智能气体泄漏超声检测方法研究

2010-03-10韩慧伶王彤宇李俊杰

长春理工大学学报（自然科学版） 2010年4期

韩慧伶，王彤宇，李俊杰

（1.长春理工大学机电工程学院，长春 130022；2.空军航空大学航空机械工程系，长春 130022）

由于气体泄漏在压力容器、航空航天、煤气、天然气等众多领域中产生的故障，所引起的损失非常重大。所以针对气体泄漏的检测方法成为国内外研究的热点问题。目前国内外研究机构重点关注采用超声和红外热成像的气密性监测方法，超声具有较好的定向传播能力，但由于气体泄漏产生的超声信号微弱，背景噪声强等原因，限制了该方法的发展。本文提出一种将超声信号转换为可听音和虚拟仪器频谱分析的方法，采用超声传感器阵列接受泄漏的超声信号，采用C8051F120单片机及虚拟仪器技术进行系统设计。该检测系统可以应用于航空航天及天然气等多种气体泄漏检测中。

1 气体泄漏产生超声波机理

当被检测容器内充满气体，其内部压强大于外部压强时，由于内外压差较大，一旦管路有漏孔，气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波，声波振动的频率与漏孔尺寸有关，漏孔较大时人耳可听到漏气声，漏孔很小且声波频率大于20kHz人耳就听不到了，但它们能在空气中传播，被称作空载超声波。超声波是高频短波信号，其强度随着离开声源（漏孔）距离的增加而迅速衰减。用此信号判断泄漏位置相当简单。

泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。通过采集某型飞机冷气系统泄漏信号得知，泄漏产生的超声波频带比较宽，一般在20kHz到100kHz之间。在不同的频率点，超声波的能量是不同的。实际上，它的频谱峰值随泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的.如在一定的泄漏孔径和压力下，泄漏超声波的频谱峰值是在38kHz，加大孔径后其频谱峰值出现在36kHz；如果孔径不变，加大系统内外压差，频谱峰值出现在43kHz，但是在同一频率点，对于形状相同的泄漏孔，泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定即泄漏面积一定，则泄漏孔的形状越接近于圆形，声压越高。气体泄漏产生的超声信号是很微弱的，而背景噪声很大，在本系统中只检测40kHz点的泄漏超声波的强度，原因是通过实验得出如图 1所示，在40kHz点的泄漏超声波能量是比较大的，而且泄漏声和本底噪声能量差值也最大。这样选择可以增加系统灵敏度。

图1 泄漏信号与噪声频谱图Fig.1 Leakage gas and noise signal spectrum

2 手持式智能气体泄漏超声检测仪硬件系统设计

该检测仪的硬件部分采用手持式设计，并配备高抗噪耳机。单个超声传感器接受信号的角度较小，当接受方向与泄漏方向有偏差时就较难接收到泄漏信号，所以采用超声传感器阵列，不仅拓宽了接收信号的范围也提高了系统的灵敏度。同时，仪器在电路设计中为了能够消除环境中的背景噪声采用了多种降噪方式，通过前期的模拟带通滤波电路处理后，又将超声信号转化为人耳可以听到的声音，并将该声音的强度大小在显示屏上显示，帮助检测人员在环境噪声复杂的情况下，检测气体泄漏。

图2 仪器硬件结构图Fig.2 Instrument hardware structure

系统的硬件电路由前置处理电路、混频处理电路、键盘部分、显示部分、数据通信组成，经前置处理电路的信号分为两路，一路通过混频电路转化为低频信号，此低频信号分别通过耳机和单片机传输给液晶屏，实现监听和观察其强度值大小的功能；另一路通过单片机传输给计算机进行分析。如图2所示。

2.1 前置处理电路

该检测仪设计了 8阶巴特沃斯带通滤波器处理，如图3所示，前期的模拟带通滤波电路主要滤除38~42kHz以外的信号，巴特沃斯带通滤波具有较好的滤波信号，该设计能够满足滤除信号的需求。

图3 前置滤波电路Fig.3 Bandpass filter circuit

2.2 混频处理电路

实现信号的前期滤波和放大。经过前期处理的信号，为了能够让检测人员直观地将故障判别清楚，将超声信号转换为频率低于20kHz人耳可听到的信号，采用直接数字频率合成DDS（Direct Digital Synthesis）技术，利用 AD9850芯片产生的37kHz的信号与泄漏超声信号通过降频电路其原理是利用差分信号的乘法特性，得到差频信号，将频率范围转换到3kHz，成为人耳可以听到的频段。辅助检测人员及时判断泄漏点的存在。DDS接口电路如图4所示。

图4 AD9850接口电路Fig.4 AD9850 interface circuit

2.3 数据传输部分

通信接口电路实现泄漏信号的数据存储和将数据传输。USB通信传输速度较快，采用热插拔方式，为仪器巡检和后期泄漏故障分析提供了很好的通信方式。如图5所示。

图5 数据传输接口电路Fig.5 Date transmission interface circuit

由于该系统对信号的要求很高，在设计系统时，对于自身的滤波电路设计及仪器的选择上，选用噪声小的精密仪表运算放大器。而且在印刷电路板PCB（Printed Circuit Board）设计上考虑了多方面的抗干扰影响，并经过反复的实验，进行多次修改。

3 基于LabVIEW的泄漏分析软件

计算机中的LabVIEW程序对泄漏信号进行进一步的提取与分类，从而判断对该泄漏故障实施的检测策略。气体泄漏分析软件具有良好的人机交互界面和近似真实的波形显示界面。

3.1 信号处理算法介绍

3.1.1 基于窗函数的带通滤波器设计方法

超声泄漏信号处理时，需要有较好的带通特性，所以设计采用Hanning窗函数，带通滤波器的阶数采用MATLAB仿真求得，经验证具有较好的滤波效果。

3.1.2 基于AR模型的功率谱估计

现代谱分析方法利用信号的信息对被窗函数截取的有限信号以外的信息进行预测或外推，提高了谱估计的分辨率和真实程度。它把具有多个变量的复杂过程简化为只用少量参数就可以表示的简单过程。有理参数模型用有理系统函数表示，求出连续的功率谱。本文采用 Burg算法对模型参数进行提取实现对泄漏超声信号的功率谱估计。

3.2 软件功能介绍

LabVIEW具有很好的信号处理模块和虚拟仪器显示功能，对于泄漏产生的超声信号进行处理。通过处理的泄漏超声信号，在PC上以功率值的形式显示。当存在泄漏时，检测人员通过耳机初步判定后，确定泄漏发生的位置。而检测人员的初步判定只能判断出泄漏位置及初始大小。对于需要检测精度较高，需要对泄漏的超声信号做进一步分析，得出精确的泄漏值的大小。所以检测现场的检测人员可以将该泄漏信号通过 USB传输给上位机，泄漏信号分析系统通过将检测信号与数据库中存储的泄漏信号进行比较分析，得出泄漏信号的泄漏级别，供维修人员做出参考，如图6所示。