一种漏气监测系统的设计与实现

赵惠军，王波，王亚林

海军总医院 医学工程科，北京 100048

[摘 要]目的建立一种漏气监测系统，监控医院“三气”管道和气瓶的气体泄漏情况。 方法利用数字信号处理技术对泄漏所产生的超声波信号进行分析处理和声压级计算，从而实现对泄漏的检测及泄漏量的估算。 结果医院能有效地实时监控气体泄漏情况，杜绝医疗隐患。 结论该系统性能可靠，可移植性强，市场前景广阔。

[关键词]数字信号处理；声压级；气体泄漏；监测系统；高压气瓶

引言

目前，各医院都有大量的供气管道和高压气瓶，越来越多的供气管道和高压气瓶成为了医院医疗活动中不可或缺的重要组成部分。如果医疗活动中操作不当或者管道出现质量缺陷从而导致设备密封不好，都有可能导致气体发生泄漏，不但会造成资源浪费，还会引发火灾或导致爆炸事故出现，对医院的医疗安全和人民的生命财产都是一个极大的威胁。准确地判断和定位气体泄漏的位置以及估算泄漏量的大小，对于医疗安全具有十分重要的意义。为此，我们研制了本套漏气监测系统，该系统能够实时监控“三气”管道和气瓶储存库的气体泄漏情况，定位气体泄漏的位置，同时估算泄漏量的大小 [1-3]。

1 材料与方法

1.1 系统硬件设计

系统检测的流程如下：传感器探测气体泄漏发出的声音并将其转化成电信号，经过放大滤波处理后分为两路，一路送入数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）进行相应操作，另一路经过降频能变为可听音。系统原理图，见图1。

图1 系统原理图

由上图可知，传感器探测的超声波泄漏信号分成了数字信号和模拟信号两部分。数字信号部分主要是原理图的右上部分，主要是DSP模块、LCD模块以及RAM和键盘等部件组成。信号放大电路以及后续的音频处理电路等都是属于模拟信号部分。信号放大电路由前置放大电路、中间放大电路、滤波电路和50 Hz陷波电路组成，由本振电路、功率驱动电路和混频器等组成音频处理电路。

1.2 信号放大电路

微弱气体泄漏产生的声音频率集中在50～1000 kHz之间，属于超声范围，其可能包含几十Hz的工频干扰信号和几十MHz的高频微波干扰信号。设计电路图，见图2。

图2 信号放大电路

前置放大电路的噪声系数决定了整个检测系统的噪声特性，因此其要具有低噪声、低漂移、高输入阻抗、高灵敏度、高抗干扰能力等特点。传感器接收的信号除了有用的超声泄漏信号外还包含大量噪声信号，如50 Hz的工频干扰。干扰信号有时候还比有用信号要强很多，因此要在运放和传感器之间加一个无源高通滤波器。这样传感器的功耗即使增加了一些也是值得的，后续可以通过二级放大来弥补。选用宽频运算放大器构成一个三级运算放大电路作为前置放大器，见图3。该电路具有高阻抗输入，从而使电路共模抑制受到的影响最小。

图3 前置放大级

中间放大级需要高放大倍数，其采用2级放大的形式，该两级放大具有相同的结构和参数，见图4。

图4 中间放大级

滤波电路是由一个二阶压控电压源高通滤波电路和一个二阶压控电压源低通滤波电路组成的带通滤波电路，该滤波电路可以滤掉元器件或电路自身新产生的噪声信号以及残留的背景噪声，见图5。

图5 滤波电路

1.3 音频处理电路

音频处理电路可以让人比较直观地感受到泄漏气体的部位，检测到的超声信号需要经过降频之后人耳才能听到。利用差分信号的乘法特性，降频后的信号接上低通滤波器可以得到差频信号，该差频信号在人耳的听觉范围内，从而能感受到泄漏的发生。

1.4 DSP

当前，随着DSP的应用日趋广泛，许多原来应用MCU的领域也升级为DSP。本电路中DSP的主要功能就是对信号进行A/D转换以及对A/D转换后的信号进行相应的分析处理，同时还要对电源和LCD进行管理。系统采用TMS320LF2407A把较弱信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配的水平，从而来进行记录、显示和A/D转换。TMS320LF2407A是一款低功耗的数字信号处理器，它是德州仪器公司推出的基于C2×LP16位的定点低功耗数字信号处理器，具有40 M指令/秒的处理速度，内置10位模/数转换电路，性能优异 [4]。该芯片内部哈佛结构采用程序和数据分开，采用流水线操作，拥有专门的硬件乘法器，其提供的特殊DSP指令能快速实现多种数字信号处理算法，应用方便。

1.5 数据采集电路

A/D转换对采集系统的速度、性能和成本影响较大，它是数据采集电路的一个比较重要的部分。超声波信号频率较高，因此A/D转换的采样频率也不能太低。系统选用12位并行高速A/D转换器ADS803，其最高转换频率5 MHz，且具有功耗低、信噪比高、输入范围灵活和失真度低等特点 [5]。

2 系统软件设计

系统主要完成泄漏超声的声压级测量、泄漏量的估算以及相关数据的显示，软件部分主要包括信号采集及滤波、FFT变换、泄漏量估算、LCD显示和键盘服务等，程序设计总体思路，见图6。

2.1 FIR滤波

模型由3部分构成：X、Y缓冲区和中值寄存区 [6]。FIR流程图，见图7。系统采用T1公司的库函数实现FFT，该算法FFT效率比较高 [7]。

图6 主程序流程图

2.2 声强计算

声压级的计算公式： 。式中，0为声压级（dB），p为声压（Pa），p 0为基准声压。声强级的计算公式： 。式中，L I为声强级（dB），I为声强（W/m 2），I 0为基准声强。声压和声强有内在联系，在自由声场中在传播方向上声强I与声压p关系如下： 。式中：I为声强，p为有效声压，p 0为空气密度，C为声速 [8-13]。

3 结果与讨论

本检测系统中传感器检测到的输出信号会首先转换为电压或者电流信号，该信号一般都特别小，很难用来直接进行显示、记录或者A/D转换，必须要前期进行相应处理才能用于后续的操作。因此，如果要进行数据采集装置和自动检测的话首要的难题就是要将微弱信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配的水平，如将mV级的电压信号放大到0～5 V左右。目前，运算放大器在放大电路中得到了广泛的应用。它由集成电路组成，是一种具有高增益、高可靠性、高输入阻抗且低价格和使用方便的模拟电子器件。随着半导体技术的不断成熟和完善，运算放大器品种也越来越多，精度也越来越高，完全能满足本系统的要求。系统研发完成后经过了200多次验证试验。试验过程中，我们发现只有40 kHz点的系统灵敏度是最高的。由于气体管道泄漏一般都是小孔气体泄漏，而这种泄漏产生的超声波信号强度极其微弱，远远小于环境噪声，如果这种检测要是处于恶劣的外部环境的话，检测难度会更大。因此，如果要提高系统检测的灵敏度，检测系统应重点检测40 kHz点的泄漏超声波强度 [14-16]。在这个点，泄漏超声波能量较大，且有用信号与噪声信号的差值也最高。

图7 FIR流程图

同时，具体应用过程中，背景噪声还是较高。系统设计的时候所选元器件都考虑了噪声干扰的因素，但即便如此，跟微弱的泄漏超声信号来说，元器件本身的噪声还是很高。因此，在有用信号进入DSP处理以后又加了一个滤波电路，将元器件和前置电路产生的噪声滤除，从而使得泄漏超声波信号精度更高 [17]。

超声波传感器工作频率基本在150 kHz左右，故检测系统中使用的运算放大器要具有高的增益带宽，同时也要具有高的转换速率。普通运算放大器在系统没有干扰或者干扰很小的情况下对微弱信号的放大也可以满足使用要求，它也可以很好地抑制差动端直接输入的共模信号，但是对共模干扰信号的抑制作用很少。本系统属于精密测量场合，不能使用普通运算放大器。只能选用测量放大器或者数据放大器，这类放大器广泛应用于对微弱信号的放大或者具有较大共模干扰的场合。

本漏气监测系统的研制任务来源于军事医学计量专项科研课题，针对检测医院“三气”管道的泄露情况需求研发本装备。在经过近200多次验证试验中，该系统性能稳定，软、硬件工作正常，报警监测效果良好，可靠性高。本系统精度高，便于携带，人机交互界面良好，能很好地实现对泄漏量的估算和泄漏位置的定位，系统方法简单，实用可靠，市场前景广阔。下一步将进一步提高系统的精确度，对软件的容错性进行优化，提高系统运行速度。

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本文编辑 袁隽玲 C

Design and Implementation of Gas Leakage Monitoring System

ZHAO Hui-jun, WANG Bo, WANG Ya-lin
Department of Medical Engineering, Naval General Hospital of PLA, Beijing 100048, China

Abstract：ObjectiveTo monitor gas leakage of gas pipeline or gas cylinder in hospital, this study developed a gas leakage monitoring system. MethodsThe digital signal processing technology was adopted to analyze and process the ultrasonic signal produced by leakage and the acoustic pressure level calculation, thus the leakage detection and leakage amount estimation were realized. ResultsThe gas leakage was real-time monitored effectively and the medical risk was prevented. ConclusionThis system has stable performance, strong portability and wide market prospects.

Key words：digital signal processing; acoustic pressure level; gas leakage; monitoring system; high pressure gas cylinder

[中图分类号]TH789

[文献标识码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.006

[文章编号]1674-1633(2017)03-0022-04

收稿日期：2016-09-22

修回日期：2016-12-26

基金项目：军事医学计量专项科研课题（2011-ZL2-022）。

作者邮箱：276558008@qq.com