CN204788841U - 一种超声波气体泄漏检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波气体泄漏检测仪，涉及气体泄漏检测技术。本实用新型采用的技术方案如下：包括超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器；所述超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器顺次连接；自动增益控制放大电路与信号处理器还具有控制信号连接；所述信号处理器用于判断AD采样电路输出的信号是否为气体泄漏产生的超声波信号以及用于根据所述信号调节自动增益控制放大电路的增益。

Description

一种超声波气体泄漏检测仪

技术领域

本实用新型涉及气体泄漏检测技术，尤其是一种超声波气体泄漏检测设备。

背景技术

超声波通常是指频率高过20kHz的波段，而人耳所能接收到的上限值为16.5kHz。如果一个容器内或管道内充满气体，当其内部压强大于外部压强时,由于内外压差较大，一旦容器有漏孔,气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数（Reynoldsnumber，一种可用来表征流体流动情况的无量纲数）较高时，从漏孔冲出的气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波，声波振动的频率与漏孔尺寸有关，在大雷诺数情况下，泄漏孔附近会出现漩涡，由于泄漏孔的气流比周围气体速度大得多，周围的气体会不断地被卷入流动区域，使流动空间不断扩大，更广的区域内会不断形成漩涡，涡流就是流体的声音。

我们在生产实践中发现气体泄漏产生的涡流频率与漏孔孔径有关，但是绝大多数情况下因气体泄漏产生的涡流频率为38kHz~42kHz，属于超声波频段。因此，可以通过基于超声波的检漏技术即是通过超声探头来检测上述超声波信号的强度和声源方向来实现对压力系统泄漏进行检测的目的。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种超声波气体泄漏检测仪，包括超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器；所述超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器顺次连接；自动增益控制放大电路与信号处理器还具有控制信号连接；所述信号处理器用于判断AD采样电路输出的信号是否为气体泄漏产生的超声波信号以及用于根据所述信号调节自动增益控制放大电路的增益。

进一步，所述超声波传感器用于采集频率范围为20kHz~100kHz的超声波信号。

进一步，还包括信号发生电路、功率放大电路；所述超声波传感器包括第一晶振、第二晶振及匹配滤波电路；所述第一晶振、第二晶振均与匹配滤波电路具有信号连接；信号发生电路的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的两个输出端与第二晶振的正极、负极对应连接；所述第一晶振的正极与负极分别为超声波传感器的两个输出端。

进一步，所述匹配滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感及第二电感；

所述第一晶振的正极与第一电阻的一端连接，第一晶振的负极接地；

第一电阻的另一端与第一电感的一端连接，第一电容与所述第一电阻并联；

第一电感的另一端与第二电感的一端、第二电容的一端、第二电阻的一端、第三电容的一端、第二晶振的负极均有连接；

第二电感的另一端、第二电容的另一端、第二电阻的另一端、第三电容的另一端及第二晶振的正极均接地。

进一步，所述滤波电路包括第三电阻~第九电阻，第四电容~第八电容以及运算放大器；

所述第三电阻的一端作为滤波电路的输入端，第三电阻的另一端与第四电容的一端、第六电容的一端均有连接，第四电容的另一端与运算放大器的反相输入端连接，第六电容的另一端接地；

第五电容与第四电容并联，第七电容与第六电容并联；

第四电阻的一端与运算放大器的反相输入端连接，第四电阻的另一端接地；第五电阻与第四电阻并联；

第六电阻的一端与第三电阻的所述另一端连接，第六电阻的另一端与运算放大器的输出端连接，第七电阻与第六电阻并联；

第八电阻的一端接地，另一端与运算放大器的正相输入端连接，第九电阻连接于运算放大器正相输入端及其输出端之间；

第八电容的一端与运算放大器的输出端连接，第八电容的另一端作为滤波电路的输出端。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型利用晶振作为超声波接收元件，并从调谐和匹配两个方面考虑设计了专门的匹配滤波网络。一方面使晶振在环境中存在目标频段超声波时产生较大幅值的震荡信号，另一方面，匹配滤波电路将目标频段超声波信号进一步放大，抑制非目标频段的信号。

2.本实用新型针对超声波信号设计了专门的滤波电路，其通带范围为20kHz~100kHz，进一步提高了信噪比。

3.由于超声信号在气体中信号幅度变化较大，本实用新型采用了自动增益补偿技术，来提高接收电路的接收动态范围。

附图说明

图1为本实用新型电路原理框图。

图2为本实用新型一个具体实施例中的匹配滤波电路。

图3为本实用新型中一个具体实施例中的差分放大电路。

图4为本实用新型中一个具体实施例中的滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型包括超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路AGC、AD采样电路及信号处理器。

所述超声波传感器用于采集环境中的超声波信号，优选的，超声波信号频率范围为20kHz~100kHz。超声波传感器的输出端与差分放大电路的输入端连接，差分方法电路用于阻抗匹配及放大信号，差分放大电路的输出端与滤波电路的输入端连接，滤波电路优选为带通滤波电路，将非目标频段的信号进行抑制，滤波电路的输出端与AGC电路的输入端连接，AGC电路与信号处理器具有控制信号连接，信号处理器根据接收到的信号的幅值调节AGC电路的增益倍数，当检测到信号小于一定阈值时便增加AGC电路的增益，当检测到信号大于一定阈值时便降低增益，该功能可能以比较器实现。由于超声信号在气体中信号幅度变化较大，采用自动增益补偿技术，可以提高接收电路的接收动态范围。AGC电路的输出端与AD采样电路的输入端连接，AD采样电路的输出端与信号处理器连接。

所述信号处理器用于判断AD采样电路输出的信号是否为气体泄漏产生的超声波信号。在一个具体实施例中，信号处理器将AD采样电路输出的信号与一阈值范围比较，如果落入该范围则认为检测到了气体泄漏产生的超声波信号。该功能可由另一比较器实现。

在一个优选实施例中，还包括信号发生电路与功率放大电路。超声波传感器包括晶振TERM1、晶振TERM2、及匹配滤波电路。晶振TERM1、晶振TERM2均与匹配滤波电路具有信号连接；信号发生电路的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的两个输出端与晶振TERM2的正极、负极对应连接；所述晶振TERM1的正极与负极分别为超声波传感器的两个输出端。

两个晶振中，晶振TERM1用于捕获环境中的超声波信号并产生振荡电信号，晶振TERM2用于在信号发生电路的激励下提供基准振荡电信号，两个晶振及匹配滤波电路形成调谐效果，从而将目标信号从环境中提取出来。

进一步，参见图2，本实用新型又一具体实施例中的匹配滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、电容C3、电感L1及电感L2。

晶振TERM1的正极与电阻R1的一端连接，晶振TERM1的负极接地。

电阻R1的另一端与电感L1的一端连接，电容C1与所述电阻R1并联；电感L1的另一端与电感L2的一端、电容C2的一端、电阻R2的一端、电容C3的一端、晶振TERM2的负极均有连接；电感L2的另一端、电容C2的另一端、电阻R2的另一端、电容C3的另一端及晶振TERM2的正极均接地。

图3示出了本实用新型一个具体实施例中的差分放大电路。

参见图4，本实用新型另一具体实施例中的滤波电路包括电阻R3~电阻R9，电容C4~电容C8以及运算放大器。

所述电阻R3的一端作为滤波电路的输入端，电阻R3的另一端与电容C4的一端、C6电容的一端均有连接，电容C4的另一端与运算放大器的反相输入端连接，电容C6的另一端接地。

电容C5与电容C4并联，电容C7与电容C6并联。

电阻R4的一端与运算放大器的反相输入端连接，电阻R4的另一端接地；电阻R5与电阻R4并联。

电阻R6的一端与电阻R3的所述另一端连接，电阻R6的另一端与运算放大器的输出端连接，电阻R7与电阻R6并联。

电阻R8的一端接地，另一端与运算放大器的正相输入端连接，R9电阻连接于运算放大器正相输入端及其输出端之间。

电容C8的一端与运算放大器的输出端连接，电容C8的另一端作为滤波电路的输出端。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声波气体泄漏检测仪，其特征在于，包括超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器；

所述超声波传感器、差分放大电路、滤波电路、自动增益控制放大电路、AD采样电路及信号处理器顺次连接；自动增益控制放大电路与信号处理器还具有控制信号连接；

所述信号处理器用于判断AD采样电路输出的信号是否为气体泄漏产生的超声波信号以及用于根据所述信号调节自动增益控制放大电路的增益。

2.根据权利要求1所述的一种超声波气体泄漏检测仪，其特征在于，所述超声波传感器用于采集频率范围为20kHz~100kHz的超声波信号。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波气体泄漏检测仪，其特征在于，还包括信号发生电路及功率放大电路；所述超声波传感器包括第一晶振、第二晶振及匹配滤波电路；所述第一晶振、第二晶振均与匹配滤波电路具有信号连接；信号发生电路的输出端与功率放大电路的输入端连接，功率放大电路的两个输出端与第二晶振的正极、负极对应连接；所述第一晶振的正极与负极分别为超声波传感器的两个输出端。

4.根据权利要求3所述的一种超声波气体泄漏检测仪，其特征在于，所述匹配滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感及第二电感；

所述第一晶振的正极与第一电阻的一端连接，第一晶振的负极接地；

第一电阻的另一端与第一电感的一端连接，第一电容与所述第一电阻并联；

第一电感的另一端与第二电感的一端、第二电容的一端、第二电阻的一端、第三电容的一端、第二晶振的负极均有连接；

第二电感的另一端、第二电容的另一端、第二电阻的另一端、第三电容的另一端及第二晶振的正极均接地。

5.根据权利要求1所述的一种超声波气体泄漏检测仪，其特征在于，所述滤波电路包括第三电阻~第九电阻，第四电容~第八电容以及运算放大器；

所述第三电阻的一端作为滤波电路的输入端，第三电阻的另一端与第四电容的一端、第六电容的一端均有连接，第四电容的另一端与运算放大器的反相输入端连接，第六电容的另一端接地；

第五电容与第四电容并联，第七电容与第六电容并联；

第四电阻的一端与运算放大器的反相输入端连接，第四电阻的另一端接地；第五电阻与第四电阻并联；

第六电阻的一端与第三电阻的所述另一端连接，第六电阻的另一端与运算放大器的输出端连接，第七电阻与第六电阻并联；

第八电阻的一端接地，另一端与运算放大器的正相输入端连接，第九电阻连接于运算放大器正相输入端及其输出端之间；

第八电容的一端与运算放大器的输出端连接，第八电容的另一端作为滤波电路的输出端。