陳文王 安兆亮 周子煒 陳繼紅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

空氣超聲波檢漏儀檢測(cè)方法*

陳文王 安兆亮 周子煒 陳繼紅 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

提出空氣超聲波檢漏儀的檢測(cè)方法，采用替代法，通過(guò)對(duì)頻率響應(yīng)、最小檢出能力和測(cè)量范圍三個(gè)參數(shù)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣超聲波檢測(cè)儀性能的評(píng)判。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于市場(chǎng)上常見(jiàn)的空氣超聲波檢測(cè)儀，該檢測(cè)方法可以有效地評(píng)判其性能。

空氣超聲波檢漏儀；檢測(cè)方法；頻率響應(yīng)；最小檢出能力；測(cè)量范圍

0 引言

工業(yè)中大量使用壓力容器進(jìn)行壓縮氣體的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，由于各種原因，容器會(huì)產(chǎn)生漏孔從而引發(fā)氣體泄漏。氣體泄漏不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，還有可能對(duì)空氣造成污染。因此，準(zhǔn)確地判斷漏孔的位置具有重要意義。目前，工業(yè)上普遍使用空氣超聲波檢漏儀對(duì)泄漏進(jìn)行定位。近年來(lái)，隨著聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空氣超聲波檢漏儀的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，已被逐漸使用在門(mén)窗的密封性檢測(cè)、漏水檢測(cè)和電氣故障檢測(cè)等領(lǐng)域[1-2]。

隨著空氣超聲波檢漏儀應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，對(duì)其進(jìn)行周期性計(jì)量的要求也日益增加。由于國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有針對(duì)空氣超聲波檢漏儀的檢測(cè)方法，因此目前對(duì)空氣超聲波檢漏儀的測(cè)試只能以生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的自測(cè)方法為依據(jù)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)其進(jìn)行全面的檢測(cè)及性能評(píng)價(jià)。本文針對(duì)空氣超聲波檢漏儀的檢測(cè)方法開(kāi)展研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣超聲波檢漏儀性能的系統(tǒng)評(píng)價(jià)，從而保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測(cè)試原理及檢測(cè)參數(shù)

1.1 原理及儀器

1.1.1 測(cè)試原理

使用替代法對(duì)空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)。利用超聲波換能器發(fā)出空氣超聲波，首先使用可溯源的自由場(chǎng)測(cè)試電容傳聲器測(cè)量空氣超聲波信號(hào)，然后在保證測(cè)試條件不變的情況下，用空氣超聲波檢漏儀替換測(cè)試電容傳聲器。通過(guò)將空氣超聲波檢漏儀測(cè)得的結(jié)果與可溯源自由場(chǎng)測(cè)試電容傳聲器測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較，完成空氣超聲波檢漏儀的檢測(cè)。

其中，自由場(chǎng)測(cè)試電容傳聲器為φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器。與其他測(cè)試電容傳聲器相比，其膜片剛性大，可覆蓋的頻率響應(yīng)更大，可滿(mǎn)足超聲波信號(hào)的測(cè)試要求[3]。測(cè)試使用的超聲波信號(hào)源為超聲波換能器組。因?yàn)閱我粨Q能器的頻率響應(yīng)狹窄，若想覆蓋幾十千赫茲的范圍，需要采用多個(gè)換能器的組合。

1.1.2 測(cè)試儀器

根據(jù)空氣超聲波檢漏儀的測(cè)試原理，可以搭建檢測(cè)裝置，如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀器連接示意圖

1）正弦信號(hào)發(fā)生器，用于控制超聲波換能器組，使其輸出測(cè)試所需的空氣超聲波信號(hào)。

2）超聲波換能器組，發(fā)出校準(zhǔn)所需的空氣超聲波信號(hào)，其輸出幅度由正弦信號(hào)發(fā)生器決定。構(gòu)成超聲波換能器組的超聲波換能器個(gè)數(shù)和中心頻率，由被測(cè)空氣超聲波檢漏儀的頻率響應(yīng)確定。

3）φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器，用于接收超聲波換能器組所發(fā)出的空氣超聲波。

4）測(cè)量放大器，用于顯示聲壓級(jí)的大小。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，需要采用替代法。當(dāng)使用φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器測(cè)量完畢后，將其替換為空氣超聲波檢漏儀，繼續(xù)測(cè)試。

1.2 檢測(cè)參數(shù)

1.2.1 頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)測(cè)試頻率的選取主要從空氣超聲波檢漏儀的用途考慮。當(dāng)氣體泄漏時(shí)，漏孔內(nèi)外的壓力差會(huì)導(dǎo)致泄漏的氣體在通過(guò)漏孔到達(dá)外部時(shí)形成渦流，這個(gè)渦流會(huì)產(chǎn)生振蕩變化的壓力或聲波。泄漏產(chǎn)生的聲波具有很寬的頻譜，通常在10 ～ 100 kHz之間[2]。

由圖2可知，本底噪聲在20 kHz以下都比較大，難以將泄漏聲與本底噪聲區(qū)分開(kāi)；在20 kHz以上的頻率范圍內(nèi)，泄漏聲可以跟本底噪聲完全區(qū)分開(kāi)。所以，在確定檢測(cè)所需的測(cè)試頻率時(shí)，應(yīng)該在20 ～100 kHz之間進(jìn)行選擇。

圖2 本底噪聲與泄漏聲聲壓關(guān)系[4]

1.2.2 最小檢出能力

最小檢出能力是儀器對(duì)于超聲波聲壓的最小穩(wěn)定檢出能力。它有助于評(píng)估在特定環(huán)境下空氣超聲波檢漏儀是否可用，是否好用。另外，根據(jù)最小檢出能力，通過(guò)式（1）可求得泄漏處的壓力[5]，從而可以估算出氣體的泄漏量。

式中：L— 與噴注垂直方向距離1 m處的聲壓級(jí)，單位為dB；

D— 噴口直徑，單位為mm；

D0— 噴口直徑參考值，通常為1 mm；

p0— 環(huán)境壓力；

p— 噴口上游壓力

1.2.3 測(cè)量范圍

測(cè)量范圍決定了空氣超聲波檢漏儀對(duì)于不同等級(jí)聲音信號(hào)的檢出能力，這是各類(lèi)儀器都具有并需要進(jìn)行測(cè)試的特性。對(duì)于聲學(xué)儀器，普遍存在聲音信號(hào)和電信號(hào)兩種測(cè)量方式[6]。聲音信號(hào)測(cè)量方式與空氣超聲波檢漏儀實(shí)際使用的方式一致，但是該種方式易受環(huán)境影響，且該種方式的可測(cè)量范圍較小。電信號(hào)測(cè)量方式通過(guò)直接對(duì)空氣超聲波檢漏儀輸入電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，可以不受環(huán)境的影響，但是需要空氣超聲波檢漏儀提供電信號(hào)的輸入端口。目前常見(jiàn)的空氣超聲波檢漏儀不都具有電信號(hào)的輸入端口。因此兩種測(cè)量方式需要配合使用。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

利用正弦信號(hào)發(fā)生器、超聲波換能器組、φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器和測(cè)量放大器搭建檢測(cè)裝置。選擇市場(chǎng)上常見(jiàn)的四款空氣超聲波檢漏儀——FH2001B、TN-2800、SDT-170和SDT-200作為測(cè)試樣品。除了TN-2800為亮燈顯示外，其他三款空氣超聲波檢漏儀均為數(shù)字顯示。

2.1 頻率響應(yīng)

根據(jù)1.1.1所述，綜合考慮泄漏聲的頻率范圍和本底噪聲的影響，測(cè)試在20 ～ 100 kHz范圍進(jìn)行，選取的頻率點(diǎn)為20 kHz、25 kHz、31.5 kHz、50 kHz、63 kHz、80 kHz和100 kHz。由于空氣超聲波檢漏儀傳感器的工作頻率通常為40 kHz，所以首先對(duì)40 kHz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)40 kHz，調(diào)節(jié)正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出，在距離超聲換能器1 m處先用φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器，測(cè)得一個(gè)固定的聲壓級(jí)，本測(cè)試中將參考值選為55 dB；然后用待測(cè)空氣超聲波檢漏儀在相同條件下進(jìn)行測(cè)試，記下此時(shí)儀器的示值。對(duì)20 kHz、25 kHz、31.5 kHz、50 kHz、63 kHz、80 kHz和100 kHz頻率點(diǎn)依次展開(kāi)以上測(cè)試。由于TN-2800無(wú)法顯示準(zhǔn)確的數(shù)字，其測(cè)試數(shù)據(jù)的參考價(jià)值較小，因此僅給出其他三款待測(cè)儀器的測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表1。

測(cè)試結(jié)果顯示，三款空氣超聲波檢漏儀在各個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)得的信號(hào)與參考值均有較大偏差，這表明對(duì)空氣超聲波檢漏儀頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)非常有必要。另外，三款空氣超聲波檢漏儀均能測(cè)得40 kHz的參考信號(hào)，而對(duì)于其他頻率的空氣超聲波信號(hào)，SDT-170完全檢測(cè)不出，而FH2001B和SDT-200僅能檢測(cè)出31.5 kHz和50 kHz的參考信號(hào)。由此可知，市場(chǎng)上廣泛使用的空氣超聲波檢漏儀其工作頻率主要集中在40 kHz處，這也與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給出的傳感器工作特性一致。由圖2可知，40 kHz的工作頻率也符合將泄漏聲與環(huán)境噪聲區(qū)分開(kāi)的要求。

綜上所述，需要對(duì)空氣超聲波檢漏儀的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行檢測(cè)。由于在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，空氣超聲波檢漏儀在40 kHz處的信號(hào)最強(qiáng)，因此檢測(cè)時(shí)使用40 kHz的空氣超聲波信號(hào)足以反映整個(gè)工作頻率范圍的情況。

表1 待測(cè)空氣超聲波檢漏儀的頻率響應(yīng)

2. 2 最小檢出能力

調(diào)節(jié)正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出，記錄在距離超聲波換能器1 m處用待測(cè)空氣超聲波檢漏儀可以穩(wěn)定測(cè)得40 kHz的最小空氣超聲波信號(hào)。當(dāng)檢漏儀示數(shù)不再變化時(shí)，表明該信號(hào)可以穩(wěn)定測(cè)得。如果示數(shù)一直改變，則需增大超聲波信號(hào)。然后用φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器在相同條件下進(jìn)行測(cè)試，記錄此時(shí)的聲壓級(jí)。由于TN-2800的靈敏度可調(diào)，所以需將其靈敏度調(diào)節(jié)到最大后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由于不同的檢漏儀設(shè)計(jì)參數(shù)不同，因此最小檢出能力的結(jié)果需要與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中規(guī)定的最小檢出值進(jìn)行比較。

表2 待測(cè)空氣超聲波檢漏儀的最小檢測(cè)能力

由表2中的數(shù)據(jù)可知，市場(chǎng)上常見(jiàn)的空氣超聲波檢漏儀能檢測(cè)到的最小聲壓級(jí)存在一定的差異。在實(shí)際的測(cè)試中，可以針對(duì)空氣超聲波檢漏儀的型號(hào)，選擇相應(yīng)聲壓級(jí)的空氣超聲波信號(hào)以測(cè)試該儀器是否能夠正常工作。

同時(shí)，根據(jù)式（1），可以由實(shí)際測(cè)得的最小聲壓級(jí)估測(cè)出泄漏量。以TN-2800數(shù)據(jù)為例，假設(shè)噴口的直徑D為1 mm，將儀器在1 m處測(cè)得的最小聲壓級(jí)32.0 dB代入式（1），取環(huán)境壓力為102 kPa，可計(jì)算出噴口上游壓力約為106.5 kPa。根據(jù)TN-2800說(shuō)明書(shū)中給出的最小流速圖（圖3）可推測(cè)，此時(shí)檢測(cè)器檢測(cè)到的空氣的最小流速在40 mL/min以上，進(jìn)而可以推算出泄漏量。

圖3 TN-2800的最小流速圖

空氣超聲波檢漏儀的最小檢出能力不僅能夠反映該儀器是否可用，還對(duì)估算泄漏量具有重要意義。因此，檢測(cè)空氣超聲波檢漏儀時(shí)，對(duì)最小檢出能力的檢測(cè)是必不可少的。

2. 3 測(cè)量范圍

對(duì)于聲學(xué)儀器的測(cè)量范圍普遍存在著聲音信號(hào)和電信號(hào)兩種測(cè)量方式。使用聲音信號(hào)法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，采用40 kHz聲音信號(hào)，先在1 m處用待測(cè)的空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行測(cè)試，以最小檢出能力對(duì)應(yīng)的示數(shù)為起始點(diǎn)，示數(shù)每改變一定的值，記錄一次，然后再用φ6.3 mm測(cè)試電容傳聲器在相同條件下進(jìn)行測(cè)試，記錄此時(shí)的聲壓級(jí)。由于不同公司制造的空氣超聲波檢漏儀，其線(xiàn)性測(cè)量范圍有可能是針對(duì)聲壓級(jí)的，也有可能是針對(duì)聲壓的，因此，為了分析方便，還需將測(cè)得的聲壓級(jí)轉(zhuǎn)換為聲壓。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

由表3可知，F(xiàn)H2001B的示數(shù)與聲壓級(jí)大致呈線(xiàn)性關(guān)系,對(duì)聲音信號(hào)的線(xiàn)性測(cè)量范圍為5～120 dB；由表4可知，SDT-170的示數(shù)與聲壓大致呈線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)聲音信號(hào)的線(xiàn)性測(cè)量范圍為20～90 dB。通過(guò)對(duì)表3和表4的數(shù)據(jù)比較可知，空氣超聲波檢漏儀對(duì)聲音信號(hào)均有一定的線(xiàn)性測(cè)量范圍，且該范圍因儀器的性能而異。因此，需要對(duì)空氣超聲波檢漏儀的聲音信號(hào)測(cè)量范圍進(jìn)行測(cè)試，以保證在實(shí)際使用中測(cè)得的超聲波信號(hào)值的準(zhǔn)確性。

對(duì)于有電信號(hào)接入端口的空氣超聲波檢漏儀，可直接將其與信號(hào)發(fā)生器相連，使用電信號(hào)確定其線(xiàn)性測(cè)量范圍。以最小檢出能力對(duì)應(yīng)的示數(shù)為起始點(diǎn)，示數(shù)每改變一定的值，記錄一次。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 FH2001B的聲音信號(hào)測(cè)量范圍

表4 SDT-170的聲音信號(hào)測(cè)量范圍

表5 FH2001B的電信號(hào)測(cè)量范圍

由表5可知，F(xiàn)H2001B的示數(shù)與電信號(hào)的有效值大致呈線(xiàn)性關(guān)系。

線(xiàn)性測(cè)量范圍是保證測(cè)量準(zhǔn)確的重要參數(shù)，且因產(chǎn)品的生產(chǎn)廠(chǎng)商而異，因此需要對(duì)空氣超聲波檢漏儀的線(xiàn)性測(cè)量范圍進(jìn)行測(cè)試。由于使用電信號(hào)檢測(cè)可以避免周?chē)h(huán)境的干擾，且更加快捷，因此在對(duì)空氣超聲波檢漏儀的測(cè)量范圍進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首選電信號(hào)法。對(duì)于不包含電信號(hào)輸入接口的空氣超聲波檢漏儀，應(yīng)采用聲音信號(hào)法進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了保證空氣超聲波檢漏結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要對(duì)空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行檢測(cè)。綜合考慮空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí)的工作原理，可以確定以下三個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)：頻率響應(yīng)、最小檢出能力和測(cè)量范圍。頻率響應(yīng)用于確定儀器是否可用，最小檢出能力用于判斷儀器是否靈敏，而測(cè)量范圍用于確定測(cè)得的數(shù)據(jù)在何種范圍可靠。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)采用替代法，且使用40 kHz的空氣超聲波信號(hào)作為參考信號(hào)。對(duì)最小檢出能力進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)也應(yīng)采用替代法，并使用40 kHz的空氣超聲波信號(hào)作為參考，同時(shí)還可以根據(jù)公式將最小檢出能力轉(zhuǎn)換為泄漏量。對(duì)測(cè)量范圍的檢測(cè)首選電信號(hào)法，當(dāng)待測(cè)儀器不包含電信號(hào)輸入端口時(shí)，可采用聲音信號(hào)法。

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Research on the test regulation of air ultrasonic detector

Chen Wenwang An Zhaoliang Zhou Ziwei，Chen Jihong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The test regulation of air ultrasonic detector is discussed in this thesis. By using the substitution method, the frequency response, minimum detection capability and linear measurement range are tested. The performance of the air ultrasonic detector is judged with this method. Based on the test results, the conclusion that this method is effective can be drew.

air ultrasonic detector ; test regulation; frequency response; minimum detection capability; linear measurement range

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局質(zhì)檢公益項(xiàng)目（201310010）