趙惠軍，王波，王亞林

海軍總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100048

一種漏氣監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙惠軍，王波，王亞林

海軍總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，北京 100048

目的建立一種漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)控醫(yī)院“三氣”管道和氣瓶的氣體泄漏情況。方法利用數(shù)字信號處理技術(shù)對泄漏所產(chǎn)生的超聲波信號進行分析處理和聲壓級計算，從而實現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。結(jié)果醫(yī)院能有效地實時監(jiān)控氣體泄漏情況，杜絕醫(yī)療隱患。結(jié)論該系統(tǒng)性能可靠，可移植性強，市場前景廣闊。

數(shù)字信號處理；聲壓級；氣體泄漏；監(jiān)測系統(tǒng)；高壓氣瓶

引言

目前，各醫(yī)院都有大量的供氣管道和高壓氣瓶，越來越多的供氣管道和高壓氣瓶成為了醫(yī)院醫(yī)療活動中不可或缺的重要組成部分。如果醫(yī)療活動中操作不當或者管道出現(xiàn)質(zhì)量缺陷從而導(dǎo)致設(shè)備密封不好，都有可能導(dǎo)致氣體發(fā)生泄漏，不但會造成資源浪費，還會引發(fā)火災(zāi)或?qū)е卤ㄊ鹿食霈F(xiàn)，對醫(yī)院的醫(yī)療安全和人民的生命財產(chǎn)都是一個極大的威脅。準確地判斷和定位氣體泄漏的位置以及估算泄漏量的大小，對于醫(yī)療安全具有十分重要的意義。為此，我們研制了本套漏氣監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控“三氣”管道和氣瓶儲存庫的氣體泄漏情況，定位氣體泄漏的位置，同時估算泄漏量的大小[1-3]。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)檢測的流程如下：傳感器探測氣體泄漏發(fā)出的聲音并將其轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)過放大濾波處理后分為兩路，一路送入數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）進行相應(yīng)操作，另一路經(jīng)過降頻能變?yōu)榭陕犚簟Ｏ到y(tǒng)原理圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

由上圖可知，傳感器探測的超聲波泄漏信號分成了數(shù)字信號和模擬信號兩部分。數(shù)字信號部分主要是原理圖的右上部分，主要是DSP模塊、LCD模塊以及RAM和鍵盤等部件組成。信號放大電路以及后續(xù)的音頻處理電路等都是屬于模擬信號部分。信號放大電路由前置放大電路、中間放大電路、濾波電路和50 Hz陷波電路組成，由本振電路、功率驅(qū)動電路和混頻器等組成音頻處理電路。

1.2 信號放大電路

微弱氣體泄漏產(chǎn)生的聲音頻率集中在50～1000 kHz之間，屬于超聲范圍，其可能包含幾十Hz的工頻干擾信號和幾十MHz的高頻微波干擾信號。設(shè)計電路圖，見圖2。

圖2 信號放大電路

前置放大電路的噪聲系數(shù)決定了整個檢測系統(tǒng)的噪聲特性，因此其要具有低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高靈敏度、高抗干擾能力等特點。傳感器接收的信號除了有用的超聲泄漏信號外還包含大量噪聲信號，如50 Hz的工頻干擾。干擾信號有時候還比有用信號要強很多，因此要在運放和傳感器之間加一個無源高通濾波器。這樣傳感器的功耗即使增加了一些也是值得的，后續(xù)可以通過二級放大來彌補。選用寬頻運算放大器構(gòu)成一個三級運算放大電路作為前置放大器，見圖3。該電路具有高阻抗輸入，從而使電路共模抑制受到的影響最小。

圖3 前置放大級

中間放大級需要高放大倍數(shù)，其采用2級放大的形式，該兩級放大具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，見圖4。

圖4 中間放大級

濾波電路是由一個二階壓控電壓源高通濾波電路和一個二階壓控電壓源低通濾波電路組成的帶通濾波電路，該濾波電路可以濾掉元器件或電路自身新產(chǎn)生的噪聲信號以及殘留的背景噪聲，見圖5。

圖5 濾波電路

1.3 音頻處理電路

音頻處理電路可以讓人比較直觀地感受到泄漏氣體的部位，檢測到的超聲信號需要經(jīng)過降頻之后人耳才能聽到。利用差分信號的乘法特性，降頻后的信號接上低通濾波器可以得到差頻信號，該差頻信號在人耳的聽覺范圍內(nèi)，從而能感受到泄漏的發(fā)生。

1.4 DSP

當前，隨著DSP的應(yīng)用日趨廣泛，許多原來應(yīng)用MCU的領(lǐng)域也升級為DSP。本電路中DSP的主要功能就是對信號進行A/D轉(zhuǎn)換以及對A/D轉(zhuǎn)換后的信號進行相應(yīng)的分析處理，同時還要對電源和LCD進行管理。系統(tǒng)采用TMS320LF2407A把較弱信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配的水平，從而來進行記錄、顯示和A/D轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A是一款低功耗的數(shù)字信號處理器，它是德州儀器公司推出的基于C2×LP16位的定點低功耗數(shù)字信號處理器，具有40 M指令/秒的處理速度，內(nèi)置10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，性能優(yōu)異[4]。該芯片內(nèi)部哈佛結(jié)構(gòu)采用程序和數(shù)據(jù)分開，采用流水線操作，擁有專門的硬件乘法器，其提供的特殊DSP指令能快速實現(xiàn)多種數(shù)字信號處理算法，應(yīng)用方便。

1.5 數(shù)據(jù)采集電路

A/D轉(zhuǎn)換對采集系統(tǒng)的速度、性能和成本影響較大，它是數(shù)據(jù)采集電路的一個比較重要的部分。超聲波信號頻率較高，因此A/D轉(zhuǎn)換的采樣頻率也不能太低。系統(tǒng)選用12位并行高速A/D轉(zhuǎn)換器ADS803，其最高轉(zhuǎn)換頻率5 MHz，且具有功耗低、信噪比高、輸入范圍靈活和失真度低等特點[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要完成泄漏超聲的聲壓級測量、泄漏量的估算以及相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，軟件部分主要包括信號采集及濾波、FFT變換、泄漏量估算、LCD顯示和鍵盤服務(wù)等，程序設(shè)計總體思路，見圖6。

2.1 FIR濾波

模型由3部分構(gòu)成：X、Y緩沖區(qū)和中值寄存區(qū)[6]。FIR流程圖，見圖7。系統(tǒng)采用T1公司的庫函數(shù)實現(xiàn)FFT，該算法FFT效率比較高[7]。

圖6 主程序流程圖

2.2 聲強計算

3 結(jié)果與討論

本檢測系統(tǒng)中傳感器檢測到的輸出信號會首先轉(zhuǎn)換為電壓或者電流信號，該信號一般都特別小，很難用來直接進行顯示、記錄或者A/D轉(zhuǎn)換，必須要前期進行相應(yīng)處理才能用于后續(xù)的操作。因此，如果要進行數(shù)據(jù)采集裝置和自動檢測的話首要的難題就是要將微弱信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓相匹配的水平，如將mV級的電壓信號放大到0～5 V左右。目前，運算放大器在放大電路中得到了廣泛的應(yīng)用。它由集成電路組成，是一種具有高增益、高可靠性、高輸入阻抗且低價格和使用方便的模擬電子器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟和完善，運算放大器品種也越來越多，精度也越來越高，完全能滿足本系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)研發(fā)完成后經(jīng)過了200多次驗證試驗。試驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)只有40 kHz點的系統(tǒng)靈敏度是最高的。由于氣體管道泄漏一般都是小孔氣體泄漏，而這種泄漏產(chǎn)生的超聲波信號強度極其微弱，遠遠小于環(huán)境噪聲，如果這種檢測要是處于惡劣的外部環(huán)境的話，檢測難度會更大。因此，如果要提高系統(tǒng)檢測的靈敏度，檢測系統(tǒng)應(yīng)重點檢測40 kHz點的泄漏超聲波強度[14-16]。在這個點，泄漏超聲波能量較大，且有用信號與噪聲信號的差值也最高。

圖7 FIR流程圖

同時，具體應(yīng)用過程中，背景噪聲還是較高。系統(tǒng)設(shè)計的時候所選元器件都考慮了噪聲干擾的因素，但即便如此，跟微弱的泄漏超聲信號來說，元器件本身的噪聲還是很高。因此，在有用信號進入DSP處理以后又加了一個濾波電路，將元器件和前置電路產(chǎn)生的噪聲濾除，從而使得泄漏超聲波信號精度更高[17]。

超聲波傳感器工作頻率基本在150 kHz左右，故檢測系統(tǒng)中使用的運算放大器要具有高的增益帶寬，同時也要具有高的轉(zhuǎn)換速率。普通運算放大器在系統(tǒng)沒有干擾或者干擾很小的情況下對微弱信號的放大也可以滿足使用要求，它也可以很好地抑制差動端直接輸入的共模信號，但是對共模干擾信號的抑制作用很少。本系統(tǒng)屬于精密測量場合，不能使用普通運算放大器。只能選用測量放大器或者數(shù)據(jù)放大器，這類放大器廣泛應(yīng)用于對微弱信號的放大或者具有較大共模干擾的場合。

本漏氣監(jiān)測系統(tǒng)的研制任務(wù)來源于軍事醫(yī)學(xué)計量專項科研課題，針對檢測醫(yī)院“三氣”管道的泄露情況需求研發(fā)本裝備。在經(jīng)過近200多次驗證試驗中，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，軟、硬件工作正常，報警監(jiān)測效果良好，可靠性高。本系統(tǒng)精度高，便于攜帶，人機交互界面良好，能很好地實現(xiàn)對泄漏量的估算和泄漏位置的定位，系統(tǒng)方法簡單，實用可靠，市場前景廣闊。下一步將進一步提高系統(tǒng)的精確度，對軟件的容錯性進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)運行速度。

[1] 謝陽,楊艷芳,賈麗璇,等.一種氣體絕緣開關(guān)柜漏氣報警裝置的設(shè)計[J].電氣時代,2016,(5):102-105.

[2] 趙丙辰,黃俊英,劉銀龍.一種PM2.5輔助監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].環(huán)境工程,2015,33(5):140-143.

[3] 陳戧.汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研究與工程實現(xiàn)[D].合肥:安徽大學(xué),2015.

[4] Texas Instruments.Fixed-Point Digital Signal Processor Databook[R].TMS320C6416,2005.

[5] 韋育森,楊國勝,朱新亞.微波熱聲成像弱信號預(yù)放大電路[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,27(12):11-12.

[6] 楊誠,馬永杰.基于DSP的FIR濾波器設(shè)計中新型快速算法[J].計算機應(yīng)用,2009,29(12):3221-3223.

[7] 萬浩平,馬進,王鋒.基于TMS320F2812的高精度數(shù)據(jù)采集及FFT實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(4):54-55.

[8] 張玉芝.基于DSP的氣體泄漏超聲波檢測系統(tǒng)[J].微計算機信息,2009,(35):158-159.

[9] 張荷芳,賈存陽.基于DSP的超聲波無損檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程,2015,43(5):821-824.

[10] 趙濤.基于嵌入式系統(tǒng)的超聲波氣體泄漏檢測儀的設(shè)計與研究[D].淄博:山東理工大學(xué),2011.

[11] 謝安.基于STM32的SO2超聲波氣體檢測儀的研制[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2015,(10):79.

[12] 彭敬.基于超聲波的泄漏檢測儀設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué), 2013.

[13] 劉和平,劉然,劉殿海,等.超聲波泄漏檢測技術(shù)在高速動車組氣密性方面的應(yīng)用研究[J].機械設(shè)計與制造,2016,(11):15.

[14] 張龍飛,韓方源,梁沁沁,等.基于超聲法的微量SF6泄漏檢測[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(8):101-104.

[15] 韓群勇.大型食堂煤氣泄漏檢測和保護裝置的設(shè)計[J].機電技術(shù),2016,(4):15-17.

[16] 廖平平,蔡茂林,張利劍.氣體泄漏流量非介入式超聲測量方法[J].機床與液壓,2016,44(7):21-25.

[17] 劉曉明,岳婷婷,譚廷慶,等.基于DSP的超聲波無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].世界科技研究與發(fā)展,2011,33(1):82-85.

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

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.

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

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.006

1674-1633(2017)03-0022-04

2016-09-22

2016-12-26

軍事醫(yī)學(xué)計量專項科研課題（2011-ZL2-022）。

作者郵箱：276558008@qq.com