新型氣體泄漏超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種新型的氣體泄漏超聲檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能對(duì)各種壓力容器的孔隙泄漏所產(chǎn)生的微弱超聲信號(hào)進(jìn)行精確檢測(cè)。該系統(tǒng)利用DSP技術(shù)對(duì)泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析處理和聲壓級(jí)計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)及泄漏量的估算。

關(guān)鍵詞：DSP 聲壓級(jí) 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(chǔ)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(huì)產(chǎn)生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計(jì),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(huì)造成能源的浪費(fèi),而且如果是有害氣體的話,還會(huì)對(duì)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(duì)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(cè)方法如絕對(duì)壓力法、壓差法、氣泡法等,操作復(fù)雜并且對(duì)技術(shù)人員要求較高,而且不具有實(shí)時(shí)性。目前,工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)。利用超聲波檢測(cè)氣體泄漏位置,不僅方法簡(jiǎn)單,而且準(zhǔn)確可靠。基于此,本文研究并設(shè)計(jì)了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

1檢測(cè)原理

1.1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波

如果一個(gè)容器內(nèi)充滿氣體,當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時(shí),由于內(nèi)外壓差較大,一旦容器有漏孔,氣體就會(huì)從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí),沖出氣體就會(huì)形成湍流,湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波,如圖1所示。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān),漏孔較大時(shí)人耳可聽(tīng)到漏氣聲,漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時(shí),人耳就聽(tīng)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(hào),其強(qiáng)度隨著離開(kāi)聲源(漏孔)距離的增加而迅速衰減。因此,超聲波被認(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號(hào),用此信號(hào)判斷泄漏位置相當(dāng)簡(jiǎn)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(diǎn)壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級(jí)L。著名學(xué)者馬大猷教授推出如下公式[1]:

式中,L為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級(jí)(單位:dB);D為噴口直徑(單位:mm);D0＝1mm;P0為環(huán)境大氣絕對(duì)壓力;P為泄漏孔駐壓。

由此可知,在與泄漏孔的距離一定時(shí),泄漏超聲的聲壓級(jí)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(diǎn),超聲波的能量是不同的。實(shí)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(diǎn),那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點(diǎn);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(diǎn)。但是在同一頻率點(diǎn),對(duì)于形狀相同的泄漏孔,泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)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(shí),在40kHz點(diǎn)聲壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2聲壓級(jí)與雷諾數(shù)的關(guān)系

式中,ρ為氣體密度;μ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(cè)出泄漏孔附近在某一個(gè)頻率點(diǎn)的聲強(qiáng),則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對(duì)于該泄漏孔,由于它的力學(xué)平均直徑是確定的,所以這時(shí)雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關(guān)系。但是對(duì)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(duì)于管道氣體,由于有源源不斷的氣體補(bǔ)給,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對(duì)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(rèn)為在一段時(shí)期內(nèi)是恒定值。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時(shí),對(duì)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(lái)表示:

式中,V為氣體流速;p為管內(nèi)壓力;P0為環(huán)境大氣絕對(duì)壓力;T1為絕對(duì)溫度;σ＝P0/P;R為氣體常數(shù);K=

,對(duì)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,即可得出泄漏量。通過(guò)以上分析得出:只要能檢測(cè)出距離泄漏點(diǎn)一定距離的超聲波在某一個(gè)頻率點(diǎn)的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)

小孔氣體泄漏所發(fā)出的超聲波強(qiáng)度是極其微弱的,而且在工業(yè)場(chǎng)合,環(huán)境噪聲是相當(dāng)大的。所以要檢測(cè)出在惡劣環(huán)境下的氣體泄漏所發(fā)出的超聲,必須對(duì)系統(tǒng)信號(hào)放大部分進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中只檢測(cè)40kHz點(diǎn)的泄漏超聲波的強(qiáng)度,原因是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出,在40kHz點(diǎn)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(hào)放大電路和音頻處理電路等。信號(hào)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(dòng)電路組成。數(shù)字部分主要由DSP和LCD、RAM、鍵盤(pán)等外圍設(shè)備組成。傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波以后,一路交由DSP處理,另一路通過(guò)降頻轉(zhuǎn)化為可聽(tīng)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[!--empirenews.page--]

圖4系統(tǒng)原理圖

2.1信號(hào)放大電路

圖5所示為模擬電路的信號(hào)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(yùn)放AD620。AD620是由三個(gè)精密運(yùn)放集成的差分專用儀器運(yùn)放,它具有低偏移、高增益(信號(hào)可直接放大到1000倍)、高共模擬制比的特點(diǎn),特別適用于放大傳感器信號(hào)。由于傳感器接收到的大量的低頻噪聲(如50Hz的工頻噪聲)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于它所接收到的超聲信號(hào),所以在傳感器與AD620之間必須接一個(gè)無(wú)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(guò)增大放大倍數(shù)來(lái)彌補(bǔ)。第二級(jí)是一個(gè)有源帶通濾波電路。在這一級(jí)可以濾掉前面濾波器沒(méi)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38kHz～42kHz。第二級(jí)和第三級(jí)運(yùn)放都采用AD公司的OP777,它是一個(gè)超精密的低噪聲運(yùn)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(jí)是一個(gè)一般的同相放大電路。經(jīng)過(guò)第三級(jí)放大以后,信號(hào)范圍為-3.3V～+3.3V,再經(jīng)過(guò)如圖所示的兩個(gè)20kΩ的電阻,并接上+3.3V的偏置電壓,就可以使輸入到DSP的AD采樣信號(hào)變?yōu)?～3.3V。

雖然選用的器件是低噪聲的,但是對(duì)于檢測(cè)極其微弱的泄漏超聲信號(hào)來(lái)說(shuō),還是不能忽略器件本身的噪聲。在信號(hào)進(jìn)入DSP以后再一次對(duì)其進(jìn)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(hào)。

圖5信號(hào)放大電路

圖6音頻處理電路原理圖

2.2音頻處理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(tīng)覺(jué)范圍大約在1kHz到20kHz之間。因此檢測(cè)到的超聲信號(hào)必須通過(guò)降頻才能為人耳所聽(tīng)到。降頻的原理是利用差分信號(hào)的乘法特性:

然后在Uo后接上低通濾波器,則可得差頻信號(hào)。如選用本振電路的頻率為37kHz,那么得到的差頻信號(hào)為3kHz,可為人耳聽(tīng)到。音頻處理電路的原理圖如圖6所示。

2.3DSP

DSP的主要功能是負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換、對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行分析處理、對(duì)LCD及電源進(jìn)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(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu),具有專門(mén)的硬件乘法器,廣泛采用流水線操作,并提供特殊的DSP指令,可以快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。TMS320LF240X是德州儀器(TI)公司推出的基于C2×LP16位的定點(diǎn)低功耗的數(shù)字信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(jiǎn)化。

2.4LCD顯示部分設(shè)計(jì)

LCD的作用是顯示泄漏孔的聲強(qiáng)和估算的泄漏值以及由鍵盤(pán)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128×64的點(diǎn)陣。其供電電壓只需3.3V。KS0713芯片速度相當(dāng)快,內(nèi)部晶振頻率可達(dá)2MHz,很適合使用高速CPU芯片的場(chǎng)合。這里采用DSP的數(shù)字I/O口來(lái)控制LCD模塊,如圖7所示。

圖7TMSLF2407A與KS0713的接口

圖8鍵盤(pán)接口電路

圖9主程序流程圖

2.5鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)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(shí),需要知道氣體的流速,由公式(3)可知,泄漏氣體的流速可以通過(guò)氣體內(nèi)外的壓力和氣體常數(shù)等換算出來(lái),這些數(shù)值是通過(guò)鍵盤(pán)輸入進(jìn)去的。這里采用一維鍵盤(pán),用DSP的四個(gè)數(shù)字I/O口來(lái)接收鍵盤(pán)輸入,采用軟件的方法消除鍵盤(pán)的抖動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)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(gè)功能間切換一次。鍵盤(pán)接口電路如圖8所示。

3系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)要完成測(cè)量泄漏超聲的聲壓級(jí)、估算泄漏量以及完成顯示功能,所以軟件主要由信號(hào)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(pán)服務(wù)子程序等組成。限于篇幅,在此只列出程序設(shè)計(jì)的總體思路,如圖9所示。本文所介紹的超聲波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)具有精度高、體積小、便于攜帶和具有很好的人機(jī)交互界面等特點(diǎn)。該系統(tǒng)還利用DSP等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏量的估算。

參考文獻(xiàn)

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