超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究

论文摘要

非介入式超声液位检测是超声波技术的一项重要应用,目前在石油、化工的生产和储运过程中都有广泛的应用,对生产过程的监控和安全有着十分重要的意义。它可以对易燃易爆、易挥发、有毒、强腐蚀性等液体的液位高度进行精确测量,特别是对密闭容器、大型压力容器等实施液位高度监测,以避免重大事故的发生。由于大多数易燃易爆、有剧毒的液体同时也具有很强的腐蚀性,所以需要在储罐内壁上添加防腐材料作为衬里;压力容器的器壁也有一定厚度,一般在几毫米到几十毫米不等,如固体火箭发动机中的燃料箱,各种耐酸、碱、盐液体储罐等。在对以上储罐进行非介入式超声液位检测时,探头发射声波在罐壁分界面处会发生反射和透射现象,储罐结构的复杂性使得声波在容器壁中发生多次反射和透射,最后能到达液体内部的有效声能量就很少;探头接收到的回波信号含有用信息的同时,可能还会夹杂各种因素产生的干扰噪声信号,有时回波信号甚至被噪声污染淹没,这会影响后期的信号识别和处理。声波在多层介质中传播时,由于在各界面上存在多次反射,透射到液体内部的声能量将有较大衰减。已有研究表明,声波通过周期性多层介质系统表现出明显的频率通带和禁带特性,即有些频率的声波能够完全通过,而有些频率的声波则较难通过。本论文针对全封闭高压反应器以及盛装危险液体或强腐蚀性、易挥发液体的密闭储罐,进行非介入式超声液位检测研究,采用传输矩阵方法计算了检测回波能量表达式,发现回波能量与声波的发射频率、检测材料的特性阻抗、中间层介质的厚度都有重要关系。文中重点研究了反射回波声强与入射声波频率之间的函数关系,计算了在待检测储罐结构一定时,探头发射声波的最佳入射频率,并进行了实验验证。研究表明:中间层介质对反射回波能量有着显著的影响,为得到较强的检测回波信号,发射频率的选择是非常必要的。超声检测系统(包括发射及放大电路、收发换能器、信号分析及处理模块等)确定后,针对不同结构、不同厚度的储罐,或者同厚度却盛装不同液体的储罐,需要选择合适的声波发射频率,方能达到较为理想的超声检测效果。实验结果与理论计算一致,由此为非介入式超声液位检测的频率选择提供了一条有效途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 文献综述国内外使用现状
• 1.1.1 接触型液位仪表
• 1.1.2 非接触型液位仪表
• 1.1.3 新原理的小型液位开关
• 1.1.4 超声波液位计
• 1.2 本文的研究背景及意义
• 1.3 本文主要工作及研究内容安排
• 第二章 超声液位检测原理
• 2.1 概述
• 2.2 超声脉冲回波液位计测量原理
• 2.3 超声回波液位计
• 2.3.1 液介式脉冲回波超声液位计
• 2.3.2 气介式脉冲回波超声液位计
• 2.3.3 固介式脉冲回波超声液位计
• 2.3.4 超声液位定点测量
• 2.4 超声检测换能器
• 2.4.1 圆形平面活塞式探头辐射声场的理论分析
• 2.4.2 声场的结构与指向性
• 2.4.3 换能器的频率响应
• 2.4.4 换能器的测量盲区
• 2.5 超声场的特征量
• 2.5.1 声压
• 2.5.2 声强
• 2.5.3 声速
• 2.5.4 介质特性阻抗
• 2.5.5 超声波的衰减
• 2.5.6 超声波的扩散角
• 2.6 本章小结
• 第三章 超声液位检测的声传播理论
• 3.1 理想介质中一维波动方程
• 3.2 声波在两种介质分界面处的反射和透射
• 3.3 声波在三层介质中的反射和透射
• 3.4 声波在任意多层介质中的反射和透射
• 3.5 粘滞介质声传播的理论计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 超声液位检测频率选择的理论计算
• 4.1 超声液位检测频率选择的程序设计
• 4.2 算例
• 4.2.1 算例1
• 4.2.2 算例2
• 4.3 实验中探头的安放位置对液位测量的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 非介入式超声液位检测的实验验证
• 5.1 实验装置
• 5.2 液化气储罐实验数据和理论计算对比
• 5.3 水罐理论计算和实验数据对比
• 5.4 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间科研成果