CN109555978A - 一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，法兰接头为一对法兰盘通过螺栓紧固形成可拆卸连接，法兰盘密封面间采用衬垫密封；超声发声器支座为1/4扇环结构，采用螺栓连接安装于法兰盘外圆，4组超声发声器支座沿法兰盘外圆均布，超声发声器数目由法兰盘直径确定；超声发声器为圆柱空腔发声结构，超声发声器的进气口开设一斜切开口，开口位于靠近法兰密封面端；至少4组窄频段超声波传感器，其安装位置在超声发声器斜切开口的正前方，信号处理模块与超声波传感器的输出端连接。本发明装置可实现对泄漏流量下限1.0L/min的小泄漏进行智能监测报警及泄漏定位，将法兰泄漏失效控制在早期，避免大量泄漏造成的经济损失和安全隐患。

Description

一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置

技术领域

本发明涉及结构部件气密性测试技术领域，具体涉及一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置。

背景技术

法兰连接或法兰接头是管路、管件、阀门、仪表、设备等实现自身以及相互连接的最常见、最终要的连接形式，法兰接头是通过紧固螺栓、法兰盘、密封垫片三者相互连接作为一组组合密封结构的可拆连接。法兰接头的操作工况非常复杂，在操作工况下法兰接头需要承受螺栓预紧载荷、介质压力、温度以及管系产生的附件弯矩和附加轴向力等载荷作用。垫片是实现法兰密封的核心部件，垫片密封需要足够的螺栓预紧力保证法兰和垫片之间保持足够的摩擦力以防止法兰之间的垫片不被吹出。此外由于法兰接头自身的结构特定，法兰接头对螺栓预紧力具有很强的依赖性，当螺栓预紧力减少到管路系统的压力时，法兰接头很可能出现失效的工作状态，给整个管路系统带来突显的运行干扰。

法兰接头主要依靠连接螺栓的预紧力达到足够的密封比压来组织被密封流体的外泄。在运行工况下，法兰接头很少因强度不足而产生破坏，更多的是因密封不良导致的“跑、冒、滴、漏”现象。根据泄漏的发生形式，法兰接头泄漏一般可以归纳为渗透泄漏、界面泄漏和破坏泄漏等类型。渗透泄漏是指通过垫片本身的泄漏，垫片材料本身组织疏松，致密性较差，组织纤维之间存在微观缝隙，当接触面两侧存在温度差、流速差、浓度差及压力差时，介质会通过纤维之间微观缝隙向低势能一侧泄漏。界面泄漏是指垫片和法兰密封面间发生的泄漏，是法兰泄漏的主要类型。螺栓预紧力不足、法兰表面粗糙度选择不合理、管道热变形或机械变形等原因均可造成垫片与法兰密封面之间接触不严而发生泄漏。此外，垫片的塑性变形、材料老化、回弹力下降等因素也会造成垫片和法兰密封面之间接触不够严密而发生泄漏。破坏泄漏本质上也是一种界面泄漏，主要包括法兰的不对中、垫片材料的压溃、腐蚀、垫片尺寸不正确及垫片被挤出等情况。

法兰的泄漏一般不易被发现，操作人员在巡检时对法兰泄漏的判断主要依靠望、闻、摸等方式，工作量繁重而且不安全。如果其内部为有毒有害、高温气体介质，可能会对操作人员造成人身伤害，因此需要及时发现泄漏并采取相应措施。目前，法兰泄漏检测主要采用红外热像仪，但部分法兰外壳为光亮铁皮或不锈钢，其发射率低反射率高，容易将附近的高温辐射源反射进红外热像仪，从而造成严重干扰；如果法兰密封为高压气体，其泄漏会有液态转化为气态，从而吸热表现为泄漏部位局部低温；此外，红外热像仪应放置与阴凉处，避免阳光照射对测量结果的干扰。除红外热像仪之外，采用卡箍式“包袋法”对法兰进行泄漏介质进行收集，再通过传感器实时测量的技术也开始初步应用。

申请公布日2018年01月16日，申请公布号为CN108364283A的中国发明专利申请中，公开了“一种机泵密封泄漏监测与定位方法”，包括视频监控摄像头，安装在机泵密封对立面；视频采集器，获取泄漏监测点的视频信号并将其转换成数字信号输送至交换机，进而变送至集成监测服务器进行存储与备份，依托泄漏在线监测软件实现机泵密封泄漏在线监测。技术方案理论上可以实现通过视频监控摄像头寻找泄漏点，但如何得到灰度差值滤波矩阵以及图像识别灵敏度的阈值进而确定机泵泄漏难度很大；该技术要求摄像头具有足够的清晰度能够捕捉泄漏点的视频信号；要实现对机泵的全方位检测，摄像头需求量较大，价格昂贵。

授权公布日2017年05月26日，授权公告号为CN106959194A的发明专利申请中，公开了一种“用于螺栓法兰接头的泄漏监测方法”。该装置通过多个螺栓、垫圈、螺母将上法兰和下法兰结合在一起形成而构成密封空间，上法兰和下法兰之间设置有压紧垫片，采用温度计测量密封空间内温度，通过压力表测量密封空间内压力，通过光纤传感器测量螺栓受到拉力时的长度变化，通过光纤解调器接收光纤光栅传感器信号并计算得到总螺栓力，进而通过螺栓力与泄漏量关系式推算出泄漏率。技术方案理论上可以通过温度、压力和螺栓力的测量实现对螺栓法兰接头的泄漏监测，但该测量装置只能适用于密封空间的法兰，对于由于法兰密封面损伤造成的微量渗漏很难迅速引起温度、压力变化，且不会引起螺栓力的变化。对于连续输送介质管路法兰，由于微量泄漏引起的温度、压力和螺栓力的变化不明显。

授权公布日2016年12月28日，授权公告号为CN106764458A的发明专利申请中，公开了“法兰泄漏监测装置及高能管网法兰泄漏监测调控系统”，本发明所述的法兰泄漏监测装置采用气囊式设计，将法兰包裹在内部，形成密闭的测漏腔体，通过监测腔体内的温度、压力、湿度变化来分析法兰的泄漏状态。该技术需要对每个法兰安装气囊且要求严格保证气囊的密封性以防止泄漏气体从气囊内泄漏到大气中；此外，如果法兰发生持续大规模泄漏，泄漏介质会迅速充满气囊，存在一定安全隐患。当泄漏发生后，需要及时清理掉气囊内积留的气体以便后续的检测。

综上所述，上述几种技术方案所涉及的泄漏检测方法虽然理论上能够实现对法兰泄漏的检测，但其自身存在的技术不足使其使用条件和适用范围受到了一定的限制。

本发明是对申请人在先申请：申请公布日2018年10月16日，申请公布号为CN108662272A，名称为一种基于超声固频设计的安全阀内泄漏在线监测装置的中国发明专利，在同一背景技术下的不同技术方案。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是针对法兰泄漏检测现有的技术不足，提供一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，当法兰密封面出现介质泄漏时，泄漏介质从泄漏狭缝高速喷出，进入到超声发声器腔体内，高速流体流经超声发声器能够激发出特定频率的超声信号，多组窄频段超声波传感器捕捉到该超声信号后送至基于DSP的超声信号采集处理模块，DSP超声信号采集处理模块对特征信号分析处理即可实现泄漏有无的检测并可根据每组窄频段超声波传感器的超声信号到达时延差实现泄漏定位。在使用前通过标定中心频率32.7kHz的超声波传感器信号总声压级OSPL与泄漏流量关系，即可推导出泄漏产生超声信号总声压级OSPL对应的泄漏流量。该装置可实现对泄漏流量下限1.0L/min的小泄漏进行智能监测报警，及时发现法兰接头早期的泄漏失效，避免大量泄漏造成的经济损失和安全隐患。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，包括：

法兰接头，其由一对法兰盘通过螺栓紧固形成一可拆卸的对接结构，法兰上端盖固定在第一管道外周，法兰下端盖固定在第二管道外周，所述第一管道与第二管道通过所述法兰接头密封对接；所述法兰上端盖和法兰下端盖外周之间预留一向外敞开的平行间隙，所述平行间隙包络在法兰密封面外周；

若干超声发声器，其覆盖设置在所述法兰上端盖的底部外周，所述超声发声器为圆柱空腔发声结构，各个所述圆柱空腔的分布平面与法兰密封面平行；所述超声发声器的圆柱空腔壁面入口处开设一斜切开口，所述斜切开口部分与所述平行间隙对准，且所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线在高度上偏置一定距离；

若干组超声波传感器，其安装在所述超声发声器斜切开口正前方，所述超声波传感器与所述超声发声器一一对应，所述超声波传感器的输出端连接至信号处理模块。

优选的，所述法兰接头为凹凸面法兰、平面法兰、突面法兰和榫槽面法兰中的一种，一对所述法兰盘通过螺栓装配成一体，所述法兰上端盖和法兰下端盖之间的密封面通过一密封衬垫密封。

优选的，所述超声发声器通过超声发声器支座安装在所述法兰上端盖的外周侧壁上，且所述超声发声器支座的安装位置可调。

优选的，所述超声发声器和超声发声器支座分别设置有四组，且所述超声发声器与超声发声器支座一体化加工成连体结构；所述超声发声器支座为1/4扇环结构，扇环内径与所述法兰上端盖外径相同，所述超声发声器支座内周侧壁与所述法兰上端盖外周侧壁通过螺栓贴合固定，四组所述超声发声器支座覆盖分布在所述法兰上端盖外圆。

优选的，所述超声发声器的圆柱腔体内径为2.5mm～2.8mm、超声发声器径向高度4mm～6mm；所述斜切开口的径向深度为2.35mm±0.5mm、斜切开口的径向与斜切边间的角度为55°～65°，所述斜切开口指向法兰密封面反向。

优选的，所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线的偏置距离为0.3mm～0.8mm，所述圆柱空腔的轴中心线偏置在所述平行间隙上平面的上端。

优选的，所述超声波传感器对应设置有四组，所述超声波传感器通过卡箍连接固定在所述第二管道的外周，四组所述超声波传感器沿所述第二管道周向均匀分布。

优选的，所述超声波传感器位于所述超声发声器斜切开口正前方100mm～500mm位置处，所述超声波传感器包括25KHz±1KHz和32.7KHz±1KHz两个窄频段超声波传感器。

优选的，所述信号处理模块外周通过防电磁干扰层封装，所述信号处理模块通过通讯模块与远程监测设备通信连接。

优选的，所述超声发声器的斜切开口处与所述超声发声器支座连接，且所述超声发声器向所述超声发声器支座的外侧延伸；每个所述超声发声器中均匀开设有若干圆柱空腔，所述圆柱空腔的轴向与所述超声发声器支座的高度方向垂直；

所述扇环外径比扇环内径大3mm～8mm，所述超声发声器外径比所述扇环内径大至少10mm；所述超声发声器支座高度和超声发声器支座上腰形孔尺寸根据所述扇环内径进行调整。

与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：

1.超声发声器支座上开设三组腰型孔，通过螺栓固定在法兰盘外圈，能够在较大范围内调整其安装位置，且超声发声器支座与超声发声器采用一体化加工，能够在较大程度节约加工成本。

2.超声发声器的特殊结构设计能够保证法兰密封面泄漏的气体介质在25KHz频率附近产生声波波谷、32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而不会造成波峰波谷频率的移动，且发生泄漏时32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号；该技术方案发生介质泄漏时，泄漏信号具有明显区别与噪声信号的频率特征，识别精确度高；

3.本发明只需采用4组超声波传感器，且每组包含2个不同波段的超声波传感器即可完成对法兰密封面泄漏源的监测和定位，避免现有技术中通常采用全频段的超声波传感器来采集超声泄漏信号，大幅度减小了检测装置的成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中超声发声器及支座安装示意图；

图3是超声发声器及支座的立体图；

图4是超声发声器的主视图；

图5是超声发声器的后视图；

图6是超声发声器的右视图；

图7是超声发声器的俯视图；

图8是超声发声器的仰视图；

图9是法兰及超声发声器处流动示意；

图10为安装超声发声器和未安装超声发声器时法兰接头泄漏声波信号频谱曲线图；

图11为标定32.7KHz±1KHz频率范围介质泄漏量与总声压级OSPL关系视图；

图中：1为法兰上端盖，2为超声发声器支座，3为超声发声器支座紧固螺栓，4为超声发声器，5为密封衬垫，6为法兰盘紧固螺栓垫片，7为法兰盘紧固螺栓，8为法兰下端盖，9为25.0kHz±3.0kHz超声波传感器，10为32.7kHz±3.0kHz超声波传感器，11为管道，12为超声发声器连接线，13为管道卡箍，14为远程监测设备，15为DSP超声信号采集处理模块，16为超声发声器斜切开口，17超声发声器支座腰形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

如图1-8所示，本发明提供了一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，主要由法兰接头部分、超声发声器部分、DSP信号采集处理模块和远程监测设备四部分组成。法兰为被监测的主体设备，超声发声器用于产生特定频率的超声信号，DSP超声信号采集处理模块对超声信号分析处理，并通过通讯模块与远程监测设备连接实现远程监测。

法兰接头安装在管道上，法兰接头包括法兰上端盖1、密封垫片5、法兰盘紧固螺栓垫片6、法兰盘紧固螺栓7、法兰下端盖8等；所述法兰接头为凹凸面法兰、平面法兰、突面法兰和榫槽面法兰中的一种。

法兰上端盖1和法兰下端盖8通过法兰盘紧固螺栓7紧固形成一可拆卸的对接结构，法兰上端盖固定在第一管道外周，法兰下端盖固定在第二管道外周，所述第一管道与第二管道通过所述法兰接头密封对接形成连通结构。

密封垫片5通过法兰盘紧固螺栓7固定在所述法兰上端盖1和法兰下端盖8之间的密封面内，同时在所述法兰上端盖和法兰下端盖外周之间预留一向外敞开的平行间隙，所述平行间隙包络在法兰密封面外周；所述法兰下端盖8管径与所述管道11管径一致，所述法兰下端盖8通过焊接方式与所述管道11连接。具体的，过大的螺栓预紧力容易导致密封的破坏，在内外压差作用下管路内气体介质从泄漏缝隙中喷出，形成泄漏射流，最后经由平行间隙向外射出。

所述超声发声器部分包括超声发声器支座2、超声发声器支座紧固螺栓3、超声发声器4等；其中，如图3-8所示，超声发声器4覆盖设置在所述法兰上端盖的底部外周，超声发声器4为圆柱形空腔发声结构，各个所述圆柱空腔的分布平面与法兰密封面平行。

腔体内径D1：2.5mm～2.8mm、腔体长度L2：6mm-10mm，哨体高度L1：4.5～6.0mm；在进气入口端沿径向开一斜切开口16，所述斜切开口下端部分与所述平行间隙对准，使得将泄漏气体导入至斜切开口16中，且所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线在高度上偏置一定距离，具体的，所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线的偏置距离为0.5mm，所述圆柱空腔的轴中心线偏置在所述平行间隙上平面的上端。

斜切开口16的径向深度L0：2.35mm±0.5mm、径向与斜切边角度θ1：55°～65°指向法兰密封面反向。

所述超声发声器4和超声发声器支座2分别设置有四组，且所述超声发声器与超声发声器支座一体化加工成连体结构；所述超声发声器通过超声发声器支座安装在所述法兰上端盖的外周侧壁上，且所述超声发声器支座的安装位置可调。

具体的，超声发声器支座为1/4扇环结构，即周向弧度θ2＝90°，扇环内径R1与法兰盘外径相同，扇环外径R2较扇环内径R1大约3mm～8mm，超声发声器扇环外径R3较扇环内径R1大至少10mm。

所述超声发声器的斜切开口处与所述超声发声器支座连接，且所述超声发声器向所述超声发声器支座的外侧延伸；每个所述超声发声器中均匀开设有若干圆柱空腔，所述圆柱空腔的轴向与所述超声发声器支座的高度方向垂直。

超声发声器支座高度L3、腰形孔高度L4、宽度L5根据超声发声器支座内径R1及超声发声器支座紧固螺栓3型号进行调整。超声发声器支座安装时，保证所述超声发声器轴线与密封面偏置安装，偏置方向为偏离法兰密封方向，轴线与密封面偏置距离0.5mm。同时保证所述超声发声器支座内周侧壁与所述法兰上端盖外周侧壁通过螺栓贴合固定，四组所述超声发声器支座覆盖分布在所述法兰上端盖外圆。

超声发声器支座上开设三组腰型孔，通过螺栓固定在法兰盘外圈，能够在较大范围内调整其安装位置，且超声发声器支座与超声发声器采用一体化加工，能够在较大程度节约加工成本。

如图9所示，法兰密封面位置处的高速射流流体首先流入超声发声器腔体内，射流流体的不断流入导致腔体内压力升高促使射流流体方向偏转沿斜切开口向外流动；射流流体外流导致腔体内压力降低，射流流体再次流入腔体内，重复上述过程。所述斜切开口将流体压力脉动区分为腔体内压力脉动区和外部压力脉动区。所述超声发声器偏置安装保证射流流体能够首先射流至腔体内促使腔体内压力升高，为射流流体方向偏转提供外部动力源。

所述超声发声器的腔体内压力脉动区和外部压力脉动区流体脉动频率相同，但相位相反，两者共同作用产生超声信号，可以用于泄漏检测的声源。

具体的，所述超声发声器支座2和超声发声器4的材质为奥氏体不锈钢或者黄铜合金；超声发声器数目由法兰盘直径确定，所述超声发声器4所产生的超声波信号的特征频率仅与超声发声器4结构尺寸有关；所述超声发声器4在25KHz频率附近产生声波波谷、32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而不会造成波峰波谷频率的移动，即发生泄漏时32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号。

超声发声器的特殊结构设计能够保证法兰密封面泄漏的气体介质在25KHz频率附近产生声波波谷、32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而不会造成波峰波谷频率的移动，且发生泄漏时32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号；该技术方案发生介质泄漏时，泄漏信号具有明显区别与噪声信号的频率特征，识别精确度高。

所述超声波传感器9、10对应设置有四组，所述超声波传感器通过管道卡箍13连接固定在管道11的外周，四组所述超声波传感器沿所述管道11周向均匀分布。所述超声波传感器位于所述超声发声器斜切开口正前方100mm～500mm位置处，所述超声波传感器包括25KHz±1KHz和32.7KHz±1KHz两个窄频段超声波传感器。所述超声波传感器与所述超声发声器一一对应，所述超声波传感器的输出端通过超声发声器连接线12连接至DSP超声信号采集处理模块15，DSP超声信号采集处理模块15与远程监测设备14连接，实现远程监控。

本发明只需采用4组超声波传感器，且每组包含2个不同波段的超声波传感器即可完成对法兰密封面泄漏源的监测和定位，避免现有技术中通常采用全频段的超声波传感器来采集超声泄漏信号，大幅度减小了检测装置的成本。

具体的，所述25.0kHz±3.0kHz超声波传感器9、32.7kHz±3.0kHz超声波传感器10固定在管道卡箍13上，沿所述管路卡箍13周向均匀布置至少4组，所述超声波传感器安装位置在超声发声器斜切开口正前方且距离超声发声器轴线最佳距离为100mm～300mm位置处；所述管道卡箍13通过固定在管路上。

所述DSP超声信号采集处理模块安装在法兰一侧，且进行防电磁干扰封装。所述DSP超声信号采集处理模块包括：超声信号采集模块、DSP处理器模块、通讯模块等；其中超声信号采集模块包括至少4组超声波传感器，每组超声波传感器包含一个25.0KHz±3.0KHz超声波传感器9和一个32.7KHz±3.0KHz超声波传感器10、高通滤波、一级放大电路、带通滤波电路、二级放大电路和跟随电路等，本发明只需采用2个不同波段的超声波传感器即可完成对法兰接头泄漏源的监测，避免现有技术中通常采用全频段的超声波传感器来采集超声泄漏信号，大幅度减小了检测装置的成本。高通滤波实现对环境噪声滤除，一级放大电路对超声波传感器采集的超声信号进行放大，带通滤波保证超声信号频率范围在25KHz±3.0KHz和32.7KHz±3.0KHz之间，二级放大电路实现A/D转换输入信号的要求，跟随电路实现信号的稳定输出；DSP处理器模块功能包括超声信号A/D转换、25KHz±3.0KHz和32.7KHz±3.0KHz两组超声波传感器信号总声压级OSPL比较、根据信号总声压级OSPL与泄漏流量关系，计算泄漏产生超声信号总声压级OSPL对应的泄漏流量；通过对比声达时间差估计，并从中获取超声波传感器阵列中振元间的声延时(TODA)，再利用获取的声达时间差，结合已知的超声波传感器阵列的空间位置进一步定位出泄漏点位置。通讯模块实现DSP超声信号采集处理模块与主机进行远程通信、向手机推送报警信息及拨打语音电话报警等远程监测功能。

超声发声器的特殊结构设计能够保证泄漏介质在25KHz频率附近产生声波波谷、32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而不会造成波峰波谷频率的移动，且发生泄漏时32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号；该技术方案发生介质泄漏时，泄漏信号具有明显区别与噪声信号的频率特征，识别精确度高。

法兰密封面发生介质泄漏时超声发声器4产生超声信号，超声波传感器9和超声波传感器10捕捉到泄漏产生的超声信号并输送至DSP超声信号采集处理模块15；DSP超声信号采集处理模块15完成对超声信号的滤波、放大，对超声波传感器9和超声波传感器10输出的超声信号总声压级OSPL进行比较，并根据超声信号总声压级OSPL与泄漏流量关系，计算泄漏产生的超声信号总声压级OSPL对应的泄漏流量；通过对比声达时间差估计，并从中获取超声波传感器阵列中振元间的声延时(TODA)，再利用获取的声达时间差，结合已知的超声波传感器阵列的空间位置进一步定位出泄漏点位置；DSP超声信号采集处理模块15中集成的通讯模块可以实现DSP超声信号采集处理模块15与远程监测设备14通讯，向远程主机、手机等推送报警信息及拨打语音电话报警。

本实施例中，超声发声器4为圆柱形空腔发声结构，超声发声器4高度L1为4.7mm，腔体内径D1为2.7mm，腔体长度L2为8mm，气体入口位置沿径向开一斜切开口16，斜切开口16径向深度2.35mm、径向与斜切边角度62°指向进气口反向，超声发声器腔体轴线偏离法兰盘端面距离L6为0.5mm。

如图10所示，B&K 4135传声器测的得超声发声器4在泄漏流量1L/min和4L/min时声压级频域信号。超声发声器4产生的超声信号在25KHz频率附近为声波波谷、在32.7KHz频率附近为声波波峰且流量由1L/min增加至4L/min时仅波峰波谷幅值发生改变而波峰波谷频率没有发生移动，且32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号。

且从图中可看出未安装超声发声器和安装超声发生器对接收信号的区别，由此可见，安装本发明的安装超声发生器后，可以有效接收到法兰接头的泄漏噪声信号，以此判断出法兰接头是否发生泄漏、泄漏流量是多少。

如图11所示，标定流量下32.7KHz±3.0KHz频率范围泄漏流量与OSPL关系，由此可推导出泄漏产生的超声信号总声压级OSPL对应的泄漏流量，当采集到超声信号总声压级时，即可获知对应的泄漏流量。

综上，超声发声器的特殊结构设计能够保证泄漏介质在25KHz频率附近产生声波波谷、32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而不会造成波峰波谷频率的移动，且发生泄漏时32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号；该技术方案发生介质泄漏时，泄漏信号具有明显区别与噪声信号的频率特征，识别精确度高；而现有技术中，通常通过第一阶波峰和全波段总声压级来测定泄漏信号，而第一阶波峰位置会有偏移、全波段总声压级会受到背景噪声等影响，导致现有技术的测定结果不精确。

由实施例可以得出，当法兰密封面发生介质泄漏时，超声发声器可以在25KHz频率附近产生声波波谷、在32.7KHz频率附近产生声波波峰且流量变化仅改变波峰波谷幅值而波峰波谷频率没有发生移动，且32.7KHz频率附近的超声信号明显强于25KHz频率附近的超声信号。DSP超声信号采集处理模块能够识别该信号，并可以在介质泄漏时进行数据远程传输报警。通过标定32.7KHz±1KHz超声信号总声压级OSPL与泄漏流量关系，即可推导出泄漏产生超声信号总声压级OSPL对应的泄漏流量。通过对比声达时间差估计，并从中获取超声波传感器阵列中振元间的声延时(TODA)，再利用获取的声达时间差，结合已知的超声波传感器阵列的空间位置进一步定位出泄漏位置。经试验验证，本技术方案可以识别泄漏流量为1.0L/min的微小泄漏。

与现有的法兰泄漏监测方法相比，本发明“基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置”可以实现对小流量泄漏的监测，且具有远程、安全、实时在线监测的优点。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，包括：

法兰接头，其由一对法兰盘通过螺栓紧固形成一可拆卸的对接结构，法兰上端盖固定在第一管道外周，法兰下端盖固定在第二管道外周，所述第一管道与第二管道通过所述法兰接头密封对接；所述法兰上端盖和法兰下端盖外周之间预留一向外敞开的平行间隙，所述平行间隙包络在法兰密封面外周；

若干超声发声器，其覆盖设置在所述法兰上端盖的底部外周，所述超声发声器为圆柱空腔发声结构，各个所述圆柱空腔的分布平面与法兰密封面平行；所述超声发声器的圆柱空腔壁面入口处开设一斜切开口，所述斜切开口部分与所述平行间隙对准，且所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线在高度上偏置一定距离；

若干组超声波传感器，其安装在所述超声发声器斜切开口正前方，所述超声波传感器与所述超声发声器一一对应，所述超声波传感器的输出端连接至信号处理模块。

2.如权利要求1所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述法兰接头为凹凸面法兰、平面法兰、突面法兰和榫槽面法兰中的一种，一对所述法兰盘通过螺栓装配成一体，所述法兰上端盖和法兰下端盖之间的密封面通过一密封衬垫密封。

3.如权利要求2所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声发声器通过超声发声器支座安装在所述法兰上端盖的外周侧壁上，且所述超声发声器支座的安装位置可调。

4.如权利要求3所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声发声器和超声发声器支座分别设置有四组，且所述超声发声器与超声发声器支座一体化加工成连体结构；所述超声发声器支座为1/4扇环结构，扇环内径与所述法兰上端盖外径相同，所述超声发声器支座内周侧壁与所述法兰上端盖外周侧壁通过螺栓贴合固定，四组所述超声发声器支座覆盖分布在所述法兰上端盖外圆。

5.如权利要求4所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声发声器的圆柱腔体内径为2.5mm～2.8mm、超声发声器径向高度4mm～6mm；所述斜切开口的径向深度为2.35mm±0.5mm、斜切开口的径向与斜切边间的角度为55°～65°，所述斜切开口指向法兰密封面反向。

6.如权利要求5所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述平行间隙的上平面与所述圆柱空腔的轴中心线的偏置距离为0.3mm～0.8mm，所述圆柱空腔的轴中心线偏置在所述平行间隙上平面的上端。

7.如权利要求6所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声波传感器对应设置有四组，所述超声波传感器通过卡箍连接固定在所述第二管道的外周，四组所述超声波传感器沿所述第二管道周向均匀分布。

8.如权利要求6所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声波传感器位于所述超声发声器斜切开口正前方100mm～500mm位置处，所述超声波传感器包括25KHz±1KHz和32.7KHz±1KHz两个窄频段超声波传感器。

9.如权利要求8所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述信号处理模块外周通过防电磁干扰层封装，所述信号处理模块通过通讯模块与远程监测设备通信连接。

10.如权利要求9所述的基于超声发声器的法兰泄漏在线监测装置，其特征在于，所述超声发声器的斜切开口处与所述超声发声器支座连接，且所述超声发声器向所述超声发声器支座的外侧延伸；每个所述超声发声器中均匀开设有若干圆柱空腔，所述圆柱空腔的轴向与所述超声发声器支座的高度方向垂直；

所述扇环外径比扇环内径大3mm～8mm，所述超声发声器外径比所述扇环内径大至少10mm；所述超声发声器支座高度和超声发声器支座上腰形孔尺寸根据所述扇环内径进行调整。