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摘要： 工业中和生活中，均大量用到用于储存和输送压缩气体的压力容器以及管道等。由于各种原因泄漏事故经常发生，这些泄漏不仅影响正常的生产，还造成能源浪费和经济损失。为保障气体管道等能安全运行和将泄漏事故造成的危害减少到最小需要。研究泄漏检测技术，对气体泄漏进行检测。本课题的目的，就是开发一种高精度数字式气体泄漏检测系统。该系统是利用气体泄漏产生超声波的原理，通过检测这种声波的强度，来判别压力容器或者管道泄漏的有无，并且通过研究小孔泄漏的气体动力学模型设计检测方案，来实现对气体泄漏量进行估算。利用DSP 技术实现对泄漏信号的处理和数字化功能。
泄漏所产生的超声波频带非常宽，通常在泄漏环境中包含有很多噪声，也属于泄漏所产生的声波频带范围内。系统通过检测泄漏所产生超声波一定的带宽40± 1 kHz 的信号，来避免环境噪声干扰和实现对泄漏超声信号的辨别。课题研究了泄漏系统在一定压力下，不同的泄漏孔径的气体泄漏的雷诺数和声强的关系，并在此基础上建立了泄漏量估算的数学模型。通过试验使泄漏量检测方案的可行性得到了验证，系统利用数字信号处理技术，对气体泄漏所产生的超声波强度信号进行滤波和FFT 处理及信号强度计算，并进行泄漏量的计算，和对泄漏强度等各种参数进行显示。为完善泄漏仪的产品化功能，系统还对检测到的泄漏的电信号进行降频处理实现泄漏仪的耳听判断功能。
以软件为主软硬件相结合的检漏新方法，如负压力波法基于参数估计的方法，互相关联法故障模型，滤波器法超声波放射性同位素法等。各种泄漏检测仪器仪表也不断推出，发达国家对于石油天然气管道运输中的泄漏检测问题，无论在理论还是在技术上，都作了大量的研究工作。德国学者R. Isermann和H.S iebert(1976,1977年)经过多年研究，提出将输入输出端的流量和压力信号，经过处理后进行互相关的方法。该方法能够有效地检测出较小的泄漏，提高了检测的灵敏度和准确度，并在实际应用中取得了满意的结果。对以后的研究具有较大的启发意义Digernes, T(1980年)提出了故障模型滤波器的方法，通过给出一套故障模型，其中每个模型对应于一种故障类型。用这一套模型对管道运行状态进行检测，与哪一个模型不一致就认为发生了那一类故障。该方法基于对管道及流体参数的准确测量，建立运行模型。其缺点是对仪表要求高运算量大，英国壳牌石油公司的Xue JunZhang(1992,1993年)提出了一种气体和液体管道的统计检漏法，该方法不需要建立管道动态模型。根据在管道入口和出口测量的流体压力和流量，连续计算泄露的统计概率。当泄漏确定之后，可通过测量流量和压力及其统计平均值，估算泄漏量用最小二乘法进行泄漏定位。这种统计检漏系统主要的优点是原理简单维护方便适用性好，缺点是检漏精度受仪表精度影响大，定位精度较差。随着我国管道运输业和各种加工业的发展，管道泄漏现象己成为一个日益紧迫的问题。国内在石油天然气运输中的泄漏检测问题上，也有很多学者或工程技术人员作了大量的研究工作。八十年代以来，我国一些科技人员在应力波法负压力波法管道实时模型法等方面进行了研究。近几年系统仿真也开始发展起来，文献[1](1994年)探讨了强噪声环境下地下管道泄漏噪声的检测方法。采用频谱分析技术提取信号相关特征，并使用了专门的数字处理芯片.研制出便携式应力波法泄漏检测仪，文献[2](1997年)研究管道泄露后形成多相湍射流所引发的应力波，在管壁中的传播激励提出了一系列特征，提取指标首次将神经网络引入了应力波泄漏检测领域。目前国内市场上见到的泄漏检测仪器仪表也较多;有声发射超声波及探地雷达等。但目前已成型的仪器仪表，检测的可靠性无法保证。而一些检测软件局限性大，对设备的性能检测手段要求苛刻，适应面窄并成本昂贵。而超声波探测作为无损检测的重要手段之一，在不破坏媒质特性的情况下，实现非接触性测量环境适应能力强，且与流体的化学性质无关，可实现在线测量因而可检测多种气体的泄漏。
检测技术是利用超声来进行各种检验和测量的技术，广义的讲超声检测包括超声工业检测和超声医学诊断超声工业检测包括超声工业检验和超声工业测量两个方面。超声工业检验是利用超声进行介质和部件内部缺陷的探测。其中包括金属与非金属原材料内部缺陷的探测，粘结或焊接缺陷的探测和地层缺陷的探测，通常称为超声无损探伤超声工业测量。是利用待测的与介质和状态有关的非声学量如液体的密度浓度粘度流量液位和固体的致密度晶粒度和球化旅弹性。硬度粘结强度厚度应力以及温度等与某些描述介质声学特性的超声量，如声速衰减声阻抗等之间存在的关系，通过这些超声量的测定，来分析介质的特性评价介质质量和测出某些越工程有关的参量。超声工业检测是超声应用极为广泛的一门技术广涉全部材料和机械制造业石油化工水文地质矿山勘探和开采等各领域超声工业检测在现代工业建设中，不但可以保证质量保障安全，而且业可以起到节约能源和资源降低成本提高成品率获取显著经济效益的作用。它是发展现代工业不可忽视的必不可少的技术，近二三十年特别是近十年来由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。在无损探伤测温测距流量，测量液体成分测量岩体检测等方面。新的超声检测仪表不断出现，应用领域也不断扩大。其中尤以较多的激光超声和电磁超声技术为代表，采用激光祸合超声波检测无需藕合介质也不需要精确地控制表面和换能器之间的角度(因为测试样品的表面可起换能器的作用) 。可以进行小于10gm空间分辨率的更快速和远距离非接触(无损)超声波检测。且操作简便，激光超声虽然还未普遍步入实际应用领域，但却是近年来研究较多发展较快的一项非接触射和接收技术。具有脉冲窄频带宽，可以做到很高频率较少或不受激光入射角的影响，扫描快易于作声速扫描和聚焦等特点;但因其设备庞大发射和接收灵敏度受到一定限制，激光产生超声主要是由激光作用于金属表面产生热弹性效应和烧蚀源。产生的纵波为中强横波为中空的对称指向性。此外激光超声也便于产生表面波。目前的工作重点是提高接收灵敏度，美国Johns Hopkins学材料科学工程系和Baltimore无损探测工程中心联合研制出一套激光超声无损检测系统。采用了一台脉冲Nd: Y A G激光器作为激励光源:一台连续Nd: Y A G激光作为测量源祸合到一个法布里一帕罗千涉仪。这是一个光学转换器，它使光的频率谐振腔转化成强度，调制出射腔的光强度，与多普勒位移量成比例。一个双轴反射镜扫描系统导引激光，用C形扫描显示这个方案己被美国海军警卫队接受，正在进行舰船船体检测的原理验证实验。当然激光超声波无损检测系统在使用过程中也有局限性，主要表现在其检测的灵敏度上:从样品表面进入干涉仪的光通量，越多检测的信噪比越好。在实验室里，检测样品表面被高度抛光以尽可能加大反射光的接收量然而在工作现场。
表面会发生漫反射或很脏，这对许多领域的推广应用，是临界的且大多数激光超声波系统的灵敏度在数量级上。比常规超声无损检测系统要差些，电磁超声技术在工业无损检测中，己有较多的应用并且取得较好的效果如金属材料的高温检测粗糙表面，钢轨检测板材探伤和应力测定等。电磁超声产生的基本原理为:对于非铁磁性金属材料通过电磁声换能器在其材料表面由于恒磁与涡流的作用产生洛伦兹力激发超声或者由声波引起金属表面的扰动在外磁场作用下产生表面涡流为超声波被换能器接收;对于铁磁性材料通过电磁声换能器在材料表面，不但产生洛伦兹力而且还有磁致伸缩力在强恒磁场。
下洛伦兹力起主要作用;在弱恒磁场下磁致伸缩力起主要作用电磁超声除具有非接触检测这个特点外还可通过改变换能器线圈形状便于激发包括SH波在内的各种波型日本的新日本制铁八幅制铁所的平本佑二副岛和薰池崎英二以及光制铁所的冲森麻佑己等人使用电磁超声技术测量连铸中铸坯的温度取得较好的效果超声波探测技术在工程中的应用十分广泛在压力容器以及管道检测泄漏上不需要安装和接触附加设施而且超声检测泄漏的灵敏度非常高因此超声检测是气体泄漏测量的最有效和方便的方法。
在当今信息化社会里科学技术各领域乃至社会生活各方面，离不开信号处理通信图象处理语音处理地震探测雷达与声纳生物医学自式控制等。许多学科在自身的发展过程中对数字信号处理技术的要求越来越迫切，这些要求又促进了数字信号处理学科的发展。数字信号处理在检测与仪器仪表上应用非常广泛，检测的目的是认识被测对象由于文字信号处理技术的应用许多过去难以提取的信息被提取出来，检测理论得以高效地实现。借助于数字信号处理技术中的各种变换，可以将所得信号在时域频域幅值域序域空域多个侧面进行分析，得到对被测对象得全面更深刻更本质的认识。通过识别和参数估计，能够获得用于分析或控制的过程模型和用于特征提取数据压缩的信号模型等。仪器仪表的水平决定了科学技术的发展水平，由于数字信号处理技术的应用，仪器仪表功能增强性能提高适应面，更加广泛例如在用电子轨道衡对行进中的列车进行动态称重时，叠加在重量信号上的干扰主要是车辆行进引起的振动振动频率为2.5 5Hz 略高于重量信号的宽度(列车通过轨道衡的时间)之倒数。去除干扰的方法之一，是进行低通滤波而滤波器的过渡。将必须很窄这对模拟滤波器来说，极难做到又如声强分析仪的两个输入通道要求特性完全一致。
首先泄漏系统内外压力差越大泄漏量越大，第二在本文后面的理论部分将要讲到在同样的压力下，不同的泄漏孔径所产生声波的不同频谱的强度不一样。会随孔径变化而变大或者变小而孔径越大其泄漏量也越大。第三不同的气体密度粘度等参数不一样，气体泄漏雷诺数也不一样。这一方面直接影响泄漏流速，另一方面由不一样的密度所换算成标准状态下的泄漏量也不一样。最后，环境温度湿度大气压对气体密度粘度等都有影响。因此，也影响泄漏所产生超声波的强度，从这些分析可看出，单单靠检测系统泄漏所产生的超声波强度来估算泄漏量无疑是非常片面的。因此，本课题的目的就是开发一种高精度数字式气体泄漏超声检测系统，该系统是利用气体泄漏产生超声波的原理通过检测这种声波的强度来判别压力容器或者管道泄漏的有无，并且研究小孔泄漏的超声波原理设计检测方案来实现对气体泄漏量进行估算。
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