空氣超聲波檢漏儀檢測方法*

陳文王 安兆亮 周子煒 陳繼紅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

空氣超聲波檢漏儀檢測方法*

陳文王 安兆亮 周子煒 陳繼紅 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

提出空氣超聲波檢漏儀的檢測方法，采用替代法，通過對頻率響應(yīng)、最小檢出能力和測量范圍三個參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)了對空氣超聲波檢測儀性能的評判。實(shí)驗結(jié)果表明，對于市場上常見的空氣超聲波檢測儀，該檢測方法可以有效地評判其性能。

空氣超聲波檢漏儀；檢測方法；頻率響應(yīng)；最小檢出能力；測量范圍

0 引言

工業(yè)中大量使用壓力容器進(jìn)行壓縮氣體的儲存和運(yùn)輸，由于各種原因，容器會產(chǎn)生漏孔從而引發(fā)氣體泄漏。氣體泄漏不僅會造成能源浪費(fèi)，還有可能對空氣造成污染。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泄漏進(jìn)行定位。近年來，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，已被逐漸使用在門窗的密封性檢測、漏水檢測和電氣故障檢測等領(lǐng)域[1-2]。

隨著空氣超聲波檢漏儀應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，對其進(jìn)行周期性計量的要求也日益增加。由于國內(nèi)外還沒有針對空氣超聲波檢漏儀的檢測方法，因此目前對空氣超聲波檢漏儀的測試只能以生產(chǎn)廠家提供的自測方法為依據(jù)，導(dǎo)致無法對其進(jìn)行全面的檢測及性能評價。本文針對空氣超聲波檢漏儀的檢測方法開展研究，以實(shí)現(xiàn)對空氣超聲波檢漏儀性能的系統(tǒng)評價，從而保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 測試原理及檢測參數(shù)

1.1 原理及儀器

1.1.1 測試原理

使用替代法對空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行檢測。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測試電容傳聲器測量空氣超聲波信號，然后在保證測試條件不變的情況下，用空氣超聲波檢漏儀替換測試電容傳聲器。通過將空氣超聲波檢漏儀測得的結(jié)果與可溯源自由場測試電容傳聲器測得的結(jié)果進(jìn)行比較，完成空氣超聲波檢漏儀的檢測。

其中，自由場測試電容傳聲器為φ6.3 mm測試電容傳聲器。與其他測試電容傳聲器相比，其膜片剛性大，可覆蓋的頻率響應(yīng)更大，可滿足超聲波信號的測試要求[3]。測試使用的超聲波信號源為超聲波換能器組。因為單一換能器的頻率響應(yīng)狹窄，若想覆蓋幾十千赫茲的范圍，需要采用多個換能器的組合。

1.1.2 測試儀器

根據(jù)空氣超聲波檢漏儀的測試原理，可以搭建檢測裝置，如圖1所示。

圖1 測試儀器連接示意圖

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

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

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

4）測量放大器，用于顯示聲壓級的大小。

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

1.2 檢測參數(shù)

1.2.1 頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)測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，漏孔內(nèi)外的壓力差會導(dǎo)致泄漏的氣體在通過漏孔到達(dá)外部時形成渦流，這個渦流會產(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；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。所以，在確定檢測所需的測試頻率時，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于超聲波聲壓的最小穩(wěn)定檢出能力。它有助于評估在特定環(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，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 測量范圍

測量范圍決定了空氣超聲波檢漏儀對于不同等級聲音信號的檢出能力，這是各類儀器都具有并需要進(jìn)行測試的特性。對于聲學(xué)儀器，普遍存在聲音信號和電信號兩種測量方式[6]。聲音信號測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，且該種方式的可測量范圍較小。電信號測量方式通過直接對空氣超聲波檢漏儀輸入電信號進(jìn)行測試，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的輸入端口。目前常見的空氣超聲波檢漏儀不都具有電信號的輸入端口。因此兩種測量方式需要配合使用。

2 測試結(jié)果及分析

利用正弦信號發(fā)生器、超聲波換能器組、φ6.3 mm測試電容傳聲器和測量放大器搭建檢測裝置。選擇市場上常見的四款空氣超聲波檢漏儀——FH2001B、TN-2800、SDT-170和SDT-200作為測試樣品。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40 kHz的信號進(jìn)行測試。對40 kHz，調(diào)節(jié)正弦信號發(fā)生器的輸出，在距離超聲換能器1 m處先用φ6.3 mm測試電容傳聲器，測得一個固定的聲壓級，本測試中將參考值選為55 dB；然后用待測空氣超聲波檢漏儀在相同條件下進(jìn)行測試，記下此時儀器的示值。對20 kHz、25 kHz、31.5 kHz、50 kHz、63 kHz、80 kHz和100 kHz頻率點(diǎn)依次展開以上測試。由于TN-2800無法顯示準(zhǔn)確的數(shù)字，其測試數(shù)據(jù)的參考價值較小，因此僅給出其他三款待測儀器的測試結(jié)果，見表1。

測試結(jié)果顯示，三款空氣超聲波檢漏儀在各個頻率點(diǎn)測得的信號與參考值均有較大偏差，這表明對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得40 kHz的參考信號，而對于其他頻率的空氣超聲波信號，SDT-170完全檢測不出，而FH2001B和SDT-200僅能檢測出31.5 kHz和50 kHz的參考信號。由此可知，市場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)品說明書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)分開的要求。

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

表1 待測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)正弦信號發(fā)生器的輸出，記錄在距離超聲波換能器1 m處用待測空氣超聲波檢漏儀可以穩(wěn)定測得40 kHz的最小空氣超聲波信號。當(dāng)檢漏儀示數(shù)不再變化時，表明該信號可以穩(wěn)定測得。如果示數(shù)一直改變，則需增大超聲波信號。然后用φ6.3 mm測試電容傳聲器在相同條件下進(jìn)行測試，記錄此時的聲壓級。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)行測試。測試結(jié)果見表2。由于不同的檢漏儀設(shè)計參數(shù)不同，因此最小檢出能力的結(jié)果需要與產(chǎn)品說明書中規(guī)定的最小檢出值進(jìn)行比較。

表2 待測空氣超聲波檢漏儀的最小檢測能力

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

同時，根據(jù)式（1），可以由實(shí)際測得的最小聲壓級估測出泄漏量。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處測得的最小聲壓級32.0 dB代入式（1），取環(huán)境壓力為102 kPa，可計算出噴口上游壓力約為106.5 kPa。根據(jù)TN-2800說明書中給出的最小流速圖（圖3）可推測，此時檢測器檢測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，還對估算泄漏量具有重要意義。因此，檢測空氣超聲波檢漏儀時，對最小檢出能力的檢測是必不可少的。

2. 3 測量范圍

對于聲學(xué)儀器的測量范圍普遍存在著聲音信號和電信號兩種測量方式。使用聲音信號法進(jìn)行測量時，采用40 kHz聲音信號，先在1 m處用待測的空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行測試，以最小檢出能力對應(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測試電容傳聲器在相同條件下進(jìn)行測試，記錄此時的聲壓級。由于不同公司制造的空氣超聲波檢漏儀，其線性測量范圍有可能是針對聲壓級的，也有可能是針對聲壓的，因此，為了分析方便，還需將測得的聲壓級轉(zhuǎn)換為聲壓。測試結(jié)果見表3、表4。

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

對于有電信號接入端口的空氣超聲波檢漏儀，可直接將其與信號發(fā)生器相連，使用電信號確定其線性測量范圍。以最小檢出能力對應(yīng)的示數(shù)為起始點(diǎn)，示數(shù)每改變一定的值，記錄一次。測試結(jié)果見表5。

表3 FH2001B的聲音信號測量范圍

表4 SDT-170的聲音信號測量范圍

表5 FH2001B的電信號測量范圍

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

線性測量范圍是保證測量準(zhǔn)確的重要參數(shù)，且因產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商而異，因此需要對空氣超聲波檢漏儀的線性測量范圍進(jìn)行測試。由于使用電信號檢測可以避免周圍環(huán)境的干擾，且更加快捷，因此在對空氣超聲波檢漏儀的測量范圍進(jìn)行檢測時，首選電信號法。對于不包含電信號輸入接口的空氣超聲波檢漏儀，應(yīng)采用聲音信號法進(jìn)行檢測。

3 結(jié)語

為了保證空氣超聲波檢漏結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，需要對空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行檢測。綜合考慮空氣超聲波檢漏儀進(jìn)行泄漏檢測時的工作原理，可以確定以下三個校準(zhǔn)參數(shù)：頻率響應(yīng)、最小檢出能力和測量范圍。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，而測量范圍用于確定測得的數(shù)據(jù)在何種范圍可靠。

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

[1] 李廣法，單純利. 超聲探傷用探頭回波頻率測試方法[J].計測技術(shù)，2013，30(3)：53～55.

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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)檢公益項目（201310010）