專利名稱：混合層的檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液層檢測，尤其涉及一種基于超聲波技術(shù)，用于檢測液體儲罐中的混 合層所處位置及分布狀態(tài)的方法及其裝置，屬于超聲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)生產(chǎn)中，液體儲罐里常含有多種成分。在這種情況下，有可能存在多種物質(zhì) 混合的混合層。了解混合層在液體中的分布及混合層中各組分的分布，可以提高生產(chǎn)效率 和產(chǎn)品質(zhì)量。例如在油品行業(yè)，在原油生產(chǎn)中需要把原油中的油和水分離。而在油水分離 過程中，存在著油和水的混合層，該狀態(tài)也稱為乳化層。需要對乳化層進(jìn)行破乳才能使油水 比較充分的分離。所以破乳過程中，對乳化層的厚度及乳化程度的實(shí)時(shí)了解和掌控，可提高 油水分離的生產(chǎn)效率和油品質(zhì)量。其他行業(yè)諸如食品、水處理等行業(yè)也都期望通過對混合 層的了解來指導(dǎo)生產(chǎn)?，F(xiàn)有的技術(shù)，譬如射頻導(dǎo)納或者重力浮子等技術(shù)，都不能描述混合層的位置和混 合層不同組分的分布狀態(tài)。舉例來說，在油品行業(yè)中，射頻導(dǎo)納的工作原理是把電極放入容 器內(nèi)，測量電級和罐壁之間的電容值。作為兩極之間介質(zhì)的油和水介電常數(shù)相差很大，油層 所產(chǎn)生的電容值很小，可以忽略，電容值的大小基本由水層的高度來決定。所以根據(jù)測量電 容的大小就能算出容器內(nèi)水層的高度。這個(gè)電容值是個(gè)集中參數(shù)，它能表達(dá)容器中水層的 高度，但不能反應(yīng)出混合層的位置及狀態(tài)。同樣，重力浮子利用油水比重的不同，讓浮子懸 浮在油水界面處，也只能反映水層的高度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提出一種基于超聲波技術(shù)的混合 層檢測方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明的混合層的檢測方法包括沿著和液面相交的方向移動超聲波探頭，在移 動過程中，所述超聲波探頭沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波，通過收集超聲波的回波生 成液體的縱切面超聲波圖像，通過所述超聲波圖像確定混合層的位置及分布狀態(tài)。其中，根據(jù)不同的使用需求，超聲波探頭可以連續(xù)移動或步進(jìn)移動。在移動的過程 中，超聲波探頭可以持續(xù)發(fā)射超聲波以獲得連續(xù)圖像；對于無需檢測的部分，超聲波探頭可 以停止發(fā)射超聲波以跳過該部分。所述和液面相交的方向優(yōu)選為和液面垂直的方向。在一般情況下，液面位于水平 方向，則超聲波探頭優(yōu)選在豎直方向上移動。但當(dāng)超聲波探頭不適宜在豎直方向上移動時(shí)， 比如液體儲罐本身傾斜導(dǎo)致超聲波探頭不能豎直移動，則超聲波探頭可以傾斜移動，不影 響最終的成像。在生成超聲波圖像(簡稱成像)時(shí)，優(yōu)選以高亮度表示大幅回波，以低亮度表示小 幅回波。為了滿足成像的要求，超聲波探頭發(fā)射的超聲波的波長小于反射界面尺寸的兩倍，優(yōu)選小于界面尺寸。在此情況下，將超聲波探頭發(fā)射的超聲波的頻率設(shè)置在2-lOMHz的 范圍內(nèi)能適應(yīng)通常的工業(yè)應(yīng)用需求。本發(fā)明所述的混合層可以位于液體儲罐所儲存的液體中的任何位置，比如底部、 中部、或者頂部。本發(fā)明所述的混合層指的是一相為液體的混合層，比如油水乳化層(兩相 均為液體)、固液混合層(一相為液體，另一相為固體)、或者混有固體顆粒的油水乳化層 (一相為液體，另兩相分別為液體和固體)?；谏鲜龇椒ǖ乃枷?，本發(fā)明的混合層檢測裝置包括超聲波探頭和傳動裝置，所 述超聲波探頭位于液體中，沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波；所述傳動裝置帶動所述超 聲波探頭沿著和液面垂直的方向移動。下面描述本發(fā)明的原理。本發(fā)明利用了超聲波探測的原理，對液體進(jìn)行掃描成像，來獲知混合層的分布位 置及混合層中各組分的分布狀態(tài)。通過超聲波探頭沿著平行于液面的方向(一般情況下是 水平方向)發(fā)射超聲波，并通過傳動裝置帶動超聲波探頭在和液面相交的方向(優(yōu)選豎直 方向)移動，超聲波探頭經(jīng)過一個(gè)行程的移動，發(fā)射的超聲波束對它經(jīng)過的區(qū)域就完成一 次掃描。對超聲波反射回波信號進(jìn)行分析處理，就能還原出掃描區(qū)域內(nèi)混合層的分布位置 和混合層中各組分的分布狀態(tài)圖。超聲波探頭掃描后能得知混合層的分布位置和混合層中各組分的分布，依據(jù)是超 聲波的反射回波信息。所以產(chǎn)生回波是成像的基礎(chǔ)，而產(chǎn)生反射回波的條件有兩個(gè)。其一 是回波產(chǎn)生在兩種不同介質(zhì)形成的界面(例如油水乳化層中水中的油滴或油中的水滴， 都存在油水界面)，并且產(chǎn)生界面的兩種物質(zhì)聲阻抗差大于千分之一。其二是發(fā)射的超聲 波波長要比反射界面的尺寸(即油滴的球面大小)要小。理論上當(dāng)波長大于界面尺寸的兩 倍，則更容易發(fā)生衍射和散射，起不到反射的效果。換句話說，波長越小，能分辨的反射物越 小。有界面反射區(qū)域和無界面反射區(qū)域的表現(xiàn)出來的差異在于前者能產(chǎn)生一定幅度 的回波，而后者無回波。把這種差異性用圖像的方式來表現(xiàn)出來，就是成像。在成像中，確 定產(chǎn)生反射的界面坐標(biāo)位置，并用不同的亮度來區(qū)別于無反射區(qū)域，就能把掃描范圍內(nèi)的 反射界面描繪出來。在本發(fā)明的描述中，把超聲波探頭發(fā)射方向稱為X軸，傳動裝置帶動探 頭移動的方向?yàn)閅軸。1、反射界面坐標(biāo)位置的確定X坐標(biāo)的確定可以根據(jù)同一脈沖波的發(fā)射波和反射波的時(shí)間差來得到反射界面到 探頭的距離。Y坐標(biāo)的確定，由于超聲波束水平掃描，在產(chǎn)生反射回波那一時(shí)刻，反射界面的Y 坐標(biāo)和探頭所處的Y坐標(biāo)一致。所以確定探頭的位置就能得知反射界面的Y坐標(biāo)。探頭位 置的確定可以設(shè)定傳動裝置來解決。2、反射界面的成像有反射界面區(qū)域區(qū)別于無反射界面區(qū)域的特征，在于反射界面處有一個(gè)一定幅度 的反射回波。在成像中用明暗度來表示回波幅度的大小，回波幅度大的位置亮度高，無反射 區(qū)域成暗黑色。那么結(jié)合位置坐標(biāo)，就能將反射界面描繪出來。以油品行業(yè)中的油水乳化層來舉例。當(dāng)一束超聲波在不同位置對油水乳化層掃描時(shí)，遇到水層中的油滴(如圖1所示)，在油滴的前表面一部分超聲波反射，另一部分超聲波 透射達(dá)到油滴的后表面，再次進(jìn)行反射和透射?；夭ㄇ闆r如圖2所示，在界面處有反射的位 置顯示的是一個(gè)凸起的回波。這個(gè)凸起的回波在水平軸上的距離是根據(jù)同一脈沖波的發(fā)射 和反射回波時(shí)間差計(jì)算得出。在成像中用亮度來代表凸起回波的幅度，就還原成油滴的表 面形狀(如圖3所示)。亮度高的地方反射強(qiáng)，代表為油水界面，暗色地方為無界面反射，為 單一的水或油區(qū)域。用明暗的差別就區(qū)分了有界面區(qū)域和無界面區(qū)域。由此將水中油滴的 表面勾勒出來。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于現(xiàn)有技術(shù)無法詳細(xì)地描述混合層的位置及分布狀態(tài)。本發(fā)明方法及其裝置能夠準(zhǔn) 確地描述混合層的位置以及其中各組分的分布狀態(tài)。工業(yè)生產(chǎn)中混合層的識別一直缺少有 效的方法，本發(fā)明填補(bǔ)了這一空白，能夠?yàn)榛旌蠈拥淖R別提供解決方法。


圖1表示水層中的油滴示意圖；圖2表示圖1情況下的超聲波回波情況示意圖；圖3表示圖1情況下的超聲波回波成像示意圖；圖4表示實(shí)施例的混合層檢測裝置示意圖；其中，1-傳動裝置；2-超聲波探頭； 3-超聲波；4-懸浮顆粒；5-液體罐壁；圖5表示實(shí)施例裝置得到的回波曲線示意圖；圖6表示實(shí)施例裝置得到的回波成像示意圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本實(shí)施例提供液體儲罐中的混合層的檢測裝置，該裝置如圖4所示，由傳動裝置1 和超聲波探頭2組成，傳動裝置1可以控制超聲波探頭2上下移動，超聲波探頭2可以向水 平方向發(fā)射超聲波并接收反射回波。該裝置能夠直觀的顯示液體罐內(nèi)掃描區(qū)域的各組分分布。根據(jù)需要掃描的液體范 圍(比如預(yù)計(jì)混合層位于儲罐的中上部，則只從儲罐頂部掃描到中部)，在傳動裝置1的控 制下移動超聲波探頭2進(jìn)行掃描。在不同位置得到的回波按照探頭所在位置分別記錄下 來，就得到如圖5所示的一組回波曲線。用亮度來代表回波幅度，就得到經(jīng)過掃描的縱切面 內(nèi)完整的剖面圖(如圖6所示)。掃描線越密，則得到圖形的細(xì)節(jié)越清晰。經(jīng)過掃描，無反射回波的區(qū)域都為暗黑色，可以確定為非混合層。有反射回波區(qū) 域，則根據(jù)圖像中的明暗特征，可以了解混合層中懸浮顆粒4(可以是液體，也可以是固體， 或者固液混合物)的輪廓、位置及分布密度。由此即可認(rèn)識混合層在液體儲罐內(nèi)的分布位 置及混合層內(nèi)各組分的分布狀態(tài)。本實(shí)施例裝置進(jìn)一步關(guān)注的是成像圖像的質(zhì)量要求，即分辨率。1、X軸向分辨率從圖5上看，發(fā)射的脈沖超聲波在界面處產(chǎn)生反射，由于單個(gè)脈沖波有一定的寬 度，所以兩個(gè)反射回波過于接近時(shí)，這兩個(gè)反射回波就會疊加，形成一個(gè)更大的回波。因此無法區(qū)分前后兩個(gè)反射界面。造成這種現(xiàn)象的原因有單個(gè)懸浮顆粒過小，造成前后兩個(gè)反 射界面過于接近；或者相鄰的兩個(gè)懸浮顆粒過于接近也能造成這種現(xiàn)象。理論上要把前后 兩個(gè)反射回波徹底區(qū)分開來，需要這兩個(gè)反射界面之間的距離大于二分之一的脈沖寬度。因此超聲波脈沖寬度越窄，則X軸向的分辨率越高，據(jù)此可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需 求將脈沖寬度調(diào)整在合適的范圍內(nèi)。2、Y軸向分辨率當(dāng)超聲波探頭做Y軸向移動時(shí)，水平超聲波束以一定的波束寬度照射上下兩個(gè)相 鄰的懸浮顆粒。要在所成的圖像中區(qū)分上下兩個(gè)顆粒，那么兩個(gè)顆粒之間的間隙必須能識 別，這是一個(gè)必要條件。也就是說，探頭必須在某一位置時(shí)，超聲波束恰好穿過兩個(gè)顆粒之 間的間隙，在波形圖上沒有任何反射回波，那么成像的圖像中兩個(gè)高亮度的顆粒之間有這 么一條暗色的區(qū)域把兩個(gè)顆粒的影像隔開。因此超聲波波束越窄，則能夠穿過的間隙越窄，得到的Y軸向的分辨率越高，同樣 可以據(jù)此按照實(shí)際需求將波束調(diào)整在合適的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種混合層的檢測方法，該方法包括沿著和液面相交的方向移動超聲波探頭，在移動過程中，所述超聲波探頭沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波，通過收集超聲波的回波生成液體的縱切面超聲波圖像，通過所述超聲波圖像確定混合層的位置及分布狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，在該方法中，沿著和液面相交 的方向連續(xù)移動超聲波探頭，在移動過程中，所述超聲波探頭持續(xù)發(fā)射超聲波。
3.如權(quán)利要求1或2所述的混合層的檢測方法，其特征在于，所述和液面相交的方向是 和液面垂直的方向。
4.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，在生成超聲波圖像時(shí)，分別以 亮度的高低反映回波幅度的大小。
5.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，發(fā)射的超聲波的波長小于反 射界面尺寸的兩倍。
6.如權(quán)利要求5所述的混合層的檢測方法，其特征在于，發(fā)射的超聲波的波長小于界 面尺寸。
7.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，發(fā)射的超聲波的頻率在 2-10MHz的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，所述混合層是油水乳化層。
9.如權(quán)利要求1所述的混合層的檢測方法，其特征在于，所述混合層是固液混合層。
10.一種混合層的檢測裝置，包括超聲波探頭和傳動裝置，所述超聲波探頭位于液體 中，沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波；所述傳動裝置帶動所述超聲波探頭沿著和液面垂 直的方向移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合層的檢測方法和裝置，屬于超聲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括沿著和液面相交的方向移動超聲波探頭，在移動過程中，所述超聲波探頭沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波，通過收集超聲波的回波生成液體的縱切面超聲波圖像，通過所述超聲波圖像確定混合層的位置及分布狀態(tài)。本發(fā)明裝置包括超聲波探頭和傳動裝置，所述超聲波探頭位于液體中，沿著和液面平行的方向發(fā)射超聲波；所述傳動裝置帶動所述超聲波探頭沿著和液面垂直的方向移動。本發(fā)明可用于包括油品行業(yè)在內(nèi)的眾多工業(yè)領(lǐng)域。
文檔編號G01N29/02GK101858771SQ201010180770
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者周雷, 張樺 申請人:周雷;張樺