超聲波氣體流量測量與泄漏檢測技術研究*

佘世剛， 李海峰， 陳 晟， 李 衡， 霍紅慶

(1.常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇 常州 213164)

0 引 言

超聲波流量計通過2只超聲波信號的時差法進行流速流量的測量，但時差法的時間間隔測量精度需要達到ns級，受限于當時的技術條件而難以完成測量[1]。由此可見，精確的超聲波信號時間間隔測量是決定超聲波流量測量精度的關鍵因素。

而管道泄漏檢測早在20世紀70年代歐美國家就有研究，德國學者Isermann R和Siebert H提出了將輸入輸出的流量和壓力信號通過一定的信號處理及互相關分析后來檢測泄漏狀況[2]。在泄漏檢測中，將著重于信號采集處理問題的研究。

本文將針對流量測量中的時間測量精度和泄漏檢測中的信號采集處理問題，設計合理的超聲波檢測頻率，并規劃硬件電路設計結構。運用超聲波技術對天然氣管道進行流量測量與泄漏檢測是實現天然氣更高效、更安全利用的保障。

1 超聲波氣體流量測量與泄漏檢測原理

1.1 超聲波氣體流量測量原理

以時差法為例，對氣體流量測量的基本測量原理及系統檢測流程進行介紹，其測量原理就是利用超聲波脈沖沿管道順、逆流兩個方向上聲傳播時間的不同來計算管道氣體流速及流量[3～6]，如圖1為氣體流量測量原理圖。

圖1 氣體流量測量原理圖

圖1中T1，T2為2只超聲波換能器，V為管道中氣體的流速，m/s；C為超聲波在管道氣體中傳播的聲速，m/s；D為管道直徑，m；L為聲程長度，m；θ為超聲波換能器管道軸線的夾角。

根據超聲波在管道順逆流兩個方向上聲速與管道氣體介質的流速的疊加與削減，可得超聲波在順流、逆流方向上的傳播時間t1，t2分別是

t1=L/(C+Vcosθ)，t2=L/(C-Vcosθ)

(1)

在計算出順逆流兩個方向上的傳播時間t1、t2后，即可推算出管道氣體流速V為

進一步就可以根據管道氣體流速V計算出管道的流量,當然上述情況是針對于管道流場理想狀況下的流速、流量計算。

管道流體流動中根據雷諾數的大小可存在兩種狀態：層流和紊流，對應的即為理想狀態和非理想狀態。而雷諾數Re的計算公式為

Re=VDρ/μ

(3)

式中V為管道中氣體的流速，D為管道直徑，ρ為管道流體密度，μ為管道流體粘度。

對于非理想狀況下的管道流場，根據流體力學理論，由于流體的雷諾數Re>2 320，管道流體屬于紊流狀態，此時需要根據管道的線平均流速V來求出管道的面平均流速Vm，而處于紊流下的流體，其線平均流速V與面平均流速Vm之間存在一定的修正系數K。

綜上所述，可得非理想狀態下管道流體的面平均流速Vm的計算公式為

Vm=v/k

(4)

進一步得到管道流體的流量Q為

1.2 超聲波氣體泄漏檢測原理

通常情況下，當管道存在泄漏孔時，根據管道容器的內外壓差，氣體就會從泄漏孔處沖出，而在漏孔的孔徑較小時，沖出來的氣體就會形成湍流，這種湍流會在漏孔附近產生一定頻率的聲波，聲波振動的頻率與孔徑的大小有關，而當孔徑足夠小時，聲波頻率達到20 kHz以上，就形成了人耳所聽不到的超聲波，氣體的泄漏就是利用泄漏所發出的聲波來檢測氣體的泄漏狀況[7,8]。

但是由于泄漏所產生的超聲波頻帶較寬，從15～100 kHz之間都有分布，不同的頻率點，超聲波的能量也不同。但針對某一泄漏孔的相同頻率點處，泄漏所產生的超聲波聲強會隨泄漏量的累積而增強，因此可對固定的某一頻率點的檢測來判斷泄漏。

2 超聲波傳感器的研究

2.1 傳感器頻率的研究

對于不同的用途，所選擇的超聲波傳感器也存在差異，運用于天然氣管道氣體流量測量的超聲波傳感器不同于距離測量、探傷所用到的傳感器，不僅體現在所選的超聲波頻率上，同時還體現在超聲波氣體檢測設備的結構設計上[9,10]。

在管道天然氣的流量測量中，由于檢測背景噪音較大，導致采集到的有用信號容易被背景噪音所覆蓋。因此，采用超聲波流量計測量氣體流量時，為了提高信噪比，得到較為精確的測量數據結果，所涉及到的超聲頻率數量級應盡量選擇較高的工作頻率，高頻率段內背景噪音所帶來的影響相對較小，本文采集的工作頻率在150～250 kHz之間。

此外，根據對泄漏的基礎理論分析并從以往的相關實驗上證明[11,12]，在天然氣管道泄漏檢測中，根據泄漏聲發射寬帶特性，泄漏信號能量主要集中分布在20～50 kHz之間的頻段上，本文采集的工作頻率為40 kHz。

2.2 傳感器的選型

在超聲波傳感器的選擇上，為了實現所設計的超聲波檢測設備在流量測量和泄漏檢測上的一體化。因此，本文選用的超聲波傳感器，既有用于管道氣體流量測量的壓電超聲傳感器，也有用于管道氣體泄漏檢測的具有高靈敏度的靜電超聲傳感器。

壓電型傳感器的核心是其壓電晶片，壓電型超聲波換能器主要應用于常溫下的檢測，在溫度超過150 ℃時，壓電晶片的壓電特性會顯著變劣，甚至出現損壞，一旦出現這種現象，即使溫度重新下降之后也不能重新恢復原有的電聲轉換效率，因此必要時需要對溫度影響因素進行修正，可選用具有溫度補償功能的超聲波傳感器。

靜電超聲傳感器適用于氣體介質環境，由背電極和金屬薄膜組成，具有較寬的頻率響應范圍(一般在20～80 kHz之間)，同時其機電耦合系數大，有較高的靈敏度及精確度。

3 超聲波檢測電路一體化

3.1 硬件電路設計

超聲波氣體流量測量與泄漏檢測一體化設計的硬件電路設計部分主要分為以下幾個部分：測量計時電路模塊，單片機控制電路模塊，信號采集處理模塊，電源供電模塊，數據顯示模塊，泄漏報警模塊等，得到硬件電路結構流程圖如圖2所示。

圖2 硬件電路結構流程圖

硬件系統結構中的電路部分：

1)測量計時電路模塊：對于小管徑且采用單聲道時差法測量原理進行氣體流量測量來說，超聲波在管道順逆流方向上傳播的時間極其短，測得的順逆流時間差就更小，因此時間計時測量的精確程度會對整個系統流量測量的結果造成重要影響，要求測量計時芯片的精度很高。而本文所選用的MAX35104屬于高精度時間測量芯片，時間測量精度可達700 ps，測量范圍高達400 μs，支持Pt1000和Pt500RTD傳感器以及溫度調節器，工作電壓2.3～3.6 V,工作溫度-40～+85 ℃。且MAX35104測量芯片中集成了PGM偏移比較器、算數邏輯單元ALU、時間數字轉換單元、高壓脈沖放大器、電壓調節器等電路，而MAX35104測量芯片通過4線SPI外部串行接口與單片機芯片SPI串行接口相連。因此，系統硬件外圍電路得到大大簡化，降低了系統的功耗，提高了測量精度，如圖3為MAX35104計時芯片外圍電路設計。

圖3 MAX35104計時芯片外圍電路設計

2)單片機控制電路模塊：單片機芯片是整個流量測量與泄漏檢測系統的核心，控制著超聲波信號的發射接收、采集信號的處理計算、數據的顯示以及泄漏信號的報警等。如圖4為STM32F103單片機芯片外圍電路設計，此芯片是一種嵌入式微控制的集成電路芯片，速度可達72 MHz，程序存儲器容量是256 KB，引腳多達64個，工作電壓2～3.6 V，工作溫度-40～+85 ℃，能夠很好的與計時芯片相匹配。

圖4 STM32F103單片機芯片外圍電路設計

3)信號采集處理模塊：信號接收處理問題在整個系統檢測中起著至關重要的作用，合理有效的信號采集處理電路能大大提高測量工作效率，進一步提高整個系統的測量精度。

通過傳感器信號采集電路將采集到的頻率信號經過運算放大和帶通濾波處理后傳入到STM32F103單片機芯片的A/D輸入端口，由單片機芯片對傳輸進來的信號完成數模轉換，并對結果進行計算處理，最終將得到的數據結果通過LCD顯示屏實時顯示。如圖5為泄漏檢測信號采集處理電路設計，其中LM324芯片是帶有差分輸入的四運算放大器，內部包含四組形式完全一樣的運算放大器，且相互獨立，具有低功耗、短路保護輸出、內部補償以及輸入端靜電保護等特點。

4)電源供電模塊:根據系統芯片工作電壓分析，采用USB接口外接供電，外接電壓經過AMS1117—3.3低壓差線性穩壓器將5 V電壓穩定在3.3 V提供給系統芯片，確保輸入電壓的穩定和整個測量系統的穩定工作。

5)數據顯示模塊：數據顯示模塊實現對流量測量及泄漏檢測數據的實時顯示，采用點陣式液晶顯示屏(liquid crystal dispiay,LCD)JLX—12564能很好的滿足系統參數顯示要求。

6)泄漏報警模塊：實現檢測管道氣體泄漏后的實時報警，以便工作人員更快發現泄漏情況，降低危險事故發生。

圖5 泄漏檢測信號采集處理電路設計

3.2 硬件電路抗干擾設計

在管道流量測量與泄漏檢測過程中，信號在傳輸過程中極易受到外界環境和硬件電路自身的因素干擾，為了進一步提高測量系統硬件部分的抗干擾能力，需采取相應的措施。

對于外界環境干擾方面，為降低硬件系統對外界干擾源的敏感程度，可在硬件電路外部設計鋁制外殼以此來屏蔽干擾；對于硬件電路自身干擾方面，可通過對硬件電路結構進行合理布局，接收信號線路選用信號屏蔽線，將其接地處理，防止電路線路相互影響。

4 結束語

針對本文的超聲波氣體流量測量與泄漏檢測一體化中，使用MAX35104計時測量芯片，其具備的高集成度大大減少了系統芯片的外圍電路，從而更好的避免了由于外圍電路的復雜多樣所帶來的電路、電纜等線路上的電聲延時，提高了系統的測量精度。

另一方面，在管道流量測量電路的基礎上整合管道泄漏檢測電路，實現流量測量與泄漏檢測電路集成一體化，集成度高、測量方便高效，更好的將測量數據實時反饋給工作人員，使得系統測量環境更加安全可靠。在工業、民用等管道氣體流量測量或泄漏檢測的實時監測中可以得到廣泛的應用，具有較為廣闊的應用前景和重要的存在意義。