氣體泄漏超聲檢測系統的研究與設計

　　目前,工業上和生活中均大量用到用于儲存和輸送壓縮氣體的壓力容器,如氣缸、氣罐、煤氣管道等。由于各種原因,容器會產生漏孔從而發生氣體泄漏。據估計,工業上由于泄漏而損失掉的壓縮氣體平均占到40%左右。泄漏不但會造成能源的浪費,而且如果是有害氣體的話,還會對空氣造成污染。因此,準確地判斷和定位產生泄漏的位置,對于提高企業的生產效率和節約能源具有重大的意義。
　　傳統的泄漏檢測方法如絕對壓力法、壓差法、氣泡法等,操作復雜并且對技術人員要求較高,而且不具有實時性。目前,工業上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置,不僅方法簡單,而且準確可靠。基于此,本文研究并設計了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測系統。
1 檢測原理
1.1氣體泄漏產生超聲波
　　如果一個容器內充滿氣體,當其內部壓強大于外部壓強時,由于內外壓差較大,一旦容器有漏孔,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,如圖1所示。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時,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。因此,超聲波被認為是一種方向性很強的信號,用此信號判斷泄漏位置相當簡單。

1.2 聲壓與泄漏量的關系
　　泄漏超聲本質上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級L。著名學者馬大猷教授推出如下公式[1]:　　

　　式中,L為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級(單位:dB);D為噴口直徑(單位:mm);D0＝1mm;P0為環境大氣絕對壓力;P為泄漏孔駐壓。
　　由此可知, 在與泄漏孔的距離一定時,泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統壓力的變化而變化的。
　　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,它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如:在一定的泄漏孔徑和壓力下,如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在38kHz點,那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現在36kHz點;如果孔徑不變,加大系統內外壓差,頻譜峰值可能出現在43kHz點。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。當泄漏孔的雷諾數用式(2)表示時,在40kHz點聲壓與雷諾數之間的關系如圖2所示。

　　式中,ρ為氣體密度;μ為粘度;V為流速;D為力學平均直徑。
　　由圖2可知,如果能檢測出泄漏孔附近在某一個頻率點的聲強,則可以推算出該泄漏孔的雷諾數。對于該泄漏孔,由于它的力學平均直徑是確定的,所以這時雷諾數與氣體泄漏量成正比關系。但是對于不同的泄漏孔,并不知道它的力學平均直徑,因此光知道雷諾數還不能求出泄漏量。在工業上,對于管道氣體,由于有源源不斷的氣體補給,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器當中的壓力變化非常緩慢,所以可以認為在一段時期內是恒定值。當系統內外壓力一定時,對于不同的泄漏孔,它的泄漏流速都是一定的,可以用公式(3)[2]來表示:

　　
　　式中,V為氣體流速;p為管內壓力;P0為環境大氣絕對壓力;T1為絕對溫度;σ＝P0/P;R為氣體常數;K=,對于空氣,k=1.4,則K=2.646。
　　當雷諾數、氣體流速知道以后,就可以反求出該泄漏孔力學平均直徑D,即可得出泄漏量。通過以上分析得出:只要能檢測出距離泄漏點一定距離的超聲波在某一個頻率點的強度,再給出泄漏系統內外壓力,就可以估算出氣體泄漏量。