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摘要 超声波互相关管道泄漏检测技术研究 学科：测试计量技术及仪器 研究生签字： 指导教师签字 答辩日期： 摘要 管道泄漏检测技术，与厂矿企业的成本管理、生产过程的控制、自然资源 附开发以及人民的日常生活有着极为密切的联系，是管道运输中需要解决的关 键技术。， 本文在充分调研国内外管道检漏技术的基础上，提出了一种新的管道泄漏 检测方法基于互相关原理的超声波管道检漏法。首先，对声学方面的相关 原理进行了深入分析，并结合管道流体力学的有关知识，论证了超声波互相关 检漏法的系统方案。接下来所做的工作，主要是围绕设计一个合理的实验，来 验证超声波互相关检漏法的可行性。基于单相流设计搭建了管道运输模拟试验 装置，设计了专用超声波传感器。本文的重点是设计制作了超声波互相关检漏 法所需的电路。有超声波发射探头用的波形发生电路、放大电路和驱动电路： 还有超声波接收探头接收到的信号的处理电路：信号放大电路、精密半波检波 电路、包络检出电路、低通滤波电路、输出驱动电路。最后在实验装置上用水 流对超声波互相关检漏法进行了实验验证。采用信号处理技术，对试验数据进 行了处理、分析。结果表明，超声波互相关管道检漏法是可行的。 关键词：超声波；互相关；检漏；湍流；随机噪声；调制；解调 、- 一一一一 一 一 一 赢z。 前隽钲 夥一 a b s t r a c t t h e t e c h n i q u e ss t u d y o f p i p e l i n el e a k d e t e c t i o n b a s e do nu l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o n d i s c i p l i n e ：t e s t & m e a s u r et e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n t s t u d e n t s i g n a t u r e ： s 岣b 伽8 ； 辄p e r v i s o r s i 舯t u 瞅哆阿。7 a b s t r a c t p i p e l i n el e a kd e t e c t i o ni sak e yt e c h n o l o g yi np i p e l i n et r a n s p o r t i ti sc l o s e l y i n t e r c o n n e c t e dw i t hc o s tm a n a g eo fc o r p o r a t i o n c o n f f o lo ft h ep r o d u c ep r o c e s s ， e x p l o i t a t i o no f t h en a t u r a lr e s o u r c e s a n dp e o p l ed a i l y1 i r e i np r e s e n tp a d e r an e wm e t h o do fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do nu l t r a s o n i c c r o s s c o r r e l a t i o ni sp r e s e n t e d p e r t i n e n tt h e o r yo na c o u s t i c si sp r o f o u n d l ya n a l y z e d s y s t e ms c h e m eo fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do nu l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o nh a s b e e nd e s i g n e dr e f e r r i n gt o h y d r o d y n a m i c s f o rv a l i d a t i n g t h en e wm e t h o do f p i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do nu l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o n as e to fe x p e r i m e n t a t i o n s e t sb a s e do ns i n g l e p h a s ef l o wh a v eb e e nd e s i g n e d u l t r a s o n i cs e n s o rh a sb e e n m a d et oo r d e lc i r c u i t s ，s u c ha s s i g n a lr e s o n a n c ec i r c u i t ，a m p l i f i e rc i r c u i t ，d r i v e r c i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e dt h a ta r en e e d e df o ru l t r a s o n i ce m i s s i o ns e n s o ri np i p e l i n e l e a kd e t e c t i o nb a s e do nu l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o n t h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i t sf o r t h er e c e i v e ds i g n a l ，s u c ha ss i g n a la m p l i f i e rc i r c u i t ，p r e c i s eh a l f - w a v ed e t e c t i o n c i r c u i t ，a m p l i t u d ed e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，1 0 w p a s sf i l e rc i r c u i t ，o u t p u td r i v e rc i r c u i t ， h a v ea l s ob e e nd e s i g n e d a tl a s t t h ee x p e r i m e n to f p i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do n u l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o nh a sb e e no p e r a t e do nl e a kd e t e c t i o ne x p e r i m e n t a t i o ns e t s t h ed a t ah a sb e e np r o c e s s e da n da n a l y z e dw i t l ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h em e t h o do fp i p e l i n el e a kd e t e c t i o nb a s e do n u l t r a s o n i cc r o s s c o r r e l a t i o ni sf e a s i b l e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ；c r o s s c o r r e l a t i o n ；l e a kd e t e c t i o n ；o v e r f a l l ；r a n d o m n o i s e m o d u l a t e ；d e m o d u l a t i o n 绪论 1 1 管道检漏的必要性 1 绪论 管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输行业之一，在 世界经济中发挥着越来越重要的作用。目前世界上主要管道干线总长已达2 5 0 多万公里，并以每年4 万多公里的速度在增长。 当前世界上大部分管道己运营3 0 4 0 年的时间。由于腐蚀、焊缝缺陷，振 动及冲刷等原因引起的管道泄漏和法兰、螺纹扣及填料函等连接部位的泄漏变 得日益严重。 我国石油天然气长距离输送管道约1 7 万公里，每年用于管道大修费上亿 元，而且由于没有有效地检测手段，管道破裂造成的损失也非常大，1 9 8 4 年东北 石河穿越河流管段断裂跑油1 4 7 0 吨，停输两天；1 9 8 8 年由于穿越黄河管段断 裂又耗资1 7 0 0 万元修建了复线。管道一旦发生事故会造成资源损失，污染环 境，危及安全，影响生产，直接和间接损失巨大，事故后的维修费用也非常之 高，而且当运输有毒、腐蚀性、易燃易爆的物资时，还会污染环境，引起火灾 爆炸事故。 因此，对管道泄漏检测的研究具有极其重要的现实意义和巨大的经济意义。 1 2 管道检漏方法的国内外研究现状 从6 0 年代起，美、英等国已投入数十亿美元，不断开发研制新型高精度 管道泄漏检测装置，目前已研制出不同原理的管道泄漏检测法达1 0 多种。国 外管道公司接受检漏服务的油气管道己达数十万公里。 国内管道泄漏检测技术正处于起步阶段。由于历史原因，国内的在役老油 气管道在设计、建设时，没有考虑管道的泄漏检测问题。管道所经地区地形地 貌复杂，管径、弯头规格多样，国外管道检漏法不完全适用于我国在役老管道 的实际情况。国内一些研究院所从7 0 年代末8 0 年代初，开始进行管道泄漏检 测技术的研究。 目前国内外普遍使用的管道检漏方法及其不足之处叙述如下。 1 2 1 直接观察法 直接观察法，是让有经验的管道工人或经过训练的动物来巡查管道，通过 看、闻、听或其它方式来判断管道是否发生泄漏。近年美国o i l t o n 公司开 发出一种基于红外检测技术的机载仪器。由直升飞机带一高精度红外摄像机沿 管道飞行，通过分析输送物资与周围土壤的细微温差确定管道是否有泄漏发生。 这种方法的缺点是适用面窄，例如检测有毒介质是不可行的。 堕塞三些兰堕堡圭兰堡篁塞 1 2 2 检漏电缆法 检漏电缆多用于液态烃类燃料的泄漏检测。电缆与管道平行铺设，当泄 漏的烃类物质渗入电缆后，会引起电缆特性的变化。然后，根据电缆特性的变 化来判断泄露是否发生。显然它只局限于部分输送介质。 1 2 3 负压波法 负压波法的原理是：当管道发生泄漏时，泄漏部位的物质损失会导致管 道内压力的下降，压降沿管道向两端扩散而形成负压波。其传输速度与声波 在流体中的传播速度相同，传输距离可达几十千米。根据安装在管道上、下 游的传感器检测到负压波的时差及负压波的传播速度，可确定泄漏情况。在 管道发生泄漏的瞬间，会产生负压波，此时可以利用负压波法检漏；但已发 生泄露后，负压波消失，此时，该检漏法失效。 1 2 4 光纤检漏法 该方法传感器的核心部件由棱镜、光发射与光接收装置构成。当棱镜底 面接触不同种类的液体时，光线在棱镜中的传输损耗不同。根据这个原理我 们可以将此装置用于管道泄漏检测，通过测量光探测器接收到的光强来确定 管道是否有介质泄漏。这种传感器的缺点是当油接触不到棱镜时，就会发生 漏检的现象。 1 2 5 质量或体积平衡法 质量或体积平衡法依赖于这样一个事实，即在一条不泄漏的管道内，“流 入物质与流出物质必相等”。由此我们可以实时测出管道出口与入口的流量， 若两者流量有差值则表明管段内可能发生泄漏。实际上，由于所测流量取决 于流体的各种性质( 如温度、压力、密度、粘度) 以及流体的状态，而使情 况变得相当复杂。 1 2 6s c a d a 系统 s c a d a 系统是s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 的简称，即监控和 数据采集系统。它利用计算机技术收集到的现场数据，通过通信网络传送到监 控中心，再由监控中心监视各地的运行情况，并发出对运行状况进行控制的指 令。s c a d a 系统对提高管道自动化水平有重要的现实意义。泄漏检测是管 道s c a d a 应用的重要组成部分。但是由于其价格昂贵，到目前为止应用甚少。 1 3 超声波互相关检漏法 1 3 1 测量和控制用的统计学知识及互相关方法的发展和应用 统计方法被引入自动控制系统设计的理论体系，主要是k h i n c h i n 、 西安工业学院硕士学位论文 k o l m o g o r o v 以及w i e n e r 等人研究的结果。k h i n c h i n 于1 9 3 8 年提出了有关非 阻尼稳定振荡的严格数学理论。随机过程的相关理论就是在该理论的基础上 发展起来的。k o l m o g o r o v ( 1 9 4 7 ) 对稳定的随机过程特别感兴趣。他采用过 程的时间历程观测中得到的一组函数x ( t ) ，来描述一般化的时变过程。w i e n e r 在1 9 4 9 年所完成的研究工作的主要特点是，能以最佳的方式对承受随机力函 数作用的动态系统进行设计。 到本世纪七十年代中期，为进行随机数据分析而采用的基本体系，以及 为系统统计而采用的一些统计描述，都已经被完整地确立起来了。某些测量 仪表，特别是互相关流量计，可以认为是随机数据辨识应用的特殊例子。 “相关”这一术语有着各种各样的使用目的和意义。其范围包括从严格的 统计描述，到基于对一些有限的非定量数据做出评价。 在流体动力学中，以下三种形式的“相关”是会遇到的： 空一时相关，它表示在空间中两点处，在两个不同时刻测得的两个信 号之间的关系。这个相关一般称之为“互相关”，它是我们研究的重点； f i i ) 自相关，它描述在空间一点处，在两个不同时刻测得的信号之间的关 系： f i i i ) 空间相关，它描述了空间中两点处，在同一时刻测得的信号之间的 关系。 1 3 2 超声波互相关方法的优点 超声波可在固体、液体、气体等各种物质中传播。利用这一性质，作者 以互相关原理为基础，采取不必将管道截断或者开孔的方法，而只在已安装 好的管道外壁装夹超声波换能器，对管道泄漏进行检测。这样既可以实现无 接触测量，又可以使管道内流体流场不受干扰，所以无压力损失：介质可以 是导电或者非导电的、腐蚀性的、剧毒的等等。另外一个优点是：对外界电 磁场的于扰不甚敏感。 1 4 本论文研究的目的意义 本课题来源于陕西省教委基金项目。目的就是为了找出一种行之有效的 非接触管道泄漏检测方法，弥补现有管道泄漏检测方法的不足，满足日益增 长的管道泄漏检测需求。 超声波互相关检漏法一旦获得应用，其社会、环境效益十分显著。超声 波互相关检漏法不仅可对液体长输管道服务，而且其延伸技术还可对油田集 输管网，城市管网进行服务。由于我国技术服务费低于国外，因此对东南亚 各国，独联体等国进行技术服务有一定的竞争能力。今后可以滚动发展、增加 品种、开拓国际服务、逐步形成我国管道检测专业性生产、开发和服务中心。 1 5 本文的主要研究内容 本文首先对国内外的管道泄漏检漏方法进行分析，在充分调研国内外管 西安工业学院硕士学位论文 道检漏技术的基础上，提出了一种新的管道泄漏检测方法一一基于互相关原 理的超声波管道检漏法。其次，对声学方面的相关原理进行了深入分析，并 结合管道流体力学的有关知识，论证了超声波互相关检漏法的系统方案。然 后，主要围绕设计一个合理的实验，来验证超声波互相关检漏法的可行性。 基于单相流设计搭建了管道运输模拟试验装置，设计了专用超声波传感器。 本文的重点是设计制作了超声波互相关检漏法所需的电路。有超声波发射探 头用的波形发生电路、放大电路和驱动电路；还有超声波接收探头接收到的 信号的处理电路：信号放大电路、精密半波检波电路、包络检出电路、低通 滤波电路、输出驱动电路。最后，在实验装置上用水流对超声波互相关检漏 法进行了实验验证。采用信号处理技术，对试验数据进行了处理、分析。并 对全文进行了总结，对下一步工作提出建议。 超声波互相关检漏的基本原理及流动模型建立 2 超声波互相关检漏的基本原理及流动模型建立 2 1 相关检漏测量的基本原理 相关检漏测量方法，从基本原理上来说，属于“渡越时间”测量法。假定有 一段水平管道，如图2 1 所示，管道上垂直于轴线上有四相距分别为l 的截面a 、 b ( b 距a 为u 、c 和d ( c 距d 为u ，在理想流体的情况下，截面上各点的流动 速度v 相同。流体从截面a 到b 和从c 到d 所需要的时间均为f 。如果管道发 生泄漏，则流体的压力和流速都会变化，流体从截面a 到b 或从c 到d 所需要 时间的将不再为f 。根据流体力学知识，漏点上游流速、压力增加，下游流速、 压力减小，所以流体从上游传感器a 流到b 的时间将缩短，从下游传感器c 流 到d 的时间将增加。根据上、下游渡越时间的不同，来判断管道是否发生泄漏。 这样，检漏就转化成测量渡越时间了。 图2 1 相关检漏水平管段图2 2 相关检漏接收到的信号 采用示踪法，可以简单的测出流体经过a 流到b 的渡越时间。如图2 1 所 示，在离传感器比较远的上游放一示踪物( 口粒子源，磁性物体源等) ，以固定 频率产生示踪物( 产生周期 ，矗) ，经较长时间流动后，示踪物与流体流速相同， 如图2 1 所示。由放在截面a 和b 上的两个传感器8 和b 检测出示踪物通过两个 传感器的时间差，这就是渡越时间n ，如图2 2 所示。 相关法则是测量被测流体内自然产生的随机扰动通过两个测量截面的渡越 时间。它不需要示踪物，但由于a 、b 、c 、d 四个传感器得出的是连续的随机信 号，无法简单、准确的测量出渡越时间。相关检漏的工作原理可以用图2 3 来说 明。在沿管道轴线相距分别为l 的四个截面a 、b ( b 距a 为l ) 、c 和d ( d 距 c 为l ) 处，安装有四组完全相同的传感器( 光、电和声等传感器) 。在工作时， a 、b 两组传感器形成两个相距为l 的完全相同的能量场，c 、d 两组传感器形 西安l ：业学院硕士学位论文 成两个相距为l 的完全相同的能量场。当流体在管道内流动时，流体内的随机 扰动现象，如单相流体内自然产生的涡旋、微团密度的变化、两相流体内离散 相颗粒的尺寸分布和空间分布的随机变化等，通过适当的信号处理电路，得到 两组信号a ( t ) 、b ( t ) 和c ( t ) 、d ( t ) 。如果假设随机扰动与流体有相同的速度，扰动 从a 截面运动到b 截面需时间靠，并且扰动的“寿命”很长，扰动的空间分布 流过截面a 和b 时完全相同( 即所谓凝固流动图形模型) ，这样同样的扰动通 过a 和b 传感器就产生完全相同的调制信号。 ：_ 泄 2 0 d ，d 是管道的直径) 8 1 ， 流速的分布则是理想的轴对称分布图形，体积流量可以简化表示为： 嘏 q = 【2 n t v ( r ) d r ( 28 ) 雷诺数r e 在流体力学上定义为： r e = v - d y = 4 q ( j r d y ) ( 2 9 ) 对于光滑圆管，d 是管的内直径，y 是流体的运动粘度。雷诺数r e 的大小 是对流体流动状态的描述。图2 7 是不同r e 值对应的流速分布剖面。 为 图2 7 不同r e 值对应的流速分布剖面 在r e 2 3 2 0 时，流体处于湍流状态，流速分布为： 矿( r ) ：v m a x ( 竿) ( 2 1 2 ) n 与雷诺数大小有关，称为尼氏常数，是由n i k u r a d s e 通过实验研究确定的。 湍流状态下横截面内的平均流速为：v ：兰一v m a ) ( ( 2 1 3 ) ( n + 1 ) ( 2 n + 1 ) 在某一条直径上的平均流速，可以推导出为：巧= v m a x ( 2 1 4 ) 对于一个直径d = 2 0 m m ，流体为水的圆管道，= 1 o 1 0 。m 2 s ，雷诺数 西安工业学院硕士学位论文 r e ：旦矿：2 x 1 0 a 矿( 2 1 5 ) y h 2 。 若v - - 0 2 m s ，则r e = 4 0 0 0 。一般情况下，工业管道内流体的平均流速都 在o 5 m s 以上，管径也都在2 0 r a m 以上，所以都处于湍流状态。 两相流体的流动，则更为复杂，流动状态与离散相的浓度有关。 2 4 随机流动噪声信号的统计特性 流体在管道内流动时，其内部存在着各种各样的扰动，从而产生与流动 状况有关的流动噪声。单相流体在流动时，如果表征流动状态的雷诺数不变， 流体的宏观流场是一定的，但其内部“微团”的运动状况、密度等随时间呈 现出无规律的变化，产生与热噪声相类似的随机扰动。当气固、气液、或 液固两相流体及气液固多相流体在管道内流动时，流体中离散相的局部浓 度和颗粒尺寸也是随机变化的。在一般工业管流的内部，由于流体内部热量 传递的不均匀，流体内的局部温度随时间也有随机的波动。 流体在流动过程中，内部所发生的上述种种随时间无规则的、不可预测 的变化，称为流体流动的随机扰动。在相关流量测量系统中，这种随机扰动 可以利用某种传感器检测出来。通过适当的处理后，从中提取出与流体流动 状况有关的流动噪声信号。由于流动噪声信号具有随机的性质，相关检漏测 量系统是一种动态测量系统。随机流动噪声的频带是比较宽的，当用光传感 器检测时，带宽在1 0 k h z 以上。但由于般传感器的空间分辨能力所产生 的空间滤波效应，各种传感器检出的随机噪声都是带宽较窄的，属窄带随机 噪声。流动噪声信号的带宽主要由传感器的空间分辨率决定，随流体的流动 速度增大而变宽，因为流体内部随机通过传感器敏感区域的频率随流体流动 速度加快而提高( 流体内扰动的宏观分布是基本均匀的) 。如果设传感器在 流动方向上的长度分辨能力为b ( 单位m ) ，流体的速度为v ，则带宽可以表 示为： b = 口v b ( 口是一个无量纲的量) ( 2 1 6 ) 对于频谱为如图2 8 的理想窄带白噪声，其自相关函数为s i n ci 如图2 9 所示， g c 伽 嚣占蹦垆衄( 警 c 一一， 自相关函数的第一过零点f 0 与带宽有如下关系 2 月 b r o = 厅 b = 1 ( 2 r o ) 1 ( 2 t o 、= a v b ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 西安工业学院硕士学位论文 g ( ，) r 。( f ) k 一。 图2 8 理想窄带白噪声的频谱图2 9 理想窄带白噪声 实际流动噪声信号的自相关函数第一过零点o 的倒数与流速的关系基本上 是线性的。m s b e c k 9 1 、j c o u l t h a r d 4 1 等人在单相流体和双相流体相关流量测量 系统的研究过程中，也得到了其自相关函数具有类似s i n c 函数形式的窄带噪声 信号。实际信号的频带比较复杂，没有理想窄带信号的突变，所以其自相关函 数是接近s i n c 函数的形式。 超声波互相关检漏试验系统的设计 3 超声波互相关检漏试验系统的设计 3 1 系统组成及功能 基于互相关的理论，利用超声波传感器，设计了相关检漏试验系统。系统由 流动噪声信号检测系统、渡越时间计算、泄漏解释及显示系统三部分组成，如图 3 1 所示： 图3 1 超声波互相关检漏系统构成 在超声波互相关检漏系统中，流动噪声信号检测系统包括发射、接收换能器 组( 至少4 组，每组包括发射、接收超声波探头，所以总共8 只) 、发射电路( 包 括信号产生电路和信号驱动电路) 和放大、解调、驱动环节组成的接收信号处理 电路( 将这部分放到相关检漏仪中介绍) 。 信号产生电路产生2 m h z 的正弦信号，驱动电路进行驱动放大后，接发射探 头。发射探头被经过驱动的正弦信号激励，发射超声波，超声波穿过管壁，经过 流体时被随机流动噪声调制，到达接收超声波探头，接收探头接收到经过随机流 动噪声调制的超声波，输出微弱的电信号，经过放大、解调、驱动环节，就得到 随机流动噪声( 超声波的调制信号) 。利用动态采集仪采集得到的随机流动噪声， 采集后形成的数据文件供计算渡越时间用。用m a t l a b 计算渡越时间，分析渡越 塑童三些兰堕堡圭兰丝丝兰 时间的变化，据此来判断管道是否发生泄漏。 3 2 超声波传感器流动噪声信号检测系统设计 3 , 2 1 信号检测系统各组成部分的要求 a 信号带宽对相关峰位置估计精度的影响 信号带宽的提高有利于相关峰值位置测量精度的提高。所以为了提高相关 检漏系统的精度，应该尽量提高传感器系统能检测到的流动噪声信号的带宽。 随机噪声的频带带宽是比较宽的，典型值大约为1 0 k h z ，但是由于传感器的空 间滤波效应，实际超声波传感器检出的流动噪声信号带宽一般不超过2 k h z 。 b 超声波传感器 在相关检漏测量系统中，传感器具有一定的几何形状与尺寸，它向流体中 发射的能量束分布在一个与传感器的几何特性有关的有限空间范围内，这个空 间范围就是敏感体积。超声波传感器的敏感体积可以看成是发射换能器和接收 换能器间形成的一个柱体。当流体内的随机扰动通过传感器敏感体积时，对超 声波进行调制。传感器输出的信号是对敏感体积内所有扰动平均的结果，也可 以说传感器对扰动的空间分辨能力有限，其输出频率主要取决于传感器敏感体 积在流动方向上的大小，并不能完全反映出所有的扰动变化来。如图3 2 所示， 有一个尺度为的扰动以速度v 通过敏感体积，敏感体积在流动方向的尺度为 b ，扰动在敏感体积内运动时，引起相同的输出，则输出信号的带宽是：以= v b b ( t ) a t = b v a ( t ) 岜l 笪 i 亡f l - 斗 i 一 既( ，)s 。( 厂)s ( f ) 图3 2 扰动过敏感体积图3 3 线分辨率下扰动过敏感体积图3 4 检测信号带宽 如图3 3 所示，在理想的线分辨率的情况下，扰动的频带是厶= v i a 。在 实际流体的流动中，b a ，所以以 0 时，二极管导通，信源l l s 通过二极管对 电容c 充电，充电的时间常数等于r d c 。由于二极管导通电阻r d 很小，所以 电容上的电压迅速达到信源电压u s 的幅值。当u d 二，r c 0 时，二极管又导通，电容又被充电到u 。的幅值：当再 次出现u d 0 时，二极管再截止，电容再通过电阻放电。如此充电放电、反复进 行，在电容两端就可得到一个接近输入信号峰值的低频信号。 从图3 2 2 ( a ) 上可看出，二极管有一个导通压降u 。，故小于u 。的包络 信号无法检出，所以应以精密半波检波电路( 如图3 2 0 ) 来代替包络检波中的 西安工业学院硕士学位论文 二极管( 如图3 2 2 ( a ) ) ，于是完全补偿了u o 压降带来的误差，故最终电路如 图3 2 3 所示。 图3 2 3 包络检出 ( 3 ) 低通滤波 经过上一步检出的接近输入信号峰值的低频信号需经过平滑去掉叠加在上 面的高频纹波( 由电容充、放电造成) ，才能得到幅值调制信号，电路如图3 2 4 。 图3 2 4 低通滤波 坤卜篙志 式中：s ：印，c 2 2 r 3 2 ：f 0 ：_ l ，2 矿：，以电路的传递函数 j o 些茎三些兰堕堡圭兰堡丝苎 以r 3 1 忑 。3 氏 弘鲁“舭”“专，以删氐通网络的传递函数腻 。 c 输出驱动 因为相关检漏仪的输出作为动态工控采集仪的输入，动态采集仪要求前级 有一定的带载能力，故相关检漏仪输出，即低通滤波器的输出，要经过功率放 大，其电路如图3 2 5 所示。 图3 2 5 输出驱动 原理同3 3 i 中的c ，只是考虑到阻抗匹配，将c 6 换成2 2 u f 的电解电容。 3 4 试验装置 图3 2 6 为基于单相流设计制作的管道泄漏检测实验装置方案图。 西安工业学院硕士学位论文 空气压缩机 图3 2 6 试验装置 在该试验装置中，水作为载相( 单相) 流体连续不断地循环流动。用流量 调节阀控制试验装置中的流速。以模拟漏点为分界，分为上游和下游。用两个 流量计来监测漏点上游和漏点下游管段的流量。在上游管段和下游管段分别夹 装两组超声波传感器，来测上、下游管段4 个截面的流动噪声。采集到的流动 噪声送计算机处理。夹装传感器管段内径2 7 6 m m 。超声传感器间距2 9 5 m m ， 符合以m s b e c k 为首的研究小组的实验结果：传感器间距l = ( 1 2 2 ) d 。式 中d 是管道内径。传感器前后离管道连接件的距离分别为1 0 0 r a m 和9 0 m m ，保 证湍流进口段到形成稳定湍流流动的距离，从而可以认为该流动系统满足“凝 固”流动模型。装置中利用软质消音管来进行隔离，从而消除震动对超声波传 感器的影响。 其中水箱容量为0 8 x 0 5 9 5 x 0 6 m 3 ；用的是红旗牌高压自吸泵，流量可达 4 m 3 1 1 ；流量计用的是l z b 5 0 玻璃转子流量计，量程为4 0 0 4 0 0 0 1 h ；超声波 专用探头用的是2 p 中1 8 ，中，i i , 频率为2 m h z 。 3 5 小结 本章是整篇论文的重点。首先，讲了超声波互相关管道泄漏检测系统方案 的组成及各部分的功能；其次，阐述了系统组成各部分的设计要求；再次，讲 了超声波互相关管道泄漏检测中随机流动噪声信号解调的各种方案及本文所选 方案的确定；然后，讲解了整个超声波互相关管道泄漏检测方案中各功能电路 的具体设计。这是整个论文研究工作中的重点，是超声波互相关检漏法的物质 基础。最后，具体讲解了验证超声波互相关管道泄漏检测方案所用试验装置的 设计。 试验及结果分析 4 1 试验 4 1 1 试验仪器 4 试验及结果分析 制作的超声波检漏仪( 由超声波发射、放大、驱动电路，超声波接收信号的 放大、幅值解调 、驱动电路组成) ： 全部电子硬件都安装在超声波检漏仪中，产生发射探头所需的激励信号，并处理 接收探头接收到的信号，通过幅值解调，从中提取出随机流动噪声信号，并进行 驱动，作为动态采集仪的输入。 茂迪股份有限公司f g 一5 0 6 信号源一台： 当需要激励信号的频率可调时，由此信号源提供可调信号。 武进超声仪器厂2 p 中1 8 超声波专用探头8 只： 分别作为四通道的发射和接收探头。 f i r s t p o w e r 蓄电池两只： 用于给后级信号处理电路供电( 差分放大、幅值解调、驱动) 。 国营红华仪器厂c o s 5 0 4 1 c h 示波器一台： 用于动态采集前观察信号的特征，以利于得到比较好的实验结果。 成都泰斯特电子信息有限公司t s 3 0 0 0 工控动态数据采集仪一台： 用于对随机流动噪声调制信号( 超声波检漏仪的输出信号) 进行数据采集。 搭建的模拟实验装置一套： 作为整个实验的平台。 仪器推车两辆： 搬运仪器。 推车式电缆一盘： 作为供电电缆。 4