20的检测值测量壳体10内温度并求得下述补偿后温度测量值，然后根据超声波传播速度和补偿后温度测量值求得气体浓度。测量电路14求取气体浓度的具体处理方法见下文所述。测量电路14将气体浓度测量值输出至作为外部装置与连接器24连接的计算机、显示器等装置。
(2)气体浓度测量装置的具体结构
图2为根据本发明实施方式的气体浓度测量装置详细结构图。气体浓度测量装置包括壳体10、发射传感器16、接收传感器18、测量电路14、温度传感器20、连接器24以及操作单元42。测量电路14包括发射电路36、接收电路38、处理器28以及存储器40。测量电路14与发射传感器16、接收传感器18、温度传感器20、连接器24以及操作单元42相连接。
处理器28通过执行存储器40内存储的程序或者处理器28自身内预存的程序，在其内部形成传播时间测量单元30、温度测量单元32以及运算单元34。这些构成元件除了通过处理器28实现之外，也可由作为硬件的数字电路分别单独形成。
以下，对气体浓度测量装置的氢气浓度测量过程进行描述。发射电路36和发射传感器16用作发射超声波的发射单元。发射电路36在传播时间测量单元30的控制下，向发射传感器16输出脉冲发射信号。发射传感器16将作为电信号的该脉冲发射信号转换为超声波，并发出超声波发射脉冲。该超声波发射脉冲随后被设于壳体10内侧的反射板反射。接收传感器18和接收电路38用作接收超声波的接收单元。接收传感器18在接收经设于壳体10内侧的反射板反射的超声波后，将该接收超声波转换为作为电信号的脉冲接收信号，并将其输出至接收电路38。接收电路38对脉冲接收信号进行电平调整后，将调整后的脉冲接收信号输出至传播时间测量单元30。传播时间测量单元30求出从发射电路36输出脉冲发射信号开始至接收电路38输出脉冲接收信号为止的传播时间t。
存储器40内存有基准距离d0。基准距离d0为从发射传感器16至设于壳体10内侧的反射板上的反射点26，再从该反射点26至接收传感器18这一测量路径的预先测量距离基准值。运算单元34从存储器40中读取基准距离d0，并通过将基准距离d0除以传播时间t的方式，求得传播速度测量值vm。
此外，温度测量单元32根据温度传感器20的检测值求得温度测量值Tm。
存储器40中存有温度测量值Tm与温度补偿值Δ对应的温度补偿表。温度补偿值Δ为对随周边温度变化产生非零波动的下文列举各值的波动进行综合补偿的值，也即对下文列举各值当中至少一种的波动进行补偿的值。待补偿的波动为温度测量值Tm的误差的波动，壳体10的胀缩导致的测量路径距离的波动，从脉冲发射信号输入发射传感器16开始至超声波发射脉冲被发射为止的发射响应时间的波动，从接收传感器18接收超声波接收脉冲开始至接收传感器18输出超声波脉冲信号为止的接收响应时间的波动等。用于获得温度补偿表的标定(校准)过程将在下文描述。其中，除温度补偿表之外，也可存储温度补偿系数。
运算单元34通过参照存储器40中存储的温度补偿表，获得与温度测量值Tm对应的温度补偿值Δ。并通过将温度测量值Tm与温度补偿值Δ相加而求得补偿后温度测量值Tc＝Tm+Δ。运算单元34按照下式1求得氢气浓度p：
(式1)
Figure BDA0002100060600000081
其中，k为气体的比热容比，R为气体常数，Mh为氢气分子量，Ma为不含氢气的空气分子量。假设待测空气仅由80％的氮气和20％的氧气组成时，所述比热容比k可以为1.4。此外，气体常数R为8.31，氢气分子量Mh为2.0，空气分子量Ma为28.8。如上所述，传播速度测量值vm和补偿后温度测量值Tc由运算单元34求出。
由于式1右项各值已知，因此运算单元34可按照式1算出氢气浓度p。处理器28将如此求得的氢气浓度p通过连接器24输出至外部计算机。当气体浓度测量装置配有显示面板时，处理器28也将氢气浓度p显示于显示面板上。
式1为通过下述方式推导得出的数式。一般情况下，分子量M，气体比热容比k，气体常数R，气体温度T和声速v满足下式2：
(式2)
Figure BDA0002100060600000082
假设空气中所含氢气浓度为p时，各分子量满足下式3：
(式3)
M＝pMh+(1-p)Ma
通过将式2代入式3消去M，可求解式3，再以传播速度测量值vm代替音速v，以及以补偿后温度测量值Tc代替气体温度T后，可获得式1。
(3)标定过程
通过标定过程可获得上述温度补偿表。在下述实施方式中，随着使用者对操作单元42的操作，处理器28执行标定过程。然而，标定过程也可全部或部分由与连接器24连接的外部计算机执行。也就是说，下文中由处理器28执行的过程也可全部或部分由外部计算机执行。
(i)基准状态下的测量(基准距离d0的求取过程)
首先，使用者将气体浓度测量装置设置为置于基准环境下的基准状态。其中，基准环境例如指温度为基准温度T0＝293K(+20℃)且由作为基准气体的空气包围的环境，该空气的氮气浓度约为80％，氧气浓度约为20％。在基准状态下，基准气体进入气体浓度测量装置的壳体10内，并容纳于该壳体10内。
传播时间测量单元30对发射电路36和接收电路38进行控制，以使得发射传感器16发出超声波发射脉冲，并使得接收传感器18接收超声波接收脉冲。此外，传播时间测量单元30还将从发射电路36输出脉冲发射信号开始至接收电路38输出脉冲接收信号为止时间作为基准传播时间t0。基准传播时间t0为当气体浓度测量装置处于基准状态下时，超声波在从发射传感器16至设于壳体10内侧的反射板上的反射点26，再从该反射点26至接收传感器18的测量路径中的传播时间。
运算单元34对作为基准传播速度v0的基准状态下超声波传播速度进行计算。基准传播速度v0可通过使用者的操作预先存储于运算单元34中。基准传播速度v0可根据式2变形后获得的式4计算，即将基准温度T0作为式4中的气体温度T代入，并将基准气体分子量Ma作为式4中的分子量M代入后求得的传播速度。
(式4)
Figure BDA0002100060600000101
运算单元34通过将基准传播速度v0与基准传播时间t0相乘求得从发射传感器16至设于壳体10内侧的反射板上的反射点26，再从该反射点26至接收传感器18的测量路径的距离，并将其作为基准距离d0存储于存储器40中。
由上可知，在标定过程的第一阶段中，执行如下步骤：通过使作为气体浓度测量空间的壳体10内含有基准气体，并将壳体10内温度设为基准温度，将气体浓度测量装置设于基准状态；在将气体浓度测量装置置于基准状态后，测量超声波传播通过壳体10内测量路径所需的基准传播时间t0；根据基准传播时间t0，求取作为基准距离d0的测量路径距离。
(ii)调节后温度下的测量
在使用者将气体浓度测量装置置于温度各异的多个环境下的同时，由运算单元34求取各环境下超声波传播通过测量路径所需的传播时间。举例而言，在使环境温度Te在253K～323K的范围内以5K的温度递变量变化的同时，以与上述基准状态下的求取过程相同的过程求取各环境温度Te下的测量路径所需传播时间。在该例中，运算单元34在Te＝253K、258K、263K……318K、323K这16种温度环境下，分别求得传播时间t(Te)＝t(253)、t(258)、t(263)……t(318)、t(323)。其中，括号中的数值为环境温度Te。
此外，温度测量单元32根据温度传感器20在各环境下获得的检测值，求得温度测量值Tm(Te)＝Tm(253)、Tm(258)、Tm(263)……Tm(318)、Tm(323)。
此外，运算单元34求得与各环境温度Te下求得的传播时间t(Te)相对应的传播速度计算值v(Te)。也就是说，运算单元34通过将存储器40中存储的基准距离d0除以传播时间t(Te)的方式，求得传播速度计算值v(Te)。
运算单元34进一步根据式5，求得各环境温度Te下的温度计算值Tcal(Te)：
(式5)
Figure BDA0002100060600000111
式5为求解式2中气体温度T时，将传播速度计算值v(Te)作为音速v代入，并将基准气体分子量Ma作为气体分子量M带入后获得的数式。
运算单元34还通过从针对各环境温度Te求得的温度计算值Tcal(Te)中减去各环境下获得的温度测量值Tm(Te)的方式，求得针对各环境温度Te的温度转换波动值δ(Te)。也就是说，运算单元34按照式6，求得温度转换波动值δ(Te)。
(式6)
δ(Te)＝Tcal(Te)-Tm(Te)
在温度计算值Tcal(Te)中，除了真实的环境温度值之外，还包含随环境温度变化而发生的传播速度计算值v(Te)波动转成温度后的转换值δ1。传播速度计算值v(Te)的波动当中包含因环境温度Te偏离基准温度T0而发生的测量路径的胀缩、发射响应时间的变化以及接收响应时间的变化所导致的波动。由此可见，Tcal(Te)中包含因环境温度Te偏离基准温度T0而导致的上述波动转成温度后的转换值δ1(下称结构波动值δ1)。
另一方面，温度测量值Tm(Te)中，除了真实的环境温度值之外，还包含温度传感器20的检测误差导致的测量误差δ2。由此可见，温度转换波动值δ(Te)为结构波动值δ1与温度传感器20的测量误差δ2的合值，即满足式7：
(式7)
δ(Te)＝δ1|δ2
由上可知，在标定过程的第二阶段中，针对与壳体10内基准气体温度不同的多种温度条件，分别执行以下波动值计算过程。该波动值计算过程包括如下步骤：测量超声波传播通过测量路径所需的传播时间；根据传播时间测量值和基准距离，求得温度计算值；通过测量壳体10内温度，获得温度测量值；以及求得表示温度计算值与温度测量值间差异的温度转换波动值。
(iii)温度补偿表的生成
运算单元34可根据各环境温度Te下求得的离散温度转换波动值δ(Te)，求取可根据环境温度Te获得温度转换波动值δ(Te)的连续函数。这一过程可例如通过将各环境温度Te与温度转换波动值δ(Te)关系近似为一次函数、二次函数或更高次函数的方式实现。δ(T)函数也可以为针对划分至预定范围的各温度范围分别定义的函数。运算单元34生成表示由环境温度Te与温度转换波动值δ(Te)关系转换而得的温度测量值Tm与温度补偿值Δ关系的温度补偿表。运算单元34将该温度补偿表作为标定信息存储于存储器40中。
图3为以针对各环境温度Te求得的离散温度转换波动值δ(Te)绘制的例示图。其中，横轴表示环境温度Te，纵轴表示温度转换波动值δ(Te)。运算单元34也可先求得通过图中各黑点的表示各环境温度Te与温度转换波动值δ(Te)关系的δ(T)函数，然后根据该δ(T)函数生成温度补偿表。
运算单元34可通过将各环境温度Te下求得的温度转换波动值δ(Te)直接作为与各温度测量值Tm对应的温度补偿值Δ的方式生成温度补偿表。在该情形中，可以以小于5K的递变值求得针对各环境温度Te的温度转换波动值δ(Te)。
在气体浓度测量装置批量生产的情况下，既可将针对某一产品求得的温度补偿表存储于其他批量产品的存储器内，也可针对每一产品分别求得温度补偿表，并将每一产品的温度补偿表分别存于其存储器内。
此外，除了求取作为表示气体温度与温度补偿值对应关系的标定信息的温度补偿表之外，也可求得根据给定气体温度获得温度补偿值的标定函数。在该情形中，可求得定义δ(T)函数的n次多项式的各个系数，并将其作为标定信息。也就是说，可求得式8中的各系数ci，并将其作为标定信息。
(式8)
Figure BDA0002100060600000131
(4)氢气浓度的测量
在测量氢气浓度时，温度测量单元32先根据温度传感器20的检测值获得温度测量值Tm。运算单元34通过参照存储器40中存储的温度补偿表获得与温度测量值Tm对应的温度补偿值Δ，并如式9所示，通过将温度测量值Tm与温度补偿值Δ相加而求得补偿后温度测量值Tc。随后，运算单元34根据上式1求得氢气浓度p。
(式9)
Tc＝Tm+Δ
温度补偿值Δ由结构波动值δ1和温度传感器20的测量误差δ2表示为Δ＝δ1+δ2。此外，当以Ta表示真实的温度值时，温度测量值Tm表示为Tm＝Ta-δ2。如此，补偿后温度测量值Tc即为Tc＝Tm+Δ＝Ta-δ2+(δ1+δ2)＝Ta+δ1，其中温度传感器20的测量误差δ2被抵消，因此补偿后温度测量值Tc反映结构波动值δ1。也就是说，补偿后温度测量值Tc通过结构波动值δ1对气体温度偏离基准温度T0所导致的测量路径的膨胀和收缩、发射响应时间的变化、接收响应时间的变化以及由于该变化导致的其他变化等进行了补偿，并抑制了温度传感器20的测量误差δ2。通过使用补偿后温度测量值Tc，可以求得已对上述波动因素进行了补偿的氢气浓度p。
(5)其他实施方式
运算单元34可通过将针对各环境温度Te求得的温度计算值Tcal(Te)除以各温度环境下获得的温度测量值Tm(Te)，求得针对各环境温度的温度转换波动值δ(Te)。也就是说，运算单元34可根据式10求得环境温度Te与温度转换波动值δ(Te)关系，然后根据该关系求得温度测量值Tm与温度补偿值Δ关系，从而生成温度补偿表。
(式10)
δ(Te)＝Tcal(Te)/Tm(Te)
在该情形中，运算单元34通过参照存储器40中存储的温度补偿表，获得与温度测量值Tm对应的温度补偿值Δ。随后通过将温度测量值Tm与温度补偿值Δ相乘而求得补偿后温度测量值Tc＝Tm×Δ。随后，运算单元34根据上式1求得氢气浓度p。
此外，虽然以上将发射传感器16和接收传感器18描述为分别单独设置的结构，但这些超声波传感器也可相互集成。也就是说，可将同一集成的超声波传感器与发射电路36和接收电路38相连接，并由该超声波传感器同时进行超声波脉冲的发射和接收。
此外，虽然以上描述了由发射传感器16向设于壳体10内侧的反射板发射超声波且由接收传感器18接收被设于壳体10内侧的反射板反射后的超声波，但除此结构之外，也可采用如图4所示将发射传感器16和接收传感器18相对设置的结构。在该情况下，发射传感器16发出的超声波在壳体10内传播后，由接收传感器18直接接收，而且发射传感器16与接收传感器18之间的直连线成为测量路径。
此外，在测量氢气浓度p时，除上式1之外，也可使用通过在式1中加上校正项f而得的式11。校正项f可以为补偿后温度测量值Tc的函数。由于校正项f远小于右侧第一项，因此补偿后温度测量值Tc可使用上文定义的值。此外，由于校正项f远小于右侧第一项，因此在以式11求取氢气浓度p时，可执行与上述采用式1时相同的标定过程。
(式11)
Figure BDA0002100060600000151
虽然以上中参考氢气浓度测量实施方式对气体浓度测量装置进行了描述，但是该气体浓度测量装置也可用于测量其他气体的浓度，其中，只需在上述过程中将比热容比k、分子量等参数替换为待测气体的相应值即可。

Claims (5)

1.一种配备气体浓度测量空间的气体浓度测量装置的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括如下步骤：
在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的基准气体具有不同的温度：
测量超声波传播通过所述浓度测量空间内的测量路径所需的传播时间；
根据所述传播时间的测量值以及所述测量路径的基准距离，求得温度计算值；
测量所述浓度测量空间内的温度以获得温度测量值；以及
求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值；以及
根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将待测气体温度与针对所述温度的温度补偿值相对应的标定信息，
其中，预先实施如下步骤以获得所述基准距离：
使所述气体浓度测量装置处于基准状态下，在所述基准状态下，所述浓度测量空间内存在所述基准气体，并且所述浓度测量空间的内部处于基准温度；
测量所述气体浓度测量装置处于所述基准状态下时，所述超声波传播通过所述测量路径所需的基准传播时间；以及
根据所述基准传播时间，求得所述测量路径的距离作为所述基准距离。
2.一种以权利要求1所述标定方法测量气体浓度的气体浓度测量方法，其特征在于，所述气体浓度测量方法包括如下步骤：
测量所述浓度测量空间内的温度，以获得气体温度测量值；
测量所述超声波传播通过所述测量路径所需的时间，以获得传播时间测量值；
根据所述气体温度测量值和所述标定信息，对所述气体温度测量值进行补偿，以求得补偿后温度测量值；以及
根据所述传播时间测量值、所述基准距离以及所述补偿后温度测量值，测量待测气体的浓度。
3.一种气体浓度测量装置，其特征在于，包括：
用于进行气体浓度测量的浓度测量空间；
发射单元，用于向所述浓度测量空间发射超声波；
接收单元，用于对传播通过所述浓度测量空间内部的所述超声波进行接收；
传播时间测量单元，用于通过测量从所述发射单元发出超声波开始至所述接收单元接收到传播通过所述浓度测量空间内的测量路径后的超声波为止的传播时间而获得传播时间测量值；
温度测量单元，用于通过测量所述浓度测量空间内的温度而获得气体温度测量值；以及
运算单元，用于通过以预先求出的标定信息对所述气体温度测量值进行补偿而求得补偿后温度测量值，并根据所述传播时间测量值、所述测量路径的基准距离以及所述补偿后温度测量值求得待测气体浓度，
其中，所述标定信息为将所述气体温度测量值与温度补偿值相对应的信息，
所述温度补偿值包含因所述浓度测量空间的温度波动导致的所述测量路径的距离的波动、因所述发射单元的温度波动导致的所述传播时间测量值的波动以及因所述接收单元的温度波动导致的所述传播时间测量值的波动中的至少一种转换为温度后的转换值，以及
所述运算单元根据与所述气体温度测量值对应的温度补偿值，求得所述补偿后温度测量值，
其中，预先实施如下步骤以获得所述基准距离：
在所述浓度测量空间内存在基准气体且所述浓度测量空间的内部处于基准温度的同时，由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的基准传播时间；以及
由所述运算单元或由独立于所述气体浓度测量装置设置的外部运算装置根据所述基准传播时间，求得所述测量路径的距离作为所述基准距离，
其中，所述标定信息通过所述运算单元由包括如下步骤的标定信息获取过程求得：
在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的所述基准气体具有不同的温度：
由所述传播时间测量单元测量所述超声波传播通过所述测量路径所需的传播时间；
由所述外部运算装置或者由所述运算单元根据所述传播时间测量值以及所述基准距离，求得温度计算值；
由所述温度测量单元通过测量所述浓度测量空间内的温度，获得温度测量值；以及
由所述运算单元或外部运算装置求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值；以及
由所述运算单元或外部运算装置根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将所述浓度测量空间内的气体温度与温度补偿值相对应的标定信息。
4.一种配备气体浓度测量装置的气体浓度测量系统，其特征在于，所述气体浓度测量装置是如权利要求3所述的气体浓度测量装置。
5.一种气体浓度测量装置，其特征在于，包括：
用于进行气体浓度测量的浓度测量空间；
传播时间测量单元，利用超声波的发射和接收，测量超声波传播通过所述浓度测量空间内测量路径所需的传播时间，以获得传播时间测量值；
温度测量单元，通过测量所述浓度测量空间内的温度而获得气体温度测量值；以及
运算单元，通过以预先求出的标定信息对所述气体温度测量值进行补偿而求得补偿后温度测量值，并根据所述传播时间测量值、所述测量路径的基准距离以及所述补偿后温度测量值求得待测气体浓度，
其中，所述标定信息通过所述运算单元由包括如下步骤的标定信息获取过程求得：
在多种温度条件中的每个温度条件下分别实施包括如下步骤的波动值计算过程，在所述多种温度条件下，所述浓度测量空间内的基准气体具有不同的温度：
由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的传播时间；
由独立于所述气体浓度测量装置设置的外部运算装置或者由所述运算单元根据所述传播时间测量值以及所述基准距离，求得温度计算值；
由所述温度测量单元通过测量所述浓度测量空间内的温度，获得温度测量值；以及
由所述运算单元或外部运算装置求得表示所述温度计算值与所述温度测量值之间差异的温度转换波动值；以及
由所述运算单元或外部运算装置根据每个所述温度条件下求得的温度转换波动值，求得将所述浓度测量空间内的气体温度与温度补偿值相对应的标定信息，
其中，在所述标定信息通过所述运算单元获取过程之前实施如下步骤以获得所述基准距离：
在所述浓度测量空间内存在所述基准气体且所述浓度测量空间的内部处于基准温度的同时，由所述传播时间测量单元测量超声波传播通过所述测量路径所需的基准传播时间；以及
由所述运算单元或外部运算装置根据所述基准传播时间，求得所述测量路径的距离作为所述基准距离。
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