CN114894393A - 一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，包括壳体、双通道超声波接收装置、声电信号转换器、微处理器、报警器，以此构成泄露方位确定模组，另外还包括氢气传感器，以此构成泄露方位确定和浓度确定的耦合模组，其中双通道超声波接收装置包括2个超声波接收单元和调节组件，超声波接收单元设于所述调节组件上，并能通过调节组件实现超声波接收单元相对壳体的旋转和直线位移；微处理器实时将两个通道的电信号拟合为波型图，并实时将两个波型图进行相位、振幅进行对比，并发至报警器。与现有技术相比，本发明具能够便捷地用于氢气高压存储的安全性检测，可搜索并确定高压氢气泄漏源的方位和检测所在空间位点的氢气浓度。

Description

一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪

技术领域

本发明涉及气体检测领域，尤其是涉及一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪。

背景技术

氢气检测仪是一种检测氢气并测出所在空间环境中氢气浓度的仪器设备，经常被用在氢气和氢能源相关的安全检测领域，如氢燃料汽车、储氢站或加氢站、能源化工(催化加氢/脱氢)、冶金工业(金属还原)、航空航天(高能燃料)以及食品加工(油脂加氢)等领域，检测在一个完整的氢能产业链包括制氢、储氢、运输和使用中各个环节中氢气的泄漏及浓度，及时预警，防范于未然，保障人民的生命和财产安全。

氢气检测仪的工作原理随内置各种传感器的不同而有所差异，目前主流的氢气传感器主要有：半导体式、热导传感式、催化燃烧式(又叫热化学式)、电化学式以及光纤传感式等，基本都是基于仪器内部传感材料与氢气发生特定的物化反应，状态参数达到一定的阈值就会触发报警，因各种内置传感器灵敏度、检测范围及使用限制等因素，各种类型的氢气检测仪也适用于不同要求的作业场景。

氢气是一种清洁高效的二次能源载体，燃值高(1.43×10^5kJ/kg)，燃烧产物为水，绿色环保且无污染。氢气具有易燃易爆的特性，在空气中氢气爆炸极限的范围非常宽，即：4.0％～75.6％(体积分数)；另一方面，氢气是一种分子量最小的气态化学物质，密度小易扩散，为提高存储容量和运输效率，往往在特制材料的气瓶中采用高压压缩的方式，其中压缩气体压力可达35MPa，甚至70MPa，由于氢气本身的属性和极高的存储压力决定了其具有较高的危险性。高压氢气一旦发生泄漏，氢气会快速扩散到周围环境中与空气形成混合气体，此时不仅需要检测环境中氢气浓度，快速锁定及找出氢气泄漏源并阻止气体继续外泄也是非常重要的一项防患工作。传统氢气检测仪只能检测仪器所在空间点的浓度，如需要确定氢气泄漏源则需要不断移动设备进行人工搜索，不仅工作量大且没有指导性。

氢气泄漏超声波检测仪不同于传统的氢气检测仪，其定位原理是根据高压氢气泄漏时所产生的超声波定位来确定泄漏源的方位进而快速找出氢气泄漏位点。超声波是一种波长极短的机械波，其频率υ大于20000Hz，超出了人类可听声音频率范围20Hz～20000Hz，因此无法依赖人耳听音来确定声源的方位，必须借助内置有双通道超声波接收装置并配备高压氢气泄漏超声波音频库数据库的超声波检测仪，基于超声波定位原理从而能高效快速地锁定高压氢气泄漏点的方位，并及时采取补救措施。

中国专利CN206420562U公开了“一种便携式设备听音仪”，是能够将设备运行中的声音状态利用数据反映出来的人机交互装置，主要由装置本体、传声器、监听器、触控显示器、手柄和数据接口组成，该装置继承了传统听针的便利优点，克服传统听针无法甄别记录设备运行音频数据的缺点，将设备运行维护更加精细化、数据化管理，为设备的安全长效运行提供了有力的保障，其结构紧凑，便于携带，可广泛应用于各类工业企业机械、电气等设备及介质管道、容器等设施的点巡检。

中国专利CN111638160A公布了“一种高压氢气检测系统及其检测方法”，涉及气体检测领域，尤指一种高压氢气检测系统及其检测方法。检测方法包括依次连接的快速接口、减压阀、第一电磁阀、低压缓冲气罐、第二电磁阀、软管、精密流量计、第一非接触式激光颗粒物计数器、静电吸附颗粒物去除装置、第二非接触式激光颗粒物计数器、三通电磁阀，所述三通电磁阀其中一个接口还依次连接光腔衰荡光谱仪、真空泵和气袋，所述三通电磁阀的另一个接口与静电吸附颗粒物去除装置入口连通。该专利发明的高压氢气检测系统及检测方法，能够随时实现对加氢站或制氢厂需检测的高压氢气减压，然后再通过后续系统进行检测，通过汽车实现可移动式检测。

中国专利CN105445367A明公开了一种“氢气检测系统”，采用超声谐振腔传感器检测氢气浓度，利用氢气进入谐振腔，利用声波传导速度发生变化导致谐振频率的变化的特性，获取氢气浓度，灵敏度高；在各检测端和接收端设置无线传输模块，实现氢气的遥测，能实现多地点的氢气检测。

但现有的检测装置大多存在使用场景受限、检测频率受限、操作性差、结构复杂、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，能够便捷地用于氢气高压存储的安全性检测，可搜索并确定高压氢气泄漏源的方位和检测所在空间位点的氢气浓度。

在本技术方案构思伊始，申请人对现有技术中的问题进行了分析：

中国专利CN206420562U“一种便携式设备听音仪”存在以下不足：(1)所公开的便携式设备听音仪仅限于工业机械、电气设备及管道的巡检，而不能用于气体检测领域；(2)听音仪的音频范围仅限于人类可听见的声音，无法接受超声波；(3)必须将听音棒与设备接触，并用人耳听设备运转声音才能听音进行诊断，诊断效果受设备操作人员的经验影响，并且无非接触式定位功能；

中国专利CN111638160A“一种高压氢气检测系统及其检测方法”存在以下不足：(1)所公布的高压氢气检测系统及其检测方法需将快速接口、减压阀、电磁阀、流量计、低压缓冲气罐等多级配件与每一台高压储氢或制氢设备相连，投入成本高，系统构造及操作复杂；(2)主要用于检测所连储氢或制氢设备中细微颗粒物或其他杂质气体浓度，目的是检测高压氢气的纯度，而并非用于氢气浓度检测和确定氢气泄漏源；

中国专利CN105445367A“氢气检测系统”存在以下不足：(1)模块结构设计不合理，无氢气进入谐振腔后产生的谐振频率数据库，无法进行对比进而确定气体种类；(2)缺乏确定高压氢气泄漏源方位的功能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是保护一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，包括壳体、双通道超声波接收装置、声电信号转换器、微处理器、报警器，以此构成高压氢气泄露方位确定模组，另外还包括氢气传感器，以此构成泄露方位确定和浓度确定的耦合模组，其中具体地：

双通道超声波接收装置，包括2个超声波接收单元和调节组件，所述超声波接收单元能够接收环境中的超声波信号，所述调节组件连接于所述壳体上，所述超声波接收单元设于所述调节组件上，并能通过调节组件实现超声波接收单元相对壳体的旋转和直线位移；

声电信号转换器，分别与2个超声波接收单元电连接，分别将接收到的超声波信号转换为两个通道的电信号；

微处理器，分别与所述声电信号转换器和报警器电连接，所述微处理器实时将两个通道的电信号拟合为波型图，并实时将两个波型图进行相位、振幅进行对比，并终将对比的结果以电信号的形式发至报警器；

壳体内部还设有氢气传感器，所述氢气传感器与所述微处理器电连接。

进一步地，所述便携式高压氢气泄漏超声波检测仪还包括声波存储模块，所述声波存储模块与所述微处理器电连接，所述声波存储模块中存储有高压氢气泄漏所产生的特征超声波谱数据库。

进一步地，所述微处理器实时将拟合的波型图与氢气泄漏超声波谱库中的波形图进行对比，以此去除环境杂波，之后对两个波型图进行相位、振幅进行对比。

进一步地，所述报警器上设有氢气指示灯和方位指示灯。

进一步地，所述微处理器实时将两个波型图进行相位的对比：

当两个波型图存在相位差或振幅不同时，则指令氢气指示灯亮起；

当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，氢气指示灯和方位指示灯同时亮起。

进一步地，当两个波型图存在相位差或振幅不同时，2个超声波接收单元与泄露点的距离不同；

当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，2个超声波接收单元与泄露点的距离相同，此时2个超声波接收单元所指方向即为氢气泄露方位。

进一步地，所述调节组件包括依次连接的伸缩杆、万向节、连接板；

所述伸缩杆的一端与所述壳体连接，另一端与所述万向节连接；

2个超声波接收单元固定连接于所述连接板上。

进一步地，所述万向节远离伸缩杆的一端固定连接于所述连接板中部，2个超声波接收单元对称设于所述连接板两端。

进一步地，所述壳体上还设有液晶显示面板，所述液晶显示面板与所述微处理器电连接。

壳体内部还设有氢气传感器，所述氢气传感器与所述微处理器电连接。

进一步地，所述壳体内部设有电源，为上述用电单元供电。

进一步地，所述微处理器为x86架构、ARM架构、RISC-V架构处理器中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1.本发明是基于高压氢气泄漏时会伴随产生特定的超声波，利用超声波定位原理来搜索并确定高压氢气泄漏源的方位，无需气体接触，不发生物化反应，无安全风险，同时，超声波检测过程受气温等环境影响较小，性能稳定，灵敏度高。

2.本发明集成了一个声波存储模块，存储了高压氢气泄露时所产生的特征超声波音频数据库，该数据库收集了常规氢气储运设备中高压氢气泄漏时所伴随产生的特定超声波信号，是准确识别并锁定高压氢气泄露的主要依据。

3.本发明集成了高压氢气泄漏源定位功能和氢气浓度检测功能，可实现定位和定量检测双功能，相比于传统市面上功能较为单一的氢气检测仪仅能实现气体浓度检测，功能强大，原理简单；

4.本发明中的检测仪壳体采用防水、防摔、防爆等三防设计，可以减少因进水、掉落和氢气燃爆等可能出现的各种不利外界因素造成对产品性能和寿命的衰减，保证了高压氢气泄漏超声波检测仪定位和检测双功能的有效实现。

附图说明

图1为本发明中便携式高压氢气泄漏超声波检测仪的结构示意图；

图2为超声波接收装置的结构示意图。

1、双通道超声波接收装置，2、气体吸入口，3、声电信号转换器，4、声波存储模块，5、微处理器，6、氢气传感器，7、报警器，8、氢气指示灯，9、方位指示灯，10、液晶显示面板，11、电源，12、外壳，1-1、超声波接收单元，1-2球万向节，1-3伸缩杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。

本发明中便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，包括壳体12、双通道超声波接收装置1、声电信号转换器3、微处理器5、报警器7其中具体地参见图1和图2。

双通道超声波接收装置1，包括2个超声波接收单元1-1和调节组件，所述超声波接收单元1-1能够接收环境中的超声波信号，所述调节组件连接于所述壳体12上，所述超声波接收单元1-1设于所述调节组件上，并能通过调节组件实现超声波接收单元1-1相对壳体12的旋转和直线位移。超声波接收单元1-1选择市场上主流的超声波传感器。

声电信号转换器3分别与2个超声波接收单元1-1电连接，分别将接收到的超声波信号转换为两个通道的电信号；便携式高压氢气泄漏超声波检测仪还包括声波存储模块4，所述声波存储模块4与所述微处理器电连接，所述声波存储模块4中存储有高压氢气泄漏时所产生的特征超声波谱数据库，高压氢气的范围为5MPa～100MPa。

调节组件包括依次连接的伸缩杆1-3、万向节1-2、连接板；所述伸缩杆1-3的一端与所述壳体12连接，另一端与所述万向节连接；2个超声波接收单元1-1固定连接于所述连接板上。万向节远离伸缩杆1-3的一端固定连接于所述连接板中部，2个超声波接收单元1-1对称设于所述连接板两端。

壳体12上还设有液晶显示面板10，所述液晶显示面板10与所述微处理器5电连接。壳体12内部还设有氢气传感器6，所述氢气传感器6与所述微处理器5电连接。壳体12内部设有电源11，为上述用电单元供电。

微处理器5分别与所述声电信号转换器3和报警器7电连接，所述微处理器实时将两个通道的电信号拟合为波型图，并实时将两个波型图进行相位、振幅进行对比，并终将对比的结果以电信号的形式发至报警器7。两个波型图存在相位差或振幅不同时，2个超声波接收单元1-1与泄露点的距离不同；当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，2个超声波接收单元1-1与泄露点的距离相同，此时2个超声波接收单元所指方向即为氢气泄露方位。

微处理器5实时将拟合的波型图与氢气泄漏超声波谱库中的波形图进行对比，以此去除环境杂波。微处理器为x86架构、ARM架构、RISC-V架构处理器中的一种。

报警器7上设有氢气指示灯8和方位指示灯9。微处理器5实时将两个波型图进行相位的对比：当两个波型图存在相位差或振幅不同时，则指令氢气指示灯8亮起；当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，氢气指示灯8和方位指示灯9同时亮起。表明有氢气泄漏到环境中且双通道超声波接受装置所指方向为高压氢气泄漏源的方位。

高压氢气泄漏时所产生的超声波i和ii的振动方程如下所示：

y(i)和y(ii)为振动方向上的位移，Y_i和Y_ii为振幅，ω_i和ω_ii为角频率，

和

为相位。

由于是同一声源产生的多列超声波，那么每一列超声波的振幅Y、角频率ω和波长λ都是相同的。

双通道中收到的两列超声波i和ii干涉时，如果频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定，即相位差

或π的偶数倍，超声波i和超声波ii就会发生干涉，声波振幅增强，且两个通道的振幅相同，此时双通道超声波接受器对应方向即为高压氢气泄漏源的方位。

本发明中的便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其中超声波检测仪的外部主体为一便携式具有三防效果的壳体12，如双面设有PVC涂层的玻璃钢材料，在顶部分别设有双通道超声波接收装置1和气体吸入口2。正面上方配置有显示屏10，用于显示氢气浓度和检测仪电量等基本设备信息。

双通道超声波接收装置1可利用伸缩杆1-3调节长度以提高超声波接收器1-1的灵敏性，同时，利用球万向节1-2的转向性可以灵活调整双通道超声波接收器1-1的方向，便于搜索高压氢气泄漏源的方位。

从双通道超声波接收装置1接收到的超声波信号会传输至声电转换器3中转换为相应的电信号。信号传输至微处理器5中，微处理器同时调用声波存储模块4中事先录制好的丰富的高压氢气泄漏超声波谱库数据并进行比对，过滤掉杂质波并筛选出高压氢气泄漏所产生的特定超声波。

同时环境中气体会通过气体吸入口2进入超声波检测仪内部，与内置氢气传感器6接触。如环境气体中有氢气存在且达到最低检测限，则内置氢气传感器会与氢气发生特定物化反应并根据特征状态参数的变化定量计算出所在空间位点的空气中氢气气体浓度，并将计算结果显示在液晶显示屏10上。

高压氢气泄漏超声波检测仪内部工作用电为低压直流电，由电源11即可充电锂离子电池提供，防止产生电火花而引起意外事故。

本发明的创新性主要在于：1、氢气泄漏源定位，基于高压氢气泄漏时伴随产生的特定超声波，通过超声波定位原理对高压氢气泄漏源进行搜索定位，可快速锁定高压氢气泄漏源的位置，弥补了传统的氢气检测仪只具备浓度检测的单一功能；2、建立超声波音频数据库，采集不同压力和常规容器存储的高压氢气泄漏时所伴随产生的一系列超声波信号，并将特定超声波音频库集成在声波存储模块中以提高检测仪的精准度和灵敏度；3、三防设计，检测仪外壳壳体采用三防(防水、防摔、防爆)设计，极大地减少可能出现的各种外界因素对产品性能和寿命的影响，保障了高压氢气泄漏超声波检测仪在实际工作环境中的正常使用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，包括：

壳体(12)；

双通道超声波接收装置(1)，包括2个超声波接收单元(1-1)和调节组件，所述超声波接收单元(1-1)能够接收环境中的超声波信号，所述调节组件连接于所述壳体(12)上，所述超声波接收单元(1-1)设于所述调节组件上，并能通过调节组件实现超声波接收单元(1-1)相对壳体(12)的旋转和直线位移；

声电信号转换器(3)，分别与2个超声波接收单元(1-1)电连接，分别将接收到的超声波信号转换为两个通道的电信号；

报警器(7)；

微处理器(5)，分别与所述声电信号转换器(3)和报警器(7)电连接，所述微处理器实时将两个通道的电信号拟合为波型图，并实时将两个波型图进行相位、振幅进行对比，并终将对比的结果以电信号的形式发至报警器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述便携式高压氢气泄漏超声波检测仪还包括声波存储模块(4)，所述声波存储模块(4)与所述微处理器电连接，所述声波存储模块(4)中存储有高压氢气泄漏所产生的特征超声波谱数据库。

3.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述微处理器(5)实时将拟合的波型图与氢气泄漏超声波谱库中的波形图进行对比，以此去除环境杂波，之后对两个波型图进行相位、振幅进行对比。

4.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述报警器(7)上设有氢气指示灯(8)和方位指示灯(9)。

5.根据权利要求4所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述微处理器(5)实时将两个波型图进行相位的对比：

当两个波型图存在相位差或振幅不同时，则指令氢气指示灯(8)亮起；

当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，氢气指示灯(8)和方位指示灯(9)同时亮起。

6.根据权利要求5所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，当两个波型图存在相位差或振幅不同时，2个超声波接收单元(1-1)与泄露点的距离不同；

当两个波型图不存在相位差且振幅相同时，2个超声波接收单元(1-1)与泄露点的距离相同，此时2个超声波接收单元(1-1)所指方向即为氢气泄露方位。

7.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述调节组件包括依次连接的伸缩杆(1-3)、万向节(1-2)、连接板；

所述伸缩杆(1-3)的一端与所述壳体(12)连接，另一端与所述万向节(1-2)连接；

2个超声波接收单元(1-1)固定连接于所述连接板上。

8.根据权利要求7所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述万向节(1-2)远离伸缩杆(1-3)的一端固定连接于所述连接板中部，2个超声波接收单元(1-1)对称设于所述连接板两端。

9.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述壳体(12)上还设有液晶显示面板(10)，所述液晶显示面板(10)与所述微处理器(5)电连接。

10.根据权利要求1所述的一种便携式高压氢气泄漏超声波检测仪，其特征在于，所述壳体(12)上还设有氢气传感器(6)，所述氢气传感器(6)与所述微处理器(5)电连接。

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