基于嵌入式系统的超声波气体泄漏检测仪的设计

　　目前高压管道在我国工业气体存储和输送中有着广泛的应用.随着长时间的运行磨损和自然老化等原因,泄露故障时有发生[4],存在巨大安全隐患.建立气体泄露故障检测诊断系统,及时准确报告气体泄漏的位置,可以最大限度地减少经济损失和环境污染.针对这一课题的研究有着非常重大的现实意义.基于超声波传播的优点和现实应用中较高的性价比.本文将超声波传感技术和嵌入式系统进行结合,对利用超声波检测气体泄漏的可行性进行了应用研究.

　　1　测试原理

　　当高压气体泄漏时,由于内外压力差的存在,使得泄漏的流体在通过泄漏点达到管道外部时形成涡流.这个涡流就产生了振荡变化的压力或声波,它可以传播、扩散、返回泄漏点,并在管道内建立声场[1].泄漏产生的声波具有很宽的频谱,通常分布在6~80kHz之间.通过对泄漏气体发生的频谱进行分析我们发现,泄漏口形状的差异对泄漏声波的特性影响较大.漏孔较大时人耳可听到漏气声,当漏孔很小且声波频率大于20kHz时,人耳就听不到了.泄漏的气体在空气中传播,被称作空载超声波,如图1所示.

　　超声波是高频短波信号且具有指向性.如果将泄漏时产生的噪声作为信号源,由传感器拾取该信号,通过数据处理就可以确定泄漏的位置.

　　2　系统设计

　　2.1　整体设计方案

　　由高压气体泄漏产生超声波的原理知,气体泄漏产生的噪音频谱分布较宽,通过分析发现在不同的频率点超声波的能量是不同的.通常超声波信号频率能量峰值一般在40kHz左右范围内,这也是我们选择超声波传感器中心谐振频率的依据[2].利用超声波传感器快速捕捉空载超声波,经过放大、滤波,整形电路后送入C8051F120单片机进行模数转换[3],处理后的数据经过FFT运算后送到LCD显示[4],通过分析频谱特性确认泄露是否为真,若为真则声光电路进行报警提醒.键盘作为辅助设备可用于启动或关闭检测仪、结束报警等.整体设计方案如图2所示.

　　2.2　硬件电路设计

　　2.2.1　信号放大电路设计

　　因为超声波传感器的输出电压范围通常为0~10mV[5],而C8051F120单片机进行AD转换的内部基准电压为2.4V,所以要达到模数转换的要求就要先对信号进行必要的放大.图3中U1A放大倍数为20倍,U1B的放大倍数可调,两级放大电路最大可放大1 500倍.在实际应用中,考虑到传感器在将声信号转换成电信号的过程中输出信号并不是十分稳定,所以在电路中设计多处交流耦合电路,利用电容的隔直作用,使脉动直流变得相对稳定.信号放大电路如图3所示.

　　2.2.2　带通滤波电路设计

　　考虑到超声波信号频率能量峰值一般在40kHz左右范围内,令带通滤波器的中心频率f0=40kHz,带宽Δf=kHz,通带中心角频率ω0处的电压放大倍数Au0=-10,品质因数为Q,取C1=C2=C=500PF,由关系式(1)~式(4)可确定出对应电阻R8、R9、R10的值: