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《中北大学》 2017年
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侧入射超声波液体界位检测建模及关键技术研究

张斌  
【摘要】:在石油、化工、航天等领域,密闭容器中的液位的实时监控和精确测量,是工业自动化及安全生产的重要保障。在实际的工业生产过程中,一般要根据具体的测量环境来选取适合生产需求的测量方法。传统的液位测量方法众多,其检测技术稳定可靠,测量精度高,但这些方法一般都需要提前将部分或全部的检测设备和传感器安装在容器内部,这对于一些特殊行业的液位测量,特别是容器内储放有高温高压、易燃易爆、高腐蚀性、强挥发性的液体时,容易造成泄露事故,发生故障后维护难度大且成本过高。超声波检测技术能够实现真正意义上的非接触和非浸入式测量,不会破坏容器的物理结构和完整性,因此,论文基于超声阻抗法提出了一种新的侧入射超声波液体界位测量模型,为满足更高性能指标和可靠性要求的特殊测试场合提供研究基础。首先,论文中使用基于近轴近似理论的多元高斯声束模型,对圆形活塞式换能器在容器壁中的辐射声场进行了模拟仿真,分析了超声波束在固体中的传播形状和传播特征,在此基础上,提出了能量圆的概念及其计算方法,并根据固态介质和液态介质的超声阻抗的不同特性,建立了以基尔霍夫近似理论为基础的回波声压计算模型以及液位的确定方法。并通过MATLAB仿真,模拟了使用三种不同超声阻抗的液体介质,分别在四组不同的壁厚条件下进行了液位测量的仿真实验,使用模型中的方法计算得出了回波声压的大小,并分析了其在整个检测过程中的变化特征,比较了三种不同液体的超声阻抗对回波声压计算的影响。然后,讨论了该模型中影响液位测量精度的主要因素,提出了消除这些不利影响的有效方法或优化措施。为了解决超声波探头和容器壁之间的耦合不佳所导致的测量不稳定和不可靠的问题,论文提出了两种优化方案。第一种方案,是在普通检测探头的基础上进行了改进,使得探头表面的受力力度在整个检测过程中能保持均匀,保证了探头和容器壁间耦合的一致性,能够提高检测的稳定性和可靠性。第二种方案,在上述模型的基础上,使用改进的多晶片(多探头)组合换能器,并利用回波能量的平衡性原理来解决耦合条件不佳时的液位测量问题。论文通过一系列的MATLAB仿真实验,模拟和验证了该解决方案的可行性和有效性,该方法可以与第三章中的测量方法形成互补。最后,根据理论模型的分析及仿真实验,设计完成了超声波液位仪的软硬件总体方案,在此基础上制作了样机,并使用该样机对所建立的模型进行了一系列的实验验证,实验共分为三个部分进行。第一部分,使用直径大小不同的两种改进后的双晶单探头换能器,分别在四组不同壁厚条件下,对容器内部液位进行了测量,结合声场的特性,讨论和分析了不同大小的换能器对回波声压的计算以及检测分辨率的影响。实验结果表明,在静态条件下,本论文所讨论的测量模型,其检测误差总体上约小于±5mm,可以满足设计要求。第二部分,使用了英国CLASS公司生产的PLI-D型液位仪,在相同的测试条件下进行了检测,测量结果符合其本身的精度说明,检测误差基本保持在5~10mm的范围内,略高于本论文中的测量方法的误差。第三部分,使用多晶片(多探头)组合换能器,同样在四组不同壁厚条件下,对该方法的实用性进行了验证。实验中选用了两组不同排列规则的传感器进行液位的检测,详细讨论和分析了不同排列规则下的检测结果的准确性和有效性。实验结果表明,该方法能够有效地克服因耦合条件不佳所带来的检测问题,检测误差也小于±5mm,满足设计需求。同时,该方法降低了传感器的耦合要求,使得入射声束的能量在整个检测过程中,不需要保持在一个连续的稳定状态,使得检测操作更加方便灵活,检测过程更加容易控制,检测结果也更加稳定、准确和可靠。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH816.2

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