一种利用超声进行远程泄漏检测的设备的制作方法

1.本实用新型属于利用超声波和电子测量技术进行气体或液体泄漏检测的测试领域，涉及一种利用超声进行远程泄漏检测的设备。


背景技术：

2.生产和生活中有许多需要进行加注的场景，如图1为某加泄连接器外形及结构，加注工作完成后，首先加泄连接器内部推杆(图中标识3)后退，被加注体上的加注活门(标识1)自动关闭；加注系统再将与加泄连接器相通的加注管道(标识2)内残留加注剂抽空，加注管道由高压区变成低压区，若出现加注活门闭合不严，则会发生加注剂由被加注体向加注管道泄漏的现象，这种情况发生在加泄连接器内部，外界观测不到。由于许多加注剂为有毒或易燃易爆介质，撤除加泄连接器时若有泄漏未及时发现，轻则损毁设施设备、污染环境，重则造成人员伤亡。针对这种内泄漏难以直接观测的特性，需要有技术手段进行检测。
3.当前市面上也有许多各种各样的超声检测仪，比如手持ue9000等型号超声检测仪，虽然可以就近进行探测，但该类仪器对人员经验要求较高，对泄漏量大小的判断无定量标准，仪器选频操作过程复杂，对小流量的泄漏容易误判。关键是这种人工手持仪器就近进行检测的方式对现场操作人员而言存在安全隐患，因此需探索远程检测的可行方案。


技术实现要素：

4.为了克服现有的需要对内泄漏进行远程检测的技术难题，本实用新型提供一种利用超声进行远程泄漏检测的设备。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种利用超声进行远程泄漏检测的设备，包括前端和后端两部分：1)前端包括超声传感器、bnc接头屏蔽线、供电匹配电路、信号采集卡；2)后端为信号处理单元；3)前后端构成lan网，通过网线相连。超声传感器用于捡拾泄漏产生的超声信号，将其转换为电压信号，包括有源超声传感器和无源超声传感器，有源超声传感器内含前置放大器和数据采集卡，主要用于微弱泄漏时信号检测，无源超声传感器用于增大幅度量程范围，保证大泄漏极端情况下信号不失真；超声电压信号通过bnc接头屏蔽线输入到信号采集卡。所述的超声传感器采用铝合金外壳，具有重量轻、强度高、屏蔽效果好的特点，用于捡拾泄漏产生的超声信号，将其转换为电压信号。所述的信号采集卡具备模数转换和lan传输功能，将电压信号数字化后通过屏蔽网线将数字量远距离传输到后端处理单元。所述的供电匹配电路电路板上设有四个bnc同轴接头，分别连接到有源超声传感器、无源超声传感器和信号采集卡的对应通道，为传感器前置放大器和数据采集卡供电，解决阻抗匹配问题，提供抗混叠滤波功能。所述的后端处理单元具备数据存储、处理和显示能力，采用数字信号处理技术，可显示100khz以下信号全频段功率谱，能有效区分背景干扰噪声，还能将选定超声转换为音频，方便泄漏检测。
7.优选的，供电匹配电路包括有源通道和无源通道两部分；其中，所述的有源通道部
分元器件包括电阻r1、电感l1、电感l2、电感l3，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、bnc同轴接头w1、w2；w1用于连接有源超声传感器，w2用于连接信号采集卡通道1，bnc同轴接头w1的中心脚接电感l1的1脚，电感l1的2脚接24v电源，bnc同轴接头w1的外围脚接地，同时电容c2和电容c3正极接24v电源、负极接地，电容c1正极接w1的中心脚，电容c1的负极接电感l2的1脚，电感l2的2脚接电感l3的1脚和电容c4的1脚，电感l3的2脚接电容c5的1脚和w2的中心脚，电容c4、电容c5的2脚和w2的外围脚均接地，电阻r1的1脚接w2的中心脚，r1的2脚接w2的外围脚并接地，r1阻值为50ω，实现有源传感器和采集卡间的阻抗匹配；
8.所述的无源通道部分元器件包括电阻r2、电容c6、电容c7、bnc同轴接头w3、w4；w3用于连接无源超声传感器，w4用于连接信号采集卡通道2；电容c6的1脚接w3的中心脚，电容c6的2脚同时接电阻r2、电容c7的1脚和w4的中心脚，电阻r2、电容c7的2脚和w3、w4的外围脚均接地，电阻r2、电容c6、电容c7实现信号交流耦合并消除杂波。
9.所述供电匹配电路中电感l1电感量为40mh，电容c1电容量为16μf。所述供电匹配电路电源输出端采用40mh电感抑制交流信号。所述供电匹配电路信号输入端采用16μf电容进行交流耦合。供电匹配电路采用50ω电阻为信号采集卡提供低阻源，实现传感器和信号采集卡的匹配。供电匹配电路采用两级lc低通滤波器作为采集卡的抗混叠滤波器，带宽为100khz。
10.优选的，所述有源超声传感器灵敏度优于117dbv/(m/s)、响应带宽不低于100khz，16v～30v直流电压供电，最大输出电压峰峰值为20v。
11.优选的，所述bnc接头屏蔽线采用特征阻抗为50ω的屏蔽线，接头形式为bnc。
12.优选的，所述信号采集卡单通道独立采样率为500ks/s、16位a/d转换，量程范围
±
10.5v，lan网络传输速率优于100mb/s。
13.有益效果：
14.本实用新型涉及一种利用超声进行远程泄漏检测的设备，采用内置前放的有源超声传感器，提高捡拾微弱超声信号的能力，采用无源传感器增大幅度量程范围，保证大泄漏极端情况下信号不失真；采用成熟的模块化信号采集卡统一提供信号采集和远距离数字信号lan传输功能，兼顾了ad速率、防爆性能、网络数据传输能力、使用可靠性、底层软件支持等因素；采用供电匹配网络有效解决阻抗匹配、信号耦合等前端硬件集成难题；将处理单元后置，从而不受前端体积和负荷的约束，可提高系统存储深度、信号分析能力，前后端分离方案解决了远程检测问题，超声检测靠近泄漏点，避免超声信号传播衰减。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是典型被测器件结构图；
17.图2是本实用新型结构原理框图；
18.图3是匹配供电网络电原理图；
19.图4是供电匹配电路pcb板采用双层布线的示意图；
20.图5是软件工作界面图。
具体实施方式
21.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.实施例1：
23.如图2所示，一种利用超声进行远程泄漏检测的设备，包括前端和后端两部分，前端包括超声传感器、bnc接头屏蔽线、供电匹配电路、信号采集卡，后端为信号处理单元，具备数据存储、处理和显示能力；前后端构成lan网，通过网线相连；
24.超声传感器用于捡拾泄漏产生的超声信号，将其转换为电压信号，包括有源超声传感器和无源超声传感器，有源超声传感器内含前置放大器和数据采集卡，主要用于微弱泄漏时信号检测，无源超声传感器用于增大幅度量程范围，保证大泄漏极端情况下信号不失真；超声电压信号通过bnc接头屏蔽线输入到信号采集卡；信号采集卡具备模数转换和lan传输功能，将超声传感器的电压信号数字化后通过屏蔽网线(如stp双绞线)将数字量远距离传输到后端处理单元；供电匹配电路电路板上设有四个bnc同轴接头，分别连接到信号采集卡的对应通道和有源超声传感器、无源超声传感器，为超声传感器前置放大器和数据采集卡供电。
25.超声传感器采用两种型号，有源传感器保证微弱泄漏时信号检测灵敏度，无源传感器保证大泄漏极端情况下信号不失真。本实施例中超声传感器包括带前置放大器的有源超声传感器ch6i和无源超声传感器pxr03，其中ch6i传感器，内含前置放大器，灵敏度达到117dbv/(m/s)、等效噪声电平小于2.4μv，主要用于捡拾微弱超声信号，pxr03传感器可测超声幅度量程范围优于ch6i，可保证在超声信号较大时信号不失真，两种传感器结合完成超声信号的探测，将超声信号转换为电压信号，通过匹配电路送到信号采集卡。
26.本实施例中信号采集卡选用美国ni公司的ni9222高速数据采集卡，主要特性包括：1)良好的防爆能力；2)单通道采样率为500khz，16位a/d转换，量程范围
±
10.5v，噪声小，输入阻抗高；3)空间需求为：30cm
×
12cm
×
4cm，满足置于测量现场的需求；4)采用9～30v单电源直流供电，与有源超声传感器供电要求范围相同。该采集卡配合ni9181单槽机箱使用，具备lan口数据传输功能。
27.本实施例中模拟电压信号的传输采用bnc接头的屏蔽线，方便信号连接。
28.本实施例中将供电匹配电路进行模块化设计，实现对有源超声传感器和信号采集卡的供电、解决数据采集卡输入和传感器输出间的阻抗匹配以及采样信号的抗混叠滤波。本实施例中的供电匹配电路原理如图3所示，包括有源通道和无源通道两部分，供电匹配电路pcb板采用双层布线，在确保抗干扰性的基础上达到了小型化，如图4所示。
29.所述的有源通道部分元器件包括电阻r1、电感l1、电感l2、电感l3，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、bnc同轴接头w1、w2。bnc同轴接头w1的中心脚接电感l1的1脚，电感l1的2脚接24v电源，bnc同轴接头w1的外围脚接地，同时电容c2和电容c3正极接24v电源、负极接地，电感l1、电容c2、电容c3构成了供电通路，电感l1电感量为40mh，对于交流信
号相当于开路(在频率10khz时阻抗大于2gω，频率越高阻抗越大)，电容c2、电容c3用于消除电源纹波。电容c1正极接w1的中心脚，电容c1的负极接电感l2的1脚，电感l2的2脚接电感l3的1脚和电容c4的1脚，电感l3的2脚接电容c5的1脚和w2的中心脚，电容c4的2脚、电容c5的2脚和w2的外围脚均接地。电容c1实现信号的交流耦合，其电容量为16μf电容，对于交流信号相当于短路(在频率10khz时阻抗不到1ω，频率越高阻抗越小)；电感l2、电感l3、电容c4、电容c5构成两级lc低通滤波电路，滤除高频分量，实现抗混叠的要求。电阻r1的1脚接w2的中心脚，r1的2脚接w2的外围脚并接地，r1阻值为50ω，实现有源传感器和采集卡间的阻抗匹配。w1用于连接有源超声传感器，w2用于连接信号采集卡通道1。
30.所述的无源通道部分元器件包括电阻r2、电容c6、电容c7、bnc同轴接头w3、w4。电容c6的1脚接w3的中心脚，电容c6的2脚同时接电阻r2、电容c7的1脚和w4的中心脚，电阻r2、电容c7的2脚和w3、w4的外围脚均接地。电阻r2、电容c6、电容c7实现信号交流耦合并消除杂波。w3用于连接无源超声传感器，w4用于连接信号采集卡通道2。
31.本实施例中后端信号处理单元硬件为带lan接口的通用计算机，信号处理采用labview进行，信号处理单元嵌入采集卡控制软件、数字本振生成软件、数字带通软件、数字低通软件、数字混频软件、功率谱计算软件等，搭建起完整测试系统，支持对两路信号(两个传感器)的同步采集，工作界面如图5所示。软件界面基本分为上下两个区域，上部以六幅图形显示为主体，称为基本显示区，下部为参数设置及功能控件，称为控制区。显示区从上至下依次为超声信号全频段功率谱、音频信号功率谱、音频信号时域波形，图形最上方显示有选择频带内信号的有效值和峰峰值。控制区作为人机接口，实现中心频率调整、输出音频通道选择/音量调整、启动/停止采集等功能。泄露检测软件具有原始数据记录功能，可以对ni9222获取的双通道500khz高速采样数据进行记录，保存为.tdms文件，该文件同时记录保存数据时的状态信息，测量时间，以电压表示的原始数据等。泄漏检测数据回放的作用是对记录的数据进行回放，重现测试过程，为事后进行深度数据分析、提取泄漏声信号特征提供技术手段。
32.本实用新型采用超声探测泄漏，解决内泄漏难以观测问题，采用前后端设计，简化前端，通过lan网络传输，解决远程探测难题；通过一个40mh的电感给传感器供电，这种设计对于超声波信号，直流通路阻抗高达2gω，对比交流通路相当于开路，不影响信号阻抗匹配；匹配网络采用两级lc低通滤波器作为采集卡的抗混叠滤波器，带宽为100khz，50ω电阻为信号采集卡提供低阻源；供电匹配电路一体化使得板卡小型化，便于前端安装测试。
33.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
34.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些
修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种利用超声进行远程泄漏检测的设备，包括前端和后端两部分，其特征在于：前端包括超声传感器、bnc接头屏蔽线、供电匹配电路、信号采集卡，后端为信号处理单元，具备数据存储、处理和显示能力；前后端构成lan网，通过网线相连；超声传感器用于捡拾泄漏产生的超声信号，将其转换为电压信号，包括有源超声传感器和无源超声传感器，有源超声传感器内含前置放大器和数据采集卡，主要用于微弱泄漏时信号检测，无源超声传感器用于增大幅度量程范围，保证大泄漏极端情况下信号不失真；超声电压信号通过bnc接头屏蔽线输入到信号采集卡；信号采集卡具备模数转换和lan传输功能，将超声传感器的电压信号数字化后通过屏蔽网线将数字量远距离传输到后端处理单元；供电匹配电路电路板上设有四个bnc同轴接头，分别连接到有源超声传感器、无源超声传感器和信号采集卡的对应通道，为超声传感器前置放大器和数据采集卡供电。2.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：供电匹配电路包括有源通道和无源通道两部分；其中，所述的有源通道部分元器件包括电阻r1、电感l1、电感l2、电感l3，电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、bnc同轴接头w1、w2；w1用于连接有源超声传感器，w2用于连接信号采集卡通道1，bnc同轴接头w1的中心脚接电感l1的1脚，电感l1的2脚接24v电源，bnc同轴接头w1的外围脚接地，同时电容c2和电容c3正极接24v电源、负极接地，电容c1正极接w1的中心脚，电容c1的负极接电感l2的1脚，电感l2的2脚接电感l3的1脚和电容c4的1脚，电感l3的2脚接电容c5的1脚和w2的中心脚，电容c4、电容c5的2脚和w2的外围脚均接地，电阻r1的1脚接w2的中心脚，r1的2脚接w2的外围脚并接地，r1阻值为50ω，实现有源传感器和采集卡间的阻抗匹配；所述的无源通道部分元器件包括电阻r2、电容c6、电容c7、bnc同轴接头w3、w4，w3用于连接无源超声传感器，w4用于连接信号采集卡通道2；电容c6的1脚接w3的中心脚，电容c6的2脚同时接电阻r2、电容c7的1脚和w4的中心脚，电阻r2、电容c7的2脚和w3、w4的外围脚均接地，电阻r2、电容c6、电容c7实现信号交流耦合并消除杂波。3.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：信号处理单元硬件为带lan接口的通用计算机。4.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：所述有源超声传感器灵敏度优于117dbv/(m/s)，等效噪声电平小于2.4μv。5.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：所述无源超声传感器可测超声幅度量程范围优于有源超声传感器ch6i。6.根据权利要求4或5所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：超声传感器采用铝合金外壳。7.根据权利要求2所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：所述供电匹配电路中电感l1电感量为40mh，电容c1电容量为16μf。8.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：所述信号采集卡的单通道独立采样率为500ks/s、16位a/d转换，量程范围
±
10.5v。9.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：所述bnc接头屏蔽线采用特征阻抗为50ω的屏蔽线，接头形式为bnc。10.根据权利要求1所述的利用超声进行远程泄漏检测的设备，其特征在于：lan网络传
输速率优于100mb/s。

技术总结
本实用新型属于电子测量技术领域，具体涉及一种利用超声进行远程泄漏检测的设备，包括：超声传感器、BNC接头屏蔽线、供电匹配电路、信号采集卡、网线、以及计算机。采用超声探测泄漏，解决内泄漏难以观测问题，采用前后端设计，简化前端，通过LAN网络传输，解决远程探测难题；通过一个40mH的电感给传感器供电，这种设计对于超声波信号，直流通路阻抗高达2GΩ，对比交流通路相当于开路，不影响信号阻抗匹配；匹配网络采用两级LC低通滤波器作为采集卡的抗混叠滤波器，带宽为100kHz，50Ω电阻为信号采集卡提供低阻源；供电匹配电路一体化使得板卡小型化，便于前端安装测试。便于前端安装测试。便于前端安装测试。


技术研发人员：张俊华 何文兵 王超 司美琦 赵本义 陈钦碧 芦小刚 胡松柏 刘贵斌 王李鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军63620部队
技术研发日：2021.11.08
技术公布日：2022/4/15