一种基于超声导波的密闭容器液位测量方法与流程

本发明属于超声波检测技术领域，尤其涉及一种基于超声导波的密闭容器液位测量方法。

背景技术：

在工业生产过程中，液位往往是很重要的控制参数。对于一般储液装置内所储存液体的多少对生产过程的影响是不可忽视的。如火电生产过程中的锅炉汽包、高压加热器、低压加热器、除氧器、凝汽器、轴封加热器、疏水箱等液位变化对电站机组的安全经济运行至关重要，能实现高精度、高可靠的实时监测水位变化的技术研究就显得尤为重要。

超声导波是一种沿着波导(平板或管道)传播的弹性波，并且相对于传统的超声波而言，超声导波传播距离远，能量损耗低，高敏感性和长距离传播的能力，适合大面积的快速损伤检测或者健康监测。但是，以上超声导波的应用都是在空气中固体波导传播，对于浸入水环境固体波导中的超声导波的应用研究较少。

液位测量技术现有：磁翻板、磁致伸缩、声呐、雷达、超声波、射频导纳等液位计。常用的有电极式水位计、双色水位计、差压式水位计、磁翻板液位计和磁致伸缩液位变送器。

与电极式水位计相比，本发明提供的超声导波液位测量方法不需要大量的现场测量仪表、测量筒、测量电极、现场控制器，另外本发明提供的超声导波液位测量方法也不需要大量的法兰连接和焊接短管。同时电极式液位计的内部电极采用超高纯陶瓷材料，易发生电极开路、短路和污染等故障，而本发明中的测量方法只需要成本很低的压电传感器。因此，本发明提供的测量方法大大节省了投资成本，还具有较高的安全性。

与双色水位计相比，本发明提供的超声导波液位测量方法在使用过程中不需要经常冲洗测量筒，也不会发生测量筒挂垢现象，而且杜绝了测量筒泄露的问题。而且双色液位计采用二极管光源，耗电不说，其使用寿命也没有本发明提供的超声导波液位测量方法长。

差压式水位计在使用过程需要平衡容器、测量筒、连接法兰和焊接短管，在经济投资方面，本发明提供的超声导波液位测量方法投资成本还是比较低的。

磁翻板水位计也需要测量筒、浮子、真空玻璃管和大量的连接法兰及焊接短管，在使用过程中易发生液体冷凝和泄露问题，影响水位计的测量精度。

磁致伸缩液位计需要根据工况要求对探杆和浮子进行选材料，且浮子结构复杂，本发明中的超声导波液位测量仪就相对具有普遍适用性，结构简单，安装方便快捷。

而声呐水位计和超声波水位计只适用于开口容器或者是外部焊接短管连接测量筒，本发明中的超声导波液位计只需将激发和接收超声导波信号的传感器贴于待测容器的外壁上即可，属于完全的外置式液位测量仪，且结构简单，方便安装。

上述提到的现有液位测量设备在使用中都或多或少的需要干簧管、磁耦合、射频导纳、音叉或浮球等液位开关。可见其结构复杂，维护难度大，维护费用大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于超声导波的密闭容器液位测量方法，包括：

步骤1、在密闭容器外壁上安装超声导波激发传感器，并在超声导波激发传感器的垂直方向上的密闭容器外壁上安装超声导波接收传感器；

步骤2、根据密闭容器内是否有液体，将无液体时的密闭容器外壁当作自由平板，将有液体时的密闭容器外壁当作覆水平板；

步骤3、根据密闭容器的液位，将覆水平板分为无水区和有水区；

步骤4、分析自由平板的频散特性，利用数值求解得到自由平板的频厚积-波数频散曲线；

步骤5、分析覆水平板的频散特性，利用数值求解得到覆水平板的频厚积-波数频散曲线；

步骤6、利用超声导波在无水区中的A₀传播模态和在有水区中的quasi-Scholte传播模态，通过超声导波传播的时间差计算密闭容器中的液位。

所述步骤6中的计算方法为：

超声导波在覆水平板中的传播总时间t_T-R为d_w为超声导波激发传感器到液位的距离，d_T-R为超声导波激发传感器到超声导波接收传感器的距离，C_QS和C_A0分别是超声导波在quasi-Scholte传播模态与在A₀传播模态时的的群速度；

以自由平板d_W＝0即无水时作为基准，当密闭容器液位发生变化时，导波传播的时间差为：

通过时间差计算液位。

本发明的有益效果在于：相对于现有的液位测量方法，本发明提供的超声导波的液位测量方法通过粘贴在容器外壁面的激发和接收传感器激发和接收超声导波检测信号，该检测信号沿容器壁面传播，含有液位信息的导波信号最终被接收传感器接收，然后通过信号处理软件对含有液位信息的导波信号进行后处理。本发明提供的液位测量方法，器件较少，成本低，安转方便、快捷，同时满足了工业生产过程中对液位测量的高精度、高可靠的要求。

附图说明

图1为密闭容器示意图；

图2为自由应力条件下平板示意图；

图3为自由平板频散曲线；

图4为覆水平板及其边界条件示意图；

图5为覆水平板频厚积-波数实部曲线；

图6为覆水平板频厚积-波数虚部曲线；

图7为覆水平板单发-单收实验布置图；

图8为覆水平板单发-单收实验中液位d_W和时间差Δt_T-R的相互关系；

图9为覆水平板单发-单收实验中液位d_W＝0和d_W＝95mm的信号；

图中标号：

1-超声导波接收传感器；2-超声导波激发传感器；3-密闭容器；4-导波传播路径。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明实施方案。

本发明利用覆水平板的频散特性及A₀模态和quasi-Scholte模态的波速差异提出了一种基于超声导波的密闭容器液位测量的方法。由于水的存在，覆水平板的边界条件较自由平板复杂，如图2和图4所示。同时，对覆水平板的特征方程进行数值求解，显示其波数为复数，不同于自由平板的波数为一个实数，如图3、图5和图6所示。覆水平板中多增加了一种超声导波模态，即quasi-Scholte模态。quasi-Scholte模态的波速与A₀模态的波速不同，密闭容器3中液位发生改变时超声导波在壳体中传播时间也相应变化，与液位成线性关系，如图8所示。

自由平板中导波的频散特性：在不考虑水温和水压情况下，各向同性的平板中，如图2，对于平板上表面(x＝0)，边界条件为自有应力条件，也就是：

式中：和分别为平板上表面的正应力和剪切应力。

对于平板下表面(x＝d)而言，其边界条件与上表面相同，下表面的边界条件为：

式中：和分别为平板上表面的正应力和剪切应力。

在无水各向同性平板中，导波的特征方程为：

其中：d＝2h，k_L、k_S、g_L、g_S、d均为中间变量；

式中：h,ω,ξ和λ分别是平板的半壁厚、角频率、波数和波长；

c_L和c_S分别是纵波波速和横波波速；

ρ,μ和ν分别是密度、剪切模量和泊松比；

本部分从Navier运动方程出发，采用子波法，推导出自由平板中超声导波的频散关系和模态结构，如图3所示，得到自由平板中超声导波的特征方程，自由平板的波数只有实部，虚部为零。

所述覆水平板的频散特性：如图4所示，厚度为d的平板下表面与水(半无限空间)接触。对于平板上表面(x＝0)而言，边界条件为自由应力条件，也就是：

式中：和分别为平板上表面的正应力和剪切应力。

对于平板下表面(x＝d)而言，因为该表面与水接触，其边界条件与上表面不同。在无粘度假设下，下表面的边界条件为：

式中：是平板下表面的垂直位移分量，

是交界面处水的垂直位移分量，

是交界面处水的垂直应力分量。

其中：

式中：c_Lw是水中纵波波速，

ρ_w是水的密度。

相对于自由平板，覆水平板的边界条件发生变化，同样采用子波法，推导了覆水平板中超声导波的频散关系和模态结构，如图5和图6所示。研究发现覆水平板中超声导波特征方程的波数解为复数。其中实部与导波的传播和波场相关，虚部与导波能量的泄漏和衰减相关。图5给出了波数(实部)与频率的关系。图中除了基本的反对称和对称模态以外(区别于自由平板中的反对称A₀和对称S₀模态)，还存在另外一种模态，即quasi-Scholte模态。该模态在低频区具有频散的性质，但是随着频率的增加，该模态逐渐趋近于非频散的Scholte模态。图6给出了波数(虚部)与频率的关系。在该图中，S₀模态的虚部非常小，说明S₀模态在传播过程中，因能量泄漏引起的能量损失较小。相比而言，A₀模态的虚部较大，说明A₀模态在传播过程中，因能量泄漏引起的能量损失较大。因此，可以在覆水平板中激发和接收A₀模态和quasi-Scholte模态超声导波在导波传播路径4上传播的时间不同来测量液面的高度。

所述quasi-Scholte模态与A₀模态在覆水平板中传播：导波传播的路径d_T-R包括有水区d_W和无水区d_T-R-d_W，如图7所示。激发传感器激发出来的导波在有水区d_W以quasi-Scholte模态传播，而在无水区d_T-R-d_W以A₀模态传播，因此，导波传播总时间t_T-R为：

式中，c_QS和c_A0分别是quasi-Scholte模态与A₀模态的群速度(在100kHz时c_QS＝1811m/s和c_A0＝1895m/s)。以自由平板时d_W＝0(即无水时)作为基准，在密闭容器液位发生变化时，导波传播的时间差为：

此公式表明液位d_W和导波传播的时间差Δt_T-R(以d_W＝0(即无水时)作为基准)呈线性关系，通过实验我们也很好的验证了这个线性关系，有效地验证了本发明提出的测量方法能够测量密闭容器液位，如图8所示。

所述的利用覆水平板特有的频散特性及A₀模态和quasi-Scholte模态的波速差异提出了一种基于超声导波的密闭容器液位测量的方法再次得到验证：如图9所示，通过对接收传感器接收到的导波信号进行分析，我们可以从图9中可知，在无水时信号中只有A₀模态，而在d_W＝95mm时信号中同时存在A₀模态和quasi-Scholte模态两种模态，改变密闭容器中液位，相同的超声导波传播路径，但是超声导波的传播速度发生变化，从而超声导波传播时间发生变化，并且导波信号波包发生相移。

实施例中的密闭容器3为有一定厚度的T304不锈钢钢，材料参数：E＝196.5GPa，ν＝0.29，ρ＝8000kg/m³。

超声导波激发传感器2和超声导波接收传感器1的尺寸7mm×7mm，厚度为0.2mm。

超声导波具有两个主要特性：一是多模态特性，即同一频率下同时存在多种导波模态；一是频散特性，即同一导波模态在不同频率下的传播速度不同。超声导波激发的实质上就是在被检测对象中耦合进模态所对应的应力波，在液位测量时需要采用单一A₀模态作为检测信号，需要通过传感器优化来增强所需模态对应的表面应力分布，同时抑制其他模态对应的表面应力分布。因此本发明中采用的传感器需要特定的尺寸。与传统的超声传感器(利用压电耦合d₃₃)不同的是，优化过的传感器在平面x₁x₂方向尺寸远大于其在平面x₁x₃方向上尺寸，利用压电耦合d₃₁实现力学参数与电学参数的耦合，通过面内运动的耦合，以使所述传感器边缘可以有效的激发或者接收单一模态的超声导波，因此在本发明中传感器的厚度为0.2mm，长度和宽度尺寸为7mm×7mm。其中，所述x₁方向与三维坐标系中的x轴同向，所述x₂方向与三维坐标系中的y轴同向，所述x₃方向与三维坐标系中的z轴同向。

同时，超声导波的频散现象会造成检测信号混淆、液位特征信号无法提取，需要对导波激发频率和波形进行优化匹配。本发明中采用的传感器在低频区(激发频率范围20～120kHz)，可以近似得到单一的A₀模态，另外传感器在低频区quasi-Scholte波在平板中的位移分量较大，在高频区，quasi-Scholte波在平板中的位移分量几乎为零。之所以采用汉宁窗调制正弦波信号，是因为能够降低波形忽然开始和忽然结束造成的频率旁瓣，使得能量集中于激发频率，减小激发信号的频带宽度，减小频散效应。因此，在本发明的具体实施过程中超声导波激发传感器2的激发频率为100kHz，激发信号为汉宁窗调制的多周期正弦波。

实施例采用单发-单收实验，该方法的使用及工作过程为：

(1)在100kHz时，超声导波激发传感器2激发汉宁窗调制的多周期正弦波；

(2)依次改变密闭容器中水的位置d_W，变化范围5mm到135mm，间隔10mm；

(3)超声导波激发传感器2与超声导波接收传感器1布置在同一条轴线上，由于密闭容器液位的改变，并且无水区A₀模态和有水区quasi-Scholte模态两种模态的传播速度不一样，导波在密闭容器3壳体中传播的时间不同，从而接收传感器1接收到的导波信号会发生相移，如图9所示；

(4)以自由平板时d_W＝0(即无水时)作为基准，在密闭容器液位发生变化时，导波传播的时间差Δt_T-R(新液位时导波信号波包与基准液位导波信号波包的峰峰对应的时间差)也会发生变化，并呈线性关系，如图8所示。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。