密閉容器內(nèi)低阻抗液體側(cè)壁式超聲液位測(cè)量

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(1.陜西師范大學(xué) 陜西省超聲學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119; 2.秦皇島和平無(wú)損檢測(cè)有限公司，秦皇島 066000)

密閉容器內(nèi)低阻抗液體液位測(cè)量是富有挑戰(zhàn)性的課題。側(cè)壁液位檢測(cè)是很多在役容器內(nèi)超聲液位測(cè)量的常見(jiàn)方式，其原理是基于聲脈沖對(duì)液體在有和無(wú)的狀態(tài)下，反射回波信號(hào)的差異來(lái)判斷液面位置的[1-2]。超聲從容器外側(cè)壁垂直入射至固-液或固-氣界面，在界面形成多次反射回波，可基于界面首次反射回波幅度差異[3-4]、多次反射回波信號(hào)的衰減規(guī)律[5]、回波信號(hào)能量圈或包絡(luò)面積[6]等變化來(lái)評(píng)判氣液界面位置。但當(dāng)容器內(nèi)液體的特性聲阻抗較小時(shí)，超聲垂直入射技術(shù)卻因固液阻抗嚴(yán)重不匹配、靈敏度低難以奏效。為了提高超聲檢測(cè)靈敏度，GREENWOOD[7]提出可采用界面多次反射回波波列進(jìn)行檢測(cè)，由此發(fā)展而來(lái)的，基于多次回波幅度衰減規(guī)律及能量特點(diǎn)的方法[6]還被用于檢測(cè)多種液體的濃度和液體鑒別中[8]，但隨著被測(cè)液體介質(zhì)阻抗的減小，其測(cè)量誤差迅速增大[9]，即多次回波法在對(duì)具有低聲阻抗的液體測(cè)量中依然無(wú)法獲得理想的效果，原因是界面首次反射回波對(duì)液體阻抗值變化具有其他高次回波都無(wú)法相比的敏感性[3]，提高兩種界面首次反射回波幅度的差異是提高反射回波技術(shù)檢測(cè)靈敏度的根本。筆者基于對(duì)傾斜入射在固-氣、固-液界面縱波聲壓反射規(guī)律的理論分析，通過(guò)選擇合適的入射角度使兩種界面聲壓反射率差異達(dá)到最大，從根本上提高了基于單界面脈沖反射回波法的密閉容器內(nèi)低阻抗液位檢測(cè)的靈敏度。

1 理論與數(shù)值分析

1.1 基本理論

超聲縱波從容器外側(cè)壁以αL角斜入射至容器內(nèi)壁與液體或氣體介質(zhì)形成的界面，即固液(SL)或固氣(SA)界面上，其不僅產(chǎn)生波的反射和透射，還伴隨著波型模式轉(zhuǎn)換。若用P、S分別表示縱波和橫波，固體、液體及氣體的特性聲阻抗分別為Zs，Zl和Za，當(dāng)P波以入射角入射到SA界面時(shí)無(wú)折射波,只有反射P波和SV波,且對(duì)應(yīng)反射角分別為L(zhǎng),s。據(jù)斯涅耳定理可得，SA界面縱波反射系數(shù)為

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同理，當(dāng)P波以αL角從固體側(cè)傾斜入射到SL界面時(shí)，不僅有反射P波和SV波,還有折射角為βL的折射P波，且縱波反射系數(shù)Rpp為

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1.2 瓷套容器最佳入射角的數(shù)值計(jì)算

常見(jiàn)容器材料有鋼、鋁合金、陶瓷等，液體介質(zhì)選擇汽油、硅油、水玻璃、水銀，以表1所示材料的基本參數(shù)[13]計(jì)算界面的|Rpp|-α曲線。

表1 數(shù)值計(jì)算所用材料相關(guān)參數(shù)

圖1 陶瓷-空氣、陶瓷-硅油界面的Rpp-α曲線及 液位檢測(cè)最佳入射角

以輸變電站常用的充油瓷套為例，計(jì)算其最佳入射角，并將此時(shí)的反射系數(shù)之差與垂直入射時(shí)的結(jié)果相比較。此時(shí)容器材料為電工陶瓷，容器內(nèi)充填低阻抗液體絕緣硅油(型號(hào)：TSF 451)。陶瓷-空氣、陶瓷-硅油界面聲壓反射率Rpp均為負(fù)值，為方便描述，取其絕對(duì)值|Rpp|，其隨入射角α變化的理論關(guān)系見(jiàn)圖1，可見(jiàn)|ΔRpp|在α=24.4°時(shí)取得最大值且|ΔRpp|max=0.24，相比垂直入射時(shí)的|ΔRpp|α=0=0.14，斜入射的值約為垂直入射時(shí)的近2倍?？梢?jiàn)，適當(dāng)傾斜入射聲波可大幅度擴(kuò)大界面反射系數(shù)間的差異，有效提高界面性質(zhì)分辨的能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 探頭圖片與陶瓷與空氣、硅油的界面最佳入射角 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

使用可變角探頭[見(jiàn)圖2(a)]，通過(guò)蜂蜜與容器壁耦合進(jìn)行測(cè)試，每隔2.5°記錄反射波的首次回波聲壓峰值，將數(shù)據(jù)擬合為曲線[見(jiàn)圖2(b)]，得到|ΔRpp|與入射角的關(guān)系[見(jiàn)圖2(c)]。陶瓷/硅油界面最佳入射角理論值為24.4°，實(shí)測(cè)充油瓷套容器最佳入射角度為18.6°，造成誤差的原因主要有理論模型的近似性及數(shù)值計(jì)算中所用材料參數(shù)與實(shí)際參數(shù)存在差異。試驗(yàn)中，聲波垂直入射至陶瓷/硅油與陶瓷/空氣界面時(shí)，兩界面回波幅值差異為2.0 dB；而當(dāng)聲波以18.6°傾斜入射時(shí)，兩界面回波幅值差異高達(dá)26.1dB，后者高于前者約10倍。

下面研究以最佳角度入射時(shí)液位的確定方法。若探頭晶片為邊長(zhǎng)為d的方晶片，在容器壁厚范圍內(nèi)不考慮聲束擴(kuò)散，則超聲垂直入射將在容器內(nèi)壁處形成一邊長(zhǎng)為d的能量正方形，該正方形集中了超聲波束的主要能量,如圖3(a)所示。檢測(cè)過(guò)程中，超聲探頭沿著容器外壁自下而上移動(dòng)，當(dāng)能量正方形的上緣低于液位時(shí)，固液界面回波波形、幅度保持不變。同理，當(dāng)能量正方形的最下緣高于液位時(shí)，得到固體與氣體的波形且波形保持不變。波形開(kāi)始變化的位置為固液界面能量正方形的最上端，這個(gè)位置稱為第一臨界位置，此時(shí)正方形中心距離容器底端高度為Hmin；波形停止變化的位置為固氣界面能量正方形的最上端，這個(gè)位置稱為第二臨界位置，此時(shí)正方形中心距離容器底端的高度為Hmax，則實(shí)際液位Hr為

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改變超聲波入射角度，將探頭仍從下往上移動(dòng)，也會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)臨界位置，如圖3(b)所示，此時(shí)液位表達(dá)式(3)修正為

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式中:Δh為探頭晶片中心與能量正方形中心的距離。

圖3 垂直、傾斜入射液位評(píng)價(jià)原理示意

為對(duì)該測(cè)量方法的有效性、準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以水為介質(zhì)，透明有機(jī)玻璃槽為容器，將超聲測(cè)試結(jié)果與實(shí)際液位進(jìn)行比較。實(shí)測(cè)有機(jī)玻璃/水界面最佳入射角為8°，記錄此時(shí)的Hmin、Hmax位置，對(duì)Δh修正值的計(jì)算結(jié)果為0.28 cm，液位測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值比較，該法的測(cè)量精度在零點(diǎn)幾個(gè)厘米。

表2 有機(jī)玻璃/水液位測(cè)量結(jié)果 cm

3 結(jié)論

提出了一種小角度斜入射側(cè)壁液位檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)選擇最佳入射角度、增大聲波在固液與固氣界面反射系數(shù)的差，提高氣液界面的識(shí)別靈敏度。結(jié)果表明，最佳入射角條件下，可使固液與固氣界面反射系數(shù)的差值提高數(shù)倍，提高的程度與界面性質(zhì)有關(guān)；不同的固、液組合最佳入射角不同；該方法增強(qiáng)了容器內(nèi)低阻抗液體液位的檢測(cè)靈敏度，但精度提高程度有限。