朱來東

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州　450047)

0　引言

工業(yè)生產(chǎn)中用于儲(chǔ)存和輸送壓縮氣體的壓力容器一旦出現(xiàn)泄漏,不但會(huì)造成能源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)空氣造成污染。因此，準(zhǔn)確判斷氣體泄漏并且定位泄漏位置對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重大意義[1]。

氣體泄漏一般在小孔、縫隙、法蘭蓋及螺紋等部位產(chǎn)生，要想統(tǒng)一對(duì)待很困難[2]。研究表明：在壓力相等的場(chǎng)合，泄漏口面積一樣，亦即泄漏量一樣，泄漏口的形狀越近于圓，沖出氣體就會(huì)形成湍流，湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的超聲波。超聲波能量以聲源為中心向空間擴(kuò)散，即至聲源的距離如變成2倍(標(biāo)準(zhǔn)單位為m)，則能量分布的面積變成4倍，能量密度變?yōu)樵芰棵芏鹊?/4，聲壓級(jí)降到6 dB以下[3]。

微孔泄漏屬于微弱信號(hào)檢測(cè)，且泄漏超聲能量在空氣中急劇衰減，給測(cè)試帶來困難，需要設(shè)計(jì)極靈敏的超聲檢測(cè)系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法會(huì)產(chǎn)生測(cè)量不準(zhǔn)確的問題，因此，文中針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行測(cè)量改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際的壓力容器進(jìn)行測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用文中的改進(jìn)方法可以得到比較理想的結(jié)果。

1　靜電超聲傳感器原理

1．1超聲換能器

換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式能量的裝置。超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。

1．2靜電超聲換能器

靜電超聲換能器一般由金屬薄膜(或涂有金屬層的介電薄膜)和背電極組成。在薄膜和背電極之間須加上一個(gè)偏置電壓，使換能器處于線性工作狀態(tài)。當(dāng)聲波作用于薄膜表面時(shí)，薄膜受迫振動(dòng)，薄膜和背電極的距離發(fā)生變化，薄膜和背電極之間的電容量也隨之變化，從而引起薄膜和背電極間電壓的改變。電容量的變化與聲壓的大小有對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就是靜電換能器的接收機(jī)理。反之，當(dāng)在電容換能器上加一交變電壓時(shí)，由于靜電相互作用，薄膜受迫振動(dòng)而向空間發(fā)射聲波。從原理上講，靜電換能器就是一個(gè)電容器。圖1為原理示意圖。圖中電容兩極板充當(dāng)換能器的電極，當(dāng)外加電壓作用于電容器上時(shí)，兩電極間產(chǎn)生吸引力。

圖1　靜電超聲換能器原理圖

2　靜電超聲傳感器的硬件方案選擇

擬選用600 Series Smart Sensor靜電超聲換能器，該靜電超聲換能器是目前已知的可用于泄漏超聲信號(hào)頻段的超聲換能器，較適合于空氣介質(zhì)環(huán)境，具有較寬的頻響范圍(20～80 kHz)和較高精度。圖2所示為換能器接收頻域特性。圖3所示為實(shí)測(cè)的氣體射流聲音頻譜，可見射流聲含有許多超聲波成分(約20 kHz以上)。

圖2　靜電超聲換能器接收頻域特性

圖3　泄漏氣體射流聲音頻譜

3　靜電超聲傳感器硬件電路方案

由于靜電超聲傳感器現(xiàn)有電路模塊難以滿足泄漏超聲測(cè)試需求，需改變背壓供電方式，同時(shí)大幅提高后續(xù)電路放大倍數(shù)，以發(fā)揮傳感器的最佳靈敏度(目前為42 dB，應(yīng)達(dá)到75 dB以上)。

圖4所示為測(cè)試系統(tǒng)組成。容器氣體泄漏超聲信號(hào)被靜電換能器接收，經(jīng)過高倍放大濾波后，經(jīng)過A/D采樣被計(jì)算機(jī)接收并處理，進(jìn)行泄漏超聲的時(shí)頻域特征分析，以得出氣體漏率和超聲信號(hào)幅值、頻率分布等的相關(guān)關(guān)系。

圖4　靜電超聲傳感器測(cè)試系統(tǒng)組成

目前的靜電超聲換能器一般用于測(cè)距，其經(jīng)典電路如圖5所示。

其基本原理為：信號(hào)源Vin產(chǎn)生的脈沖序列使MOS管Q1處于開關(guān)工作狀態(tài)，變壓器初級(jí)線圈中產(chǎn)生交變電流。交變電流產(chǎn)生的磁通在變壓器的次級(jí)線圈感應(yīng)出電壓，次級(jí)電壓是初級(jí)電壓的70倍左右(線圈匝數(shù)比)，利用變壓器次級(jí)線圈的高電壓激勵(lì)換能器使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)發(fā)射超聲波，電能轉(zhuǎn)化成聲能，遇到障礙物發(fā)生反射，被換能器接收。上述電路是收發(fā)一體的電路[4]。

圖5　發(fā)射回波檢測(cè)電路

實(shí)驗(yàn)表明：這種收發(fā)一體電路受主動(dòng)發(fā)射信號(hào)影響較大，靈敏度有限，難以接收泄漏氣體微弱信號(hào)，因此需要抑制發(fā)射信號(hào)，僅利用靜電超聲傳感器的高靈敏度的接收功能[5]?；诖耍瑢?duì)該電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，圖6所示為改進(jìn)靜電超聲背壓電路。

圖6　改進(jìn)靜電超聲背壓電路

由單片機(jī)或555芯片產(chǎn)生5～10 V的正弦或脈沖交流電壓，經(jīng)變壓器后，耦合成220 V左右高壓，經(jīng)整流濾波后變成200 V直流電壓作為換能器背壓[6]。

換能器信號(hào)經(jīng)電容后接至后續(xù)放大電路中，后級(jí)放大電路：選用場(chǎng)效應(yīng)管輸入級(jí)寬頻帶運(yùn)算放大器，輸入阻抗可達(dá)1012Ω，放大器具有高的共模抑制比、低噪音、低漂移，有極高的轉(zhuǎn)化速率(SR=50 V/μs)。微弱信號(hào)所需放大倍數(shù)較高。圖7所示為二級(jí)放大電路。

圖7　二級(jí)放大電路

4　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的功能是采集超聲信號(hào)，并對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，利用傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析。

為了保證測(cè)試進(jìn)度需求，擬采用成品化的TST3125動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀器。該設(shè)備最高采樣頻率1～10 MHz可選，采樣信號(hào)長度可選擇，精度為3‰，具有FFT分析、信號(hào)微分/積分處理、平滑濾波和數(shù)字濾波等功能，完全滿足該項(xiàng)目采集20～50 kHz超聲泄漏信號(hào)的檢測(cè)需求。

5　實(shí)驗(yàn)方案和信號(hào)提取

實(shí)驗(yàn)方案采用真空檢漏法。真空檢漏法是指把一個(gè)容器密閉，抽成真空，當(dāng)打開閥門時(shí)，由于外面的大氣壓會(huì)使得氣體通過閥門進(jìn)到密閉容器中，在閥門處會(huì)有超聲信號(hào)產(chǎn)生，需要做的就是將超聲信號(hào)通過傳感器采集到，并對(duì)其進(jìn)行分析，檢測(cè)泄漏信號(hào)[7]。泄漏超聲產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)數(shù)字采集卡轉(zhuǎn)換后為寬平穩(wěn)離散型的隨機(jī)信號(hào)，所以主要采用傅里葉變換方法對(duì)其進(jìn)行譜分析。在超聲泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，使傳感器距離泄漏處的距離一定，針對(duì)孔徑為0．3 mm和0．4 mm泄漏孔測(cè)試FFT頻譜分析。

(1)無泄漏狀態(tài)下

無泄漏狀態(tài)下波譜圖見圖8。

(a)時(shí)域波形

(b)頻譜圖

(c)功率譜

(d)自相關(guān)功率譜

(2)泄漏孔徑為0．3 mm，泄漏孔壁厚度為2．5 mm

泄漏孔徑為0.3mm、泄漏孔壁厚度為2.5mm波譜圖見圖9。

(a)時(shí)域波形

(b)頻譜圖

(c)功率譜

(d)自相關(guān)功率譜

(3) 泄漏孔徑為0．4 mm，泄漏孔壁厚度為2．5 mm

泄漏孔徑為0.4 mm，泄漏孔壁厚為2.5 mm頻譜圖見圖10。

此時(shí)頻譜的峰值在40 kHz處，具有較大的譜峰值。在各種泄漏狀態(tài)下，F(xiàn)FT頻譜和FFT功率譜的幅值最大的頻率都集中在38～45 kHz．

對(duì)圖8、圖9、圖10的分析可以看出，無泄漏和有泄漏時(shí)有著很大的區(qū)別，根據(jù)在40 kHz附近有無峰值可以作為判漏的條件。泄漏孔徑不同，但是超聲信號(hào)基本在40 kHz附近，但也有一些微小變化，需要做大量實(shí)驗(yàn)來確定頻率大小與泄漏孔大小之間的關(guān)系。當(dāng)泄漏孔的距離一定時(shí)，隨著泄漏孔徑的變化，功率譜的幅值會(huì)有變化，這一特征可以很好地表征超聲泄漏的狀態(tài)，也需要排除干擾因素，再進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行分析。

(a)時(shí)域波形

(b)頻譜圖

(c)功率譜

(d)自相關(guān)功率譜

6　結(jié)束語

通過采用不同的模式對(duì)文中的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以較好地表征超聲泄漏的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了壓力容器泄漏產(chǎn)生超聲信號(hào)非接觸式檢測(cè)，文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的壓力容器泄漏。對(duì)于壓力容器的微弱泄漏可以進(jìn)行有效的判別和檢測(cè)。對(duì)于泄漏孔徑的大小與泄漏頻譜之間的關(guān)系，有待進(jìn)一步的進(jìn)行定量化的研究與分析，建立有指導(dǎo)意義的孔徑與泄漏信號(hào)頻譜之間的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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[3]龔其春，劉成良，王永紅，等．新型氣體泄漏超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)．液壓與氣動(dòng)，2005(3)：75-76．

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[7]王永紅．基于小波分析的氣體泄漏檢測(cè)．機(jī)械，2005，32(3)：56-59．