基于超声波阻抗和回波能量的密封金属容器外液位检测技术外文翻译资料
2022-11-04 16:32:26
基于超声波阻抗和回波能量的密封金属容器外液位检测技术
张斌1,2，魏月娟3，刘文奕1,2,*，张延军1,2，姚宗1,2，赵立辉1,2和熊继军1,2
1中北大学仪器科学与动态测量重点实验室，太原030051；zb0003@126.com（B.Z.）； zhangyjnuc@hotmail.com（Y.-J.Z.）；yaozong126@sina.com（Z.Y.）；zhaolh6@gmail.com（L.-H.Z.）；xiongjijunnuc@126.com（J.-J.X.）
2中北大学电子测试与测量科技实验室，太原030051
3中北大学软件职业技术学院，太原030051；weiyuejuan@nuc.edu.cn
*通讯：liuwenyi_nuc@126.com；电话： 86-351-3557-385
学术编辑：Dipen N. Sinha和Cristian Pantea
接收日期：2016.10.31 采纳日期：2017.1.13 发表日期：2017.1.19
摘要：本文提出的液位测量方法主要针对传感器直接连接的金属壁内的超声波阻抗和回波能量，而不是穿透容器气液介质的超声波。首先，通过分析金属壁内传感器的声场分布特性，提出了“能量圆”的概念，并详细讨论了如何计算三种不同状态下的回波能量。同时，超声波发射和接收电路被设计成将能量圆内的回波能量转换成其等效电流。其次，为了在液位检测过程中找到能量圆的两个临界状态，设计了一个程序来帮助自动计算两个临界位置。最后，通过一系列实验来评估所提出的方法，实验结果表明所提出的方法在密封金属容器外部的液位的校准中是有效的而又准确的。
关键词：超声波传感器；超声波阻抗；回波能量；密封金属容器；液位测量
1.介绍
在密封的金属容器中的液位的精确测量对于生产过程和实时控制是必不可少的[1]。 特别是在航空，石油和化工等特殊生产领域，金属密封容器中的液体主要是易挥发、易燃、易爆、腐蚀性混合物。目前，主要有四种常用的超声波测量方法[2,3]。
第一类方法基于声速的原理。它们的液位测量精度受声速变化和接收信号平衡的影响。在接收到第三个或更多个波形周期之后经常需要中转时间，这将影响测量的精度。该方法的测量精度通常为其测量范围的0.25％-0.5％[4]。
第二种类型的方法是穿透法。这种类型的最知名的产品是由Class Instrumentation，Ltd公司生产的著名的PLI超声波液位指示器。声波会穿透容器中的液体介质，但会轻易地受到液体中的内部杂质和气泡的影响，这将导致更多的错误。此外，如果液体介质具有差的透射率或者容器的直径太大，则回波信号可能非常弱甚至检测不到。最终，它将使测量非常困难[5]。这种方法的测量精度通常为plusmn;10mm。
第三类方法是用于测量封闭金属容器中的液位的非侵入性方法，其可以克服上述两种方法的限制。它基于使用沿容器壁的表面传播的超声兰姆波。这些兰姆波的特性将在接触液体之后显著改变，这种变化可以用作液体存在的指示剂。然而，使用这种方法需要几个严格的条件，如[6,7]所述。
第四种类型的方法是超声波阻抗方法，其基于液体和气体介质之间的声阻抗的差异。 它通过比较回波的衰减时间来测量液位[5]。然而，这需要基于经验确定的多个实验和许多实验值来计算衰减时间，使得结果不准确和不灵活。在[8]中，研究人员通过比较传感器在液位以上和以下的回波透射系数实现了液位测量，但其灵敏度相对较低。
鉴于这些方法的优点和缺点[5-8]，本文提出了一种基于超声波阻抗和回波能量的方法，其中研究重点是详细的讨论分析和实验。
本文所提出的方法易于操作并且仅使用一个传感器在密封容器外部实现准确的液位测量。液位由容器的金属壁内的回波能量确定，传感器直接附着到该容器的金属壁内。因为容易受到诸如声速、液体中的杂质和气泡或具有大直径的容器等许多因素的影响，所以穿透容器气液介质的声波的传播特性不被考虑。因此，本文提出了能量圆概念，建立了液位测量模型，并设计了动态计算回波能量的算法来提高检测精度，该方法的原理如图1所示。
图1 基于超声波阻抗和回波能量的液位检测原理
表1包括本文中使用的符号的描述
符号 含义
传感器半径
扩散角
衰减系数
传感器中心频率
容器壁厚度
近场的长度
金属壁中压缩波的波长
能量圆的直径
介质的密度
在介质中的波速
液体介质的声阻抗
气体介质的声阻抗
金属容器壁的声阻抗
在壁和气体介质之间的表面反射系数
在壁和液体介质之间的表面反射系数
在壁和气体介质之间的表面反射系数
所述下标与金属，气体，液体和空气介质相关
激励电压
脉冲的重复频率
重复周期
入射声压
墙壁外表面的声强
由传感器接收的以液位区分能量圆的总能量
由传感器接收的高于液位能量圆的总能量
由传感器接收的低于液位能量圆的总能量
液位的实际高度
液位以上的临界高度及其平均值
液位以下的临界高度及其平均值
测量的液位高度及其平均值
2.理论与方法
2.1 传感器的声场和轴向响应的分析
根据Schmerr模型[9,10]和Roa-Prada [11,12]对声场的分析，圆柱形活塞传感器在固体介质中的轴向响应声场由两部分组成，包括被称为菲涅尔区和远场区的近场区域。近场声压的振幅具有很多最大值和最小值，并且随着远场增加而减小[12]，如图2所示。
图2 圆形活塞传感器的声压幅度的轴向响应：（a）传感器半径= 5 mm;（b）传感器半径= 10mm
在图中，表示沿着轴向方向到圆形传感器的中心的距离；水平坐标轴由表示，是距离和传感器半径的比率。图2a、b表明了具有比率的声压幅度的特性，传感器的半径分别等于5mm和10mm。因为声音强度与振幅的平方成正比，所以沿着中心轴的声音强度具有相同的分布特性。
扩散角和近场的长度分别通过公式（1）和（2）计算：
（1）
（2）
其中是超声波的波长，其他符号的几何含义如图1所示。
2.2.回波能量的计算
容器的金属壁被认为近似为半无限各向同性固体介质。当使用圆形活塞传感器以垂直于容器壁的外表面的特定入射频率传输超声波束时，随着波束传播到内部金属壁的表面，光束将被反射和折射，这遵循声波的反射和折射定律[13]。反射系数通过等式（3）确定。
（3）
其中是介质密度；是介质中的声速；是入射角；是透射角。
垂直于壁外表面的传感器被激励出超声波束传输到壁中，该超声波束将投射到壁的内表面上并形成圆形区域，其中大部分无论投影处于近场或远场区域都能量集中。它取决于壁厚度（）和近场（）长度之间关系。当时，投影处于近场。否则，投影处于远场。
在本文中，我们将投影圆形区域称为“能量圆”。假设能量圆的直径由表示，并且基于由等式（2）计算的扩散角，可以通过等式（4）获得的值：
（4）
在实际的液体检测过程中，我们采用具有发射和接收超声波功能的单体传感器。一旦传感器被瞬时脉冲激励并且处于下一次激励来临之前，发射传感器被转换为接收传感器。
当检测传感器从容器的底部沿着壁的外表面移动到顶部时，能量圆分别在三种不同的状态下演变。根据超声波的传播和衰减特性，我们可以使用以下方程分别计算三种状态的回波能量。
2.2.1. 液位以下或以上的能量圆
当能量圆低于液位的界面时，由接收传感器接收的总能量通过等式（5）获得：
（5）
以相同的方式，当能量圆高于液位的界面时，总能量由等式（6）计算：
（6）
金属容器和气液介质在给定的测试环境中是固定的。如果入射频率取作恒定值，则声压是恒定的，并且由接收传感器接收的和的值也将是恒定的。
2.2.2. 以液位区分的能量圆两部分
在这种状态下，能量圆被液面分成两部分，如图3所示：
图3.以液位区分的能量圆两部分
假设能量圆的总面积为，当能量圆的顶部超过液面时，高度由表示，其中；液面上方的能量圆的面积由表示，其中。
在两种情况下考虑整个能量圆，接收传感器接收的总能量应当是能量圆的两个部分的叠加,并且可以由等式（7）确定：
（7）
2.2.3. 关键状态
如果被视为0或1的临界值，则等式（7）将分别变为等式（5）或等式（6）。因此，等式（5）和（6）是两个临界状态，其中能量圆分别处于液位之上或之下的状态。
通过上述分析，当传感器从液面以下的位置沿容器的外表面逐渐向上移动时，接收传感器以三种不同状态接收的总能量由等式(5)-(7)分别确定。
2.2.4. 液位的校准
从图3可以分别通过等式（8）和（9）获得高度和比率的值，其中。其含义如图3所示：
（8）
（9）
当容器中的金属壁和内部气液介质以及其他初始条件固定时，等式（7）可写成等式（10）：
（10）
由于在液体介质和气体介质之间的声阻抗明显不同，通常来说它们之间存在以下关系：
（11）
其中和是检测给定的常数值。基于式（7）和式（11）和随着从0到的增加，能量圆从低于液面的状态转变到高于液面的状态。在该过程中，由接收传感器接收的总能量与比率之间的关系是线性的。根据等式(8)-(10)，可以确定总能量和之间的关系。图4表示了与，，mm和mm的关系。
图4 总能量和之间的关系
然后，我们可以利用这个关系来确定测量的液位的精确位置。如果我们可以找到对应于第2.2.3节中描述的两个临界状态的和两个关键高度，测量的液位将由等式（12）确定，并且它们的几何描述如图5所示：
（12）
在实际过程中，要找到两个临界位置，可以通过容器的外部刻度值或使用红外测距仪获得和的值。
图5.确定能量圆的两个临界位置和液位的校准
3.实验结果
3.1.实验环境和初始条件的配置
在所提出方法的测评中，我们使用了一系列具有不同壁厚的密封合金金属容器和液体介质以及含有水和空气的气体介质。
测试环境的温度为-10-80℃。根据检测环境和条件可知，=17times;106kg/m2.s，=0.0004times;106kg/m2.s，=1.48times;106kg/m2.s，==0.9999529，=0.8398268。
考虑到金属壁中超声波的传播特性，我们选择了两种传感器，中心频率为1MHz，直径分别为10mm和20mm。实验中使用的激励电压为225V，激励脉冲的重复频率为100Hz，重复周期为0.01s。然后，以=50mm为例，讨论主要检测过程。
在实验中，测量过程可分为以下三个步骤。操作示意图如图6所示：
图6.实验中液位测量的操作原理图
第一步是找到关键位置。传感器从容器壁的表面缓慢地从位置1移动到容器的顶部来保持良好的耦合。传感器移动到低于液位的关键位置之前，回波能量的值不会改变。此时，电路中的蜂鸣器被触发并发出蜂鸣声，然后读取的刻度值。
第二步是找到关键点。继续将传感器从位置移动到容器顶部。在这个过程中，蜂鸣器会保持哔哔声，直到回波能量值不变，这意味着传感器到达液面以上的临界位置时，就可以获得的刻度值。
在第三步中，通过将和代入等式（12）来测量液位。为了获得更准确的结果，可以将这些步骤重复多次。
3.2 实验结果
图7所示的回波信号是在0.01s的传输周期内能量圆分别位于液面上方和下方
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