氣體泄漏超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

　　目前,工業(yè)上和生活中均大量用到用于儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計(jì),工業(yè)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(huì)造成能源的浪費(fèi),而且如果是有害氣體的話,還會(huì)對(duì)空氣造成污染。因此,準(zhǔn)確地判斷和定位產(chǎn)生泄漏的位置,對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重大的意義。
　　傳統(tǒng)的泄漏檢測(cè)方法如絕對(duì)壓力法、壓差法、氣泡法等,操作復(fù)雜并且對(duì)技術(shù)人員要求較高,而且不具有實(shí)時(shí)性。目前,工業(yè)上廣泛利用泄漏產(chǎn)生超聲波的原理來進(jìn)行泄漏檢測(cè)。利用超聲波檢測(cè)氣體泄漏位置,不僅方法簡(jiǎn)單,而且準(zhǔn)確可靠?；诖?本文研究并設(shè)計(jì)了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。
1 檢測(cè)原理
1.1氣體泄漏產(chǎn)生超聲波
　　如果一個(gè)容器內(nèi)充滿氣體,當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時(shí),由于內(nèi)外壓差較大,一旦容器有漏孔,氣體就會(huì)從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí),沖出氣體就會(huì)形成湍流,湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波,如圖1所示。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān),漏孔較大時(shí)人耳可聽到漏氣聲,漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時(shí),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(hào),其強(qiáng)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(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號(hào),用此信號(hào)判斷泄漏位置相當(dāng)簡(jiǎn)單。

1.2 聲壓與泄漏量的關(guān)系
　　泄漏超聲本質(zhì)上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點(diǎn)壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級(jí)L。著名學(xué)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(jí)(單位:dB);D為噴口直徑(單位:mm);D0＝1mm;P0為環(huán)境大氣絕對(duì)壓力;P為泄漏孔駐壓。
　　由此可知, 在與泄漏孔的距離一定時(shí),泄漏超聲的聲壓級(jí)是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。
　　泄漏產(chǎn)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(diǎn),超聲波的能量是不同的。實(shí)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(diǎn),那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點(diǎn);如果孔徑不變,加大系統(tǒng)內(nèi)外壓差,頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點(diǎn)。但是在同一頻率點(diǎn),對(duì)于形狀相同的泄漏孔,泄漏所產(chǎn)生的超聲波的聲強(qiáng)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(dāng)泄漏孔的雷諾數(shù)用式(2)表示時(shí),在40kHz點(diǎn)聲壓與雷諾數(shù)之間的關(guān)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(xué)平均直徑。
　　由圖2可知,如果能檢測(cè)出泄漏孔附近在某一個(gè)頻率點(diǎn)的聲強(qiáng),則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對(duì)于該泄漏孔,由于它的力學(xué)平均直徑是確定的,所以這時(shí)雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關(guān)系。但是對(duì)于不同的泄漏孔,并不知道它的力學(xué)平均直徑,因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上,對(duì)于管道氣體,由于有源源不斷的氣體補(bǔ)給,管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對(duì)于工業(yè)容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器當(dāng)中的壓力變化非常緩慢,所以可以認(rèn)為在一段時(shí)期內(nèi)是恒定值。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)外壓力一定時(shí),對(duì)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(nèi)壓力;P0為環(huán)境大氣絕對(duì)壓力;T1為絕對(duì)溫度;σ＝P0/P;R為氣體常數(shù);K=,對(duì)于空氣,k=1.4,則K=2.646。
　　當(dāng)雷諾數(shù)、氣體流速知道以后,就可以反求出該泄漏孔力學(xué)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(cè)出距離泄漏點(diǎn)一定距離的超聲波在某一個(gè)頻率點(diǎn)的強(qiáng)度,再給出泄漏系統(tǒng)內(nèi)外壓力,就可以估算出氣體泄漏量。