基于lamb波离面能量特性的液位标定方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，涉及超声无损定点液位检测的技术，具体为基于lamb波离面能量特性的液位标定方法。

背景技术

液位检测一直是石油储藏、化工生产、石油天然气工业、民航运输、核电站废料处理、国防军工和生化处理等领域中必不可少的检测环节。对液位的检测控制不仅关乎着各个行业的经济效益，更关乎着从业人员的生命安全。

目前，液位检测的方法有很多种，例如：导波雷达、红外成像、电容检测、光纤传感器等。但红外成像法受现场环境温度的改变而产生误差；导波雷达和光纤传感器需在罐内安装且通常要改造储液罐的内部结构；电容检测难以在无静电场合应用。由于这几种检测方法存在的问题，现有技术中也有用超声技术进行液位检测的，超声检测具有非破坏性、操作简单、直接快速、准确度高以及适用范围广等特点，成为了液位检测领域的一种重要的识别方式。超声波在储液罐罐壁中传播时，由于空气和罐壁的声阻抗相差很大，因此，储液罐罐壁中的超声波不会泄漏到空气中，而罐壁与液体的声阻抗相差较小，因此，罐壁中的超声波会不断泄漏到液体中，如此便可检测出该位置有无液体。

在现有的研究技术中，有采用一体式超声纵波垂直罐壁进行液位检测的方法，也有分体式纵波垂直检测的方法，但现有的这种液位检测方法存在一定的局限性，如：一体式超声纵波垂直罐壁液位检测方法中使用一个纵波直探头完成信号的发射和接收，在储液罐的壁厚较小时，发射出的信号不断在壁面内反射，接收信号会发生混叠，甚至淹没在始波中，很难准确确定液位；而分体式检测法使用2个纵波直探头，以一定间距固定在储液罐壁上，但接收探头的信号主要来自发射探头所发声束的扩散角内的纵波，经一定距离的反射和传播后，接收到的信号会是一段较长带宽的，幅值相近且峰值不明显的信号，难以找到表征液位变化的特征量。

发明内容

针对上述所描述的现有技术中在利用超声波检测液位时，很难准确确定液位以及难以找到变化的特征量的问题，本发明提出了基于lamb波离面能量特性的液位标定方法。

本发明通过确定探头的入射角，并激励出该入射角对应模态的lamb波，通过该lamb波能够接收到具有明显特征的超声信号能量，操作简单，且液位检测的灵敏度高和正确率高；其具体技术方案如下：

基于lamb波离面能量特性的液位标定方法，包括以下步骤：

1)建立单侧液体负载时储液罐罐壁对应的lamb波频散方程；

2)根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的相速度频散曲线；

3)根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的波结构曲线，根据lamb波在不同模态下的波结构曲线确定lamb波离面位移最大的模态；

4)根据步骤2)中的lamb波在不同模态下的相速度频散曲线以及步骤3)中的lamb波离面位移最大的模态确定目标模态的入射角；

5)将目标模态的入射角作为探头的入射角在储液罐警戒线对应的外壁位置放置探头；

6)根据探头接收到的超声信号能量对储液罐进行液位标定。

进一步限定，所述步骤1)中lamb波频散方程为：

式中，q为lamb波中的横波位移势中垂直于波传播方向的波数分量，1/m；p为lamb波中的纵波位移势中垂直于波传播方向的波数分量，1/m；ξ为复波数，1/m；h为储液罐侧壁厚度的1/2，m；i为虚数单位，无量纲；ρ为储液罐密度，kg/m

进一步限定，所述步骤4)具体为：

依据步骤3)中lamb波离面位移最大的模态，对照步骤2)中的lamb波在不同模态下的相速度频散曲线，根据斯奈尔定律调整入射角θ，确定目标模态的入射角，激发出对应模态的lamb波。

进一步限定，所述激发出对应模态的lamb波的条件为：

式中，C

进一步限定，所述步骤6)中液位标定的具体过程为：

令门限值Δ＝(E

其中，E

进一步限定，所述E

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明基于lamb波离面能量特性的液位标定方法，其能够确定出受液位变化最明显的lamb波的模态，并给出了激发该模态的lamb波的方法，大幅度提高了液位变化时超声信号能量的差异，能够接收到具有明显特征的超声信号能量，操作简单，且液位检测的灵敏度高和正确率高。本发明克服了传统的液位检测方法的不足，对储液罐的结构无破坏性，受环境因素影响小，具有操作简单、成本低、效率高、适用范围广以及检测结果准确合理等特点，适于推广应用。

附图说明

图1为储液罐侧壁的计算模型；

图2为步骤2)中lamb波在不同模态下的相速度频散曲线；

图3为lamb波在三种不同模态下的波结构曲线，其中，(a)为lamb波在B4模态下的波结构曲线，(b)为lamb波在B9模态下的波结构曲线，(c)为lamb波在B6模态下的波结构曲线；

图4为储液罐液位与超声信号能量的变化图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

实施例

本实施例基于lamb波离面能量特性的液位标定方法，其包括以下步骤：

1)建立单侧液体负载时储液罐罐壁对应的lamb波频散方程；

2)根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的相速度频散曲线；

3)根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的波结构曲线，根据lamb波在不同模态下的波结构曲线确定lamb波离面位移最大的模态；

4)根据步骤2)中的lamb波在不同模态下的相速度频散曲线以及步骤3)中的lamb波离面位移最大的模态确定目标模态的入射角；

5)将目标模态的入射角作为探头的入射角在储液罐警戒线对应的外壁位置放置探头；

6)根据探头接收到的超声信号能量对储液罐进行液位标定。

其中，步骤1)建立单侧液体负载时储液罐罐壁对应的lamb波频散方程的具体过程为：

1.1)参见图1，建立储液罐侧壁的计算模型，设定储液罐侧壁的厚度为2h，lamb波的纵波位移势为φ，lamb波的横波位移势为ψ；

1.2)建立lamb波的纵波位移势函数和lamb波的横波位移势函数：

ξ＝k+γi

式中，A

1.3)计算储液罐中波的位移和应力，储液罐中波的位移和应力为：

式中，u

1.4)计算空气中波的位移和应力，空气中波的位移和应力为：

式中，u

1.5)储液罐中的液位的边界条件为固液/固气交界面处，(x

式中，q为lamb波中的横波位移势中垂直于波传播方向的波数分量，1/m；p为lamb波中的纵波位移势中垂直于波传播方向的波数分量，1/m；ξ为复波数，1/m；h为储液罐侧壁厚度的1/2，m；i为虚数单位，无量纲；ρ为储液罐密度，kg/m

步骤2)具体为：参见图2，根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的相速度频散曲线；分别为曲线B0、曲线B1、曲线B2、曲线B3、曲线B4、曲线B5、曲线B6、曲线B7、曲线B8、曲线B9以及曲线B10；

步骤3)具体为：根据lamb波频散方程确定lamb波在不同模态下的波结构曲线，根据lamb波在不同模态下的波结构曲线确定lamb波离面位移最大的模态；参见图3，分别建立lamb波在B4、B6和B9的模态下的波结构曲线，该波结构曲线是在探头频率为2MHz，储液罐为壁厚是5mm的Q345钢制储液罐；根据三种不同的波结构曲线可确定出在B4模态下；

步骤4)具体为：依据步骤3)中lamb波离面位移最大的模态，对照步骤2)中的lamb波在不同模态下的相速度频散曲线，根据斯奈尔定律调整入射角θ，确定目标模态的入射角，激发出对应模态的lamb波；

具体的，激发出对应模态的lamb波的条件为：

式中，C

步骤5)具体为：将目标模态的入射角作为探头的入射角在储液罐警戒线对应的外壁位置放置探头；其中，警戒线的位置可以是标定位置，也可以是标定位置之外的其他位置；

步骤6)根据探头接收到的超声信号能量对储液罐进行液位标定的过程具体为：

令门限值Δ＝(E

其中，E

进一步具体的，E

本实施例中超声波收/发探头的中心频率为5-6MHz、晶片直径为10mm、晶片角度可调、探头楔块材料为有机玻璃；超声波脉冲发射/接收仪脉冲重复频为100Hz、脉冲电压为100V、增益为+8dB；数字示波器采样频率为5G S/s、采样时间为20μs、采样平均次数为2000次。

具体的，本实施例的储液罐的材料为Q345钢，其是壁厚为5mm，高为1m，外径0.75为m的半圆柱体，所盛液体为水。

仪器装置连接：将Panametrics-NDT 5077PR超声波脉冲发射/接收仪连接至中心频率为5MHz的可变角度发射探头，使发射和接收探头与罐壁用耦合剂耦合接触，固定于储液罐侧壁，再将接收探头与单片机相连接。

结合上述步骤1)-步骤6)：计算在相速度频散曲线的曲线B4以及步骤3)中的B4模态的入射角θ＝35°；

设储液罐底面为0刻度处，底面向上50cm刻度处为警戒液位，则将探头中心固定在50cm刻度处，两探头间距30cm；读取液位变化时的单片机中计算的超声信号能量。

经200余次的实验研究验证，能量仅当液位在探头检测区域内时发生明显变化，探头在高度方向的长度为3cm，探头中心在50cm处，故液位主要在48.5～51.5范围内剧烈变化，在其他位置时不变化。故在此给出液位从45cm处变化至55cm处的数据。

表1：储液罐液位与超声信号能量的变化表

参见图4为储液罐液位与超声信号能量的变化图以及表1储液罐液位与超声信号能量的变化表，可知E