新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计 [日期：2005-7-20] 来源：电子技术应用 作者：龚其春 叶 骞 刘成良 王永红 [字体：容器的孔隙泄漏所产生的微弱超声信号进行精确检测。该系统利用DSP技术对泄漏所产生的超声波信号进行分析处理和声压级计算，从而实现对泄漏的检测及泄漏量的估算。

关键词：DSP 声压级 本底哭声 泄漏超声波

目前，工业上和生活中均大量用到用于存储和输送压缩气体的压力容器，如气缸、气罐、煤气管道等。由于各种原因，容量会产生漏孔从而发生气体泄漏。据估计，工业上由于泄漏而损失掉的压缩气体平均占用40%左右。泄漏不但会造成能源的浪费，而且如果是有害气体的话，还会对空气造成污染。因此，准确地判断和定位产生泄漏的位置，对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大的意义。

传统的泄漏检测方法发绝对压力法、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，当其内部压强大小外部压强时，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都声波，如图1所示。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。

1．2 声压与泄漏量的关系

泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P与泄漏孔口直径D决定了湍流声的声压级L。著名学者马大猷教授推出如下公式：

式中，L为垂直方向距离喷口1m处的声压级（单位：dB）；D为喷口直径（单位：mm）；D0=1mm；P0为环境大气绝对压力；P为泄漏孔驻压。

由此可知，在与泄漏孔的距离一定时，泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。

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36kHz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。当泄漏孔的雷诺数用式（2）表示时，在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2所示。

Re=(ρVD)/μ （2）

式中，ρ为气体密度；μ为粘度；V为流速；D为力学平均直径。

由图2可知，如果能检测出泄漏孔附近在某一个频率点的声强，则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏孔，由于它的力学平均直径是确定的，所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对于不同的泄漏孔，并不知道它的力学平均值径，因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上，对于管道气体，由于有源源不断的气体补给，管道里面的气压一般都是恒定值。而对于工业容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器当中的压力变化非常缓慢，所以可以认为在一段暑期内是恒定值。当系统内外压力一定时，对不不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（3）来表示：

新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计 [日期：2005-7-20] 来源：电子技术应用 作者：龚其春 叶 骞 刘成良 王永红 [字体：容器的孔隙泄漏所产生的微弱超声信号进行精确检测。该系统利用DSP技术对泄漏所产生的超声波信号进行分析处理和声压级计算，从而实现对泄漏的检测及泄漏量的估算。

关键词：DSP 声压级 本底哭声 泄漏超声波

目前，工业上和生活中均大量用到用于存储和输送压缩气体的压力容器，如气缸、气罐、煤气管道等。由于各种原因，容量会产生漏孔从而发生气体泄漏。据估计，工业上由于泄漏而损失掉的压缩气体平均占用40%左右。泄漏不但会造成能源的浪费，而且如果是有害气体的话，还会对空气造成污染。因此，准确地判断和定位产生泄漏的位置，对于提高企业的生产效率和节约能源具有重大的意义。

传统的泄漏检测方法发绝对压力法、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，当其内部压强大小外部压强时，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都声波，如图1所示。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。

1．2 声压与泄漏量的关系

泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P与泄漏孔口直径D决定了湍流声的声压级L。著名学者马大猷教授推出如下公式：

式中，L为垂直方向距离喷口1m处的声压级（单位：dB）；D为喷口直径（单位：mm）；D0=1mm；P0为环境大气绝对压力；P为泄漏孔驻压。

由此可知，在与泄漏孔的距离一定时，泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。

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36kHz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。当泄漏孔的雷诺数用式（2）表示时，在40kHz点声压与雷诺数之间的关系如图2所示。

Re=(ρVD)/μ （2）

式中，ρ为气体密度；μ为粘度；V为流速；D为力学平均直径。

由图2可知，如果能检测出泄漏孔附近在某一个频率点的声强，则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏孔，由于它的力学平均直径是确定的，所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对于不同的泄漏孔，并不知道它的力学平均值径，因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上，对于管道气体，由于有源源不断的气体补给，管道里面的气压一般都是恒定值。而对于工业容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器当中的压力变化非常缓慢，所以可以认为在一段暑期内是恒定值。当系统内外压力一定时，对不不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（3）来表示：