超聲波氣體檢測

1、新型氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計摘要：介紹了一種新型的氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)，在分析小孔氣體泄漏產(chǎn)生超聲波的 原理的基礎(chǔ)上，闡述了該檢測系統(tǒng)的原理及設(shè)計方案。該系統(tǒng)能對各種壓力容器的孔隙 泄漏所產(chǎn)生的微弱超聲信號進行精確檢測。該系統(tǒng)利用DSP技術(shù)對泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號進行分析處理和聲壓級計算,從而實現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。關(guān)鍵詞：DSP聲壓級本底噪聲泄漏超聲波目前,工業(yè)上和生活中均大量用到用于儲存和輸送壓縮氣體的壓力容器 ，如氣缸、氣 罐、煤氣管道等。由于各種原因，容器會產(chǎn)生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計 ，工業(yè)上由 于泄漏而損失掉的壓縮氣體平均占到 40%左右。泄漏不但會造成能源的浪

2、費，而且如果 是有害氣體的話，還會對空氣造成污染。因此，準(zhǔn)確地判斷和定位產(chǎn)生泄漏的位置 ，對于提 高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重大的意義。傳統(tǒng)的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等，操作復(fù)雜并且對技術(shù)人員要求較高，而且不具有實時性。目前，工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來進行泄漏 檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置，不僅方法簡單，而且準(zhǔn)確可靠?；诖耍疚难芯坎?設(shè)計了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。1檢測原理1.1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波如果一個容器內(nèi)充滿氣體，當(dāng)其內(nèi)部壓強大于外部壓強時，由于內(nèi)外壓差較大，一旦 容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形

3、成湍流，湍流在漏孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波 ，如圖1所示。聲波振動的頻率與漏孔尺寸 有關(guān)，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于 20kHz時，人耳就聽不到 了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開 聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減。因此，超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置相當(dāng)簡單。圖1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波1.2聲壓與泄漏量的關(guān)系泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級L。著名學(xué)者馬大猷教授推出如下公式1:/J(P-P )4£ =虹-式中,L為垂直方向距離噴口 1m處的聲

4、壓級（單位:dB）;D 為噴口直徑（單 位:mm）;D0 = 1mm;P0 為環(huán)境大氣絕對壓力；P為泄漏孔駐壓。由此可知，在與泄漏孔的距離一定時，泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓 力的變化而變化的。泄漏產(chǎn)生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點， 超聲波的能量是不同的。實際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變 化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz點，那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點；如果孔徑不變，加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差，頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點。但是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，

5、泄漏所產(chǎn) 生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。當(dāng)泄漏孔的雷諾數(shù)用式（2）表示時，在40kHz點聲 壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。圖2聲壓級與雷諾數(shù)的關(guān)系北二£-式中，p為氣體密度；為粘度；V為流速;D為力學(xué)平均直徑。由圖2可知，如果能檢測出泄漏孔附近在某一個頻率點的聲強，則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔，由于它的力學(xué)平均直徑是確定的，所以這時雷諾數(shù)與氣體泄 漏量成正比關(guān)系。但是對于不同的泄漏孔，并不知道它的力學(xué)平均直徑，因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上，對于管道氣體，由于有源源不斷的氣

6、體補給，管道里面的 氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器當(dāng)中的壓力變化非常緩慢，所以可以認為在一段時期內(nèi)是恒定值。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時，對于不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（3）2來表示：I =KP(<r)fy/R7甲產(chǎn)-時M0.52S<cr<lJ 1O.25S80«r <0.528式中,V為氣體流速;p為管內(nèi)壓力；P0為環(huán)境大氣絕對壓力；T1為絕對溫度；b = P0/P;R 為氣體常數(shù)；K=源小二H，對于空氣，k=1.4,則K=2.646 。當(dāng)雷諾數(shù)、氣體流速知道以后，就可以反求出該泄漏孔力學(xué)平均直徑D,即可

7、得出泄漏量。通過以上分析得出：只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在某一個頻率點 的強度，再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外壓力，就可以估算出氣體泄漏量。2系統(tǒng)硬件實現(xiàn)小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強度是極其微弱的，而且在工業(yè)場合，環(huán)境噪聲是相當(dāng)大的。所以要檢測出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲，必須對系統(tǒng)信號放大部分進行精心的設(shè)計。在本系統(tǒng)中只檢測40kHz點的泄漏超聲波的強度，原因是通過實驗得 出，在40kHz點的泄漏超聲波能量都是比較大的，而且泄漏聲和本底噪聲能量差值也最 大(如圖3所示)。這樣選擇可以增加系統(tǒng)靈敏度。系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩部分，模擬部分包括信號放大電路和音頻處理電路等

8、。信號放大電路由前置放大電路、帶通濾波電路和二次放大電路組成。音頻處理電路由本振電路、 混頻器、功率驅(qū)動電路組成。 數(shù)字部分主要由DSP和LCD、 RAM、鍵盤等外圍設(shè)備組成。傳感器信號經(jīng)過放大濾波以后，一路交由DSP處理，另一路通過降頻轉(zhuǎn)化為可聽聲。下面分別介紹各部分原理。圖3本底噪聲與泄漏聲聲壓圖圖4系統(tǒng)原理圖2.1信號放大電路圖5所示為模擬電路的信號放大部分。前置放大電路選用 AD公司的專用高精度儀器三運放AD620。AD620是由三個精密運放集成的差分專用儀器運放，它具有低偏移、高增益（信號可直接放大到1000倍）、 高共模擬制比的特點，特別適用于放大傳感器信號。由于傳感器接收到的大量

9、的低頻噪 聲（如50Hz的工頻噪聲）強度遠大于它所接收到的超聲信號，所以在傳感器與AD620之間必須接一個無源高通濾波器。這樣雖然增加了傳感器的功耗，但是在后面可以通過增大放大倍數(shù)來彌補。第二級是一個有源帶通濾波電路。在這一級可以濾掉前面濾波器沒 有濾掉的大部分背景噪聲和由器件或電路產(chǎn)生的噪聲。這里選擇的通帶為38kHz42kHz。第二級和第三級運放都采用 AD公司的OP777,它是一個超精密的低噪聲運放， 具有極低的電壓和電流偏移以及很高的增益穩(wěn)定性。第三級是一個一般的同相放大電 路。經(jīng)過第三級放大以后，信號范圍為-3.3V+3.3V,再經(jīng)過如圖所示的兩個 20k Q的 電阻，并接上+3.3

10、V 的偏置電壓，就可以使輸入到 DSP的AD采樣信號變?yōu)?3.3V。雖然選用的器件是低噪聲的，但是對于檢測極其微弱的泄漏超聲信號來說 ，還是不能 忽略器件本身的噪聲。 在信號進入DSP以后再一次對其進行數(shù)字濾波，濾掉由前面器件 和電路產(chǎn)生的直流電壓偏置和噪聲。這樣可以得到足夠高精度的泄漏超聲波信號。-QISkllUx+O一| |*inopF r 5kQ1000 沌I OU 如 F5k U5圖6音頻處理電路原理圖2.2音頻處理電路設(shè)計設(shè)計音頻處理電路的目的是能夠比較方便地判斷哪里有泄漏的產(chǎn)生。人耳的聽覺范圍大約在1kHz到20kHz之間。因此檢測到的超聲信號必須通過降頻才能為人耳所聽 到。降頻的

11、原理是利用差分信號的乘法特性：" ux = Ia y= f ovtxoj職J ： I O=kuLy=kl I PCOStJfPOSiWjKUUof 工、jd從而得到和頻+此和差頗3 -然后在Uo后接上低通濾波器，則可得差頻信號。如選用本振電路的頻率為 37kHz, 那么得到的差頻信號為 3kHz,可為人耳聽到。音頻處理電路的原理圖如圖6所示。2.3 DSPDSP的主要功能是負責(zé) A/D轉(zhuǎn)換、對A/D轉(zhuǎn)換后的信號進行分析處理、對 LCD 及電源進行管理。這里采用TMS320LF2407A。DSP芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器

12、，廣泛采用流水線操作，并提供特殊的DSP指令,可以快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 TMS320LF240X 是德州儀器(TI)公司推出的基于 C2 X LP16位的定點低功耗的數(shù)字 信號處理器系列，2407A 型處理器是此系列中的最新產(chǎn)品。40M指令/秒(40MIPS)的處理速度可以提供遠遠超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。它的內(nèi)置10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以使電路得以簡化。2.4 LCD顯示部分設(shè)計LCD的作用是顯示泄漏孔的聲強和估算的泄漏值以及由鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。這里選 用內(nèi)藏三星公司的 KS0713顯示控制芯片的LCD顯示模塊。它有128 X 64的點陣。 其供電電壓只需3.3V。K

13、S0713芯片速度相當(dāng)快，內(nèi)部晶振頻率可達 2MHz,很適合使 用高速CPU芯片的場合。這里采用 DSP的數(shù)字I/O 口來控制LCD模塊，如圖7所示。圖 7 TMSLF2407A 與 KS0713 的接口圖8鍵盤接口電路】*T系統(tǒng)初始化 IW初始化A/D輔換器明蛤化 就波器系數(shù)初始化 1FT地牯因于初始化圖9主程序流程圖2.5鍵盤電路設(shè)計鍵盤的作用是輸入泄漏系統(tǒng)的內(nèi)外壓力值和選擇不同的氣體常數(shù)。在估算氣體泄漏量時，需要知道氣體的流速，由公式 可知，泄漏氣體的流速可以通過氣體內(nèi)外的壓力和 氣體常數(shù)等換算出來，這些數(shù)值是通過鍵盤輸入進去的。這里采用一維鍵盤,用DSP的四個數(shù)字I/O 口來接收鍵盤輸

14、入，采用軟件的方法消除鍵盤的抖動。本系統(tǒng)設(shè)計了四個 按鍵：“功能”鍵、"+”鍵、"-”鍵和“確定”鍵。功能鍵用于循環(huán)選擇容器內(nèi)氣壓、 容器外氣壓和氣體常數(shù)的設(shè)置等。每按一次功能鍵，在上述三個功能間切換一次。鍵盤接口電路如圖8所示。 3系統(tǒng)軟件部分設(shè)計因為系統(tǒng)要完成測量泄漏超聲的聲壓級、估算泄漏量以及完成顯示功能，所以軟件主要由信號采集子程序、濾波子程序、FFT變換程序、泄漏估算子程序、LCD顯示子程序、鍵盤服務(wù)子程序等組成。限于篇幅，在此只列出程序設(shè)計的總體思路，如圖9所示。 本文所介紹的超聲波泄漏檢測系統(tǒng)具有精度高、體積小、便于攜帶和具有很好的人機交互界面等特點。該系統(tǒng)還利用DSP等技術(shù)實現(xiàn)了對泄漏量的估算。參考文獻 1袁易全，黃建人.高靈敏超聲檢漏儀的研究，東南大學(xué)學(xué)