氣體泄漏檢測系統

大連海洋大學信息工程學院 杜思民 丁麗娜 姜 琨

近年來，隨著工業的發展與科學技術水平的提高，工業生產中對因泄漏而造成的事故等問題越來越重視。本文主要是針對氣體泄漏檢測方法進行介紹，并展開對其原理和組成結構進行分析。對比氣體泄漏檢測的眾多方法，總結出根據超聲檢測的方法比其硬件法和軟件法更適合在大多數工業環境和一些需要用到檢測泄漏的場所中。

1 研究背景及意義

在工業生產中對于安全要求是很嚴格的，一些生產會伴隨著一些氣體泄漏。氣體泄漏可能造成嚴重的經濟損失和重大的災害。大部分情況發生泄露的信號都是極其微小的，常人根本是察覺不到的，所以對泄漏檢測的研究十分重視的。如今現有的檢測方法諸多，但對于實用性來說超聲波檢測技術更能適用在實際需求中。不但可以進行遠距離的檢測，而且受到檢測介質的影響也是微乎其微，所以，在一些具有危險因素的環境下，使用超聲檢測更加方便。對于實時檢測氣體的泄漏，該技術已經廣泛應用到各個行業中。按照目前按照國內外危險氣體泄漏檢測的應用和發展前景，認為利用超聲波的原理來檢測氣體泄漏是比較無損的且對于工業上實際的生產情況也比較適用。

2 超聲波檢測原理

超聲波檢測的信號頻率通常為0.5MHz-10MHz。在缺陷檢測過程中，信號以一定的速度在被檢測元件中傳播，并且在介質界面中遇到不同的阻抗產生反射。為轉換器只檢測超聲波所以不會受到太多外界產生的噪聲干擾，所以檢測氣體泄漏效果比其他檢測方法要精準。這個檢測方法的靈敏度與被檢測物體壓力變化、泄漏點和泄漏檢測器之間的距離等有關。

脈沖回波探傷法是超聲波檢測中使用次數最多的方法。設被檢測容器有氣體泄漏現象，泄漏孔很小雷諾數大于一定值時，當氣體以從泄漏孔泄漏時會形成湍流，并產生一定頻率的聲波。泄漏孔的大小直接影響聲波的頻率，根據聲波的中心頻率，孔的尺寸越大頻率越低。脈沖振蕩器將電壓加至探頭，產生的脈沖經介質進入材料并傳播遇到異常后部分反射可以原路徑返回，此時探頭將反射信號轉換成電脈沖，通過儀器放大后顯示在顯示屏上，根據顯示波的位置和振幅，獲取異常部件的位置和大小等信息。其優點是容器在工作狀態下可以實時在線檢測，不會影響工作，檢測效率高，結果直觀。無需靠近泄漏處，使用安全，可用于惡劣環境中。

3 系統硬件部分設計

通常氣體泄漏聲音的頻譜主要分布在40KHz周圍。因為超聲波具有能量，可以利用氣體泄漏所產生的超聲信號所具有的能量與檢測處基底噪聲所具有的能量的差值來檢測位置，因為現在設計的大多數檢測系統都選擇檢測40KHz頻率點的泄漏信號強度。這會提高系統的靈敏度。

如圖1所示，系統分為接收處理和顯示控制兩部分。接收處理部分是完成信號接收放大、濾波、A/D轉換，通過FFT進行計算數據處理。測量信號通過串口傳輸到顯示控制部分進行顯示，下面介紹各部分原理。

超聲波接收裝置主要結構：

圖1 超聲波接收機原理框圖

通過接收探頭的聲學轉換，超聲波在示波器上顯示為AM調制的包絡信號。檢波通過檢波器處理以此作為判別氣體是否發生泄漏的依據。超聲波檢測原理單元如圖2所示。

圖2 超聲波檢測原理單元圖

當發生泄漏時氣體泄漏會產生超聲波，超聲波通過介質接收探針的過程中會衰變吸收，不同的介質也會發生反射等各種損耗因此探測器接收的信號十分微弱。所以要先對信號進行放大處理之后由檢測器檢測再由示波器等設備顯示出來，作為氣體泄漏的依據，進而診斷泄漏類型。由于前置放大器的噪聲也會影響結果，因此應選擇低噪聲、高增益的放大器。檢測電路有兩個要求：動態范圍和靈敏度，因此檢測器采用高靈敏度的連續檢測對數放大器。由于前置放大器的噪聲也會影響結果，因此應選用低噪聲高增益放大器。檢測電路有兩個要求：動態范圍和靈敏度，所以檢測器采用高靈敏度對數連續檢測放大器。傳感器分為三部分：

（1）超聲波探頭

其探頭的主要功能是發射和接收超聲波。氣體泄漏將產生超聲波，探頭接收超聲波后轉換成電信號，這些電信號可以進一步放大并通過特殊電路進行檢測。檢測一般采用低功耗探頭。探頭的主要功能是將聲源產生的機械振動轉換為電信號。目前，現實中使用的大多數傳感器都是由壓電元件組成的。芯片的尺寸和材料會影響檢測性能因此不同芯片性能是不同的。超聲波傳感器的性能指標是工作中心頻率、工作溫度和靈敏度。

（2）電路

前置放大電路：

如果檢測傳感器采用靈敏度為-80dB的接收探頭，由于局部放電檢測傳感器接收的超聲波能量小于其發射的總能量的1%，因此應選擇高增益的前置放大器。檢測器立即檢測由前置放大器處理的信號。為了信號處理的精度，在信號處理過程中要避免噪聲，噪聲會影響信號處理的精度，甚至影響整個傳感器的信噪比。因此，應該在信號輸入和處理的前端降低噪聲。

帶通濾波電路：

選擇該濾波器的原因是它可以滿足兩個要求：可以以恒定增益通過某個頻率范圍內的頻率分量；可以將其他范圍內的頻率分量衰減到極低的水平，確保系統的精度。為了實現這個目標要在兩級放大電路之間加一個有源帶通濾波器。在設計中，有源電感可以通過放大器和電容來實現。這種結構的濾波器也有缺陷，參數難以調整。電容器在高頻時會嚴重影響濾波器，使其偏離預定的工作狀態。其的穩定性很差且窄帶濾波器的設計很難實現，所以很難獲得高的Q值。

電源電路：

電源電路為前置放大電路和對數檢波放大電路提供所需的穩定電壓，傳感器中的器件需要工作在穩定的電壓下。若無法滿足這一條件，輕則電路的性能會受到影響，導致無法完成工作，重則會燒壞電路中的重要元件，若產生火花，甚至有可能引燃被檢測氣體，造成更大的危險。

現代電子技術的發展，電子設施和芯片的集成度越來越高，電子芯片的體積減小功耗降低。因此，采用電池供電的局部放電檢測傳感器供電，可以使傳感器和整個局部放電檢測系統變得簡單，使辦公室現場檢測和實驗更加方便。

（3）顯示部分

LCD顯示：

液晶顯示可以充分利用液晶的各種電光效應，將其對外界條件的變化轉化為視覺信號。LCD具有體積小、重量輕、電壓低、功耗低的特點，與CMOS集成電路相匹配。液晶顯示器可以顯示漏孔的聲強、泄漏估計值和鍵盤輸入的數據。

對檢測系統進行分析，該系統具有適應性強、檢測靈敏度高、使用方便等特點，基于超聲波檢測的原理檢測密封性對工業上的生產安全具有重要意義。該超聲檢測系統可以實時對檢測到的泄漏信號進行顯示并且判斷出是否有泄漏信號的產生，并且可以通過信號處理等過程讓人耳可聽到。