空气超声波检漏仪检测方法*

陈文王 安兆亮 周子炜 陈继红 / 上海市计量测试技术研究院

空气超声波检漏仪检测方法*

陈文王 安兆亮 周子炜 陈继红 / 上海市计量测试技术研究院

提出空气超声波检漏仪的检测方法，采用替代法，通过对频率响应、最小检出能力和测量范围三个参数的检测，实现了对空气超声波检测仪性能的评判。实验结果表明，对于市场上常见的空气超声波检测仪，该检测方法可以有效地评判其性能。

空气超声波检漏仪；检测方法；频率响应；最小检出能力；测量范围

0 引言

工业中大量使用压力容器进行压缩气体的储存和运输，由于各种原因，容器会产生漏孔从而引发气体泄漏。气体泄漏不仅会造成能源浪费，还有可能对空气造成污染。因此，准确地判断漏孔的位置具有重要意义。目前，工业上普遍使用空气超声波检漏仪对泄漏进行定位。近年来，随着声学技术的发展，空气超声波检漏仪的应用范围日益扩大，已被逐渐使用在门窗的密封性检测、漏水检测和电气故障检测等领域[1-2]。

随着空气超声波检漏仪应用范围的扩展，对其进行周期性计量的要求也日益增加。由于国内外还没有针对空气超声波检漏仪的检测方法，因此目前对空气超声波检漏仪的测试只能以生产厂家提供的自测方法为依据，导致无法对其进行全面的检测及性能评价。本文针对空气超声波检漏仪的检测方法开展研究，以实现对空气超声波检漏仪性能的系统评价，从而保证测试结果的准确性。

1 测试原理及检测参数

1.1 原理及仪器

1.1.1 测试原理

使用替代法对空气超声波检漏仪进行检测。利用超声波换能器发出空气超声波，首先使用可溯源的自由场测试电容传声器测量空气超声波信号，然后在保证测试条件不变的情况下，用空气超声波检漏仪替换测试电容传声器。通过将空气超声波检漏仪测得的结果与可溯源自由场测试电容传声器测得的结果进行比较，完成空气超声波检漏仪的检测。

其中，自由场测试电容传声器为φ6.3 mm测试电容传声器。与其他测试电容传声器相比，其膜片刚性大，可覆盖的频率响应更大，可满足超声波信号的测试要求[3]。测试使用的超声波信号源为超声波换能器组。因为单一换能器的频率响应狭窄，若想覆盖几十千赫兹的范围，需要采用多个换能器的组合。

1.1.2 测试仪器

根据空气超声波检漏仪的测试原理，可以搭建检测装置，如图1所示。

图1 测试仪器连接示意图

1）正弦信号发生器，用于控制超声波换能器组，使其输出测试所需的空气超声波信号。

2）超声波换能器组，发出校准所需的空气超声波信号，其输出幅度由正弦信号发生器决定。构成超声波换能器组的超声波换能器个数和中心频率，由被测空气超声波检漏仪的频率响应确定。

3）φ6.3 mm测试电容传声器，用于接收超声波换能器组所发出的空气超声波。

4）测量放大器，用于显示声压级的大小。

实际测试时，需要采用替代法。当使用φ6.3 mm测试电容传声器测量完毕后，将其替换为空气超声波检漏仪，继续测试。

1.2 检测参数

1.2.1 频率响应

频率响应测试频率的选取主要从空气超声波检漏仪的用途考虑。当气体泄漏时，漏孔内外的压力差会导致泄漏的气体在通过漏孔到达外部时形成涡流，这个涡流会产生振荡变化的压力或声波。泄漏产生的声波具有很宽的频谱，通常在10 ～ 100 kHz之间[2]。

由图2可知，本底噪声在20 kHz以下都比较大，难以将泄漏声与本底噪声区分开；在20 kHz以上的频率范围内，泄漏声可以跟本底噪声完全区分开。所以，在确定检测所需的测试频率时，应该在20 ～100 kHz之间进行选择。

图2 本底噪声与泄漏声声压关系[4]

1.2.2 最小检出能力

最小检出能力是仪器对于超声波声压的最小稳定检出能力。它有助于评估在特定环境下空气超声波检漏仪是否可用，是否好用。另外，根据最小检出能力，通过式（1）可求得泄漏处的压力[5]，从而可以估算出气体的泄漏量。

式中：L— 与喷注垂直方向距离1 m处的声压级，单位为dB；

D— 喷口直径，单位为mm；

D0— 喷口直径参考值，通常为1 mm；

p0— 环境压力；

p— 喷口上游压力

1.2.3 测量范围

测量范围决定了空气超声波检漏仪对于不同等级声音信号的检出能力，这是各类仪器都具有并需要进行测试的特性。对于声学仪器，普遍存在声音信号和电信号两种测量方式[6]。声音信号测量方式与空气超声波检漏仪实际使用的方式一致，但是该种方式易受环境影响，且该种方式的可测量范围较小。电信号测量方式通过直接对空气超声波检漏仪输入电信号进行测试，可以不受环境的影响，但是需要空气超声波检漏仪提供电信号的输入端口。目前常见的空气超声波检漏仪不都具有电信号的输入端口。因此两种测量方式需要配合使用。

2 测试结果及分析

利用正弦信号发生器、超声波换能器组、φ6.3 mm测试电容传声器和测量放大器搭建检测装置。选择市场上常见的四款空气超声波检漏仪——FH2001B、TN-2800、SDT-170和SDT-200作为测试样品。除了TN-2800为亮灯显示外，其他三款空气超声波检漏仪均为数字显示。

2.1 频率响应

根据1.1.1所述，综合考虑泄漏声的频率范围和本底噪声的影响，测试在20 ～ 100 kHz范围进行，选取的频率点为20 kHz、25 kHz、31.5 kHz、50 kHz、63 kHz、80 kHz和100 kHz。由于空气超声波检漏仪传感器的工作频率通常为40 kHz，所以首先对40 kHz的信号进行测试。对40 kHz，调节正弦信号发生器的输出，在距离超声换能器1 m处先用φ6.3 mm测试电容传声器，测得一个固定的声压级，本测试中将参考值选为55 dB；然后用待测空气超声波检漏仪在相同条件下进行测试，记下此时仪器的示值。对20 kHz、25 kHz、31.5 kHz、50 kHz、63 kHz、80 kHz和100 kHz频率点依次展开以上测试。由于TN-2800无法显示准确的数字，其测试数据的参考价值较小，因此仅给出其他三款待测仪器的测试结果，见表1。

测试结果显示，三款空气超声波检漏仪在各个频率点测得的信号与参考值均有较大偏差，这表明对空气超声波检漏仪频率响应的校准非常有必要。另外，三款空气超声波检漏仪均能测得40 kHz的参考信号，而对于其他频率的空气超声波信号，SDT-170完全检测不出，而FH2001B和SDT-200仅能检测出31.5 kHz和50 kHz的参考信号。由此可知，市场上广泛使用的空气超声波检漏仪其工作频率主要集中在40 kHz处，这也与产品说明书中给出的传感器工作特性一致。由图2可知，40 kHz的工作频率也符合将泄漏声与环境噪声区分开的要求。

综上所述，需要对空气超声波检漏仪的频率响应特性进行检测。由于在整个工作频率范围内，空气超声波检漏仪在40 kHz处的信号最强，因此检测时使用40 kHz的空气超声波信号足以反映整个工作频率范围的情况。

表1 待测空气超声波检漏仪的频率响应

2. 2 最小检出能力

调节正弦信号发生器的输出，记录在距离超声波换能器1 m处用待测空气超声波检漏仪可以稳定测得40 kHz的最小空气超声波信号。当检漏仪示数不再变化时，表明该信号可以稳定测得。如果示数一直改变，则需增大超声波信号。然后用φ6.3 mm测试电容传声器在相同条件下进行测试，记录此时的声压级。由于TN-2800的灵敏度可调，所以需将其灵敏度调节到最大后进行测试。测试结果见表2。由于不同的检漏仪设计参数不同，因此最小检出能力的结果需要与产品说明书中规定的最小检出值进行比较。

表2 待测空气超声波检漏仪的最小检测能力

由表2中的数据可知，市场上常见的空气超声波检漏仪能检测到的最小声压级存在一定的差异。在实际的测试中，可以针对空气超声波检漏仪的型号，选择相应声压级的空气超声波信号以测试该仪器是否能够正常工作。

同时，根据式（1），可以由实际测得的最小声压级估测出泄漏量。以TN-2800数据为例，假设喷口的直径D为1 mm，将仪器在1 m处测得的最小声压级32.0 dB代入式（1），取环境压力为102 kPa，可计算出喷口上游压力约为106.5 kPa。根据TN-2800说明书中给出的最小流速图（图3）可推测，此时检测器检测到的空气的最小流速在40 mL/min以上，进而可以推算出泄漏量。

图3 TN-2800的最小流速图

空气超声波检漏仪的最小检出能力不仅能够反映该仪器是否可用，还对估算泄漏量具有重要意义。因此，检测空气超声波检漏仪时，对最小检出能力的检测是必不可少的。

2. 3 测量范围

对于声学仪器的测量范围普遍存在着声音信号和电信号两种测量方式。使用声音信号法进行测量时，采用40 kHz声音信号，先在1 m处用待测的空气超声波检漏仪进行测试，以最小检出能力对应的示数为起始点，示数每改变一定的值，记录一次，然后再用φ6.3 mm测试电容传声器在相同条件下进行测试，记录此时的声压级。由于不同公司制造的空气超声波检漏仪，其线性测量范围有可能是针对声压级的，也有可能是针对声压的，因此，为了分析方便，还需将测得的声压级转换为声压。测试结果见表3、表4。

由表3可知，FH2001B的示数与声压级大致呈线性关系,对声音信号的线性测量范围为5～120 dB；由表4可知，SDT-170的示数与声压大致呈线性关系，对声音信号的线性测量范围为20～90 dB。通过对表3和表4的数据比较可知，空气超声波检漏仪对声音信号均有一定的线性测量范围，且该范围因仪器的性能而异。因此，需要对空气超声波检漏仪的声音信号测量范围进行测试，以保证在实际使用中测得的超声波信号值的准确性。

对于有电信号接入端口的空气超声波检漏仪，可直接将其与信号发生器相连，使用电信号确定其线性测量范围。以最小检出能力对应的示数为起始点，示数每改变一定的值，记录一次。测试结果见表5。

表3 FH2001B的声音信号测量范围

表4 SDT-170的声音信号测量范围

表5 FH2001B的电信号测量范围

由表5可知，FH2001B的示数与电信号的有效值大致呈线性关系。

线性测量范围是保证测量准确的重要参数，且因产品的生产厂商而异，因此需要对空气超声波检漏仪的线性测量范围进行测试。由于使用电信号检测可以避免周围环境的干扰，且更加快捷，因此在对空气超声波检漏仪的测量范围进行检测时，首选电信号法。对于不包含电信号输入接口的空气超声波检漏仪，应采用声音信号法进行检测。

3 结语

为了保证空气超声波检漏结果的准确可靠，需要对空气超声波检漏仪进行检测。综合考虑空气超声波检漏仪进行泄漏检测时的工作原理，可以确定以下三个校准参数：频率响应、最小检出能力和测量范围。频率响应用于确定仪器是否可用，最小检出能力用于判断仪器是否灵敏，而测量范围用于确定测得的数据在何种范围可靠。

根据测试结果，对频率响应进行测试时采用替代法，且使用40 kHz的空气超声波信号作为参考信号。对最小检出能力进行校准时也应采用替代法，并使用40 kHz的空气超声波信号作为参考，同时还可以根据公式将最小检出能力转换为泄漏量。对测量范围的检测首选电信号法，当待测仪器不包含电信号输入端口时，可采用声音信号法。

[1] 李广法，单纯利. 超声探伤用探头回波频率测试方法[J].计测技术，2013，30(3)：53～55.

[2] 龚其春，刘成良等.新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计[J].液压与气动，2005(3)：75～77.

[3] 杜功焕，朱哲民等. 声学基础[M]. 南京：南京大学出版，2001：94-106.

[4] 龚其春，叶骞等. 新型气体泄漏超声检测系统的研究与设计[J].电子技术应用，2005，31(3)：35～39.

[5] 马大猷, 李沛滋等. MICRO JET NOISE AND MICROPORE DIFFUSER-MUFFLER[J].Science in China，1977，5：569～582.

[6] 安兆亮，潘晗等.佩戴式个人噪声测量仪器计量方法探讨[J].上海计量测试，2011(2)：21-26.

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

上海市质量技术监督局质检公益项目（201310010）