一种同时测量氢气流量和纯度的装置及方法

本发明属于气体检测，涉及气体流量和纯度检测的装置和方法，具体地，尤其涉及一种同时测量氢气流量和纯度的装置及方法。

背景技术：

1、氢气（h2）作为一种公认的清洁能源，在解决气候变化和能源危机问题上将会发挥重要作用。随着大规模制氢技术的发展，对氢气流量和纯度检测也提出了更高的要求。氢气是高度易燃易爆的气体，氢气的下限爆炸浓度为4%，上限爆炸浓度为75.6%，所以在生产、使用和存储氢气时需要采取严格的安全监测措施。特别地，氢作为能源已被确定为缓解气候变化和解决能源危机的最佳途径，日益兴起的水电解制氢、氢能源使用等行业，对氢气的流量和纯度进行测量的需要日渐增多。

2、目前，氢气的流量检测流量可以通过各种传感器和仪器来实现，例如质量流量计、体积流量计等，这些设备可以直接测量氢气通过的质量或体积。而纯度的检测涉及到使用气相色谱仪、红外光谱分析仪、质谱仪等高精度分析仪器，以分析氢气中的成分和杂质，将几者同时联用会使得检测成本和复杂程度加倍上升。因此，针对氢气流量和纯度测量难题，提出了一种基于超声波飞行时间的同时检测氢气流量和纯度的方法，并相应地开发一种高效率、低成本的检测装置，为解决氢气的生产、运输和使用过程中的安全检测提供了一种有价值的参考方案。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种同时测量氢气流量和纯度的装置及方法，利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差，在同一套装置内实现对氢气流量和纯度的同时测量。通过一套装置对氢气流量和纯度同时进行测量，解决了测量流量和纯度装置联用的难题，减小了检测装置体积和复杂度，降低了使用难度和成本，提高了响应速度和测量精度，同时还具备了在线实时监测的能力。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明第一个方面提供了一种同时测量氢气流量和纯度的装置，包括检测腔体、超声波收发模块，温湿度检测单元、转换电路模块、tdc计时单元、脉冲方波信号发射单元、回波信号接收单元，放大滤波电路、微控制器、远程控制与通信模块，远程app客户端、显示模块，其中：

4、所述检测腔体为圆柱形声波管，用于给待测氢气提供检测场所，在所述检测腔体的侧壁左端设有进气接口，侧壁右端设有出气接口；

5、所述超声波收发模块对称置于所述检测腔体内左右两端，且与所述脉冲方波信号发射单元、所述回波信号接收单元相连接；

6、所述转换电路模块、放大滤波电路、微控制器、远程控制与通信模块，远程app客户端、显示模块依次设置；

7、所述温湿度检测单元包括温湿度传感器和接口电路，安装于所述检测腔体内部，用于检测中腔体内的温度和湿度。

8、进一步地，所述检测腔体为对称设计，进气接口与出气接口关于中心线对称。

9、进一步地，所述超声波收发模块为一对超声波换能器，第一超声波换能器发出超声波信号，经过一定的飞行时间后，由第二超声波换能器接收，或者由所述第二超声波换能器发出信号，所述第一超声波换能器接收。

10、进一步地，所述tdc计时单元由所述微控制器调控，用于超声波换能器脉冲信号发射及回波信号接收计时，为整个检测系统提供更高的测量精度和采样速率。

11、进一步地，所述脉冲方波信号发射单元向所述第一超声波换能器发出脉冲方波信号后，所述第一超声波换能器发出超声波，所述第二超声波换能器接收回波信号传输给所述回波信号接收单元，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器在所述转换电路模块和所述微控制器控制下，实现收发信号转换，并由所述tdc计时单元计时。

12、进一步地，所述装置利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差的特性，通过所述微控制器实时可计算出氢气流量和纯度。

13、本发明第二个方面提供了一种同时测量氢气流量和纯度的方法，包括以下步骤：

14、a、设置上述测量装置；用管道连接至检测腔体的进气接口和出气接口，从管道中通入待测氢气，将其注入待测腔体内；

15、b、启动所述检测装置，脉冲方波信号发射单元向第一超声波换能器发出脉冲方波信号，并将电信号转换为超声波信号发出，经过一定的飞行时间后，第二超声波换能器接收到回波信号传输给回波信号接收单元，第一超声波换能器和第二超声波换能器在转换电路模块和微控制器控制下，实现收发信号转换，此时，由tdc计时单元记录飞行时间；

16、c、接收到回波信号后，放大滤波电路将信号处理后获取有用信息并送入微控制器中，同时温湿度检测单元采集到当前的温湿度，并利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差，处理计算出实时的氢气纯度和流量；

17、d、测得的温度、湿度、氢气纯度和流量等数据可以通过远程app客户端、显示模块实时显示查看，并可以通过远程app客户端利用远程控制与通信模块对检测装置进行控制。

18、进一步地，所述转换电路模块切换超声波换能器的收发功能用于获取顺流和逆流方向的飞行时间。

19、进一步地，所述温湿度检测单元用于补偿温度和湿度对超声波飞行时间的影响，使检测更加精确。

20、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

21、1、利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差的特点，在同一套装置内实现对氢气流量和纯度的同时测量。

22、2、此发明有较快的响应速度和良好的测量精度，且测量装置的体积较小，操作简便，为氢气流量和纯度检测的多元化提供了途径和方法。

技术特征：

1.一种同时测量氢气流量和纯度的装置，包括检测腔体、超声波收发模块，温湿度检测单元、转换电路模块、tdc计时单元、脉冲方波信号发射单元、回波信号接收单元，放大滤波电路、微控制器、远程控制与通信模块，远程app客户端、显示模块，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种同时测量氢气流量和纯度的装置，其特征在于，所述检测腔体为对称设计，进气接口与出气接口关于中心线对称。

3.根据权利要求1所述的一种同时测量氢气流量和纯度的装置，其特征在于，所述超声波收发模块为一对超声波换能器，第一超声波换能器发出超声波信号，经过一定的飞行时间后，由第二超声波换能器接收，或者由所述第二超声波换能器发出信号，所述第一超声波换能器接收。

4.根据权利要求1所述的一种同时测量氢气流量和纯度的装置，其特征在于，所述tdc计时单元由所述微控制器调控，用于超声波换能器脉冲信号发射及回波信号接收计时，为整个检测系统提供更高的测量精度和采样速率。

5.根据权利要求1所述的一种同时测量氢气流量和纯度的装置，其特征在于，所述脉冲方波信号发射单元向所述第一超声波换能器发出脉冲方波信号后，所述第一超声波换能器发出超声波，所述第二超声波换能器接收回波信号传输给所述回波信号接收单元，所述第一超声波换能器和第二超声波换能器在所述转换电路模块和所述微控制器控制下，实现收发信号转换，并由所述tdc计时单元计时。

6.根据权利要求1、5所述的一种同时测量氢气流量和纯度的装置，其特征在于，所述装置利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差的特性，通过所述微控制器实时可计算出氢气流量和纯度。

7.一种同时测量氢气流量和纯度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种同时测量氢气流量和纯度的方法，其特征在于，所述转换电路模块切换超声波换能器的收发功能用于获取顺流和逆流方向的飞行时间。

9.根据权利要求7所述的一种同时测量氢气流量和纯度的方法，其特征在于，所述温湿度检测单元用于补偿温度和湿度对超声波飞行时间的影响，使检测更加精确。

技术总结本发明涉及一种同时测量氢气流量和纯度的装置及方法，所述的测量装置包括检测腔体、超声波收发模块，温湿度检测单元、转换电路模块、TDC计时单元、脉冲方波信号发射单元、回波信号接收单元，放大滤波电路、微控制器、远程控制与通信模块，远程APP客户端、显示模块；所述检测腔体包括进气接口和出气接口；所述温湿度检测单元包括温湿度传感器和接口电路；所述超声波收发模块包括一对超声波换能器，与温湿度检测单元共同安装于检测腔体内。所述TDC计时单元用于超声波换能器脉冲信号发射及回波信号接收计时；转换电路模块、所述放大滤波电路、微控制器、远程控制与通信模块，远程APP客户端、显示模块依次设置。本发明利用超声波在不同浓度氢气中的飞行时间不同，以及超声波穿过气流时其沿顺流方向和沿逆流方向的飞行时间差，在同一套装置内实现对氢气流量和纯度的同时测量。技术研发人员：王建伟,安育汛,刘尚清,陈秋,丰宗淋受保护的技术使用者：西南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26