江苏超声新型气体泄漏检测系统的研究与设计

传统的泄漏检测方法如压差法、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，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。
　　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。

2 系统硬件实现
　　小孔气体泄漏所发出的超声波强度是微弱的，而且在工业场合，环境噪声是相当大的。所以要检测出在恶劣环境下的气体泄漏所发出的超声，须对系统信号放大部分进行精心的设计。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，在40kHz点的泄漏超声波能量都是比较大的，而且泄漏声和本底噪声能量差值也大。这样选择可以增加系统灵敏度。
　　系统原理，系统分为模拟和数字两部分，模拟部分包括信号放大电路和音频处理电路等。信号放大电路由前置放大电路、带通滤波电路和二次放大电路组成。音频处理电路由本振电路、混频器、功率驱动电路组成。数字部分主要由DSP和LCD、RAM、键盘等外围设备组成。传感器信号经过放大滤波以后，一路交由DSP处理，另一路通过降频转化为可听声。
　　前置放大电路选用AD公司的专用高精度仪器三运放AD620。AD620是由三个精密运放集成的差分专用仪器运放，它具有低偏移、高增益(信号可直接放大到1000倍)、高共模拟制比的特点，特别适用于放大传感器信号。由于传感器接收到的大量的低频噪声(如50Hz的工频噪声)强度远大于它所接收到的超声信号，所以在传感器与AD620之间须接一个无源高通滤波器。这样虽然增加了传感器的功耗，但是在后面可以通过增大放大倍数来弥补。第二级是一个有源带通滤波电路。在这一级可以滤掉前面滤波器没有滤掉的大部分背景噪声和由器件或电路产生的噪声。这里选择的通带为38kHz～42kHz。第二级和第三级运放都采用AD公司的OP777，它是一个超精密的低噪声运放，具有极低的电压和电流偏移以及很高的增益稳定性。第三级是一个一般的同相放大电路。经过第三级放大以后，信号范围为-3.3V～+3.3V，再经过两个20kΩ的电阻，并接上+3.3V的偏置电压，就可以使输入到DSP的AD采样信号变为0～3.3V。
　　虽然选用的器件是低噪声的，但是对于检测微弱的泄漏超声信号来说，还是不能忽略器件本身的噪声。在信号进入DSP以后再一次对其进行数字滤波，滤掉由前面器件和电路产生的直流电压偏置和噪声。这样可以获得足够高精度的泄漏超声波信号。