密闭容器内低阻抗液体侧壁式超声液位测量

，

(1.陕西师范大学 陕西省超声学重点实验室，西安 710119; 2.秦皇岛和平无损检测有限公司，秦皇岛 066000)

密闭容器内低阻抗液体液位测量是富有挑战性的课题。侧壁液位检测是很多在役容器内超声液位测量的常见方式，其原理是基于声脉冲对液体在有和无的状态下，反射回波信号的差异来判断液面位置的[1-2]。超声从容器外侧壁垂直入射至固-液或固-气界面，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异[3-4]、多次反射回波信号的衰减规律[5]、回波信号能量圈或包络面积[6]等变化来评判气液界面位置。但当容器内液体的特性声阻抗较小时，超声垂直入射技术却因固液阻抗严重不匹配、灵敏度低难以奏效。为了提高超声检测灵敏度，GREENWOOD[7]提出可采用界面多次反射回波波列进行检测，由此发展而来的，基于多次回波幅度衰减规律及能量特点的方法[6]还被用于检测多种液体的浓度和液体鉴别中[8]，但随着被测液体介质阻抗的减小，其测量误差迅速增大[9]，即多次回波法在对具有低声阻抗的液体测量中依然无法获得理想的效果，原因是界面首次反射回波对液体阻抗值变化具有其他高次回波都无法相比的敏感性[3]，提高两种界面首次反射回波幅度的差异是提高反射回波技术检测灵敏度的根本。笔者基于对倾斜入射在固-气、固-液界面纵波声压反射规律的理论分析，通过选择合适的入射角度使两种界面声压反射率差异达到最大，从根本上提高了基于单界面脉冲反射回波法的密闭容器内低阻抗液位检测的灵敏度。

1 理论与数值分析

1.1 基本理论

超声纵波从容器外侧壁以αL角斜入射至容器内壁与液体或气体介质形成的界面，即固液(SL)或固气(SA)界面上，其不仅产生波的反射和透射，还伴随着波型模式转换。若用P、S分别表示纵波和横波，固体、液体及气体的特性声阻抗分别为Zs，Zl和Za，当P波以入射角入射到SA界面时无折射波,只有反射P波和SV波,且对应反射角分别为L,s。据斯涅耳定理可得，SA界面纵波反射系数为

(1)

同理，当P波以αL角从固体侧倾斜入射到SL界面时，不仅有反射P波和SV波,还有折射角为βL的折射P波，且纵波反射系数Rpp为

(2)

1.2 瓷套容器最佳入射角的数值计算

常见容器材料有钢、铝合金、陶瓷等，液体介质选择汽油、硅油、水玻璃、水银，以表1所示材料的基本参数[13]计算界面的|Rpp|-α曲线。

表1 数值计算所用材料相关参数

图1 陶瓷-空气、陶瓷-硅油界面的Rpp-α曲线及 液位检测最佳入射角

以输变电站常用的充油瓷套为例，计算其最佳入射角，并将此时的反射系数之差与垂直入射时的结果相比较。此时容器材料为电工陶瓷，容器内充填低阻抗液体绝缘硅油(型号：TSF 451)。陶瓷-空气、陶瓷-硅油界面声压反射率Rpp均为负值，为方便描述，取其绝对值|Rpp|，其随入射角α变化的理论关系见图1，可见|ΔRpp|在α=24.4°时取得最大值且|ΔRpp|max=0.24，相比垂直入射时的|ΔRpp|α=0=0.14，斜入射的值约为垂直入射时的近2倍。可见，适当倾斜入射声波可大幅度扩大界面反射系数间的差异，有效提高界面性质分辨的能力。

2 试验结果与讨论

图2 探头图片与陶瓷与空气、硅油的界面最佳入射角 试验测试结果

使用可变角探头[见图2(a)]，通过蜂蜜与容器壁耦合进行测试，每隔2.5°记录反射波的首次回波声压峰值，将数据拟合为曲线[见图2(b)]，得到|ΔRpp|与入射角的关系[见图2(c)]。陶瓷/硅油界面最佳入射角理论值为24.4°，实测充油瓷套容器最佳入射角度为18.6°，造成误差的原因主要有理论模型的近似性及数值计算中所用材料参数与实际参数存在差异。试验中，声波垂直入射至陶瓷/硅油与陶瓷/空气界面时，两界面回波幅值差异为2.0 dB；而当声波以18.6°倾斜入射时，两界面回波幅值差异高达26.1dB，后者高于前者约10倍。

下面研究以最佳角度入射时液位的确定方法。若探头晶片为边长为d的方晶片，在容器壁厚范围内不考虑声束扩散，则超声垂直入射将在容器内壁处形成一边长为d的能量正方形，该正方形集中了超声波束的主要能量,如图3(a)所示。检测过程中，超声探头沿着容器外壁自下而上移动，当能量正方形的上缘低于液位时，固液界面回波波形、幅度保持不变。同理，当能量正方形的最下缘高于液位时，得到固体与气体的波形且波形保持不变。波形开始变化的位置为固液界面能量正方形的最上端，这个位置称为第一临界位置，此时正方形中心距离容器底端高度为Hmin；波形停止变化的位置为固气界面能量正方形的最上端，这个位置称为第二临界位置，此时正方形中心距离容器底端的高度为Hmax，则实际液位Hr为

(3)

改变超声波入射角度，将探头仍从下往上移动，也会出现两个临界位置，如图3(b)所示，此时液位表达式(3)修正为

(4)

式中:Δh为探头晶片中心与能量正方形中心的距离。

图3 垂直、倾斜入射液位评价原理示意

为对该测量方法的有效性、准确性进行评价，以水为介质，透明有机玻璃槽为容器，将超声测试结果与实际液位进行比较。实测有机玻璃/水界面最佳入射角为8°，记录此时的Hmin、Hmax位置，对Δh修正值的计算结果为0.28 cm，液位测量结果见表2。测量结果与实际值比较，该法的测量精度在零点几个厘米。

表2 有机玻璃/水液位测量结果 cm

3 结论

提出了一种小角度斜入射侧壁液位检测技术，通过选择最佳入射角度、增大声波在固液与固气界面反射系数的差，提高气液界面的识别灵敏度。结果表明，最佳入射角条件下，可使固液与固气界面反射系数的差值提高数倍，提高的程度与界面性质有关；不同的固、液组合最佳入射角不同；该方法增强了容器内低阻抗液体液位的检测灵敏度，但精度提高程度有限。