气体泄漏检测系统

大连海洋大学信息工程学院 杜思民 丁丽娜 姜 琨

近年来，随着工业的发展与科学技术水平的提高，工业生产中对因泄漏而造成的事故等问题越来越重视。本文主要是针对气体泄漏检测方法进行介绍，并展开对其原理和组成结构进行分析。对比气体泄漏检测的众多方法，总结出根据超声检测的方法比其硬件法和软件法更适合在大多数工业环境和一些需要用到检测泄漏的场所中。

1 研究背景及意义

在工业生产中对于安全要求是很严格的，一些生产会伴随着一些气体泄漏。气体泄漏可能造成严重的经济损失和重大的灾害。大部分情况发生泄露的信号都是极其微小的，常人根本是察觉不到的，所以对泄漏检测的研究十分重视的。如今现有的检测方法诸多，但对于实用性来说超声波检测技术更能适用在实际需求中。不但可以进行远距离的检测，而且受到检测介质的影响也是微乎其微，所以，在一些具有危险因素的环境下，使用超声检测更加方便。对于实时检测气体的泄漏，该技术已经广泛应用到各个行业中。按照目前按照国内外危险气体泄漏检测的应用和发展前景，认为利用超声波的原理来检测气体泄漏是比较无损的且对于工业上实际的生产情况也比较适用。

2 超声波检测原理

超声波检测的信号频率通常为0.5MHz-10MHz。在缺陷检测过程中，信号以一定的速度在被检测元件中传播，并且在介质界面中遇到不同的阻抗产生反射。为转换器只检测超声波所以不会受到太多外界产生的噪声干扰，所以检测气体泄漏效果比其他检测方法要精准。这个检测方法的灵敏度与被检测物体压力变化、泄漏点和泄漏检测器之间的距离等有关。

脉冲回波探伤法是超声波检测中使用次数最多的方法。设被检测容器有气体泄漏现象，泄漏孔很小雷诺数大于一定值时，当气体以从泄漏孔泄漏时会形成湍流，并产生一定频率的声波。泄漏孔的大小直接影响声波的频率，根据声波的中心频率，孔的尺寸越大频率越低。脉冲振荡器将电压加至探头，产生的脉冲经介质进入材料并传播遇到异常后部分反射可以原路径返回，此时探头将反射信号转换成电脉冲，通过仪器放大后显示在显示屏上，根据显示波的位置和振幅，获取异常部件的位置和大小等信息。其优点是容器在工作状态下可以实时在线检测，不会影响工作，检测效率高，结果直观。无需靠近泄漏处，使用安全，可用于恶劣环境中。

3 系统硬件部分设计

通常气体泄漏声音的频谱主要分布在40KHz周围。因为超声波具有能量，可以利用气体泄漏所产生的超声信号所具有的能量与检测处基底噪声所具有的能量的差值来检测位置，因为现在设计的大多数检测系统都选择检测40KHz频率点的泄漏信号强度。这会提高系统的灵敏度。

如图1所示，系统分为接收处理和显示控制两部分。接收处理部分是完成信号接收放大、滤波、A/D转换，通过FFT进行计算数据处理。测量信号通过串口传输到显示控制部分进行显示，下面介绍各部分原理。

超声波接收装置主要结构：

图1 超声波接收机原理框图

通过接收探头的声学转换，超声波在示波器上显示为AM调制的包络信号。检波通过检波器处理以此作为判别气体是否发生泄漏的依据。超声波检测原理单元如图2所示。

图2 超声波检测原理单元图

当发生泄漏时气体泄漏会产生超声波，超声波通过介质接收探针的过程中会衰变吸收，不同的介质也会发生反射等各种损耗因此探测器接收的信号十分微弱。所以要先对信号进行放大处理之后由检测器检测再由示波器等设备显示出来，作为气体泄漏的依据，进而诊断泄漏类型。由于前置放大器的噪声也会影响结果，因此应选择低噪声、高增益的放大器。检测电路有两个要求：动态范围和灵敏度，因此检测器采用高灵敏度的连续检测对数放大器。由于前置放大器的噪声也会影响结果，因此应选用低噪声高增益放大器。检测电路有两个要求：动态范围和灵敏度，所以检测器采用高灵敏度对数连续检测放大器。传感器分为三部分：

（1）超声波探头

其探头的主要功能是发射和接收超声波。气体泄漏将产生超声波，探头接收超声波后转换成电信号，这些电信号可以进一步放大并通过特殊电路进行检测。检测一般采用低功耗探头。探头的主要功能是将声源产生的机械振动转换为电信号。目前，现实中使用的大多数传感器都是由压电元件组成的。芯片的尺寸和材料会影响检测性能因此不同芯片性能是不同的。超声波传感器的性能指标是工作中心频率、工作温度和灵敏度。

（2）电路

前置放大电路：

如果检测传感器采用灵敏度为-80dB的接收探头，由于局部放电检测传感器接收的超声波能量小于其发射的总能量的1%，因此应选择高增益的前置放大器。检测器立即检测由前置放大器处理的信号。为了信号处理的精度，在信号处理过程中要避免噪声，噪声会影响信号处理的精度，甚至影响整个传感器的信噪比。因此，应该在信号输入和处理的前端降低噪声。

带通滤波电路：

选择该滤波器的原因是它可以满足两个要求：可以以恒定增益通过某个频率范围内的频率分量；可以将其他范围内的频率分量衰减到极低的水平，确保系统的精度。为了实现这个目标要在两级放大电路之间加一个有源带通滤波器。在设计中，有源电感可以通过放大器和电容来实现。这种结构的滤波器也有缺陷，参数难以调整。电容器在高频时会严重影响滤波器，使其偏离预定的工作状态。其的稳定性很差且窄带滤波器的设计很难实现，所以很难获得高的Q值。

电源电路：

电源电路为前置放大电路和对数检波放大电路提供所需的稳定电压，传感器中的器件需要工作在稳定的电压下。若无法满足这一条件，轻则电路的性能会受到影响，导致无法完成工作，重则会烧坏电路中的重要元件，若产生火花，甚至有可能引燃被检测气体，造成更大的危险。

现代电子技术的发展，电子设施和芯片的集成度越来越高，电子芯片的体积减小功耗降低。因此，采用电池供电的局部放电检测传感器供电，可以使传感器和整个局部放电检测系统变得简单，使办公室现场检测和实验更加方便。

（3）显示部分

LCD显示：

液晶显示可以充分利用液晶的各种电光效应，将其对外界条件的变化转化为视觉信号。LCD具有体积小、重量轻、电压低、功耗低的特点，与CMOS集成电路相匹配。液晶显示器可以显示漏孔的声强、泄漏估计值和键盘输入的数据。

对检测系统进行分析，该系统具有适应性强、检测灵敏度高、使用方便等特点，基于超声波检测的原理检测密封性对工业上的生产安全具有重要意义。该超声检测系统可以实时对检测到的泄漏信号进行显示并且判断出是否有泄漏信号的产生，并且可以通过信号处理等过程让人耳可听到。