基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统

图 =! 泄漏检测系统构成
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 9系统的前端为 # 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 9阀 门 泄 漏 时 产 生 的 声 信 号谱范围较宽 $ 能量集中在 = 在 电 路 中 设 置 带 通 滤 波 器$ 用以滤除在该频 "!# " "C ] h 9为 防 止 频 谱 混 叠 $ 段以外的低频干扰及高频干扰 9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 9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 9 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 = 信号失 " "X A9采用固定增益放大将导致放大电路饱和 $ 真 9因此 $ 在设计中 $ 5 1 信号处理器可通过增益调节电路控制放大电路增益量 9设增益量 4 的调节范围 为 4DQ 后端 * ) 则该仪器的动态范围 2Z 为 - 分辨率为 , 位二进制位 $ 4D \! W ;$
#! 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 !!F 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 # 路信号进行频谱分析后 $ 将 # 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 # G GDQ O \$ = ! # # G O < $ J" 8 > 式中 & J 为频率分辨率 ’ 8 为采样点数 $ G GDQ O 为采样频率 ’ \为所需处理信号最高频率 ’ 阀门内泄漏检测系统的 GDQ $ $ 依 据式 ! 的关 系$ 确定G $ " "C ] h J 为 "$ <C ] h ## = #C ] h 8取 \为 # O 为< 为了减小频谱的失真 $ 引入海明窗作为截取的窗函数 $ 即 =" # F点 $在数据处理过程中 $ # , & ! # %! ,#" "$ < F("$ F $ Y 7 O ; ! ,# $ ! 8 (= 8 式中 & 为海明窗 ’ 为矩形窗 $ 由于 海 明 窗 ? 旁瓣峰值小于 %! ,# ;8 ! ,# ?$ ? $ !L 的 能 量 集 中 在 窗 谱 的 主 瓣 内 $ 主瓣峰值的 =L $
"! 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& 9
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 9国外从 # 部分研究成果已经 " 世纪 $ " 年代 起 就 开 展 了 阀 门 泄 漏 检 测 技 术 的 研 究 $
#’ 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 9 基于阀门内泄漏时产 9 #$ !’ $ 笔者研制了便携式阀门内泄漏声学 检 测 仪 $ 能够有效检 生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征 &
测阀门内泄漏 9
=! 系统构成
图 = 电路分为 ! !! 泄漏检测系统构成见图 =9 个部分 ( " # 模拟部分 $ 包括电荷放大器 % 增益控 = 制电 路% 带 通 滤 波 器! " 数 字 部 分$ 主要包括 ## 真彩色! 5 1 信号 处 理 器 % # "G# F "液晶显示 器% 薄膜键盘 % 实时时钟及大容量掉电保持存储 器! " # 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 F 组电源 9
第 ! 期 !!!!!!!!!!!!!!!! 王永涛等 & 基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统
! " ! # 2Z " # " 8 4DQ 4D ,$ = #$ V \ W ;# 所以采用 = " 式! 中 的, 应 取 5 1 处理过程中需要 E 位有效的二进制位 $ $位 * - 转换器后 $ =# !! 由于在 " 则仪器的动态范围可达 = 满足应用要求 $ E位$ 4DQ 4D " "$ " EX A$ \ W ;为 =" 人机交互接口采用 ! 键盘采用 = 可输 入 # "G# F " 彩色液晶显示器 $ E 健薄膜键盘 $设置有拼 音输入 法 $ 汉字信息 $ 电路中设置有 F 4A 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 ’ 5 A接 可直接同计算机相连 $ 实现信息的传输 $ 口$ 考虑到模拟电路的电源抑制能力 $ 电源部分采用 =$ 产生 j<6 电源 供电 $ < 4] h专用开关电源芯片 $ 另外还提供 H!$ 该电源产生的 电磁 干扰较 强 $ 干扰途 径 !6 数字电源 $由于液晶显示器需要 E " "6 供电 $ 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 < "X A$
参考文献 !
( ) 沈聚泉 9通过阀门 % 管件和管线的流体运动 ( 上海科学技术文献出版社 $ = 4) 9上海 & = ? ? #& = FB= >9 ! 王精 $ ( ) 王新颖 $ 张颖 $ 等 9承压阀门内漏声学检测方法 ( ) # & # % 9大庆石油学院学报 $ # " " !$ # >! ! > "B> !9 ! 戴光 $ ( ) 戴光 $ 韩波 $ 等 9利用声学检测方法估算气体阀门的内漏率 ( ) # & ! % 9大庆石油学院学报 $ # " " <$ # ?! F > ?BE #9 ! 张颖 $
*> !*
大
庆
石
油
学
院
学
报
% &’()* +& ,*. / )01 2 3 ( & + 2 ’4/ ) 5 3 / 3’3 2
第! "卷 6 7 8 9 ! "
第!期 ) 7 9 !
# " " $年$月 % : ; 9# " " $
基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统
王永涛 !韩 ! 建 !牟海维 !全星慧
"大庆石油学院 电子科学学院 $ 黑龙江 大庆 != $ ! ! = E# 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9 !! 摘 ! 要 ! 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 9该系统采用了 # 只 压 电传感器对泄漏的声信号进行采集 $ 利用 并将泄漏谱在频域相减 $ 实现了弱小泄漏的有效检测 9 5 1 技术进行谱分析 $ 关!键!词! 内漏检测 !频谱分析 !信号处理 !阀门 中图分类号 ! " # 3 0 = = <9 # E <!!! 文献标识码 ! *!!! 文章编号 ! = " " " = E ? = # " " $ " ! " " > # " !
收稿日期 ! 审稿人 ! 牟海维 ! 编辑 ! 王文礼 # " " $ " ! " $! 黑龙江省教育厅科学技术基金项目 " # = " < F = " = < !! 基金项目 ! 王永涛 " $ 男$ 讲师 $ 主要从事电子测量仪器开发方面的研究 9 = ? > =B # !! 作者简介 ! *> #*
(
!Байду номын сангаас
#
)
!! 结束语
阀门内泄漏检测系统中 $ 在阀门处和下端放置 # 个压 电传 感器 $ 谱 分 析 后 相 减$ 不仅有效的抑制了管 而且降低了对硬件电路 的 要 求 9现 场 试 验 发 现 $ 对 于 球 阀 门 泄 漏$ 其泄露谱能量集中在# 线噪声 $ < M] h 左右 $ 且当压差一定时 $ 其泄漏量与泄漏谱振幅为双对数关系 9该仪器对弱小泄漏具有良好的检测效果 9