本發(fā)明屬于超聲波檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲導(dǎo)波的密閉容器液位測量方法。

背景技術(shù)：

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液位往往是很重要的控制參數(shù)。對于一般儲液裝置內(nèi)所儲存液體的多少對生產(chǎn)過程的影響是不可忽視的。如火電生產(chǎn)過程中的鍋爐汽包、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、軸封加熱器、疏水箱等液位變化對電站機組的安全經(jīng)濟運行至關(guān)重要，能實現(xiàn)高精度、高可靠的實時監(jiān)測水位變化的技術(shù)研究就顯得尤為重要。

超聲導(dǎo)波是一種沿著波導(dǎo)(平板或管道)傳播的彈性波，并且相對于傳統(tǒng)的超聲波而言，超聲導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)，能量損耗低，高敏感性和長距離傳播的能力，適合大面積的快速損傷檢測或者健康監(jiān)測。但是，以上超聲導(dǎo)波的應(yīng)用都是在空氣中固體波導(dǎo)傳播，對于浸入水環(huán)境固體波導(dǎo)中的超聲導(dǎo)波的應(yīng)用研究較少。

液位測量技術(shù)現(xiàn)有：磁翻板、磁致伸縮、聲吶、雷達(dá)、超聲波、射頻導(dǎo)納等液位計。常用的有電極式水位計、雙色水位計、差壓式水位計、磁翻板液位計和磁致伸縮液位變送器。

與電極式水位計相比，本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波液位測量方法不需要大量的現(xiàn)場測量儀表、測量筒、測量電極、現(xiàn)場控制器，另外本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波液位測量方法也不需要大量的法蘭連接和焊接短管。同時電極式液位計的內(nèi)部電極采用超高純陶瓷材料，易發(fā)生電極開路、短路和污染等故障，而本發(fā)明中的測量方法只需要成本很低的壓電傳感器。因此，本發(fā)明提供的測量方法大大節(jié)省了投資成本，還具有較高的安全性。

與雙色水位計相比，本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波液位測量方法在使用過程中不需要經(jīng)常沖洗測量筒，也不會發(fā)生測量筒掛垢現(xiàn)象，而且杜絕了測量筒泄露的問題。而且雙色液位計采用二極管光源，耗電不說，其使用壽命也沒有本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波液位測量方法長。

差壓式水位計在使用過程需要平衡容器、測量筒、連接法蘭和焊接短管，在經(jīng)濟投資方面，本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波液位測量方法投資成本還是比較低的。

磁翻板水位計也需要測量筒、浮子、真空玻璃管和大量的連接法蘭及焊接短管，在使用過程中易發(fā)生液體冷凝和泄露問題，影響水位計的測量精度。

磁致伸縮液位計需要根據(jù)工況要求對探桿和浮子進(jìn)行選材料，且浮子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本發(fā)明中的超聲導(dǎo)波液位測量儀就相對具有普遍適用性，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便快捷。

而聲吶水位計和超聲波水位計只適用于開口容器或者是外部焊接短管連接測量筒，本發(fā)明中的超聲導(dǎo)波液位計只需將激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波信號的傳感器貼于待測容器的外壁上即可，屬于完全的外置式液位測量儀，且結(jié)構(gòu)簡單，方便安裝。

上述提到的現(xiàn)有液位測量設(shè)備在使用中都或多或少的需要干簧管、磁耦合、射頻導(dǎo)納、音叉或浮球等液位開關(guān)?？梢娖浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護難度大，維護費用大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于超聲導(dǎo)波的密閉容器液位測量方法，包括：

步驟1、在密閉容器外壁上安裝超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器，并在超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器的垂直方向上的密閉容器外壁上安裝超聲導(dǎo)波接收傳感器；

步驟2、根據(jù)密閉容器內(nèi)是否有液體，將無液體時的密閉容器外壁當(dāng)作自由平板，將有液體時的密閉容器外壁當(dāng)作覆水平板；

步驟3、根據(jù)密閉容器的液位，將覆水平板分為無水區(qū)和有水區(qū)；

步驟4、分析自由平板的頻散特性，利用數(shù)值求解得到自由平板的頻厚積-波數(shù)頻散曲線；

步驟5、分析覆水平板的頻散特性，利用數(shù)值求解得到覆水平板的頻厚積-波數(shù)頻散曲線；

步驟6、利用超聲導(dǎo)波在無水區(qū)中的A₀傳播模態(tài)和在有水區(qū)中的quasi-Scholte傳播模態(tài)，通過超聲導(dǎo)波傳播的時間差計算密閉容器中的液位。

所述步驟6中的計算方法為：

超聲導(dǎo)波在覆水平板中的傳播總時間t_T-R為d_w為超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器到液位的距離，d_T-R為超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器到超聲導(dǎo)波接收傳感器的距離，C_QS和C_A0分別是超聲導(dǎo)波在quasi-Scholte傳播模態(tài)與在A₀傳播模態(tài)時的的群速度；

以自由平板d_W＝0即無水時作為基準(zhǔn)，當(dāng)密閉容器液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差為：

通過時間差計算液位。

本發(fā)明的有益效果在于：相對于現(xiàn)有的液位測量方法，本發(fā)明提供的超聲導(dǎo)波的液位測量方法通過粘貼在容器外壁面的激發(fā)和接收傳感器激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波檢測信號，該檢測信號沿容器壁面?zhèn)鞑?，含有液位信息的?dǎo)波信號最終被接收傳感器接收，然后通過信號處理軟件對含有液位信息的導(dǎo)波信號進(jìn)行后處理。本發(fā)明提供的液位測量方法，器件較少，成本低，安轉(zhuǎn)方便、快捷，同時滿足了工業(yè)生產(chǎn)過程中對液位測量的高精度、高可靠的要求。

附圖說明

圖1為密閉容器示意圖；

圖2為自由應(yīng)力條件下平板示意圖；

圖3為自由平板頻散曲線；

圖4為覆水平板及其邊界條件示意圖；

圖5為覆水平板頻厚積-波數(shù)實部曲線；

圖6為覆水平板頻厚積-波數(shù)虛部曲線；

圖7為覆水平板單發(fā)-單收實驗布置圖；

圖8為覆水平板單發(fā)-單收實驗中液位d_W和時間差Δt_T-R的相互關(guān)系；

圖9為覆水平板單發(fā)-單收實驗中液位d_W＝0和d_W＝95mm的信號；

圖中標(biāo)號：

1-超聲導(dǎo)波接收傳感器；2-超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器；3-密閉容器；4-導(dǎo)波傳播路徑。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說明實施方案。

本發(fā)明利用覆水平板的頻散特性及A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)的波速差異提出了一種基于超聲導(dǎo)波的密閉容器液位測量的方法。由于水的存在，覆水平板的邊界條件較自由平板復(fù)雜，如圖2和圖4所示。同時，對覆水平板的特征方程進(jìn)行數(shù)值求解，顯示其波數(shù)為復(fù)數(shù)，不同于自由平板的波數(shù)為一個實數(shù)，如圖3、圖5和圖6所示。覆水平板中多增加了一種超聲導(dǎo)波模態(tài)，即quasi-Scholte模態(tài)。quasi-Scholte模態(tài)的波速與A₀模態(tài)的波速不同，密閉容器3中液位發(fā)生改變時超聲導(dǎo)波在殼體中傳播時間也相應(yīng)變化，與液位成線性關(guān)系，如圖8所示。

自由平板中導(dǎo)波的頻散特性：在不考慮水溫和水壓情況下，各向同性的平板中，如圖2，對于平板上表面(x＝0)，邊界條件為自有應(yīng)力條件，也就是：

式中：和分別為平板上表面的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

對于平板下表面(x＝d)而言，其邊界條件與上表面相同，下表面的邊界條件為：

式中：和分別為平板上表面的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

在無水各向同性平板中，導(dǎo)波的特征方程為：

其中：d＝2h，k_L、k_S、g_L、g_S、d均為中間變量；

式中：h,ω,ξ和λ分別是平板的半壁厚、角頻率、波數(shù)和波長；

c_L和c_S分別是縱波波速和橫波波速；

ρ,μ和ν分別是密度、剪切模量和泊松比；

本部分從Navier運動方程出發(fā)，采用子波法，推導(dǎo)出自由平板中超聲導(dǎo)波的頻散關(guān)系和模態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，得到自由平板中超聲導(dǎo)波的特征方程，自由平板的波數(shù)只有實部，虛部為零。

所述覆水平板的頻散特性：如圖4所示，厚度為d的平板下表面與水(半無限空間)接觸。對于平板上表面(x＝0)而言，邊界條件為自由應(yīng)力條件，也就是：

式中：和分別為平板上表面的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力。

對于平板下表面(x＝d)而言，因為該表面與水接觸，其邊界條件與上表面不同。在無粘度假設(shè)下，下表面的邊界條件為：

式中：是平板下表面的垂直位移分量，

是交界面處水的垂直位移分量，

是交界面處水的垂直應(yīng)力分量。

其中：

式中：c_Lw是水中縱波波速，

ρ_w是水的密度。

相對于自由平板，覆水平板的邊界條件發(fā)生變化，同樣采用子波法，推導(dǎo)了覆水平板中超聲導(dǎo)波的頻散關(guān)系和模態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖5和圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)覆水平板中超聲導(dǎo)波特征方程的波數(shù)解為復(fù)數(shù)。其中實部與導(dǎo)波的傳播和波場相關(guān)，虛部與導(dǎo)波能量的泄漏和衰減相關(guān)。圖5給出了波數(shù)(實部)與頻率的關(guān)系。圖中除了基本的反對稱和對稱模態(tài)以外(區(qū)別于自由平板中的反對稱A₀和對稱S₀模態(tài))，還存在另外一種模態(tài)，即quasi-Scholte模態(tài)。該模態(tài)在低頻區(qū)具有頻散的性質(zhì)，但是隨著頻率的增加，該模態(tài)逐漸趨近于非頻散的Scholte模態(tài)。圖6給出了波數(shù)(虛部)與頻率的關(guān)系。在該圖中，S₀模態(tài)的虛部非常小，說明S₀模態(tài)在傳播過程中，因能量泄漏引起的能量損失較小。相比而言，A₀模態(tài)的虛部較大，說明A₀模態(tài)在傳播過程中，因能量泄漏引起的能量損失較大。因此，可以在覆水平板中激發(fā)和接收A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)超聲導(dǎo)波在導(dǎo)波傳播路徑4上傳播的時間不同來測量液面的高度。

所述quasi-Scholte模態(tài)與A₀模態(tài)在覆水平板中傳播：導(dǎo)波傳播的路徑d_T-R包括有水區(qū)d_W和無水區(qū)d_T-R-d_W，如圖7所示。激發(fā)傳感器激發(fā)出來的導(dǎo)波在有水區(qū)d_W以quasi-Scholte模態(tài)傳播，而在無水區(qū)d_T-R-d_W以A₀模態(tài)傳播，因此，導(dǎo)波傳播總時間t_T-R為：

式中，c_QS和c_A0分別是quasi-Scholte模態(tài)與A₀模態(tài)的群速度(在100kHz時c_QS＝1811m/s和c_A0＝1895m/s)。以自由平板時d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差為：

此公式表明液位d_W和導(dǎo)波傳播的時間差Δt_T-R(以d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn))呈線性關(guān)系，通過實驗我們也很好的驗證了這個線性關(guān)系，有效地驗證了本發(fā)明提出的測量方法能夠測量密閉容器液位，如圖8所示。

所述的利用覆水平板特有的頻散特性及A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)的波速差異提出了一種基于超聲導(dǎo)波的密閉容器液位測量的方法再次得到驗證：如圖9所示，通過對接收傳感器接收到的導(dǎo)波信號進(jìn)行分析，我們可以從圖9中可知，在無水時信號中只有A₀模態(tài)，而在d_W＝95mm時信號中同時存在A₀模態(tài)和quasi-Scholte模態(tài)兩種模態(tài)，改變密閉容器中液位，相同的超聲導(dǎo)波傳播路徑，但是超聲導(dǎo)波的傳播速度發(fā)生變化，從而超聲導(dǎo)波傳播時間發(fā)生變化，并且導(dǎo)波信號波包發(fā)生相移。

實施例中的密閉容器3為有一定厚度的T304不銹鋼鋼，材料參數(shù)：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³。

超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器2和超聲導(dǎo)波接收傳感器1的尺寸7mm×7mm，厚度為0.2mm。

超聲導(dǎo)波具有兩個主要特性：一是多模態(tài)特性，即同一頻率下同時存在多種導(dǎo)波模態(tài)；一是頻散特性，即同一導(dǎo)波模態(tài)在不同頻率下的傳播速度不同。超聲導(dǎo)波激發(fā)的實質(zhì)上就是在被檢測對象中耦合進(jìn)模態(tài)所對應(yīng)的應(yīng)力波，在液位測量時需要采用單一A₀模態(tài)作為檢測信號，需要通過傳感器優(yōu)化來增強所需模態(tài)對應(yīng)的表面應(yīng)力分布，同時抑制其他模態(tài)對應(yīng)的表面應(yīng)力分布。因此本發(fā)明中采用的傳感器需要特定的尺寸。與傳統(tǒng)的超聲傳感器(利用壓電耦合d₃₃)不同的是，優(yōu)化過的傳感器在平面x₁x₂方向尺寸遠(yuǎn)大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用壓電耦合d₃₁實現(xiàn)力學(xué)參數(shù)與電學(xué)參數(shù)的耦合，通過面內(nèi)運動的耦合，以使所述傳感器邊緣可以有效的激發(fā)或者接收單一模態(tài)的超聲導(dǎo)波，因此在本發(fā)明中傳感器的厚度為0.2mm，長度和寬度尺寸為7mm×7mm。其中，所述x₁方向與三維坐標(biāo)系中的x軸同向，所述x₂方向與三維坐標(biāo)系中的y軸同向，所述x₃方向與三維坐標(biāo)系中的z軸同向。

同時，超聲導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象會造成檢測信號混淆、液位特征信號無法提取，需要對導(dǎo)波激發(fā)頻率和波形進(jìn)行優(yōu)化匹配。本發(fā)明中采用的傳感器在低頻區(qū)(激發(fā)頻率范圍20～120kHz)，可以近似得到單一的A₀模態(tài)，另外傳感器在低頻區(qū)quasi-Scholte波在平板中的位移分量較大，在高頻區(qū)，quasi-Scholte波在平板中的位移分量幾乎為零。之所以采用漢寧窗調(diào)制正弦波信號，是因為能夠降低波形忽然開始和忽然結(jié)束造成的頻率旁瓣，使得能量集中于激發(fā)頻率，減小激發(fā)信號的頻帶寬度，減小頻散效應(yīng)。因此，在本發(fā)明的具體實施過程中超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器2的激發(fā)頻率為100kHz，激發(fā)信號為漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波。

實施例采用單發(fā)-單收實驗，該方法的使用及工作過程為：

(1)在100kHz時，超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器2激發(fā)漢寧窗調(diào)制的多周期正弦波；

(2)依次改變密閉容器中水的位置d_W，變化范圍5mm到135mm，間隔10mm；

(3)超聲導(dǎo)波激發(fā)傳感器2與超聲導(dǎo)波接收傳感器1布置在同一條軸線上，由于密閉容器液位的改變，并且無水區(qū)A₀模態(tài)和有水區(qū)quasi-Scholte模態(tài)兩種模態(tài)的傳播速度不一樣，導(dǎo)波在密閉容器3殼體中傳播的時間不同，從而接收傳感器1接收到的導(dǎo)波信號會發(fā)生相移，如圖9所示；

(4)以自由平板時d_W＝0(即無水時)作為基準(zhǔn)，在密閉容器液位發(fā)生變化時，導(dǎo)波傳播的時間差Δt_T-R(新液位時導(dǎo)波信號波包與基準(zhǔn)液位導(dǎo)波信號波包的峰峰對應(yīng)的時間差)也會發(fā)生變化，并呈線性關(guān)系，如圖8所示。

此實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。