基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统

2010-02-24 王永涛大庆石油学院

　　基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,研制了便携式阀门内泄漏声学检测仪.阐述了基于声学的阀门内泄漏检测系统,通过检测阀门内泄漏产生的泄漏谱估算了阀门的泄漏量. 该系统采用了2 只压电传感器对泄漏的声信号进行采集,利用DSP 技术进行谱分析,并将泄漏谱在频域相减,实现了弱小泄漏的有效检测.

引言

　　工业阀门在自动化控制、石油、化工、电站、冶金等领域应用越来越广泛,自动化程度也越来越高.由于阀门使用量大、开闭频繁,或使用维修不当,经常发生跑、冒、滴、漏现象,尤其内漏易于引发重大事故,带来不可估量的损失. 国外从20 世纪60 年代起就开展了阀门泄漏检测技术的研究,部分研究成果已经得到了广泛应用. 目前,我国在这方面还只是处于理论研究阶段,没有实用的产品. 基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,笔者研制了便携式阀门内泄漏声学检测仪,能够有效检测阀门内泄漏.

1、系统构成

泄漏检测系统构成

图1 　泄漏检测系统构成

　　泄漏检测系统构成见图1. 图1 电路分为3个部分:

　　(1) 模拟部分,包括电荷放大器、增益控制电路、带通滤波器;

　　(2) 数字部分,主要包括DSP 信号处理器、真彩色320 ×240 液晶显示器、薄膜键盘、实时时钟及大容量掉电保持存储器;

　　(3) 电源部分,采用可充电锂电池组供电,再由电源电路变换为所需的4 组电源.

　　小孔泄漏时产生的声发射强度极其微弱,加之应用环境噪声较大,所以要检测出在恶劣环境下的阀门内泄漏所发出的声信号,必须对系统模拟信号放大部分进行精心设计. 系统的前端为2 个压电传感器,其中一个用于检测阀门泄漏时湍流产生的声信号,另一个用于检测管线背景噪声. 阀门泄漏时产生的声信号谱范围较宽,能量集中在10～200 kHz. 为防止频谱混叠,在电路中设置带通滤波器,用以滤除在该频段以外的低频干扰及高频干扰. 传感器采用电荷输出的压电传感器,为减小电缆寄生电容的影响,后端接口电路采用电荷放大器. 由于信号极其微弱,电荷放大器采用低噪声高增益运算放大器构成. 阀门泄漏量的变化范围很大,产生的信号强度变化范围超过100 dB. 采用固定增益放大将导致放大电路饱和,信号失真. 因此,在设计中,DSP 信号处理器可通过增益调节电路控制放大电路增益量. 设增益量G的调节范围为Gmax～Gmin ,后端A/D分辨率为n 位二进制位,则该仪器的动态范围Df 为

　　由于在DSP 处理过程中需要8位有效的二进制位,所以采用16 位A/D转换器后,式(1)中的n 应取8 位, Gmax/Gmin为1000,则仪器的动态范围可达108 dB ,满足应用要求.人机交互接口采用320 ×240 彩色液晶显示器,键盘采用18 健薄膜键盘. 设置有拼音输入法,可输入汉字信息. 电路中设置有4 MB 大容量存储器及实时时钟,可对阀门数据记录. 另外,该仪器采用USB 接口,可直接同计算机相连,实现信息的传输.

　　考虑到模拟电路的电源抑制能力,电源部分采用1. 5 MHz 专用开关电源芯片,产生±5 V电源供电.另外还提供+ 3.3 V数字电源. 由于液晶显示器需要800 V 供电,该电源产生的电磁干扰较强,干扰途径分为电磁辐射、感应耦合及电路传导,必须采取有力措施加以抑制. 针对不同的干扰途径,分别采取屏蔽、隔离、滤波及接地等措施,使得干扰下降50dB.

2、频谱分析

　　由于阀门安装管线易受干扰振动,虽然采用了有源模拟滤波电路,但在通带内的管线振动噪声仍然会被放大采集,影响泄漏量的估算. 当泄漏较小时,泄漏产生的声信号幅度很小,信号完全被管线噪声淹没.将一个压电传感器安装在距离阀门3～4 个管线直径处,另一个压电传感器安装在同侧较远处. 在仪器中,分别对2 路信号进行频谱分析后,将2 个频谱相减,得到的频谱即为泄漏谱. 利用该泄漏谱估算阀门的泄漏量.

　　根据采样定理、信号处理实时性及分辨率的要求,其关系为

　　式中: fs为采样频率; fmax为所需处理信号最高频率; F为频率分辨率; N为采样点数.阀门内泄漏检测系统的fmax为200 kHz , F 为0.5kHz ,依据式(2) 的关系,确定f 为512kHz , N 取1024点. 在数据处理过程中,为了减小频谱的失真,引入海明窗作为截取的窗函数,即