艦船鹵代烷滅火系統儲液瓶液位超聲波檢測技術

邱金水 易祥烈 劉伯運 田奕洋

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

艦船鹵代烷滅火系統儲液瓶液位超聲波檢測技術

邱金水 易祥烈 劉伯運 田奕洋

海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢 430033

為解決艦船鹵代烷滅火系統儲液瓶液位檢測的難題，采用超聲波脈沖反射式定點液位測量法，利用超聲波在液體與氣體介質中余振信號衰減快慢使回波信號波形的包絡面積大小不同來界定液位。利用小波分析理論，對采集的回波信號進行消噪降噪，得到了真實的信號。提出了儲液瓶測點內部氣態與液態的判據，通過比對降噪后氣態和液態產生的回波信號的包絡面積，可準確確定液位。

鹵代烷；超聲波；液位檢測；小波分析；艦船

0 引 言

鹵代烷滅火系統是我國艦船上使用的主要滅火裝備之一，完好有效的鹵代烷滅火系統是艦船在火災情況下實施自救的重要基礎和保障。目前，海軍正在大力提倡視情維修。要實行定期維修與視情維修相結合的維修體制，關鍵就是要大力發展各種設備的狀態檢測技術。對于鹵代烷滅火劑的劑量檢測，傳統的方法是采用壓力檢測、拆卸稱重和放射源（鈷60）等測量方法。壓力檢測通常僅適用于氣體滅火劑的劑量檢測，對于存在部分液化滅火劑的劑量檢測，通常僅是在充填滅火劑時進行的經驗性估算，或者用于判斷是否存在滅火劑的泄露，且估算結果不準確。稱重法費時費力，而且在拆卸過程中容易造成裝備的損壞和滅火劑的泄漏。放射源法使用的發射源（鈷60）對人體和環境有放射性的傷害，不適合艦船的使用環境。鹵代烷滅火系統中，滅火劑儲液瓶屬于一種典型的帶壓儲液瓶，是常壓下為氣體加壓液化后的儲劑，液位檢測較困難。由于儲液瓶具有的非平面周界和帶壓儲存等特殊結構方式，如需進行無損檢測，利用超聲波檢測會比較適合。隨著超聲波檢測技術的發展，目前，國內外已有相關的超聲液位檢測儀面世，但適合艦船滅火系統儲液瓶液位檢測的不多，可見研究解決艦船帶壓儲液瓶中液位檢測的難題意義重大。

目前，對于密閉容器采用超聲波測量液位的方法有很多，既有聲波阻斷式和脈沖回波法等連續液位測量方法，也有連續波穿透式、脈沖反射式和脈沖穿透式等定點液位測量方法。

對于脈沖反射式超聲波液位計，Allison［1］利用示波器輔助，對A-6型攻擊戰斗機起降架的液壓油貯油缸油位進行了超聲波檢測，根據聲阻抗區別，氣體介質的回波衰減較慢，回波信號顯示為振幅大，而液體的聲阻抗則較大，回波衰減快，回波信號顯示為振幅小。Petrauskas［2］從理論上分析了溫度對測量精度的影響，并進行了實驗驗證；馬志敏等［3-4］采用的是脈沖反射式定點法，與Allison的工作有異曲同工之妙。利用上述幾種測量方法對低壓容器或常壓容器進行測量時，效果比較明顯，測量也很準確，但在對較高壓力容器內處于液化或氣液兩種狀態滅火劑的液位進行測量時，液面上、下的回波信號區別卻很小，不能準確確定液面位置，無法進行定位。因此，利用該方法進行液面定位不具有一般性，對大多數的容器無法進行測量。本文基于脈沖反射式定點法，將重點解決帶壓液化狀態的滅火劑液位測量的難題。

1 脈沖反射式液位測量法的原理及理論分析

脈沖反射式液位測量法的主要測量原理是通過測量并比較超聲回波信號的大小及衰減快慢來判斷在測點附近的儲液罐內部是液體還是氣體，而回波在本質上將主要是超聲波在容器中多次透射與反射所形成的余振波。影響余振波衰減的主要因素有兩個：一個是聲波在容器壁內的傳輸衰減，顯然它只與容器壁材料的聲衰減特性有關。在入射波的頻率及容器壁的材料和厚度確定后，它也是確定的，與容器內部的介質無關；另一個是容器內部的介質，它決定了容器壁內界面聲波的透射衰減大小。很顯然，容器壁與內部介質分界面上的透射作用越強，余振信號的透射衰減便越快，余振波的持續時間也就越短。反之，分界面上的透射作用越小，余振信號的透射衰減便越慢，余振的持續時間也就越長。

經查詢資料［5］并進行計算，得到耦合劑（甘油）、鋼壁和水的聲阻抗值分別為：z0=2.43×106kg/（m2·s），z1=4.5×106kg/（m2·s），z2=1.5×106kg/（m2·s），空氣密度ρ=1.29kg/m3，其聲速為334 m/s，那么，空氣的聲阻抗值便為 z3=ρc=430 kg/（m2·s）（對于常壓下的計算結果，在高壓下會更大，但其阻抗值仍然相對較小）。聲壓與聲能的透射系數計算公式如下：

聲壓的透射系數：

聲能的透射系數：

式中，z1為容器壁的聲阻抗 ρ1c1；z2為入射點處容器內部介質的聲阻抗 ρ2c2。由于耦合劑的厚度很薄，故超聲脈沖在耦合劑中的衰減可以忽略不計。由于超聲波在鋼壁中傳播時其衰減過大，會直接影響到測量精度，因此在測量時，應選擇適當的頻率、強度以及增益以進行匹配。對于特定的鋼瓶材質，包括材料、壁厚和直徑等，都有其最佳的測量頻率、強度以及增益，目前，這些參數都只能通過實驗得到。因此，在進行理論計算時，僅考慮超聲波從鋼壁內側到容器存放介質的衰減過程。

據此，便可求得液體介質中聲能的透射系數約為T＝0.75，有將近75%的能量透入到了容器內部的液體介質中。若為空氣介質，相應的聲能透射系數約為 T ＝ 3.82×10-4，即每次從容器壁透射到容器內部氣相介質的能量小于0.038 2%。

所以，當聲波入射點處容器內部介質為液態時，由于透射作用強，容器內的超聲余振信號衰減會較快，余振信號持續時間短。反之，當聲波入射點處容器內部介質為氣相時，由于其透射作用弱，壁內的超聲余振信號衰減會較慢，余振持續時間長。

但當容器內為高壓液化狀態的滅火劑時，情況就大不一樣了。例如，在對1301滅火系統儲液瓶進行超聲液位測量時，容器內的上部為高壓的1301氣體，下部為1301液體，其性質如表1所示。現將對其進行理論計算和分析。同樣，耦合劑（甘油）和鋼壁的聲阻抗分別為 z0=2.43×106kg/（m2·s），z1=4.5×106kg/（m2·s）；液體1301在25℃時的密度為 ρ=1.57×103kg/m3，氣體1301在25℃時的臨界密度為 ρ=0.745×103kg/m3；液態1301的聲阻抗約為z2=1.9×106kg/（m2·s），對應的聲能投射系數為24.5%，氣態1301的聲阻抗約為z2=1.1×106kg/（m2·s），對應的聲能透射系數為21.5%。以此數據進行模擬計算。雖然從理論上可以分辨在測點位置容器內是液態還是氣態，但在實測時，噪音的干擾導致根本無法準確測量。因此，在對高壓液化氣體的液位進行測量時，其關鍵在于如何有效地降噪與消噪。

表1 1301滅火劑的物理特性Tab.1 The physic features of the 1301 halon fire extinguishing agent

另外，由表1可以看出1301的液態臨界溫度為67℃［6］，亦即表明，在 67℃時，儲液罐內就不存在液態的1301了，因而也就沒有進行液位檢測的必要。如若罐內只有氣體，可通過壓力檢測和理想氣體狀態方程來估算1301滅火劑的劑量。在凝固點至液態臨界溫度這個溫度區間內，溫度對劑量檢測有一定的影響，液位的高低與1301滅火劑的劑量并非完全是一一對應的關系。在裝有相同劑量的儲液罐內，隨著溫度的上升，液面高度亦有小幅上升。因此，有必要對測量結果進行實驗校正。

實驗對象為70 L的標準1301儲液罐，直徑280 mm，鋼瓶厚6.3 mm，徑厚比為45。分別對劑量為40，50，60，70 kg的儲液罐在不同溫度下進行液位測量，其結果如表2所示，此表可作為溫度與劑量的校正表。

2 基于小波分析的消噪降噪信號處理

通常選擇濾波消噪的方法來消除信號的噪聲。濾波器是使信號的一部分頻率通過，而使另外一部分頻率通過很少的系統。在利用超聲波檢測液位時，有用信號表現為低頻信號和一些較為平穩的信號，而噪聲信號則表現為高頻信號，這為利用小波分析進行消噪提供了前提條件。

表2 容積為70 L的1301滅火劑儲液罐液位溫度校正表Tab.2 Liquid level adjustment table for 70 L halon cylinder

小波變換的概念最初由法國從事石油信號處理的工程師Morlet于1974年提出。小波變化的出發點是一個基本小波（母小波）通過伸縮和平移，得到一組形狀相似的小波，稱之為子小波或小波基函數。利用小波多尺度分解的特性，可以更方便、快捷地實現濾波。一個含有噪聲的一維信號模型可表示如下：

式中，f(t)為真實信號；e(t)為噪聲；S(t)為含噪聲的信號。在對信號進行小波分解時，含噪聲的部分主要包含在高頻系數中。因此，可以應用門限閾值等形式來對小波系數進行處理，然后再通過對信號進行重構來達到消噪的目的。對信號S(t)消噪的目的就是要抑制信號中的噪聲部分，從而從S(t)中恢復出真實信號 f(t)。

利用小波除噪的步驟如下［7-9］：

1）對含噪信號進行預處理，以便后續處理。

2）對信號進行小波分解。選擇一個小波并確定一個分解層次N，然后對信號S進行N層分解。

3）小波分解高頻系數的閾值量化。對第1～N層的每一層高頻系數選擇一個閾值進行軟閾值或硬閾值量化處理。

4）小波的重構。

根據小波分解，對第N層系數和經過量化處理后的第1～N層的高頻系數進行一維信號重構［10］，信號處理過程如圖1和圖2所示。其中，縱坐標為信號的幅值，橫坐標為數據離散采集后的序列號。

另外，在探頭周圍加裝了一圓形帶孔的磁鐵，超聲探頭置于其中。這樣，探頭便可吸附在鋼瓶外壁，不僅能減少人為測量誤差，而且由于超聲波是電流信號，在磁場的作用下，還可加強其集中度，使其不至于擴散，這對減少誤差也有益。

圖1 采樣信號（a）及小波分解3個層次上的低頻信號（b）Fig.1 Originally sampled signal（a）and the three level low-frequency signal after wavelet analysis（b）

圖2 小波分解3個層次上的高頻信號（a）及重構后的波形（b）Fig.2 The three level high-frequency signal after wavelet analysis（a）and the reconstructed signal（b）

3 實驗設計與分析

對于有氣、液兩種狀態的情況，采集到的容器瓶壁中余振信號的衰減波形有一定的差別。為了放大氣、液回波間的區別，通常情況下，可通過計算回波信號曲線的包絡面積來判定測點有無液體。

當瓶壁內側有液體時，每一次振蕩透射到液體中的能量會大一些，因此，采集的余振信號衰減會較快，形成的包絡面積較小。反之，當瓶壁內側為氣態介質時，每一次振蕩透射到氣體中的能量會較小，采集的余振信號衰減會較慢，形成的包絡面積較大。

在進行檢測實驗時發現，測量的可行性和準確度與鋼瓶的徑厚比（直徑與壁厚之比）有直接關系，一般情況下，徑厚比越大，越容易得到準確的測量結果。對特定徑厚比的鋼瓶進行超聲液位測量時的最佳超聲波頻率及重復頻率選擇，通常都只能通過實驗測得，對此，田金云等［11］已做過相關論述。根據實驗結果分析，可得到以下原則：

1）頻率選擇應考慮超聲波在鋼瓶壁的行程，其行程應剛好是超聲波半個波長的整數倍，這樣，回波信號才不會出現過度疊加，信號會更明顯；

2）在壁厚增加時，應適當加大增益，以補償超聲波在鋼瓶壁的能量損失［12］；

3）若鋼瓶材質的聲阻抗過大，應考慮適當增大超聲波頻率，頻率越高，超聲波的指向性便越大，能量也越大；

4）檢測時，也應考慮鋼瓶的曲率。因為對中問題，曲率越大的鋼瓶其測量難度也越大，因此在測量時，可考慮適當調整探頭位置以找到一個最大的回波信號。

根據超聲波測液位的原理，硬件平臺以信號調理板和PCI信號采集板為核心，外加信號連接線及探頭；軟件以Visual Basic為平臺，結合Matlab小波分析工具箱進行混合編程及信號處理。實驗對象為艦船上1301滅火系統的容積為40 L的儲液鋼瓶，其壁厚為 5.8 mm，直徑 219 mm，徑厚比37.8；探頭頻率為 1.25 MHz，超聲波波形為連續 5個周期的正弦波，重復頻率為0.5 kHz，增益為25倍。探頭位置及儲液瓶測試方法如圖3所示，其中左圖中的Z1為發射波，Z2為回波。在此種實驗條件下，可得到較為滿意的測量效果（圖4）。

圖3 脈沖反射式定點法示意圖Fig.3 Sketch of the fixed positional pulse detecting method

圖4 氣（a）、液（b）兩態的衰減余振信號的包絡面積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）

由于發射波的前幾個波在瓶壁中振蕩時，后幾個波形仍然在第1個界面發生反射現象，其采樣數據是前期發射波的振蕩信號與后發射波形的反射信號的數據疊加，不能反映因液位差異而不同的超聲余振信號模型。因此，在發射的連續脈沖信號結束時，應對瓶壁中超聲余振信號的衰減過程進行數據采樣。確認了超聲余振信號采樣數據的起點后，便可根據余振信號衰減過程的差別來區分液位的高低。如上圖所示，其第100個信號序列之后的才是真正的余振信號。

為了讓計算機能自動判斷，可設定閾值，并將計算的包絡面積與閾值進行比較，若包絡面積大于閾值面積，則表示檢測點處對應瓶內的是氣體；若包絡面積小于閾值面積，則表示檢測點處對應瓶內的是液體。逐步收攏測點位置，最終的臨界點即為瓶內的氣、液分界點，即滅火劑的液面位置。閾值的設定方法如下：

1）針對不同儲液瓶的不同狀態測n組數據，計算面積，記氣態包絡面積為A，液態包絡面積為B；

2）閾 值 C 取 為 C＝（1.4～1.5）B，且 滿 足 C＜（0.8～0.9）A；

3）通過實驗測量，得到不同規格儲液瓶相應的閾值。

由圖4所示的1301滅火劑儲液瓶的液、氣兩態衰減余振信號的包絡面積，得A＝60 921，B＝28 300，則其取值范圍應為［45 000，48 000］。閾值設定后，每測定一次，就對采集信號實時進行處理、計算和比較，以得出瓶內的液、氣狀態。

4 結 語

本文針對艦船滅火系統中鹵代烷滅火劑儲液瓶液位檢測難的問題，根據滅火劑的物理特性，通過超聲波理論與實驗，分析了滅火劑超聲液位檢測的規律。通過利用小波分析理論，對采集的回波信號進行了消噪降噪，并提出了液面位置的判據，解決了帶壓儲液瓶超聲波液位檢測的難題，實現了對艦船鹵代烷滅火系統滅火劑劑量檢測的無損檢測。

［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］馬志敏，趙小紅，魯立中.容器壁中超聲余振信號的透射衰減特性及其應用［J］.聲學技術，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］馬志敏，郝毫毫，魯立中.超聲波壁外透射衰減式定點液位測量方法研究［J］.儀表技術與傳感器，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］陜云凌.密閉容器內液體液位超聲測量技術的研究［D］.太原：中北大學，2008.

［6］下村孝次.“哈龍”1301高速滅火系統［J］.王寶娣，譯.機電設備，1986（1）：14-20.

［7］ 崔志超，阮礽忠，徐華勇，等.基于小波分析的船舶同步發電機定子繞組故障在線診斷仿真研究［J］.中國艦船研究，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］ 徐長發，李國寬.實用小波方法［M］.第3版.武漢：華中科技大學出版社，2009.

［9］易雄.基于小波分析的機械故障特征提取與診斷技術研究［D］.浙江：浙江工業大學，2009.

［10］蘇金明，黃國明，劉波.MATLAB與外部程序接口［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［11］田金云，王衛東，張成聯，等.超聲換能器的頻率選擇實驗研究［J］.煤炭技術，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］劉誠午.非侵入式超聲物位檢測方法的實驗研究［D］.杭州：浙江大學，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

國家部委基金資助項目

邱金水（1963－），男，教授。研究方向：艦船消防技術與工程。E-mail：qiujinshui205＠163.com

易祥烈（1982－），男，博士研究生。研究方向：艦船消防技術與工程。E-mail：yxljht＠126.com

邱金水。

盧圣芳］