基于聲譜分析的閥門內泄漏檢測系統(tǒng)
基于閥門內泄漏時產生的泄漏量與泄漏時湍流產生的聲發(fā)射特征,研制了便攜式閥門內泄漏聲學檢測儀.闡述了基于聲學的閥門內泄漏檢測系統(tǒng),通過檢測閥門內泄漏產生的泄漏譜估算了閥門的泄漏量. 該系統(tǒng)采用了2 只壓電傳感器對泄漏的聲信號進行采集,利用DSP 技術進行譜分析,并將泄漏譜在頻域相減,實現(xiàn)了弱小泄漏的有效檢測.
引言
工業(yè)閥門在自動化控制、石油、化工、電站、冶金等領域應用越來越廣泛,自動化程度也越來越高.由于閥門使用量大、開閉頻繁,或使用維修不當,經常發(fā)生跑、冒、滴、漏現(xiàn)象,尤其內漏易于引發(fā)重大事故,帶來不可估量的損失. 國外從20 世紀60 年代起就開展了閥門泄漏檢測技術的研究,部分研究成果已經得到了廣泛應用. 目前,我國在這方面還只是處于理論研究階段,沒有實用的產品. 基于閥門內泄漏時產生的泄漏量與泄漏時湍流產生的聲發(fā)射特征,筆者研制了便攜式閥門內泄漏聲學檢測儀,能夠有效檢測閥門內泄漏.
1、系統(tǒng)構成
圖1 泄漏檢測系統(tǒng)構成
泄漏檢測系統(tǒng)構成見圖1. 圖1 電路分為3個部分:
(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(shù)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、實時時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.
小孔泄漏時產生的聲發(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)境下的閥門內泄漏所發(fā)出的聲信號,必須對系統(tǒng)模擬信號放大部分進行精心設計. 系統(tǒng)的前端為2 個壓電傳感器,其中一個用于檢測閥門泄漏時湍流產生的聲信號,另一個用于檢測管線背景噪聲. 閥門泄漏時產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. 閥門泄漏量的變化范圍很大,產生的信號強度變化范圍超過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 信號處理器可通過增益調節(jié)電路控制放大電路增益量. 設增益量G的調節(jié)范圍為Gmax～Gmin ,后端A/D分辨率為n 位二進制位,則該儀器的動態(tài)范圍Df 為
由于在DSP 處理過程中需要8位有效的二進制位,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,則儀器的動態(tài)范圍可達108 dB ,滿足應用要求.人機交互接口采用320 ×240 彩色液晶顯示器,鍵盤采用18 健薄膜鍵盤. 設置有拼音輸入法,可輸入漢字信息. 電路中設置有4 MB 大容量存儲器及實時時鐘,可對閥門數(shù)據(jù)記錄. 另外,該儀器采用USB 接口,可直接同計算機相連,實現(xiàn)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 專用開關電源芯片,產生±5 V電源供電.另外還提供+ 3.3 V數(shù)字電源. 由于液晶顯示器需要800 V 供電,該電源產生的電磁干擾較強,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
由于閥門安裝管線易受干擾振動,雖然采用了有源模擬濾波電路,但在通帶內的管線振動噪聲仍然會被放大采集,影響泄漏量的估算. 當泄漏較小時,泄漏產生的聲信號幅度很小,信號完全被管線噪聲淹沒.將一個壓電傳感器安裝在距離閥門3～4 個管線直徑處,另一個壓電傳感器安裝在同側較遠處. 在儀器中,分別對2 路信號進行頻譜分析后,將2 個頻譜相減,得到的頻譜即為泄漏譜. 利用該泄漏譜估算閥門的泄漏量.
根據(jù)采樣定理、信號處理實時性及分辨率的要求,其關系為
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為采樣點數(shù).閥門內泄漏檢測系統(tǒng)的fmax為200 kHz , F 為0.5kHz ,依據(jù)式(2) 的關系,確定f 為512kHz , N 取1024點. 在數(shù)據(jù)處理過程中,為了減小頻譜的失真,引入海明窗作為截取的窗函數(shù),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
閥門內泄漏檢測系統(tǒng)中,在閥門處和下端放置2 個壓電傳感器,譜分析后相減,不僅有效的抑制了管線噪聲,而且降低了對硬件電路的要求. 現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn),對于球閥門泄漏,其泄露譜能量集中在25 KHz左右,且當壓差一定時,其泄漏量與泄漏譜振幅為雙對數(shù)關系. 該儀器對弱小泄漏具有良好的檢測效果.
