智能氣體泄漏超聲檢測方法研究

韓慧伶，王彤宇，李俊杰

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；2.空軍航空大學 航空機械工程系，長春 130022）

由于氣體泄漏在壓力容器、航空航天、煤氣、天然氣等眾多領域中產生的故障，所引起的損失非常重大。所以針對氣體泄漏的檢測方法成為國內外研究的熱點問題。目前國內外研究機構重點關注采用超聲和紅外熱成像的氣密性監測方法，超聲具有較好的定向傳播能力，但由于氣體泄漏產生的超聲信號微弱，背景噪聲強等原因，限制了該方法的發展。本文提出一種將超聲信號轉換為可聽音和虛擬儀器頻譜分析的方法，采用超聲傳感器陣列接受泄漏的超聲信號，采用C8051F120單片機及虛擬儀器技術進行系統設計。該檢測系統可以應用于航空航天及天然氣等多種氣體泄漏檢測中。

1 氣體泄漏產生超聲波機理

當被檢測容器內充滿氣體，其內部壓強大于外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦管路有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波，聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于20kHz人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減。用此信號判斷泄漏位置相當簡單。

泄漏超聲本質上是湍流和沖擊噪聲。通過采集某型飛機冷氣系統泄漏信號得知，泄漏產生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點，超聲波的能量是不同的。實際上，它的頻譜峰值隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的.如在一定的泄漏孔徑和壓力下，泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz，加大孔徑后其頻譜峰值出現在36kHz；如果孔徑不變，加大系統內外壓差，頻譜峰值出現在43kHz，但是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。氣體泄漏產生的超聲信號是很微弱的，而背景噪聲很大，在本系統中只檢測40kHz點的泄漏超聲波的強度，原因是通過實驗得出如圖 1所示，在40kHz點的泄漏超聲波能量是比較大的，而且泄漏聲和本底噪聲能量差值也最大。這樣選擇可以增加系統靈敏度。

圖1 泄漏信號與噪聲頻譜圖Fig.1 Leakage gas and noise signal spectrum

2 手持式智能氣體泄漏超聲檢測儀硬件系統設計

該檢測儀的硬件部分采用手持式設計，并配備高抗噪耳機。單個超聲傳感器接受信號的角度較小，當接受方向與泄漏方向有偏差時就較難接收到泄漏信號，所以采用超聲傳感器陣列，不僅拓寬了接收信號的范圍也提高了系統的靈敏度。同時，儀器在電路設計中為了能夠消除環境中的背景噪聲采用了多種降噪方式，通過前期的模擬帶通濾波電路處理后，又將超聲信號轉化為人耳可以聽到的聲音，并將該聲音的強度大小在顯示屏上顯示，幫助檢測人員在環境噪聲復雜的情況下，檢測氣體泄漏。

圖2 儀器硬件結構圖Fig.2 Instrument hardware structure

系統的硬件電路由前置處理電路、混頻處理電路、鍵盤部分、顯示部分、數據通信組成，經前置處理電路的信號分為兩路，一路通過混頻電路轉化為低頻信號，此低頻信號分別通過耳機和單片機傳輸給液晶屏，實現監聽和觀察其強度值大小的功能；另一路通過單片機傳輸給計算機進行分析。如圖2所示。

2.1 前置處理電路

該檢測儀設計了 8階巴特沃斯帶通濾波器處理，如圖3所示，前期的模擬帶通濾波電路主要濾除38~42kHz以外的信號，巴特沃斯帶通濾波具有較好的濾波信號，該設計能夠滿足濾除信號的需求。

圖3 前置濾波電路Fig.3 Bandpass filter circuit

2.2 混頻處理電路

實現信號的前期濾波和放大。經過前期處理的信號，為了能夠讓檢測人員直觀地將故障判別清楚，將超聲信號轉換為頻率低于20kHz人耳可聽到的信號，采用直接數字頻率合成DDS（Direct Digital Synthesis）技術，利用 AD9850芯片產生的37kHz的信號與泄漏超聲信號通過降頻電路其原理是利用差分信號的乘法特性，得到差頻信號，將頻率范圍轉換到3kHz，成為人耳可以聽到的頻段。輔助檢測人員及時判斷泄漏點的存在。DDS接口電路如圖4所示。

圖4 AD9850接口電路Fig.4 AD9850 interface circuit

2.3 數據傳輸部分

通信接口電路實現泄漏信號的數據存儲和將數據傳輸。USB通信傳輸速度較快，采用熱插拔方式，為儀器巡檢和后期泄漏故障分析提供了很好的通信方式。如圖5所示。

圖5 數據傳輸接口電路Fig.5 Date transmission interface circuit

由于該系統對信號的要求很高，在設計系統時，對于自身的濾波電路設計及儀器的選擇上，選用噪聲小的精密儀表運算放大器。而且在印刷電路板PCB（Printed Circuit Board）設計上考慮了多方面的抗干擾影響，并經過反復的實驗，進行多次修改。

3 基于LabVIEW的泄漏分析軟件

計算機中的LabVIEW程序對泄漏信號進行進一步的提取與分類，從而判斷對該泄漏故障實施的檢測策略。氣體泄漏分析軟件具有良好的人機交互界面和近似真實的波形顯示界面。

3.1 信號處理算法介紹

3.1.1 基于窗函數的帶通濾波器設計方法

超聲泄漏信號處理時，需要有較好的帶通特性，所以設計采用Hanning窗函數，帶通濾波器的階數采用MATLAB仿真求得，經驗證具有較好的濾波效果。

3.1.2 基于AR模型的功率譜估計

現代譜分析方法利用信號的信息對被窗函數截取的有限信號以外的信息進行預測或外推，提高了譜估計的分辨率和真實程度。它把具有多個變量的復雜過程簡化為只用少量參數就可以表示的簡單過程。有理參數模型用有理系統函數表示，求出連續的功率譜。本文采用 Burg算法對模型參數進行提取實現對泄漏超聲信號的功率譜估計。

3.2 軟件功能介紹

LabVIEW具有很好的信號處理模塊和虛擬儀器顯示功能，對于泄漏產生的超聲信號進行處理。通過處理的泄漏超聲信號，在PC上以功率值的形式顯示。當存在泄漏時，檢測人員通過耳機初步判定后，確定泄漏發生的位置。而檢測人員的初步判定只能判斷出泄漏位置及初始大小。對于需要檢測精度較高，需要對泄漏的超聲信號做進一步分析，得出精確的泄漏值的大小。所以檢測現場的檢測人員可以將該泄漏信號通過 USB傳輸給上位機，泄漏信號分析系統通過將檢測信號與數據庫中存儲的泄漏信號進行比較分析，得出泄漏信號的泄漏級別，供維修人員做出參考，如圖6所示。

圖6 泄漏分析系統界面Fig.6 Analysis system interface

4 實驗結論

將該檢測儀器應用于某型飛機冷氣系統的泄漏檢測中，通過為期兩個月的故障檢測，將采集得到的泄漏故障數據進行處理，得出泄漏孔徑與超聲強度的關系曲線如圖7所示。

圖7 泄漏孔徑與超聲強度的關系曲線圖Fig.7 The relationship curve between leak hole and ultrasonic power

智能氣體系統檢測儀采用手持式設計，同時配套有基于LabVIEW的離線分析軟件，能夠對泄漏源進行巡檢定位和泄漏故障信號的分析。通過測定該檢測系統能夠檢測氣體壓力大于的管路系統的約0.2mm孔徑的泄漏。能夠實現對多種泄漏故障的檢測與監控。

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