一種基于超聲阻抗和回波能量的液位檢測(cè)方法

張 斌,劉文怡*,魏月娟,張彥軍,張會(huì)新,張 亮

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)軟件學(xué)院,太原 030051)

一種基于超聲阻抗和回波能量的液位檢測(cè)方法

張 斌1,2,劉文怡1,2*,魏月娟3,張彥軍1,2,張會(huì)新1,2,張 亮1,2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.中北大學(xué)軟件學(xué)院,太原 030051)

針對(duì)超聲波液位檢測(cè)方法中,傳感器和容器壁間的耦合度不佳所帶來(lái)的穩(wěn)定性和可靠性降低的問(wèn)題,提出了一種基于阻抗法并利用回波能量來(lái)實(shí)現(xiàn)液位檢測(cè)的方法。該方法利用液位上下方氣液介質(zhì)的阻抗不相等的特性,計(jì)算和比較兩個(gè)接收傳感器所接收到的回波能量之間的差異,以此來(lái)確定液位的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠有效地克服因耦合條件不佳所帶來(lái)的問(wèn)題,檢測(cè)精度滿足應(yīng)用需求。

超聲波;阻抗;回波能量;液位;耦合度

在工業(yè)應(yīng)用中,傳統(tǒng)的液位測(cè)量方法很多,其檢測(cè)技術(shù)穩(wěn)定可靠,且測(cè)量精度高[1-2],但這些方法一般都需要提前將部分或全部的檢測(cè)設(shè)備及傳感器安裝在容器內(nèi)部[3-4],這對(duì)于一些特殊行業(yè)的液位測(cè)量,特別是容器內(nèi)儲(chǔ)放有高溫高壓、易燃易爆、高腐蝕性、強(qiáng)揮發(fā)性的液體時(shí),易造成泄露事故,發(fā)生故障后維護(hù)難度大且成本過(guò)高。超聲波檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的非接觸和非浸入式測(cè)量[5-6],不會(huì)破壞容器的物理結(jié)構(gòu)和完整性,因此,超聲波液位檢測(cè)技術(shù)在近年來(lái)得到了飛速發(fā)展。

在利用超聲波液位檢測(cè)時(shí),往往都需要對(duì)不同檢測(cè)位置的回波信號(hào)進(jìn)行比較[7-9],而這個(gè)比較需要入射聲束在各個(gè)位置處的輸入信號(hào)保持一致,如果輸入不一致,那么各個(gè)位置上的阻抗特征值將沒(méi)有可比性[10],最終可能導(dǎo)致獲取檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確或毫無(wú)意義。為了保證輸入信號(hào)的一致性,在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中,需要確保傳感器與容器壁間保持良好的耦合度,這不僅會(huì)增加操作過(guò)程的難度,也會(huì)影響檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性,降低檢測(cè)結(jié)果的精度。

本文提出了一種新的測(cè)量方法,該方法基于超聲阻抗法,利用回波能量的平衡原理,可以有效地解決因傳感器與容器外壁耦合不佳所帶來(lái)的回波能量不穩(wěn)定的問(wèn)題,增強(qiáng)了檢測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性。

方法中使用3個(gè)半徑為r,聲學(xué)屬性相同的圓形壓電陶瓷片,按圖1所示進(jìn)行排列 2r≤d2≤6r,其中,S0作為超聲波發(fā)射端,S1和S2作為接收端;且S1和S2沿水平坐標(biāo)軸對(duì)稱排列;將3個(gè)傳感器放置在同一耦合平面內(nèi),用環(huán)氧樹(shù)脂封裝在一個(gè)矩形塑料殼體中;檢測(cè)時(shí),傳感器按圖示縱軸方向沿容器外壁移動(dòng)。

圖1 傳感器晶片排列圖

1 聲場(chǎng)分布特征

根據(jù)超聲波基礎(chǔ)知識(shí)[11],半徑為r的園片狀換能器所產(chǎn)生的超聲波束,在近場(chǎng)傳播時(shí),波束的發(fā)散較小,基本能夠保持圓柱狀的發(fā)射波形傳播;在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),波束將以一定的擴(kuò)散角呈發(fā)散狀繼續(xù)傳播[12-13],近場(chǎng)長(zhǎng)度可通過(guò)等式式N=r2/λ得到,遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)的擴(kuò)散角α=arcsin(1.22λ/2r),λ為波束在介質(zhì)中傳播時(shí)的波長(zhǎng)[14],各幾何變量如圖2所示。

由于圓形片狀換能器的幾何對(duì)稱特性,垂直于波束的傳播方向,在距離發(fā)射平面為L(zhǎng)的任意一個(gè)橫截面內(nèi),都能得到一個(gè)波束的圓形投影,且在該圓形區(qū)域內(nèi),集中了波束的大部分能量。這個(gè)截面圓的直徑用d表示,如圖2所示?？梢杂檬?1)計(jì)算得到:

(1)

根據(jù)上述聲場(chǎng)特性分析,假設(shè)垂直于入射波束,長(zhǎng)度為L(zhǎng)處的橫截面處,聲束上下兩部分的聲強(qiáng)分別用Ig和Il表示,聲束上下兩部分的反射系數(shù)分別用Rmg和Rml表示,容器外壁處的反射系數(shù)用Rma表示,如圖2所示。

圖2 圓片狀換能器聲場(chǎng)分布特征

2 回波計(jì)算方法

由于聲阻抗的不連續(xù)性,發(fā)射換能器所產(chǎn)生的超聲波束在容器內(nèi)壁處會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象,由于兩接收換能器相對(duì)于發(fā)射換能器幾何對(duì)稱,因此,它們所探測(cè)到的回波聲壓或聲強(qiáng)的大小,在理論上是相等的。如圖3所示,隨著檢測(cè)傳感器沿容器外壁向上移動(dòng),當(dāng)發(fā)射聲束在容內(nèi)壁的圓形投影區(qū)域超過(guò)液位時(shí),由于固液邊界和固氣邊界的聲阻抗不再相等,聲束的反射邊界條件被改變。

圖3 回波計(jì)算示意圖

因此,反射條件的變化,使得聲束投影的上下兩部分的反射能量不再相等,由于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),其能量隨著距離的增加而迅速衰減,根據(jù)兩接收換能器的排列特點(diǎn),這部分變化的能量在兩個(gè)接收換能器上產(chǎn)生的影響將有所不同。

將聲束的反射圓形截面近似看作一個(gè)圓形片狀式傳感器[15],在液位之上任取一點(diǎn)P(ρ,φ),設(shè)該點(diǎn)的聲強(qiáng)大小由原來(lái)的Il增強(qiáng)為Ig。根據(jù)基爾霍夫定理,對(duì)圓形截面液位上所有點(diǎn)進(jìn)行積分,可得到該部分對(duì)兩個(gè)接收傳感器S1和S2的聲強(qiáng)的增強(qiáng)值,由式(2)和(3)近似表示:

(2)

(3)

圖4 聲壓曲線

上述內(nèi)容描述了聲束從入射到經(jīng)內(nèi)壁反射后,被接收傳感器接收的一次過(guò)程。假設(shè)反射回波經(jīng)過(guò)n次反復(fù)震蕩后,其能量衰減為零,那么經(jīng)過(guò)n發(fā)射后,兩接收換能器所接收到的總的能量大小可表示為:

(4)

(5)

式中:d為聲束截面圓直徑,rA為截面圓上下兩部分面積之比。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)測(cè)試環(huán)境,選用中心頻率f=1 MHz、半徑為r=10 mm的圓形換能器,激勵(lì)電壓U=200 V,激勵(lì)脈沖重復(fù)周期Ti=0.01 s.容器阻抗Zm=17×106kg/(m2·s),氣態(tài)介質(zhì)阻抗Zg=0.000 4×106kg/(m2·s),液態(tài)介質(zhì)阻抗Zl=1.48×106kg/(m2·s),反射系數(shù)Rmg=Rma=0.999 952 9,Rml=0.839 826 8,頻率為1 MHz的超聲波在合金容器壁中的衰減系數(shù)為α≈2 dB/m,容器壁厚L=50 mm。

圖4(a)和圖4(b)分別為耦合條件良好和耦合條件不佳的兩種檢測(cè)條件下,兩個(gè)接收傳感器S1和S2所接收到的能量隨Δd變化的曲線關(guān)系圖,從圖4(a)中可以看作,S1和S2實(shí)際接收的能量曲線基本符合其理論分析,回波能量的大小都隨著Δd的增大而增加,但兩者的增量大小在同一位置時(shí)不相等,且當(dāng)Δd=d時(shí),S1和S2的能量大小又從新達(dá)到了平衡。圖4(b)中顯示了耦合條件不佳時(shí),兩接收傳感器S1和S2實(shí)際接收能量隨Δd變化的曲線圖。在某些位置,回波能量出現(xiàn)較大的波動(dòng),由于兩接收傳感器具有一致的耦合性,從圖中可以看出,其能量的變化方向也保持一致,即同時(shí)增大或同時(shí)減小。

圖4(c)、圖4(d)分別為兩種耦合條件下,兩接收傳感器所接收能量差值和比值隨Δd變化規(guī)律,且從圖3(d)可以看出,無(wú)論耦合條件的好壞,兩接收傳感器所接收能量的比值,在整個(gè)Δd增大的過(guò)程中均保持較好的一致性,并沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)或跳變。

綜上所述,當(dāng)發(fā)射傳感器S0和兩個(gè)接收傳感器S1和S2按圖1中所示的規(guī)則排列時(shí),在液位附近,由于入射聲束在容器內(nèi)壁的反射邊界條件發(fā)生變化,使得兩接收傳感器所接收到的回波能量的平衡性發(fā)生改變,我們可以利用這個(gè)特性來(lái)確定液位的位置。

表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為d2分別為取值為(4～10)r時(shí)的測(cè)量結(jié)果,每組中的結(jié)果為三次測(cè)量的平均值。

表1 測(cè)量結(jié)果

從圖5(a)中可以看出,隨著d2的增加,檢測(cè)結(jié)果的精度將逐步降低,這是由于隨d2的增大,兩接收傳感器所接收能量的差值和比值均逐步減小,使得分辨率降低所致。

從圖5(b)可以看出,當(dāng)d2=4r時(shí),測(cè)量精度能達(dá)到約1 mm左右的精度。在實(shí)際測(cè)量中,如果d2的取值為4r～6r時(shí),其檢測(cè)精度小于±3 mm,能夠滿足工業(yè)上液位檢測(cè)的精度要求,而且具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

圖5 測(cè)量液位及誤差

4 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,文中所提的方法是一種有效的非浸入式超聲波液位檢測(cè)方法,其在提高檢測(cè)精度,增強(qiáng)測(cè)量的可靠性及穩(wěn)定性方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。

該方法能夠有效地降低傳感器和容器壁間的耦合要求,解決了傳感器和容器壁之間由于低耦合度不佳所引起的檢測(cè)結(jié)果不精確、不穩(wěn)定等問(wèn)題,能夠使得檢測(cè)操作更加方便靈活,檢測(cè)過(guò)程更容易控制,提升了檢測(cè)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。

[1] 高丙坤,潘翔. 非介入式超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(1):42-45.

[2] 葛君山. 液位檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 船電技術(shù),2013,33(2):43-45.

[3] 劉赟,王波,劉智超,等. 一種基于超聲測(cè)距技術(shù)的超聲液位儀設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):91-93.

[4] 王海軍. 一種新型的液位檢測(cè)儀[J]. 電子世界,2013(21):29-29.

[5] 陸貴榮,倪鵬昊,陳樹(shù)越,等. 超聲波密閉容器液位傳感器設(shè)計(jì)[J]. 工礦自動(dòng)化,2013,39(9):23-27.

[6] 魯可,張曉東,馬宏旭,等. 基于單片機(jī)的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù),2014,(8):13-16.

[7] Hao H H,Xiong J Q. A Method of Liquid Level Measurement Based on Ultrasonic Echo Characteristics[C]//2010 International Conference on Computer Application and System Modeling(ICCASM 2010),2010.

[8] Zhang M J,Li S W. A Method of the Untouched Ultrasonic Liquid Level Measurement with High Precision[C]//2010 International Conference on Computer Application and System Modeling(ICCASM 2010),2010.

[9] 李曉佳,劉佳鑫,李國(guó)鋒. 超聲波液體密度測(cè)量的一種聲反射系數(shù)測(cè)定方法[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2017,30(7):985-990.

[10] Chen L,Dong X M,Han J. Development of an Ultrasonic Instrument for the Sealed Container’s Liquid Level Measurement[C]//Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation,June 21-23,2006,Dalian,China,2006.

[11] Schmerr L W. Fundamentals of Ultrasonic Nondestructive Evaluation:A Modeling Approach[M]. Plenum Press,New York,1998.

[12] Vezzeti D J. Propagation of Bounded Ultrasonic Beams in Anisotropic Media[J]. Acoust Soc Am,1985,78(3):1103-1108.

[13] Schmerr L W,Sedov A. An Elastodynamic Model for Compressional and Shear Wave Transducers[J]. Acoust Soc Am,1989,86(5):1988-1999.

[14] Bass R. Diffractions Effects in the Ultrasonic Field of a Piston Source[J]. Acoust Soc Am,1958,30(7):602-605.

[15] Roa-Prada S,Scarton H A,Saulnier G J,et al. An Ultrasonic Through-Wall Communication(UTWC)System Model[J]. Journal of Vibration and Acoustics. FEBRUARY 2013,135.

張斌(1979-),工程師,博士研究生,研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù)及儀器,zb0003@126.com;

劉文怡(1970-),教授,博士,研究方向:微納傳感與測(cè)試技術(shù)域。在DSP、ARM、FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn),主持、參與了國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目、橫向科研項(xiàng)目四十余項(xiàng),其研究成果已在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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