舰船卤代烷灭火系统储液瓶液位超声波检测技术

邱金水 易祥烈 刘伯运 田奕洋

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

舰船卤代烷灭火系统储液瓶液位超声波检测技术

邱金水 易祥烈 刘伯运 田奕洋

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

为解决舰船卤代烷灭火系统储液瓶液位检测的难题，采用超声波脉冲反射式定点液位测量法，利用超声波在液体与气体介质中余振信号衰减快慢使回波信号波形的包络面积大小不同来界定液位。利用小波分析理论，对采集的回波信号进行消噪降噪，得到了真实的信号。提出了储液瓶测点内部气态与液态的判据，通过比对降噪后气态和液态产生的回波信号的包络面积，可准确确定液位。

卤代烷；超声波；液位检测；小波分析；舰船

0 引 言

卤代烷灭火系统是我国舰船上使用的主要灭火装备之一，完好有效的卤代烷灭火系统是舰船在火灾情况下实施自救的重要基础和保障。目前，海军正在大力提倡视情维修。要实行定期维修与视情维修相结合的维修体制，关键就是要大力发展各种设备的状态检测技术。对于卤代烷灭火剂的剂量检测，传统的方法是采用压力检测、拆卸称重和放射源（钴60）等测量方法。压力检测通常仅适用于气体灭火剂的剂量检测，对于存在部分液化灭火剂的剂量检测，通常仅是在充填灭火剂时进行的经验性估算，或者用于判断是否存在灭火剂的泄露，且估算结果不准确。称重法费时费力，而且在拆卸过程中容易造成装备的损坏和灭火剂的泄漏。放射源法使用的发射源（钴60）对人体和环境有放射性的伤害，不适合舰船的使用环境。卤代烷灭火系统中，灭火剂储液瓶属于一种典型的带压储液瓶，是常压下为气体加压液化后的储剂，液位检测较困难。由于储液瓶具有的非平面周界和带压储存等特殊结构方式，如需进行无损检测，利用超声波检测会比较适合。随着超声波检测技术的发展，目前，国内外已有相关的超声液位检测仪面世，但适合舰船灭火系统储液瓶液位检测的不多，可见研究解决舰船带压储液瓶中液位检测的难题意义重大。

目前，对于密闭容器采用超声波测量液位的方法有很多，既有声波阻断式和脉冲回波法等连续液位测量方法，也有连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。

对于脉冲反射式超声波液位计，Allison［1］利用示波器辅助，对A-6型攻击战斗机起降架的液压油贮油缸油位进行了超声波检测，根据声阻抗区别，气体介质的回波衰减较慢，回波信号显示为振幅大，而液体的声阻抗则较大，回波衰减快，回波信号显示为振幅小。Petrauskas［2］从理论上分析了温度对测量精度的影响，并进行了实验验证；马志敏等［3-4］采用的是脉冲反射式定点法，与Allison的工作有异曲同工之妙。利用上述几种测量方法对低压容器或常压容器进行测量时，效果比较明显，测量也很准确，但在对较高压力容器内处于液化或气液两种状态灭火剂的液位进行测量时，液面上、下的回波信号区别却很小，不能准确确定液面位置，无法进行定位。因此，利用该方法进行液面定位不具有一般性，对大多数的容器无法进行测量。本文基于脉冲反射式定点法，将重点解决带压液化状态的灭火剂液位测量的难题。

1 脉冲反射式液位测量法的原理及理论分析

脉冲反射式液位测量法的主要测量原理是通过测量并比较超声回波信号的大小及衰减快慢来判断在测点附近的储液罐内部是液体还是气体，而回波在本质上将主要是超声波在容器中多次透射与反射所形成的余振波。影响余振波衰减的主要因素有两个：一个是声波在容器壁内的传输衰减，显然它只与容器壁材料的声衰减特性有关。在入射波的频率及容器壁的材料和厚度确定后，它也是确定的，与容器内部的介质无关；另一个是容器内部的介质，它决定了容器壁内界面声波的透射衰减大小。很显然，容器壁与内部介质分界面上的透射作用越强，余振信号的透射衰减便越快，余振波的持续时间也就越短。反之，分界面上的透射作用越小，余振信号的透射衰减便越慢，余振的持续时间也就越长。

经查询资料［5］并进行计算，得到耦合剂（甘油）、钢壁和水的声阻抗值分别为：z0=2.43×106kg/（m2·s），z1=4.5×106kg/（m2·s），z2=1.5×106kg/（m2·s），空气密度ρ=1.29kg/m3，其声速为334 m/s，那么，空气的声阻抗值便为 z3=ρc=430 kg/（m2·s）（对于常压下的计算结果，在高压下会更大，但其阻抗值仍然相对较小）。声压与声能的透射系数计算公式如下：

声压的透射系数：

声能的透射系数：

式中，z1为容器壁的声阻抗 ρ1c1；z2为入射点处容器内部介质的声阻抗 ρ2c2。由于耦合剂的厚度很薄，故超声脉冲在耦合剂中的衰减可以忽略不计。由于超声波在钢壁中传播时其衰减过大，会直接影响到测量精度，因此在测量时，应选择适当的频率、强度以及增益以进行匹配。对于特定的钢瓶材质，包括材料、壁厚和直径等，都有其最佳的测量频率、强度以及增益，目前，这些参数都只能通过实验得到。因此，在进行理论计算时，仅考虑超声波从钢壁内侧到容器存放介质的衰减过程。

据此，便可求得液体介质中声能的透射系数约为T＝0.75，有将近75%的能量透入到了容器内部的液体介质中。若为空气介质，相应的声能透射系数约为 T ＝ 3.82×10-4，即每次从容器壁透射到容器内部气相介质的能量小于0.038 2%。

所以，当声波入射点处容器内部介质为液态时，由于透射作用强，容器内的超声余振信号衰减会较快，余振信号持续时间短。反之，当声波入射点处容器内部介质为气相时，由于其透射作用弱，壁内的超声余振信号衰减会较慢，余振持续时间长。

但当容器内为高压液化状态的灭火剂时，情况就大不一样了。例如，在对1301灭火系统储液瓶进行超声液位测量时，容器内的上部为高压的1301气体，下部为1301液体，其性质如表1所示。现将对其进行理论计算和分析。同样，耦合剂（甘油）和钢壁的声阻抗分别为 z0=2.43×106kg/（m2·s），z1=4.5×106kg/（m2·s）；液体1301在25℃时的密度为 ρ=1.57×103kg/m3，气体1301在25℃时的临界密度为 ρ=0.745×103kg/m3；液态1301的声阻抗约为z2=1.9×106kg/（m2·s），对应的声能投射系数为24.5%，气态1301的声阻抗约为z2=1.1×106kg/（m2·s），对应的声能透射系数为21.5%。以此数据进行模拟计算。虽然从理论上可以分辨在测点位置容器内是液态还是气态，但在实测时，噪音的干扰导致根本无法准确测量。因此，在对高压液化气体的液位进行测量时，其关键在于如何有效地降噪与消噪。

表1 1301灭火剂的物理特性Tab.1 The physic features of the 1301 halon fire extinguishing agent

另外，由表1可以看出1301的液态临界温度为67℃［6］，亦即表明，在 67℃时，储液罐内就不存在液态的1301了，因而也就没有进行液位检测的必要。如若罐内只有气体，可通过压力检测和理想气体状态方程来估算1301灭火剂的剂量。在凝固点至液态临界温度这个温度区间内，温度对剂量检测有一定的影响，液位的高低与1301灭火剂的剂量并非完全是一一对应的关系。在装有相同剂量的储液罐内，随着温度的上升，液面高度亦有小幅上升。因此，有必要对测量结果进行实验校正。

实验对象为70 L的标准1301储液罐，直径280 mm，钢瓶厚6.3 mm，径厚比为45。分别对剂量为40，50，60，70 kg的储液罐在不同温度下进行液位测量，其结果如表2所示，此表可作为温度与剂量的校正表。

2 基于小波分析的消噪降噪信号处理

通常选择滤波消噪的方法来消除信号的噪声。滤波器是使信号的一部分频率通过，而使另外一部分频率通过很少的系统。在利用超声波检测液位时，有用信号表现为低频信号和一些较为平稳的信号，而噪声信号则表现为高频信号，这为利用小波分析进行消噪提供了前提条件。

表2 容积为70 L的1301灭火剂储液罐液位温度校正表Tab.2 Liquid level adjustment table for 70 L halon cylinder

小波变换的概念最初由法国从事石油信号处理的工程师Morlet于1974年提出。小波变化的出发点是一个基本小波（母小波）通过伸缩和平移，得到一组形状相似的小波，称之为子小波或小波基函数。利用小波多尺度分解的特性，可以更方便、快捷地实现滤波。一个含有噪声的一维信号模型可表示如下：

式中，f(t)为真实信号；e(t)为噪声；S(t)为含噪声的信号。在对信号进行小波分解时，含噪声的部分主要包含在高频系数中。因此，可以应用门限阈值等形式来对小波系数进行处理，然后再通过对信号进行重构来达到消噪的目的。对信号S(t)消噪的目的就是要抑制信号中的噪声部分，从而从S(t)中恢复出真实信号 f(t)。

利用小波除噪的步骤如下［7-9］：

1）对含噪信号进行预处理，以便后续处理。

2）对信号进行小波分解。选择一个小波并确定一个分解层次N，然后对信号S进行N层分解。

3）小波分解高频系数的阈值量化。对第1～N层的每一层高频系数选择一个阈值进行软阈值或硬阈值量化处理。

4）小波的重构。

根据小波分解，对第N层系数和经过量化处理后的第1～N层的高频系数进行一维信号重构［10］，信号处理过程如图1和图2所示。其中，纵坐标为信号的幅值，横坐标为数据离散采集后的序列号。

另外，在探头周围加装了一圆形带孔的磁铁，超声探头置于其中。这样，探头便可吸附在钢瓶外壁，不仅能减少人为测量误差，而且由于超声波是电流信号，在磁场的作用下，还可加强其集中度，使其不至于扩散，这对减少误差也有益。

图1 采样信号（a）及小波分解3个层次上的低频信号（b）Fig.1 Originally sampled signal（a）and the three level low-frequency signal after wavelet analysis（b）

图2 小波分解3个层次上的高频信号（a）及重构后的波形（b）Fig.2 The three level high-frequency signal after wavelet analysis（a）and the reconstructed signal（b）

3 实验设计与分析

对于有气、液两种状态的情况，采集到的容器瓶壁中余振信号的衰减波形有一定的差别。为了放大气、液回波间的区别，通常情况下，可通过计算回波信号曲线的包络面积来判定测点有无液体。

当瓶壁内侧有液体时，每一次振荡透射到液体中的能量会大一些，因此，采集的余振信号衰减会较快，形成的包络面积较小。反之，当瓶壁内侧为气态介质时，每一次振荡透射到气体中的能量会较小，采集的余振信号衰减会较慢，形成的包络面积较大。

在进行检测实验时发现，测量的可行性和准确度与钢瓶的径厚比（直径与壁厚之比）有直接关系，一般情况下，径厚比越大，越容易得到准确的测量结果。对特定径厚比的钢瓶进行超声液位测量时的最佳超声波频率及重复频率选择，通常都只能通过实验测得，对此，田金云等［11］已做过相关论述。根据实验结果分析，可得到以下原则：

1）频率选择应考虑超声波在钢瓶壁的行程，其行程应刚好是超声波半个波长的整数倍，这样，回波信号才不会出现过度叠加，信号会更明显；

2）在壁厚增加时，应适当加大增益，以补偿超声波在钢瓶壁的能量损失［12］；

3）若钢瓶材质的声阻抗过大，应考虑适当增大超声波频率，频率越高，超声波的指向性便越大，能量也越大；

4）检测时，也应考虑钢瓶的曲率。因为对中问题，曲率越大的钢瓶其测量难度也越大，因此在测量时，可考虑适当调整探头位置以找到一个最大的回波信号。

根据超声波测液位的原理，硬件平台以信号调理板和PCI信号采集板为核心，外加信号连接线及探头；软件以Visual Basic为平台，结合Matlab小波分析工具箱进行混合编程及信号处理。实验对象为舰船上1301灭火系统的容积为40 L的储液钢瓶，其壁厚为 5.8 mm，直径 219 mm，径厚比37.8；探头频率为 1.25 MHz，超声波波形为连续 5个周期的正弦波，重复频率为0.5 kHz，增益为25倍。探头位置及储液瓶测试方法如图3所示，其中左图中的Z1为发射波，Z2为回波。在此种实验条件下，可得到较为满意的测量效果（图4）。

图3 脉冲反射式定点法示意图Fig.3 Sketch of the fixed positional pulse detecting method

图4 气（a）、液（b）两态的衰减余振信号的包络面积Fig.4 Figures that show the areas of the remnant wave after the ultrasonic traversed through into the container wall where there is gas（a）or liquid（b）

由于发射波的前几个波在瓶壁中振荡时，后几个波形仍然在第1个界面发生反射现象，其采样数据是前期发射波的振荡信号与后发射波形的反射信号的数据叠加，不能反映因液位差异而不同的超声余振信号模型。因此，在发射的连续脉冲信号结束时，应对瓶壁中超声余振信号的衰减过程进行数据采样。确认了超声余振信号采样数据的起点后，便可根据余振信号衰减过程的差别来区分液位的高低。如上图所示，其第100个信号序列之后的才是真正的余振信号。

为了让计算机能自动判断，可设定阈值，并将计算的包络面积与阈值进行比较，若包络面积大于阈值面积，则表示检测点处对应瓶内的是气体；若包络面积小于阈值面积，则表示检测点处对应瓶内的是液体。逐步收拢测点位置，最终的临界点即为瓶内的气、液分界点，即灭火剂的液面位置。阈值的设定方法如下：

1）针对不同储液瓶的不同状态测n组数据，计算面积，记气态包络面积为A，液态包络面积为B；

2）阈 值 C 取 为 C＝（1.4～1.5）B，且 满 足 C＜（0.8～0.9）A；

3）通过实验测量，得到不同规格储液瓶相应的阈值。

由图4所示的1301灭火剂储液瓶的液、气两态衰减余振信号的包络面积，得A＝60 921，B＝28 300，则其取值范围应为［45 000，48 000］。阈值设定后，每测定一次，就对采集信号实时进行处理、计算和比较，以得出瓶内的液、气状态。

4 结 语

本文针对舰船灭火系统中卤代烷灭火剂储液瓶液位检测难的问题，根据灭火剂的物理特性，通过超声波理论与实验，分析了灭火剂超声液位检测的规律。通过利用小波分析理论，对采集的回波信号进行了消噪降噪，并提出了液面位置的判据，解决了带压储液瓶超声波液位检测的难题，实现了对舰船卤代烷灭火系统灭火剂剂量检测的无损检测。

［1］ALLISON S G.Ultrasonic measurement of aircraft strut hydraulic fluid level，SAE-02WAC-19［R］.NASA Langley Research Center，2002.

［2］PETRAUSKAS A.Non-invasive ultrasonic level measurement technology［J］.Ultraharmonics，2006，61（4）：29-33.

［3］马志敏，赵小红，鲁立中.容器壁中超声余振信号的透射衰减特性及其应用［J］.声学技术，2003，22（4）：233-235.

MA Z M，ZHAO X H，LU L Z.Analysis of attenuation characteristics of residual ultrasonic waves in container wall and its application［J］.Technical Acoustics，2003，22（4）：233-235.

［4］马志敏，郝毫毫，鲁立中.超声波壁外透射衰减式定点液位测量方法研究［J］.仪表技术与传感器，2003（9）：45-46，49.

MA Z M，HAO H H，LU L Z.Study on the method of measuring fixed-point liquid level based on ultrasonic penetrative attenuation in the wall of containers［J］.Instrument Technique and Sensor，2003（9）：45-46，49.

［5］陕云凌.密闭容器内液体液位超声测量技术的研究［D］.太原：中北大学，2008.

［6］下村孝次.“哈龙”1301高速灭火系统［J］.王宝娣，译.机电设备，1986（1）：14-20.

［7］ 崔志超，阮礽忠，徐华勇，等.基于小波分析的船舶同步发电机定子绕组故障在线诊断仿真研究［J］.中国舰船研究，2011，6（2）：69-72，92.

CUI Z C，RUAN R Z，XU H Y，et al.Online fault diagnosis simulation of stator winding of marine synchronous generator based on wavelet analysis［J］.Chinese Journal of Ship Research，2011，6（2）：69-72，92.

［8］ 徐长发，李国宽.实用小波方法［M］.第3版.武汉：华中科技大学出版社，2009.

［9］易雄.基于小波分析的机械故障特征提取与诊断技术研究［D］.浙江：浙江工业大学，2009.

［10］苏金明，黄国明，刘波.MATLAB与外部程序接口［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［11］田金云，王卫东，张成联，等.超声换能器的频率选择实验研究［J］.煤炭技术，2010，29（1）：43-45.

TIAN J Y，WAND W D，ZHANG C L，et al.Experiment study of frequency selection for ultrasonic transducer［J］.Coal Technology，2010，29（1）：43-45。

［12］刘诚午.非侵入式超声物位检测方法的实验研究［D］.杭州：浙江大学，2006.

An Ultrasonic Liquid Level Detecting Technology for Liquid Cylinders in Ship Halon Fire-Extinguishing Systems

QIU Jin-shui YI Xiang-lie LIU Bo-yun TIAN Yi-yang
College of Naval Architecture and Power，Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China

This paper presented a fixed-point liquid level measuring method using ultrasonic pulse reflection to detect the dose of warship halon fire-extinguishing systems.When ultrasonic wave travels through the gaseous medium and liquid medium，the attenuation rate of the remnant ultrasonic signal was found to be distinct，which was reflected by the different envelope area of the return remnant signal.In this way，the liquid level could be easily defined.Firstly，the

return signal was de-noised using the wavelet analysis theory，and the resulted low-frequency signal was reconstructed into a more realistic signal.Next，a threshold was proposed to judge whether the medium at the detecting point is gaseous or liquid.Finally，the envelope area of the remnant wave signal was examined and compared with the threshold，through which the liquid level can be precisely determined.Generally，all liquid level measuring problems in gas containers with pressure systems similar to fire extinguishing agents 1301，which are widely adopted as marine fire extinguishers，could be easily solved by this method.

halon；ultrasonic；liquid level；wavelet analysis；ship

U664.88

A

1673－3185（2012）05－113－06

10 .3969/j.issn .1673－3185 .2012 .05 .020

2011－12－31

国家部委基金资助项目

邱金水（1963－），男，教授。研究方向：舰船消防技术与工程。E-mail：qiujinshui205＠163.com

易祥烈（1982－），男，博士研究生。研究方向：舰船消防技术与工程。E-mail：yxljht＠126.com

邱金水。

卢圣芳］