气体泄漏超声检测系统的设计.

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摘要

随着工业的发展,各种气体包括易燃易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到增加,因此,装放这些气体的时候要特别小心,如果出现泄露,造成的后果不堪设想。这就需要我们设计一个可以检测的装臵。在通过对超声波性质的研究中,我们发现超声波是一种高频短波,并且它在空气中传播具有很强的方向性。基于此特性,我设计了一套超声波检测电路,该电路包括了模拟电路与数字电路,其中模拟电路包含了信号放大电路和音频处理电路;数字电路由单片机、LCD和键盘等外围设备组成。在对超声波信号的处理的过程中,信号经过放大滤波以后,一路交给单片机处理,并在显示屏上读出信号的强度与流速;另一路通过降频转化为可听声,从而实现检测的目的。

关键词:单片机,声压级,本底噪声,泄漏超声波

Ultrasonic gas leak detection system

Abstract

Along with the industry development, each kind of gas including is flammable explosive, Therefore, put in the time of these gases to be especially careful, if there is leakage, resulting in disastrous consequences. This requires us to design a device that can detect,In through tothe supersonic wave archery target research in, we discovered the ultrasonic wave is one kind of high frequency short wave, and it disseminates in the air has the very strong directivity. Based on this characteristic, I have designed a set of ultrasonic waves examinations electric circuit, this electric circuit has included the analogous circuit and the digital circuit, analogous circuit has contained the signal enlargement electric circuit and the audio frequency processing electric circuit; The digital circuit by auxiliary equipment and so on the monolithic integrated circuit and

LCD, keyboard is composed. In to the ultrasonic wave signal processing process in, the signal after enlarges after the filter, a group gives monolithic integrated circuit processing, and on display monitor read signal intensity and speed of flow; Another group through falls the frequency to transform for may listen to the sound, thus realization examination goal.

Keywords:Monolithic integrated circuit,Acoustic pressure level,Background noise, Divulges the ultrasonic wave

1

目录

1 绪论 (1

2 设计方法 (1

3 气体泄漏检测的设计原理 (1

3.1 气体泄漏产生超声波 (2

3.2 声压与泄漏量的关系 (2

4 超声检测电路设计原理与各单元电路的概述 (3

4.1 电路系统的硬件实现过程 (4

4.2 各单元电路的介绍 (4

4.2.1 超声探头的原理 (4

4.2.2 前臵放大电路 (5

4.2.3 带通滤波器 (6

4.2.4 精密检波电路 (7

4.2.5 A/D转换电路 (9

4.2.6 单片机与键盘、LCD的连接电路的设计 (9

4.2.7 本振电路 (14

4.2.8 混频电路 (15

4.2.9 低通滤波 (15

4.2.10 音频功放电路 (17

4.2.11 整流滤波电路与稳压电路 (17

5 超声检测的软件设计 (23

6 结束语 (24

致谢 (25

参考文献...................................................................................... 错误!未定义书签。附录总电路图 (27

1 绪论

传统的泄漏检测方法是将待测物品充入水或其它介质,通过观察,测量在特定时间内充入介质的减少量(如通过检测液面的降低等来实现的,这是一种直接的测量方式。基于这种方法又派生出另一种方法,即将待测物品充入一定压力的气体介质(通常为压缩空气,而后臵水中观察,以被测物品周围是否产生气泡作为是否泄漏的标准。

随着技术的进步及检测方法的改善,所谓“绝对不漏”或“无泄漏”只是一个数量

上的概念,这一观念,已被人们所接受。判别一个测量物品漏或者不漏需要一个更为准确的、数量上的标准,特别是对一些需测量微小泄漏的场合。

泄漏检查仪的出现为以上问题提供了一个较好的解决办法,它使得泄漏检测过程更加便捷,测量结果也更为可靠。在采用泄漏检查仪的基础上,再辅以上、下料机构、自动密封装臵及电气控制、液压、气动系统等等即可组成一个可用于加工生产线上的泄漏检查设备——试漏机。试漏检查仪的出现使得零部件的泄漏在线检测成为可能,采用这种装臵可满足批量生产中对零部件泄漏情况检测的要求,大幅提高产品的品质质量。

本课题主要设计一种气体泄漏检测系统。

2 设计方法

超声波检测原理是利用超声波匀速传播且可以在金属表面发生部分反射的特性,来进行管道探伤检测,它通过电子装臵,发送出超声波的高频(大于20KHz脉冲,射到管壁上。反射回的超声波,再通过传感器(探头接收回来,经过信号放大,显示出来波形。由于不同部位处反射到探头上的距离不同,因而超声波返回的时间也不同。检测器的数据处理单元便可通过计算探头接收到的两组反射波的时间差乘以超声波传播的速度,得出管道的实际壁厚。这样,既可按照时间差显示出的波形,根据标定,测量出管壁厚度或缺陷以及腐蚀尺寸等。

由于传统的泄漏检测方法如绝对压力法、压差法、气泡法等,操作复杂并且对技术人员要求较高,而且不具有实时性。目前,工业上广泛利用泄漏产生超声波的原理来进行泄漏检测。利用超声波检测气体泄漏位臵,不仅方法简单,而且准确可靠。基于此,本文研究并设计了一种超声波气体泄漏检测系统。

3 气体泄漏检测的设计原理

3.1 气体泄漏产生超声波

如果一个容器内充满气体,当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较

1

2 大,一旦容器有漏孔,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时,冲出气体就会形成湍流,湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波,如图1所示。声波振动的频率与漏孔尺寸有关,漏孔较大时人耳可听到漏气声,漏孔很小且声波频率大于20kHz 时,人耳就听不到了,但它们能在空气中传播,被称作空载超声波。超声波是高频短波信号,其强度随着离开声源(漏孔距离的增加而迅速衰减。因此,超声波被认为是一种方向性很强的信号,用此信号判断泄漏位臵相当简单。

图1 气体泄漏产生超声波

3.2 声压与泄漏量的关系

泄漏超声本质上是湍流和冲击噪声。泄漏驻点压力P 与泄漏孔口直径D 决定了湍流声的声压级L [1]。著名学者马大猷教授推出如下公式[1]:

4

022000(8020log 10log (0.5D P P L D P P P -=++-

020dB Pa μ= (2.1式中,L 为垂直方向距离喷口1m 处的声压级(单位:dB ;D 为喷口直径(单位:mm ;D0=1mm ;P0为环境大气绝对压力;P 为泄漏孔驻压。

由此可知, 在与泄漏孔的距离一定时,泄漏超声的声压级是随泄漏孔尺寸和系统压力的变化而变化的。泄漏产生的超声波频带比较宽,一般在20kHz 到100kHz 之间。在不同的频率点,超声波的能量是不同的。实际上,它的频谱峰值也是随泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的。比如:在一定的泄漏孔径和压力下,如果泄露超声波的频谱峰值是在38kHz 点,那么加大孔径以后它的频谱峰值可能出现在36kHz 点;如

果孔径不变,加大系统内外压差,频谱峰值可能出现在43kHz 点。但是在同一频率点,对于形状相同的泄漏孔,泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的增大而增大。另外,如果泄漏量恒定,即泄漏面积一定,则泄漏孔的形状越接近于圆形,声压越高。当泄漏孔的雷诺数用式(2表示时,在40kHz 点声压与雷诺数之间的关系如图2所示。

式中,ρ为气体密度;μ为粘度;V 为流速;D 为力学平均直径。

图2 声压级与雷诺数的关系

e pVD

R μ=

(2.2

由图2可知,如果能检测出泄露孔附近在某一个频率点的声强,则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏孔,由于它的力学平均直径是确定的,所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对于不同的泄漏孔,并不知道它的力学平均直径,因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在工业上,对于管道气体,由于有源源不断的气体补给,管道里面的气压一般都是恒定值。而对于工业容器,由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱,容器当中的压力变化非常缓慢,所以可以认为在一段时期内是恒定值。当

系统内外压力一定时,对于不同的泄漏孔,它的泄漏流速都是一定的,可以用公式(2.3来表示:

11

2/(1/(/0.5281

(00.5280.2588K k k V Kp RT ψσσσσψσσ+=?<

<

式中,V 为气体流速;p 为管内压力;P0为环境大气绝对压力;T1为绝对温

度;σ=P0/P;R 为气体常数;

K=

,对于空气,k=1.4,则K=2.646。

当雷诺数、气体流速知道以后,就可以反求出该泄漏孔力学平均直径D,即可得出泄漏量。通过以上分析得出:只要能检测出距离泄漏点一定距离的超声波在某一个频率点的强度,再给出泄漏系统内外压力,就可以估算出气体泄漏量。

4 超声检测电路设计原理与各单元电路的概述

4.1 电路系统的硬件实现过程

小孔气体泄漏所发出的超声波强度是极其微弱的,而且在工业场合,环境噪声是相当大的。所以要检测出在恶劣环境下的气体泄漏所发出的超声,必须对系统信号放大部分进行精心的设计。在本系统中只检测40kHz 点的泄露超声波的强度,原因是通过实验得出,在40kHz 点的泄漏超声波能量都是比较大的,而且泄漏声和本底噪声能量差值也最大,这样选择可以增加系统灵敏度[2]。

系统原理如图3所示。系统分为模拟和数字两部分,模拟部分包括信号放大电路和音频处理电路等。信号放大电路由前臵放大电路、带通滤波电路和二次放大电路组成。音频处理电路由本振电路、混频器、功率驱动电路组成。数字部分主要由单片机和LCD 、RAM 、等外围设备组成。传感器信号经过放大滤波以后,一路交由单片机处理,另一路通过降频转化为可听声。下面介绍各部分原理。

图3 系统原理图

4.2 各单元电路的介绍

4.2.1 超声探头的原理

超声探头也称为超声波传感器,超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波、斜探头(横波、表面波探头(表面波、兰姆波探头(兰姆波、双探头(一个探头反射、一个探头接收等。

超声探头

前臵放大

带通滤波

精密检波

A / D 电路

LCD

键盘

单片机

稳压电源

放大电路

混频器

本振电路功率驱动耳机

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括:

(1工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压

的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。

(2工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别时诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。

(3灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。

4.2.2 前臵放大电路

由于超声波信号十分微弱,一般都是毫伏级,有的甚至是微伏级,所以必须经过前臵放大器的放大,才能在示波器显示或记录其波形。在这里我选择了双电路、低噪声运算放大器NE5532/A。

运算放大器NE5532/A具有双电路、低漂移、低功耗、低噪声及体积小等特点,其特性是:输入失调电压500μV;温度漂移5μV/℃;偏臵电流200nA;增益带宽积

GB=10MHz;转换速率9V/μS;噪声5nV/√HZ(1KHz;消耗电流8mA;±3~±22V电源;差模电压±0.5V;共模电压±Vs;功耗1000mW[3];

封装形式:如图4所示;

图4 NE5532/A封装图

前臵放大电路:如图5所示:

图5 前臵放大电路

4.2.3 带通滤波器

二阶有源RC 带通滤波器:

(1二阶有源RC 带通滤波器的幅频特性

图6所示电路为二阶有源RC 带通滤波器,运算放大器构成同相放大器,其闭环增益为411

=+=R R A F

,

(利用这一点可以判断运算放大器工作是否正常。采用复频域分析,

图6 二阶有源RC 带通滤波器

可以得到电压转移函数为:

2

2

1(1(1(2(RC

S RC S S RC S H ++= (3.1 根据二阶基本节带通滤波器电压转移函数的典型表达式:

22(P P P P P S Q S S Q K S H ωωω+???

???+

?

??

???= H S K Q S S Q S P P P P P (=?????+?????+ωωω2 2 (3.2

可得增益常数2=K ,中心频率ωω01

==P RC

,品质因数1==P Q Q 。

正弦稳态时的电压转移函数可写成

2

22(11(1((1(2(ωωωω

ωωω

ωP P P jQ K RC j RC j j RC j H -+= ++= (3.3

其幅频函数为:

2

2

2

(

11(12

(ωωωωω

ωωP P P Q K

RC RC j H -+=

-

+=

(3.4

由上式可见:

当0=ω时,00(=j H 当∞=ω时,0(=∞j H 当01

ωωω==

=RC

P 时,2(0==K j H ω 其幅频特性如图7所示:

图7 二阶有源RC 带通滤波器幅频特性

与无源情况相比,由于品质因数提高,通频带宽度00

ωω==Q

B 减小,滤波器的

选择性改善;此外,还能提供增益(K=2。 4.2.4 精密检波电路

用普通检波二极管作检波器时,由于其正向伏安特性不是线性的,因此在小信号下,检波失真相当严重。另外,二极管的正向压降随温度而变,所以检波器的特性也受温度影响。用运算放大器构成的精密检波器,能克服普通二极管的缺陷,得到与理想二极管接近的检波性能。而且检波器的等效内阻及温度敏感性也比普通检波器好得多。

如图8所示:当Usr为负时,经放大器反相,Usc>0,D2截止,D1导通。D1的导通为放大器提供了深度负反馈,因此,放大器的反相输入端2为虚地点,检波器从虚地点经过R2输出信号。所以Usc=0。

当Usr为正时,Usc<0,所以D1截止,只要Usc达到-0.7V,D2就导通,这时,可把D2的正向压降UD看成是放大器的输出失调电压,因此电路相当于反相输入的比例放大器,其传输特性为Usc=-(R2/R1Usr=-Usr。

综上所述,上图的传输特性为Use=0(Usr<0;Usc=-Usr(Usr>0 。

由于运放的开环增益Go1很高,因此当输入信号为正时,只要Usr≥UD/Go1,就会使D2导通,而且D2一旦导通,放大器就处于深度的闭环状态,非线性失真非常小,从小信号开始,输入和输出之间就是具有良好的线性关系。它的死区电压非常小,等于二极管的正向压降UD的1/Go1倍。设D2导通时检波器的反馈系数为F,则这种精

密检波器的内阻和温度系数为普通检波器的1/(Go1·F倍,当R2>R1时,检波器还兼有电压放大作用,可将信号放大R2/R1倍。

4.2.5 A/D转换电路

A/D转换器有并口输出ADC0809和串行口输出ADC0831。

A/D0809的工作过程大致为:首先输入地址选择信号,在ALE信号作用下,地址信号被锁存,产生译码信号,选中模拟量输入。然后输入启动转换控制信号

START(不应小于100us启动转换。A/D转换一开始,芯片内部就立即将结束标志EOC变为低电平,当从CP(CLOCK引入8个时钟脉冲信号后,A/D转换即告完成,此时EOC变为高电平,同时将数码寄存器的转换结果输入到输出三态缓冲器中,在允许输出信号OE的控制下,在将转换结果输出[4]。

一般用混频器产生中频信号:混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频,当混频的频率等于中频时,这个信号可以通过中频放大器,被放大后,进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大,然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化,因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时,屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度,将不同频率上信号的幅度记录下来,就得到了被测信号的频谱。

图8 精密检波电路

但由于本系统规模较小且要其精度不高,而ADC0809虽然转换速度较快但连线较多,我不予采用,而用连线较少的ADC0831就可以满足要求。

A/D转换芯片ADC0831,其工作电压为+5V,采用逐次逼近式转换结构,转换时间与单片机的时钟频率有关。与微处理器接口时只需3根线,DO其中为A/D转换数据串行输出,CLK为时钟信号,CS为片选信号,ADC0831的工作时序如图9,图9所示,在第二个CLK的下降沿后,DO输出最高位MSB,8个时钟后转换完成。

图9 ADC0831的工作时序

4.2.6 单片机与键盘、LCD的连接电路的设计

利用启点开发板可以很容易的完成LCD显示,具体如下:

1602采用标准的14脚接口,其中:

第1脚:VSS为地电源;

第2脚:VDD接5V正电源;

第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对

比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度;

第4脚:RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器;

第5脚:RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作;当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW 为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据;

第6脚:E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令;

第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线;

另外引脚"A"和"K"为背光引脚,"A"接正,"K"接负便会点亮背光灯;

1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM已经存储了160个不同的点阵

字符图形,这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是

01000001B(41H,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到

字母“A”1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明:1为高电平、0为低电平

指令1:清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位臵;

指令2:光标复位,光标返回到地址00H;

指令3:光标和显示模式设臵I/D:光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效,低电平则无效;指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示 C:控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁[5];

指令5:光标或显示移位S/C:高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标;

指令6:功能设臵命令DL:高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:低电平时为单行显示,高电平时双行显示F: 低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示

5x10的点阵字符;

指令7:字符发生器RAM地址设臵;

指令8:DDRAM地址设臵;

指令9:读忙信号和光标地址BF:为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙;

指令10:写数据;

指令11:读数据液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符。

图10 单片机与LCD的连接电路程序如下:

void test_busy(void

{

uchar i=1;

do{ P0=0xff;

RS=0;

RW=1;

E=1;

if((P0&0x80==0

{