天然气气体检测的工作原理（深度解析超声波测燃气原理）

简单开箱

评估板一共有五部分的内容组成：

• 开发板本体：MSP430 单片机。
• 入门手册：参考资料都在官网寻找。
• 管道模型：3D 打印出来的塑料件，压电陶瓷进行声波的激励和接收，根据声波发射和接收的时间差对气体流量进行测速。
• 12V 的风扇：提供气体流量。
• 线缆和包装盒：有 Micro USB 和杜邦线。

参考资料

学习 MSP430 单片机最头痛的事情就是参考资料存在难寻找、英文翻译的问题。下面简单记录下寻找参考资料进行开发的过程。

1）根据说明手册，去 TI 官网搜索该型号的评估板

进行下载，需要下载的东西有软件和例程两部分内容组成。然后进行下载(软件和例程都需要下载)：

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2）软件的安装和使用

下载所需软件：

安装开发用的软件，一直下一步就行。安装完成之后，按照从官网下载的用户快速入门指南按步骤操作。

3）软硬件联调

3D 打印的管道模型内部是有夹层，保证吹入管道的风为层流状态，所有空气分子齐刷刷地往前流，互不干扰。避免湍流的现象，减少流体流速本身的速度分量中存在的垂直分量。

将声波换能器安装好，然后焊接导线，与评估板进行连接。

按照用户入门手册说明，接下来打开 USS 软件，与评估板连接。软件界面里 Connect 评估板，然后加载配置文件，下载配置信息到评估板。

这里笔者使用的不是软件默认的安装目录，在软件安装的 mtr_gui_config 目录里寻找。

点击 ADC 测试界面，点击 Capture 按钮，查看 ADC 采集的超声波信号。

点击波形的选项卡，使用小风扇提供气体流速，开始测试。

软件界面可以看到，在绝对飞行时间的绘图界面中，使用风扇吹时，曲线有所响应。有无气体流量，能看到比较明显的曲线变化。

检测原理探究

时差法：

时差法的原理是在有介质流动的流体两侧分别安置一个超声换能器，两个超声换能器交替发射超声波信号，两个超声波信号一个会顺向介质的流动方向传播，另一个会逆向介质的流动而传播。如此情况下受到介质流速的影响，两个超声信号在相同声程中的传播时间会产生差值。求出此时间差并根据公式可求得管道内介质的流速以及流量。

包络检测方法（检测声波的有效信号，得出准确的飞行时间）

1）包络检测首先要对信号进行去直流处理，使用 mean 函数进行均值操作。代码中计算平均值的代码如下图所示：

2）然后对其进行 hilbert 变换

信号与包络关系图

希尔伯特变换的本质就是：已知接收到一个复信号的实部，怎么得到这个复信号，（虚部就是实部的希尔伯特变换）

希尔伯特变换示意图

代码中的算法如下图：

说明书中并没有详细描述包络的计算方法，对应的底层算法代码也暂时没找到。只知道此函数输出一个执行返回的代码能判断是否出错，同时说明手册中有提到这个问题，下面贴出官方的回答。

3）可以用极大值和极小值的方法计算信号的包络线

然后，参考资料中的燃气表设计指南提到了【包络交叉阈值检测方法】。总归是从包络线中提取原始信号的有效信息，得到飞行时间，进而根据管道的物理参数，计算得到瞬时流量。

体验总结

总体体验：

1）可能因为换能器固定的不是特别紧，容易松动；加上使用杜邦线并没有直接焊在焊盘上那么可靠，导致 ADC 采集的数据存在干扰。在实际应用中，需要外围做好屏蔽措施，比如加上金属外壳，裹上接地锡纸。实验测试过程中，流量误差在 ±40 升/小时变化。

2）对于风速的变化，具有响应速度很快的特点；即使持续不到 1 秒钟的风速变化，也能看到测量结果明显改变。同时测量精度也比较高，能够完全满足小流量气体检测的应用需求。实际测试中，距离管道 0.5m 轻轻吹一口气的流量都能达到近 600 升/小时。

3）PGA 增益、优化脉冲数和激发频率等参数的设置也很关键。如果激励与接收时间过短，就对单片机内部算法的检测速度有更高的要求，容易出现检测不到的情况进而报错，进入错误处理函数里还会卡住上位机软件；除此之外，增加脉冲数，可以在低流量测量中提供较低的标准偏差，但不利于高流量的测量。

不同参数的影响效果图

4）带 LCD 显示屏幕和按键等外设非常友好，且屏幕的数据更新速度与上位机软件设置的间隔时间保持一致，刷新很快。其中上位机设置的参数，下位机能做到实时修改的编程思想非常实在，值得学习。　

LCD实验测试图

碰到的问题：

按照上述参数运行后，总是提示测量值大于 UPS0 大于 UPS1 之间的时间。噪声比较大，容易导致检测不到信号，出现了报错和尖刺的现象，如下图所示；尝试把屏蔽线焊接到地后，毛刺现象依然存在。

结论：参数的设置不合理，每次采集的间隔设置为 250ms，一秒钟 4 次和PGA 的增益设置为 9.8dB，就能很大程度避免检测不到报错的情况。

END

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Qlzp5flTnmkDEZIjwjqgEQ

文章来源于：深度解析超声波测燃气原理

文章转载自：达尔闻说

原文链接：深度解析超声波测燃气原理

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