基于聲譜分析的閥門(mén)內泄漏檢測系統
基于閥門(mén)內泄漏時(shí)產(chǎn)生的泄漏量與泄漏時(shí)湍流產(chǎn)生的聲發(fā)射特征,研制了便攜式閥門(mén)內泄漏聲學(xué)檢測儀.闡述了基于聲學(xué)的閥門(mén)內泄漏檢測系統,通過(guò)檢測閥門(mén)內泄漏產(chǎn)生的泄漏譜估算了閥門(mén)的泄漏量. 該系統采用了2 只壓電傳感器對泄漏的聲信號進(jìn)行采集,利用DSP 技術(shù)進(jìn)行譜分析,并將泄漏譜在頻域相減,實(shí)現了弱小泄漏的有效檢測.
引言
工業(yè)閥門(mén)在自動(dòng)化控制、石油、化工、電站、冶金等領(lǐng)域應用越來(lái)越廣泛,自動(dòng)化程度也越來(lái)越高.由于閥門(mén)使用量大、開(kāi)閉頻繁,或使用維修不當,經(jīng)常發(fā)生跑、冒、滴、漏現象,尤其內漏易于引發(fā)重大事故,帶來(lái)不可估量的損失. 國外從20 世紀60 年代起就開(kāi)展了閥門(mén)泄漏檢測技術(shù)的研究,部分研究成果已經(jīng)得到了廣泛應用. 目前,我國在這方面還只是處于理論研究階段,沒(méi)有實(shí)用的產(chǎn)品. 基于閥門(mén)內泄漏時(shí)產(chǎn)生的泄漏量與泄漏時(shí)湍流產(chǎn)生的聲發(fā)射特征,筆者研制了便攜式閥門(mén)內泄漏聲學(xué)檢測儀,能夠有效檢測閥門(mén)內泄漏.
1、系統構成
圖1 泄漏檢測系統構成
泄漏檢測系統構成見(jiàn)圖1. 圖1 電路分為3個(gè)部分:
(1) 模擬部分,包括電荷放大器、增益控制電路、帶通濾波器;
(2) 數字部分,主要包括DSP 信號處理器、真彩色320 ×240 液晶顯示器、薄膜鍵盤(pán)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及大容量掉電保持存儲器;
(3) 電源部分,采用可充電鋰電池組供電,再由電源電路變換為所需的4 組電源.
小孔泄漏時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射強度極其微弱,加之應用環(huán)境噪聲較大,所以要檢測出在惡劣環(huán)境下的閥門(mén)內泄漏所發(fā)出的聲信號,必須對系統模擬信號放大部分進(jìn)行精心設計. 系統的前端為2 個(gè)壓電傳感器,其中一個(gè)用于檢測閥門(mén)泄漏時(shí)湍流產(chǎn)生的聲信號,另一個(gè)用于檢測管線(xiàn)背景噪聲. 閥門(mén)泄漏時(shí)產(chǎn)生的聲信號譜范圍較寬,能量集中在10～200 kHz. 為防止頻譜混疊,在電路中設置帶通濾波器,用以濾除在該頻段以外的低頻干擾及高頻干擾. 傳感器采用電荷輸出的壓電傳感器,為減小電纜寄生電容的影響,后端接口電路采用電荷放大器. 由于信號極其微弱,電荷放大器采用低噪聲高增益運算放大器構成. 閥門(mén)泄漏量的變化范圍很大,產(chǎn)生的信號強度變化范圍超過(guò)100 dB. 采用固定增益放大將導致放大電路飽和,信號失真. 因此,在設計中,DSP 信號處理器可通過(guò)增益調節電路控制放大電路增益量. 設增益量G的調節范圍為Gmax～Gmin ,后端A/D分辨率為n 位二進(jìn)制位,則該儀器的動(dòng)態(tài)范圍Df 為
由于在DSP 處理過(guò)程中需要8位有效的二進(jìn)制位,所以采用16 位A/D轉換器后,式(1)中的n 應取8 位, Gmax/Gmin為1000,則儀器的動(dòng)態(tài)范圍可達108 dB ,滿(mǎn)足應用要求.人機交互接口采用320 ×240 彩色液晶顯示器,鍵盤(pán)采用18 健薄膜鍵盤(pán). 設置有拼音輸入法,可輸入漢字信息. 電路中設置有4 MB 大容量存儲器及實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可對閥門(mén)數據記錄. 另外,該儀器采用USB 接口,可直接同計算機相連,實(shí)現信息的傳輸.
考慮到模擬電路的電源抑制能力,電源部分采用1. 5 MHz 專(zhuān)用開(kāi)關(guān)電源芯片,產(chǎn)生±5 V電源供電.另外還提供+ 3.3 V數字電源. 由于液晶顯示器需要800 V 供電,該電源產(chǎn)生的電磁干擾較強,干擾途徑分為電磁輻射、感應耦合及電路傳導,必須采取有力措施加以抑制. 針對不同的干擾途徑,分別采取屏蔽、隔離、濾波及接地等措施,使得干擾下降50dB.
2、頻譜分析
由于閥門(mén)安裝管線(xiàn)易受干擾振動(dòng),雖然采用了有源模擬濾波電路,但在通帶內的管線(xiàn)振動(dòng)噪聲仍然會(huì )被放大采集,影響泄漏量的估算. 當泄漏較小時(shí),泄漏產(chǎn)生的聲信號幅度很小,信號完全被管線(xiàn)噪聲淹沒(méi).將一個(gè)壓電傳感器安裝在距離閥門(mén)3～4 個(gè)管線(xiàn)直徑處,另一個(gè)壓電傳感器安裝在同側較遠處. 在儀器中,分別對2 路信號進(jìn)行頻譜分析后,將2 個(gè)頻譜相減,得到的頻譜即為泄漏譜. 利用該泄漏譜估算閥門(mén)的泄漏量.
根據采樣定理、信號處理實(shí)時(shí)性及分辨率的要求,其關(guān)系為
式中: fs為采樣頻率; fmax為所需處理信號最高頻率; F為頻率分辨率; N為采樣點(diǎn)數.閥門(mén)內泄漏檢測系統的fmax為200 kHz , F 為0.5kHz ,依據式(2) 的關(guān)系,確定f 為512kHz , N 取1024點(diǎn). 在數據處理過(guò)程中,為了減小頻譜的失真,引入海明窗作為截取的窗函數,即
式中:w(n)為海明窗; RN(n)為矩形窗. 由于海明窗99.963%的能量集中在窗譜的主瓣內,旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%.
3、結束語(yǔ)
閥門(mén)內泄漏檢測系統中,在閥門(mén)處和下端放置2 個(gè)壓電傳感器,譜分析后相減,不僅有效的抑制了管線(xiàn)噪聲,而且降低了對硬件電路的要求. 現場(chǎng)試驗發(fā)現,對于球閥門(mén)泄漏,其泄露譜能量集中在25 KHz左右,且當壓差一定時(shí),其泄漏量與泄漏譜振幅為雙對數關(guān)系. 該儀器對弱小泄漏具有良好的檢測效果.
