一种基于超声阻抗和回波能量的液位检测方法

张 斌,刘文怡*,魏月娟,张彦军,张会新,张 亮

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.中北大学软件学院,太原 030051)

一种基于超声阻抗和回波能量的液位检测方法

张 斌1,2,刘文怡1,2*,魏月娟3,张彦军1,2,张会新1,2,张 亮1,2

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051;3.中北大学软件学院,太原 030051)

针对超声波液位检测方法中,传感器和容器壁间的耦合度不佳所带来的稳定性和可靠性降低的问题,提出了一种基于阻抗法并利用回波能量来实现液位检测的方法。该方法利用液位上下方气液介质的阻抗不相等的特性,计算和比较两个接收传感器所接收到的回波能量之间的差异,以此来确定液位的位置。实验结果表明,该方法能够有效地克服因耦合条件不佳所带来的问题,检测精度满足应用需求。

超声波;阻抗;回波能量;液位;耦合度

在工业应用中,传统的液位测量方法很多,其检测技术稳定可靠,且测量精度高[1-2],但这些方法一般都需要提前将部分或全部的检测设备及传感器安装在容器内部[3-4],这对于一些特殊行业的液位测量,特别是容器内储放有高温高压、易燃易爆、高腐蚀性、强挥发性的液体时,易造成泄露事故,发生故障后维护难度大且成本过高。超声波检测技术能够实现真正意义上的非接触和非浸入式测量[5-6],不会破坏容器的物理结构和完整性,因此,超声波液位检测技术在近年来得到了飞速发展。

在利用超声波液位检测时,往往都需要对不同检测位置的回波信号进行比较[7-9],而这个比较需要入射声束在各个位置处的输入信号保持一致,如果输入不一致,那么各个位置上的阻抗特征值将没有可比性[10],最终可能导致获取检测结果不准确或毫无意义。为了保证输入信号的一致性,在整个检测过程中,需要确保传感器与容器壁间保持良好的耦合度,这不仅会增加操作过程的难度,也会影响检测的稳定性和可靠性,降低检测结果的精度。

本文提出了一种新的测量方法,该方法基于超声阻抗法,利用回波能量的平衡原理,可以有效地解决因传感器与容器外壁耦合不佳所带来的回波能量不稳定的问题,增强了检测的稳定性和可靠性。

方法中使用3个半径为r,声学属性相同的圆形压电陶瓷片,按图1所示进行排列 2r≤d2≤6r,其中,S0作为超声波发射端,S1和S2作为接收端;且S1和S2沿水平坐标轴对称排列;将3个传感器放置在同一耦合平面内,用环氧树脂封装在一个矩形塑料壳体中;检测时,传感器按图示纵轴方向沿容器外壁移动。

图1 传感器晶片排列图

1 声场分布特征

根据超声波基础知识[11],半径为r的园片状换能器所产生的超声波束,在近场传播时,波束的发散较小,基本能够保持圆柱状的发射波形传播;在远场区,波束将以一定的扩散角呈发散状继续传播[12-13],近场长度可通过等式式N=r2/λ得到,远场时的扩散角α=arcsin(1.22λ/2r),λ为波束在介质中传播时的波长[14],各几何变量如图2所示。

由于圆形片状换能器的几何对称特性,垂直于波束的传播方向,在距离发射平面为L的任意一个横截面内,都能得到一个波束的圆形投影,且在该圆形区域内,集中了波束的大部分能量。这个截面圆的直径用d表示,如图2所示。可以用式(1)计算得到:

(1)

根据上述声场特性分析,假设垂直于入射波束,长度为L处的横截面处,声束上下两部分的声强分别用Ig和Il表示,声束上下两部分的反射系数分别用Rmg和Rml表示,容器外壁处的反射系数用Rma表示,如图2所示。

图2 圆片状换能器声场分布特征

2 回波计算方法

由于声阻抗的不连续性,发射换能器所产生的超声波束在容器内壁处会发生反射现象,由于两接收换能器相对于发射换能器几何对称,因此,它们所探测到的回波声压或声强的大小,在理论上是相等的。如图3所示,随着检测传感器沿容器外壁向上移动,当发射声束在容内壁的圆形投影区域超过液位时,由于固液边界和固气边界的声阻抗不再相等,声束的反射边界条件被改变。

图3 回波计算示意图

因此,反射条件的变化,使得声束投影的上下两部分的反射能量不再相等,由于超声波在介质中传播时,其能量随着距离的增加而迅速衰减,根据两接收换能器的排列特点,这部分变化的能量在两个接收换能器上产生的影响将有所不同。

将声束的反射圆形截面近似看作一个圆形片状式传感器[15],在液位之上任取一点P(ρ,φ),设该点的声强大小由原来的Il增强为Ig。根据基尔霍夫定理,对圆形截面液位上所有点进行积分,可得到该部分对两个接收传感器S1和S2的声强的增强值,由式(2)和(3)近似表示:

(2)

(3)

图4 声压曲线

上述内容描述了声束从入射到经内壁反射后,被接收传感器接收的一次过程。假设反射回波经过n次反复震荡后,其能量衰减为零,那么经过n发射后,两接收换能器所接收到的总的能量大小可表示为:

(4)

(5)

式中:d为声束截面圆直径,rA为截面圆上下两部分面积之比。

3 实验结果及分析

根据测试环境,选用中心频率f=1 MHz、半径为r=10 mm的圆形换能器,激励电压U=200 V,激励脉冲重复周期Ti=0.01 s.容器阻抗Zm=17×106kg/(m2·s),气态介质阻抗Zg=0.000 4×106kg/(m2·s),液态介质阻抗Zl=1.48×106kg/(m2·s),反射系数Rmg=Rma=0.999 952 9,Rml=0.839 826 8,频率为1 MHz的超声波在合金容器壁中的衰减系数为α≈2 dB/m,容器壁厚L=50 mm。

图4(a)和图4(b)分别为耦合条件良好和耦合条件不佳的两种检测条件下,两个接收传感器S1和S2所接收到的能量随Δd变化的曲线关系图,从图4(a)中可以看作,S1和S2实际接收的能量曲线基本符合其理论分析,回波能量的大小都随着Δd的增大而增加,但两者的增量大小在同一位置时不相等,且当Δd=d时,S1和S2的能量大小又从新达到了平衡。图4(b)中显示了耦合条件不佳时,两接收传感器S1和S2实际接收能量随Δd变化的曲线图。在某些位置,回波能量出现较大的波动,由于两接收传感器具有一致的耦合性,从图中可以看出,其能量的变化方向也保持一致,即同时增大或同时减小。

图4(c)、图4(d)分别为两种耦合条件下,两接收传感器所接收能量差值和比值随Δd变化规律,且从图3(d)可以看出,无论耦合条件的好坏,两接收传感器所接收能量的比值,在整个Δd增大的过程中均保持较好的一致性,并没有出现较大的波动或跳变。

综上所述,当发射传感器S0和两个接收传感器S1和S2按图1中所示的规则排列时,在液位附近,由于入射声束在容器内壁的反射边界条件发生变化,使得两接收传感器所接收到的回波能量的平衡性发生改变,我们可以利用这个特性来确定液位的位置。

表1中实验数据为d2分别为取值为(4～10)r时的测量结果,每组中的结果为三次测量的平均值。

表1 测量结果

从图5(a)中可以看出,随着d2的增加,检测结果的精度将逐步降低,这是由于随d2的增大,两接收传感器所接收能量的差值和比值均逐步减小,使得分辨率降低所致。

从图5(b)可以看出,当d2=4r时,测量精度能达到约1 mm左右的精度。在实际测量中,如果d2的取值为4r～6r时,其检测精度小于±3 mm,能够满足工业上液位检测的精度要求,而且具有更高的稳定性和可靠性。

图5 测量液位及误差

4 结论

从实验数据可知,文中所提的方法是一种有效的非浸入式超声波液位检测方法,其在提高检测精度,增强测量的可靠性及稳定性方面具有一定的实用价值。

该方法能够有效地降低传感器和容器壁间的耦合要求,解决了传感器和容器壁之间由于低耦合度不佳所引起的检测结果不精确、不稳定等问题,能够使得检测操作更加方便灵活,检测过程更容易控制,提升了检测结果的可靠性和稳定性。

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张斌(1979-),工程师,博士研究生,研究方向为测试测量技术及仪器,zb0003@126.com;

刘文怡(1970-),教授,博士,研究方向:微纳传感与测试技术域。在DSP、ARM、FPGA系统设计方面具有丰富经验,主持、参与了国家级、省部级科研项目、横向科研项目四十余项,其研究成果已在工业测控领域得到广泛应用,liuwenyi_nuc@126.com。

AMethodforDeterminingtheLiquidLevelBasedonUltrasonicImpedanceandEchoEnergy

ZHANGBin1,2,LIUWenyi1,2*,WEIYuejuan3,ZHANGYanjun1,2,ZHANGHuixin1,2,ZHANGLiang1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Software School of North University of China,Taiyuan 030051,China)

For the ultrasonic liquid level detection,a bad coupling between transducers and the container wall always brings the problems of stability and reliability. A method is proposed to determine the liquid level through calculating and comparing the echo energy

by two receiving transducers,which is based on the difference ultrasonic impedance between gas and liquid media in a container. The experimental results indicate that the proposed method can effectively solve the problems caused by a poor coupling,and can meet the accurate requirement.

ultrasonic;impedance;echo energy;liquid level;coupling

TP216+.1

A

1004-1699(2017)11-1625-05

2017-03-20修改日期2017-07-22

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.002