日本熱研 DAIICHI 超聲波濃度計(jì) US-100-5VS 的核心工作原理是超聲波時(shí)差法（Time-of-Flight, TOF），通過測量超聲波在二元混合氣體中的傳播速度差異，反演計(jì)算氣體濃度。以下是詳細(xì)拆解：

一、核心原理：超聲波速度與氣體濃度的關(guān)系

物理基礎(chǔ)超聲波在氣體中的傳播速度（聲速 C）由氣體的分子量和溫度決定，遵循理想氣體聲速公式：C=MγRT其中：

γ：絕熱指數(shù)（氣體特性）

R：氣體常數(shù)

T：熱力學(xué)溫度

M：混合氣體平均分子量

濃度推導(dǎo)邏輯該儀器僅適用于二元混合氣體（如 A 氣體 + B 氣體）。

兩種純氣體的聲速固定且不同（如 H?聲速遠(yuǎn)快于 N?）。

混合氣體的平均分子量 M 隨 A、B 氣體的體積分?jǐn)?shù)變化而線性變化。

因此，聲速 C 與混合氣體濃度呈穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系，通過測量聲速即可精準(zhǔn)計(jì)算濃度。

二、測量結(jié)構(gòu)與工作流程

1. 硬件結(jié)構(gòu)

超聲波換能器：一對收發(fā)一體的壓電陶瓷換能器，安裝在測量氣室兩端，呈對角或?qū)ο虿贾谩?/p>

測量氣室：精密加工的氣體流路，確保氣體穩(wěn)定流過，減少湍流干擾。

溫度傳感器：內(nèi)置高精度 PT100 或 NTC 傳感器，實(shí)時(shí)補(bǔ)償溫度對聲速的影響。

信號處理單元：包含發(fā)射驅(qū)動、信號接收、時(shí)間測量（TDC）、MCU 計(jì)算模塊。

2. 測量流程（雙向時(shí)差法）

正向發(fā)射：左側(cè)換能器發(fā)射超聲波脈沖，右側(cè)接收，記錄傳播時(shí)間 t1。

反向發(fā)射：右側(cè)換能器發(fā)射，左側(cè)接收，記錄傳播時(shí)間 t2。

時(shí)差計(jì)算：

氣體流動會導(dǎo)致 t1=t2，通過雙向時(shí)差消除氣流影響：Δt=t1?t2

計(jì)算平均聲速：C=t1+t22L（L 為換能器間距，固定值）

溫度補(bǔ)償：代入實(shí)時(shí)溫度 T，修正聲速誤差。

濃度換算：MCU 根據(jù)標(biāo)定的聲速 - 濃度曲線，計(jì)算并輸出氣體體積分?jǐn)?shù)。

三、關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢（源于原理）

無耗材、長壽命無電化學(xué)傳感器、光學(xué)鏡片等易損件，僅依賴壓電換能器，壽命可達(dá) 5-10 年，免日常維護(hù)。

響應(yīng)快、穩(wěn)定性好超聲波傳播時(shí)間為微秒級，結(jié)合快速信號處理，T90 響應(yīng)約 10 秒，適合動態(tài)過程監(jiān)測。

抗干擾能力強(qiáng)雙向時(shí)差法消除氣流、壓力波動影響，對粉塵、濕度不敏感（需過濾水汽）。

高精度、寬量程線性度≤±1% FS，分辨率可達(dá) 0.03%（如 SF?/N?），覆蓋 0-100% 全量程。

四、適用范圍限制（原理決定）

僅適用于二元混合氣體：兩種氣體的聲速差異需足夠大，無法測量三元及以上復(fù)雜混合氣體。

氣體需穩(wěn)定均一：避免含油、水、顆粒物，需前置過濾干燥，防止氣室污染影響聲速測量。

五、與其他濃度計(jì)原理對比

原理代表類型US-100-5VS 優(yōu)勢超聲波時(shí)差法US-100-5VS無耗材、響應(yīng)快、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長電化學(xué)法氧氣傳感器精度高，但壽命短（1-2 年）、需維護(hù)紅外吸收法CO?分析儀選擇性好，但易受粉塵 / 水汽干擾熱導(dǎo)法氫氣分析儀結(jié)構(gòu)簡單，但精度低、易受溫度影響