日本第一熱研（Daiichi Nekkensha）的超聲波氣體濃度檢測技術(shù)基于聲學(xué)特性與氣體物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)，通過測量超聲波在混合氣體中的傳播速度反推氣體濃度。其核心原理及技術(shù)實現(xiàn)細(xì)節(jié)如下：
一、物理基礎(chǔ)：聲速與氣體性質(zhì)的關(guān)聯(lián)
根據(jù)理想氣體定律和聲學(xué)理論，超聲波在氣體中的傳播速度 v 與氣體的熱力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，公式為：v=MγRT其中： 對于二元混合氣體（如 He/N2），平均摩爾質(zhì)量 M 可表示為：M=x1M1+x2M2其中 x1 和 x2 為各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)某一組分（如氦氣）的濃度變化時，M 隨之改變，導(dǎo)致聲速 v 變化。第一熱研的 US 系列傳感器通過高精度測量聲速，結(jié)合預(yù)設(shè)的氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)庫，實時計算目標(biāo)氣體濃度。 二、核心檢測技術(shù)：飛行時間法（ToF）
第一熱研采用單程傳播時間測量和雙程時間差法實現(xiàn)聲速測量：
單程傳播時間測量在固定長度的管道兩端安裝超聲波換能器，發(fā)射端發(fā)出高頻超聲波（通常為 1-5 MHz），接收端記錄信號到達(dá)時間。通過公式 v=L/t（L 為管道長度，t 為傳播時間）計算聲速。 雙程時間差法交替測量超聲波在順流和逆流方向的傳播時間差 Δt，結(jié)合流體流速 u 進(jìn)行修正：Δt=v2?u22Lu當(dāng)流速 u 較小時，可簡化為 v≈L/t1t2（t1 和 t2 分別為順流和逆流時間）。這種方法能有效消除流速對聲速測量的干擾，適用于動態(tài)氣體流場。
第一熱研的 US-100 系列模塊通過上述方法實現(xiàn)高精度聲速測量，例如 US-100-12VS 型的響應(yīng)速度可達(dá) 90% 響應(yīng)約 10 秒，線性度控制在 ±1% FS 以內(nèi)。
三、溫度補(bǔ)償與動態(tài)校準(zhǔn)
1. 溫度對聲速的影響
聲速與溫度的平方根成正比，溫度每變化 1℃，聲速約改變 0.18%。第一熱研通過內(nèi)置 RTD（電阻溫度檢測器）實時監(jiān)測氣體溫度，并采用以下補(bǔ)償方法：
例如，US-100 模塊通過溫度傳感器自動校正測距結(jié)果，確保在 - 20~+70℃范圍內(nèi)的測量精度。
2. 自動校準(zhǔn)機(jī)制
第一熱研的 US-I T-P 等型號支持兩點校準(zhǔn)法：
零點校準(zhǔn)：通入純氮氣（或空氣），建立聲速基準(zhǔn)值。
量程校準(zhǔn)：通入已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體（如 50% He/N?），驗證線性度并更新校準(zhǔn)參數(shù)。
遠(yuǎn)程校準(zhǔn)：通過數(shù)字接口（如 RS-485）接收外部指令，實現(xiàn)無人值守的定期校準(zhǔn)。
四、多組分氣體檢測的實現(xiàn)邏輯
1. 二元混合氣體分析
對于兩種已知氣體的混合（如 H2/N2），第一熱研通過以下步驟計算濃度：
測量混合氣體的聲速 vmix；
根據(jù)聲速與摩爾質(zhì)量的關(guān)系，聯(lián)立方程：
vmix=x1M1+x2M2γRT
結(jié)合已知的 γ 和 M1,M2，解算 x1（目標(biāo)氣體濃度）。
例如，US-100 系列可測量 He/N?混合氣體中 0~50% 的氦氣濃度，分辨率達(dá) 0.1%。
2. 復(fù)雜氣體環(huán)境的處理
當(dāng)混合氣體中存在第三組分（如水分、粉塵）時，第一熱研建議在傳感器入口前安裝過濾器，并通過以下方式減少干擾：
五、抗干擾與信號處理技術(shù)
1. 差分信號傳輸
第一熱研的傳感器采用差分信號傳輸技術(shù)，通過兩條信號線傳輸幅度相等、極性相反的信號。接收端通過差分放大器提取差值，有效抑制共模噪聲（如電磁干擾、地電位波動），使信噪比提升 10~20 dB。
2. 數(shù)字濾波與降噪
通過數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，對原始信號進(jìn)行低通濾波、快速傅里葉變換（FFT）等處理，去除高頻噪聲和環(huán)境干擾。例如，US 系列傳感器通過動態(tài)閾值檢測，可識別低至 0.02 μs 的聲速變化。
六、典型產(chǎn)品與應(yīng)用場景
1. 代表型號參數(shù)
| 型號 | 測量范圍 | 分辨率 | 溫度范圍 | 響應(yīng)時間 | 精度 |
|---|
| US-100-5VS | 0~50% He/N? | 0.1% | -20~+50℃ | 10 秒 | ±1% FS |
| US-II T-P | 0~100% H?/N? | 0.02% | -10~+60℃ | 5 秒 | ±0.5% FS |
| US-II T-SH | 0~100% He | 0.05% | -20~+80℃ | 3 秒 | ±0.3% FS |
（數(shù)據(jù)來源：第一熱研及代理商技術(shù)文檔）
2. 應(yīng)用領(lǐng)域
半導(dǎo)體制造：在氦氣回收系統(tǒng)中實時監(jiān)測 He/N?混合氣體濃度，確保循環(huán)利用效率；
醫(yī)療設(shè)備：檢測麻醉氣體（如 N?O/O?）濃度，保障手術(shù)安全；
鋼鐵冶金：分析高爐煤氣中的 CO/CO?比例，優(yōu)化燃燒過程；
科研領(lǐng)域：通過聲速變化研究氣體吸附 / 解吸過程中的熱力學(xué)行為。
七、技術(shù)優(yōu)勢與創(chuàng)新
長壽命免維護(hù)：無運動部件和消耗性元件，US 系列傳感器壽命可達(dá) 5 年以上；
微型化設(shè)計：US-100 模塊體積僅為 100×50×25.6 mm，可集成到便攜式設(shè)備中，功耗低至 0.5W；
自診斷功能：內(nèi)置看門狗和傳感器健康監(jiān)測模塊，實時檢測換能器老化或電路故障，并通過報警輸出提示維護(hù)。
八、局限性與應(yīng)對策略
干擾氣體的影響當(dāng)混合氣體中存在未校準(zhǔn)的氣體（如氬氣）時，聲速計算會產(chǎn)生偏差。第一熱研建議通過預(yù)處理（如氣體分離）或多傳感器融合（如結(jié)合紅外檢測）解決。 高壓環(huán)境的限制在高于 100 kPa 的壓力下，氣體分子間作用力增強(qiáng)，理想氣體定律不再適用。第一熱研的 US-II T-SH 型號專門設(shè)計用于高壓氦氣檢測，通過修正狀態(tài)方程提高精度。 溫度快速變化的補(bǔ)償在溫度波動劇烈的場景（如熔爐出口），傳統(tǒng)線性補(bǔ)償模型可能失效。第一熱研通過動態(tài)更新校準(zhǔn)曲線或引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)更精確的實時修正。
九、總結(jié)
日本第一熱研的超聲波氣體濃度檢測技術(shù)通過聲速測量、溫度補(bǔ)償和自動校準(zhǔn)的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)了高精度、長壽命的氣體分析。其核心優(yōu)勢在于對二元混合氣體的快速響應(yīng)和抗干擾能力，尤其在半導(dǎo)體、醫(yī)療等領(lǐng)域具有不可替代的應(yīng)用價值。隨著材料科學(xué)和算法優(yōu)化的持續(xù)進(jìn)步，該技術(shù)有望在更多復(fù)雜氣體環(huán)境中得到拓展。
