【资料】新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计

摘　要：介绍了一种新型的气体泄漏超声检测系统,在分析小孔气体泄漏产生超声波的原理的基础上,阐述了该检测系统的原理及设计方案。该系统能对各种压力容器的孔隙泄漏所产生的微弱超声信号进行精确检测。该系统利用DSP技术对泄漏所产生的超声波信号进行分析处理和声压级计算,从而实现对泄漏的检测及泄漏量的估算。
　　关键词：DSP 声压级 本底噪声 泄漏超声波

　　目前,工业上和生活中均大量用到用于储存和输送压缩气体的压力容器,如气缸、气罐、煤气管道等。由于各种原因,容器会产生漏孔从而发生气体泄漏。据估计,工业上由于泄漏而损失掉的压缩气体平均占到40%左右。泄漏不但会造成能源的浪费,而且如果是有害气体的话,还会对空气造成污染。因此,准确地判断和定位产生泄漏的位置,对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大的意义。
　　传统的泄漏检测方法如绝对压力法、压差法、气泡法等,操作复杂并且对技术人员要求较高,而且不具有实时性。目前,工业上广泛利用泄漏产生超声波的原理来进行泄漏检测。利用超声波检测气体泄漏位置,不仅方法简单,而且准确可靠。基于此,本文研究并设计了一种新型的超声波气体泄漏检测系统。
1 检测原理
1.1气体泄漏产生超声波
　　如果一个容器内充满气体,当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较大,一旦容器有漏孔,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,如图1所示。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时,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。因此,超声波被认为是一种方向性很强的信号,用此信号判断泄漏位置相当简单。

图1 气体泄漏产生超声波

1.2 声压与泄漏量的关系
　　泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P与泄漏孔口直径D决定了湍流声的声压级L。著名学者马大猷教授推出如下公式[1]:

　　

　　式中,L为垂直方向距离喷口1m处的声压级(单位:dB);D为喷口直径(单位:mm);D0＝1mm;P0为环境大气绝对压力;P为泄漏孔驻压。
　　由此可知, 在与泄漏孔的距离一定时,泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。
　　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,它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的。比如:在一定的泄漏孔径和压力下,如果泄漏超声波的频谱峰值是在38kHz点,那么加大孔径以后它的频谱峰值可能出现在36kHz点;如果孔径不变,加大系统内外压差,频谱峰值可能出现在43kHz点。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。当泄漏孔的雷诺数用式(2)表示时,在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2所示。

图2 声压级与雷诺数的关系

　　

　　式中,ρ为气体密度;μ为粘度;V为流速;D为力学平均直径。
　　由图2可知,如果能检测出泄漏孔附近在某一个频率点的声强,则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏孔,由于它的力学平均直径是确定的,所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对于不同的泄漏孔,并不知道它的力学平均直径,因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上,对于管道气体,由于有源源不断的气体补给,管道里面的气压一般都是恒定值。而对于工业容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器当中的压力变化非常缓慢,所以可以认为在一段时期内是恒定值。当系统内外压力一定时,对于不同的泄漏孔,它的泄漏流速都是一定的,可以用公式(3)[2]来表示:
　　

　　式中,V为气体流速;p为管内压力;P0为环境大气绝对压力;T1为绝对温度;σ＝P0/P;R为气体常数;K=,对于空气,k=1.4,则K=2.646。
　　当雷诺数、气体流速知道以后,就可以反求出该泄漏孔力学平均直径D,即可得出泄漏量。通过以上分析得出:只要能检测出距离泄漏点一定距离的超声波在某一个频率点的强度,再给出泄漏系统内外压力,就可以估算出气体泄漏量。