密閉容器內(nèi)低阻抗液體側(cè)壁式超聲液位測量

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(1.陜西師范大學(xué) 陜西省超聲學(xué)重點實驗室，西安 710119; 2.秦皇島和平無損檢測有限公司，秦皇島 066000)

密閉容器內(nèi)低阻抗液體液位測量是富有挑戰(zhàn)性的課題。側(cè)壁液位檢測是很多在役容器內(nèi)超聲液位測量的常見方式，其原理是基于聲脈沖對液體在有和無的狀態(tài)下，反射回波信號的差異來判斷液面位置的[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]、多次反射回波信號的衰減規(guī)律[5]、回波信號能量圈或包絡(luò)面積[6]等變化來評判氣液界面位置。但當容器內(nèi)液體的特性聲阻抗較小時，超聲垂直入射技術(shù)卻因固液阻抗嚴重不匹配、靈敏度低難以奏效。為了提高超聲檢測靈敏度，GREENWOOD[7]提出可采用界面多次反射回波波列進行檢測，由此發(fā)展而來的，基于多次回波幅度衰減規(guī)律及能量特點的方法[6]還被用于檢測多種液體的濃度和液體鑒別中[8]，但隨著被測液體介質(zhì)阻抗的減小，其測量誤差迅速增大[9]，即多次回波法在對具有低聲阻抗的液體測量中依然無法獲得理想的效果，原因是界面首次反射回波對液體阻抗值變化具有其他高次回波都無法相比的敏感性[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)檢測靈敏度的根本。筆者基于對傾斜入射在固-氣、固-液界面縱波聲壓反射規(guī)律的理論分析，通過選擇合適的入射角度使兩種界面聲壓反射率差異達到最大，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P波以入射角入射到SA界面時無折射波,只有反射P波和SV波,且對應(yīng)反射角分別為L,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P波以αL角從固體側(cè)傾斜入射到SL界面時，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)值計算

常見容器材料有鋼、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]計算界面的|Rpp|-α曲線。

表1 數(shù)值計算所用材料相關(guān)參數(shù)

圖1 陶瓷-空氣、陶瓷-硅油界面的Rpp-α曲線及 液位檢測最佳入射角

以輸變電站常用的充油瓷套為例，計算其最佳入射角，并將此時的反射系數(shù)之差與垂直入射時的結(jié)果相比較。此時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：TSF 451)。陶瓷-空氣、陶瓷-硅油界面聲壓反射率Rpp均為負值，為方便描述，取其絕對值|Rpp|，其隨入射角α變化的理論關(guān)系見圖1，可見|ΔRpp|在α=24.4°時取得最大值且|ΔRpp|max=0.24，相比垂直入射時的|ΔRpp|α=0=0.14，斜入射的值約為垂直入射時的近2倍。可見，適當傾斜入射聲波可大幅度擴大界面反射系數(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 試驗測試結(jié)果

使用可變角探頭[見圖2(a)]，通過蜂蜜與容器壁耦合進行測試，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[見圖2(b)]，得到|ΔRpp|與入射角的關(guān)系[見圖2(c)]。陶瓷/硅油界面最佳入射角理論值為24.4°，實測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)值計算中所用材料參數(shù)與實際參數(shù)存在差異。試驗中，聲波垂直入射至陶瓷/硅油與陶瓷/空氣界面時，兩界面回波幅值差異為2.0 dB；而當聲波以18.6°傾斜入射時，兩界面回波幅值差異高達26.1dB，后者高于前者約10倍。

下面研究以最佳角度入射時液位的確定方法。若探頭晶片為邊長為d的方晶片，在容器壁厚范圍內(nèi)不考慮聲束擴散，則超聲垂直入射將在容器內(nèi)壁處形成一邊長為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。檢測過程中，超聲探頭沿著容器外壁自下而上移動，當能量正方形的上緣低于液位時，固液界面回波波形、幅度保持不變。同理，當能量正方形的最下緣高于液位時，得到固體與氣體的波形且波形保持不變。波形開始變化的位置為固液界面能量正方形的最上端，這個位置稱為第一臨界位置，此時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，這個位置稱為第二臨界位置，此時正方形中心距離容器底端的高度為Hmax，則實際液位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，也會出現(xiàn)兩個臨界位置，如圖3(b)所示，此時液位表達式(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、傾斜入射液位評價原理示意

為對該測量方法的有效性、準確性進行評價，以水為介質(zhì)，透明有機玻璃槽為容器，將超聲測試結(jié)果與實際液位進行比較。實測有機玻璃/水界面最佳入射角為8°，記錄此時的Hmin、Hmax位置，對Δh修正值的計算結(jié)果為0.28 cm，液位測量結(jié)果見表2。測量結(jié)果與實際值比較，該法的測量精度在零點幾個厘米。

表2 有機玻璃/水液位測量結(jié)果 cm

3 結(jié)論

提出了一種小角度斜入射側(cè)壁液位檢測技術(shù)，通過選擇最佳入射角度、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；該方法增強了容器內(nèi)低阻抗液體液位的檢測靈敏度，但精度提高程度有限。