CN105606181A - 一种超声检测充油瓷套内油位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声检测充油瓷套内油位的方法，其通过(1)采集界面的多次反射回波信号、(2)提取n次界面反射回波的声压幅值p_ri并对其进行对数运算、(3)以回波次数i和回波相对幅度Δ_ri为坐标描点并进行线性拟合，计算反射声波的平均声压衰减率(4)利用反射声波的平均声压衰减率计算瓷套管内介质的特性阻抗Z₂、(5)评定瓷套管内介质、(6)瓷套管内液位确定从而实现充油瓷套管内油位的确定，本发明操作简单方便，灵敏度高，而且克服了瓷套厚度变化引起的误差，克服了单次回波信号幅度差异小，易受耦合影响，同时还消除了容器壁余振，虚假回波等干扰，使之能够可靠处理各种复杂的现场工况，得出稳定、可靠、准确的测量结果。

Description

一种超声检测充油瓷套内油位的方法

技术领域

本发明属于充油瓷套管的油位检测技术领域，具体涉及一种超声法检测充油瓷套内油位的方法。

背景技术

目前，各变电站的电缆终端都用充油瓷套管进行绝缘。但是，瓷套管内绝缘油会因漏油而导致液位降低，油位过低电场分布会改变甚至发生击穿事故，因而必须经常在线监测油位。由于瓷套管是外圆周分布有大量伞群的密闭结构，外形结构上的复杂性使传统的外贴式液位计测量无法实现。目前在线解决此问题的方法主要是利用在陶瓷/空气界面和陶瓷/油界面超声反射回波能量差异对瓷套内油位进行检测，但回波能量幅度差异易受表面耦合、瓷套壁厚变化、瓷套壁内余振波干涉、绝缘油老化等影响使信号不稳定易出现误判，严重时甚至掩盖这种差异甚至无法实现。

鉴于上面方法的不足，本专利提出一种利用超声波在界面多次反射回波衰减特性确定油位的方法。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种不受虚假回波干扰、灵敏度高、结果可靠的超声检测充油瓷套内油位的方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：该超声检测充油瓷套内油位的方法由以下步骤组成：

(1)采集界面的多次反射回波信号

将超声换能器的超声探头在检测点处与瓷套管外壁耦合，并发射超声波进入瓷套管壁，并在瓷套管壁内传播，按照常规方法提取n次界面反射回波信号，n为回波次数，且n＞1；

(2)提取n次界面反射回波的声压幅值p_ri并对其进行对数运算

提取步骤(1)所接收的n次界面反射回波信号的声压幅值，按照下述公式对其进行对数运算，得到第i次界面反射回波的相对幅度Δ_ri为：

Δ_ri＝lnp_ri

p_ri是第i次界面反射回波信号的声压幅值，i为1，2,3…n；

(3)以回波次数i和回波相对幅度Δ_ri为坐标描点并进行线性拟合，计算反射声波的平均声压衰减率

根据步骤(2)得到i次回波的相对幅度Δ_ri，以回波次数i为横坐标、回波相对幅度Δ_ri为纵坐标，形成一系列离散点，利用最小二乘拟合将这些点拟合成一条直线，所得直线斜率为反射声波的平均声压衰减率表示为：

$\stackrel{\‾}{k}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}1n\frac{p_{r(i+1)}}{p_{ri}}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{\Δr}}_{i+1}-{\mathrm{\Δr}}_i)$

(4)利用反射声波的平均声压衰减率计算瓷套管内介质的特性阻抗Z₂根据步骤(3)得到的反射声波的平均压衰减率值大小和公式得到瓷套管内介质的特性阻抗Z₂为：

$Z_2=\frac{1+e^{\stackrel{\‾}{k}}}{1-e^{\stackrel{\‾}{k}}}{Z}_1$

Z₁为瓷套管壁材料的特性阻抗，Z₂为瓷套管内介质的特性阻；

(5)评定瓷套管内介质

将步骤(4)所得瓷套管内介质特性阻抗Z₂与特定温度下空气的特性阻抗标准值进行比较，若结果相近，即可判断出瓷套管内的介质为空气，否则为液体；

(6)瓷套管内液位确定

若检测点的介质评定结果为液体，则在其相邻的伞裙上方重复步骤(1)～(5)进行检测；若检测点的介质评定结果为气体，则在其相邻的伞裙下方重复步骤(1)～(5)进行检测，直至确定瓷套管内液位的高度。

考虑壁厚对检测结果的影响，在步骤(3)之后还包括步骤(a)，根据瓷套管壁厚变化对反射声波的平均声压衰减率进行补偿，得到壁厚补偿后的具体为：

(a1)将瓷套管简化成空心圆锥台结构，其壁厚T随着高度发生变化，设定检测点与瓷套管上端面的垂直距离为L，则壁厚T与检测点距瓷套管上端面的垂直距离L之间的关系为：

$T=\frac{R-T_0}{h}L+T_0$

h为瓷套管的总高度；R为瓷套管的最大壁厚；T₀为瓷套管的上端面对应的壁厚；

(a2)考虑声波在介质中的衰减，则在检测点处的第i+1次与第i次界面反射回波声压幅值有下列关系：

$p_{r(i+1)}={\mathrm{rp}}_{ri}{e}^{-2\mathrm{\α}T}$

式中，α为瓷套管壁材料的声衰减系数；

(a3)根据步骤(3)的计算公式可得到壁厚补偿后的反射声波平均声压衰减率为：

${\stackrel{\‾}{k}}_b=ln\stackrel{\‾}{k}-2\mathrm{\α}T.$

上述超声探头采用纵波探头，频率为1.25～7.5MHz，晶片长度为4～8mm。

上述纵波探头是纵波直探头或纵波小角度探头，纵波小角度探头的角度为6～8°。

本发明的超声检测充油瓷套内油位的方法是利用超声在异质界面多次回波衰减特性计算瓷套管内介质特性阻抗从而评定介质类型，实现充油瓷套内绝缘油位高度检测的新方法，这种方法属于非介入型，没有安全隐患，操作简单方便，灵敏度高，而且克服了瓷套厚度变化引起的误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1)安全环保：由于测量探头和仪表都在容器外，无需再容器上开口，因此实施检测操作时不接触瓷套内的液体，是一种完全非介入式超声检测方法，非常安全，而且也无需打开瓷套，确保液体不会泄漏，污染环境。

2)高灵敏：在队瓷套壁内介质性质的评定中，采用与空气标准特性阻抗比对的方法，由于空气和油的阻抗差异是4～5个数量级，所以这种比对评定方法灵敏度极高。

3)可靠：利用多次回波衰减率反演容器内介质的阻抗，由于该法利用多次反射回波拟合衰减率，还对壁厚差异进行了灵敏度补偿，不仅克服了根据回波能量方法因液体声速改变、瓷套壁厚变化等带来的回波能量影响及评判困难等局限性，还克服了单次回波信号幅度差异小，易受耦合影响，同时还消除了容器壁余振，虚假回波等干扰，使之能够可靠处理各种复杂的现场工况，得出稳定、可靠、准确的测量结果。

附图说明

图1是实施例1中在检测点处所采集的界面多次回波。

图2是两种介质界面上超声波多次回波形成原理图。

图3是瓷套管的壁厚补偿原理图。

具体实施方法

现结合附图对本发明的技术方案做进一步详述，但是不仅限于下述的实施方式。

实施例1

本实施例以110KV瓷套充油式户外终端为例，超声检测充油瓷套内油位的方法由以下步骤实现：

(1)采集界面的多次反射回波信号

将超声换能器的超声探头在检测点(陶瓷壁厚T＝20.41mm)处与瓷套管外壁耦合，利用多功能超声信号发射接收卡内部发射电路发射电脉冲传到发射探头，激励发射探头的压电晶片振动，发射超声波，超声波进入瓷套管壁并在瓷套管壁内传播，由于瓷套管与管内介质的特性阻抗差异，超声波在瓷套管内壁与管内介质临接的界面上声波发生反射，如此循环，形成界面多次反射回波，参见图1和2，声波在界面处反射回来后又被接收探头接收，接收探头内的压电晶体片将反射波变为电信号，多功能超声信号发射接收卡内部的接收电路将接收来自接收探头的电信号，并进行放大，检波；单片机对信号进行A/D转换，并将其输送给信号处理器，如此循环，提取到界面上n次反射回波信号，n为回波次数，且n＞1。

本实施例中所选用的发射探头和接收探头均为7.5MHz、Φ10的纵波直探头，其晶片长度为6mm。

(2)提取n次界面反射回波声压幅值p_ri并对其进行对数运算

信号处理器对所接收的n次界面反射回波信号进行分析，由于介质的特性阻抗Z＝ρc是一个常数，其是由介质的性质(介质的密度ρ和介质中的声速c)决定的，因此，当超声波由介质1垂直入射到另一种介质2中时，在两种介质形成的界面上发生多次反射，反射信号功率与入射信号功率比值的对数称为回波损耗，这种损耗导致回波信号幅度的衰减，本实施例中已知瓷套管的特性阻抗Z₁、管内介质的特性阻抗Z₂，Z₁≠Z₂，则在两种介质的界面处声压反射率r可表示为：

$r=\frac{p_r}{p_o}=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}$

若用p_r表示反射波声压幅值，p_o表示入射波声压幅值，p_ri为第i次界面反射回波声压幅值，忽略壁厚衰减，则第1次、第2次、…第n次界面反射回波声压可依次表示为：

p_r1＝rp₀

p_r2＝rp_r1＝r²p₀

p_r3＝rp_r2＝r³p₀

…

p_rn＝rp_r(n-1)＝rⁿp₀

按照下述公式对其进行对数变换，得到各次回波的相对幅度Δ_rn:

Δ_r1＝lnp_r1,Δ_r2＝lnp_r2,...Δ_rn＝lnp_rn

(3)以回波次数I和回波相对幅度Δ_ri为坐标描点并进行线性拟合，计算反射声波的平均声压衰减率

根据步骤(2)得到各次回波的相对幅度Δ_ri，以回波次数i为横坐标、回波相对幅度Δ_ri为纵坐标，形成一系列离散点，利用最小二乘拟合将这些点拟合成一条直线，所得直线斜率即为反射声波的平均声压衰减率表示为：

$\stackrel{\‾}{k}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}1n\frac{p_{r(i+1)}}{p_{ri}}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{\Δr}}_{i+1}-{\mathrm{\Δr}}_i);$

(4)利用反射声波的平均声压衰减率计算瓷套管内介质的特性阻抗Z₂

衰减率的大小与两种介质特性阻抗差异有关，考虑到瓷套管器壁材料一定，即Z₁已知且保持不变，于是多次回波的声压衰减率k由瓷套管容器内介质即Z₂决定，因此：

$k=ln\left|\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right|$

结合与不同测试位置相对应的修正后的联立，即反射声波的平均压衰减率从而推导得到瓷套管内介质的特性阻抗Z₂为：

$Z_2=\frac{1+e^{\stackrel{\‾}{k}}}{1-e^{\stackrel{\‾}{k}}}{Z}_1;$

Z₁为瓷套管壁材料的特性阻抗，Z₂为瓷套管内介质的特性阻。

(5)评定瓷套管内介质

将步骤(4)所得瓷套管内介质特性阻抗Z₂与特定温度下空气的特性阻抗标准值进行比较，若结果相近，即可判断出瓷套管内的介质为空气，否则为液体；

(6)瓷套管内液位确定

若检测点的介质评定结果为液体，则在其相邻的伞裙上方重复步骤(1)～(5)进行检测；若检测点的介质评定结果为气体，则在其相邻的伞裙下方重复步骤(1)～(5)进行检测，直至确定瓷套管内液位的高度。

实施例2

由于瓷套管外壁分布有大量伞群，形态复杂，壁厚不均匀，若采用单一灵敏度扫查，将引入大量误差甚至出现误判。为了减小检测误差，考虑瓷套管壁厚变化，根据检测位置的变化实时进行壁厚参数调整对平均声压衰减率进行补偿，在步骤(3)与步骤(4)之间增加步骤(a)，根据瓷套管壁厚变化对反射声波的平均声压衰减率进行补偿，步骤(a)具体由以下步骤组成：

(a1)将瓷套管简化成成空心圆锥台结构，参见图3，其壁厚T随着高度发生变化，设定检测点与瓷套管上端面的垂直距离为L，则壁厚T与检测点距瓷套管上端面的垂直距离L之间的关系为：

$T=\frac{R-T_0}{h}L+T_0$

h为瓷套管的总高度；R为瓷套管的最大壁厚；T₀为瓷套管的上端面对应的壁厚；

(a2)由于声波在瓷套管壁中传播时因扩散、散射及内摩擦等造成能量衰减，传播的距离越大，能量损耗越大，当探头在瓷套外壁不同位置处扫查时，考虑距离衰减，根据声波的传播距离与对应位置处的声压幅值之间的关系式P_x＝P₀e^-αx得到在检测点处的各截面反射回波声压幅值为：

p_r1＝rp₀e^-2αT，

p_r2＝rp_r1e^-2αT＝r²p₀e^-4αT

p_r3＝rp_r2e^-2αT＝r³p₀e^-6αT

…

p_rn＝rp_r(n-1)e^-2αT＝rⁿp₀e^-2nαT

式中，P₀是初始声压幅值，x是传播距离，P_x是声波传播到距离探头中心线x时的声压幅值,α为瓷套管壁材料的声衰减系数，P_r1为第1次界面反射回波信号的声压幅值，P_r2为第2次界面反射回波信号的声压幅值，P_r3为第3次界面反射回波信号的声压幅值，P_rn为第n次界面反射回波信号的声压幅值。

(a3)考虑厚度补偿之后根据步骤(3)的计算公式得到补偿后的反射声波的平均声压衰减率为：

${\stackrel{\‾}{k}}_b=ln\stackrel{\‾}{k}-2\mathrm{\α}T;$

由于补偿后的反射声波的平均声压衰减率值与步骤(3)的理论计算值有差异，因此，步骤(4)即为：

衰减率的大小与两种介质特性阻抗差异有关，考虑到瓷套管器壁材料一定，即Z₁已知且保持不变，于是多次回波的声压衰减率k由瓷套管容器内介质即Z₂决定，因此：

结合与不同测试位置相对应的修正后的联立，得到瓷套管内介质的特性阻抗Z₂为：

$Z_2=\frac{1+e^{{\stackrel{\‾}{k}}_b}}{1-e^{{\stackrel{\‾}{k}}_b}}{Z}_1;$

其他的步骤与实施例1相同。

实施例3

在上述实施例1和2中，本实施例中所选用的发射探头和接收探头均为1.25MHz的纵波直探头，其晶片长度为4mm。

其具体的检测方法与实施例1或实施例2对应相同。

实施例4

在上述实施例1和2中，本实施例中所选用的发射探头和接收探头均为10MHz的纵波直探头，其晶片长度为8mm。

其具体的检测方法与实施例1或实施例2对应相同。

本发明所用的发射探头和接收探头均可根据实际瓷套管规格大小以及材料特性进行调整。

Claims (4)

1.一种超声检测充油瓷套内油位的方法，其特征在于由以下步骤组成：

(1)采集界面的多次反射回波信号

将超声换能器的超声探头在检测点处与瓷套管外壁耦合，并发射超声波进入瓷套管壁，并在瓷套管壁内传播，按照常规方法提取n次界面反射回波信号，n为回波次数，且n＞1；

(2)提取n次界面反射回波的声压幅值p_ri并对其进行对数运算

提取步骤(1)所接收的n次界面反射回波信号的声压幅值，按照下述公式对其进行对数运算，得到第i次界面反射回波的相对幅度Δ_ri为：

Δ_ri＝lnp_ri

p_ri是第i次界面反射回波信号的声压幅值，i为1，2,3…n；

(3)以回波次数i和回波相对幅度Δ_ri为坐标描点并进行线性拟合，计算反射声波的平均声压衰减率

根据步骤(2)得到i次回波的相对幅度Δ_ri，以回波次数i为横坐标、回波相对幅度Δ_ri为纵坐标，形成一系列离散点，利用最小二乘拟合将这些点拟合成一条直线，所得直线斜率为反射声波的平均声压衰减率表示为：

$\stackrel{\‾}{k}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}1n\frac{p_{r(i+1)}}{p_{ri}}=\frac{1}{i}\underset{1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{\Δr}}_{i+1}-{\mathrm{\Δr}}_i)$

(4)利用反射声波的平均声压衰减率计算瓷套管内介质的特性阻抗Z₂

根据步骤(3)得到的反射声波的平均压衰减率值大小和公式得到瓷套管内介质的特性阻抗Z₂为：

$Z_2=\frac{1+e^{\stackrel{\‾}{k}}}{1-e^{\stackrel{\‾}{k}}}{Z}_1$

Z₁为瓷套管壁材料的特性阻抗，Z₂为瓷套管内介质的特性阻；

(5)评定瓷套管内介质

将步骤(4)所得瓷套管内介质特性阻抗Z₂与特定温度下空气的特性阻抗标准值进行比较，若结果相近，即可判断出瓷套管内的介质为空气，否则为液体；

(6)瓷套管内液位确定

若检测点的介质评定结果为液体，则在其相邻的伞裙上方重复步骤(1)～(5)进行检测；若检测点的介质评定结果为气体，则在其相邻的伞裙下方重复步骤(1)～(5)进行检测，直至确定瓷套管内液位的高度。

2.根据权利要求1的超声检测充油瓷套内油位的方法，其特征在于：在步骤(3)之后还包括步骤(a)，根据瓷套管壁厚变化对反射声波的平均声压衰减率进行补偿，得到壁厚补偿后的具体为：

(a1)将瓷套管简化成空心圆锥台结构，其壁厚T随着高度发生变化，设定检测点与瓷套管上端面的垂直距离为L，则壁厚T与检测点距瓷套管上端面的垂直距离L之间的关系为：

$T=\frac{R-T_0}{h}L+T_0$

h为瓷套管的总高度；R为瓷套管的最大壁厚；T₀为瓷套管的上端面对应的壁厚；

(a2)考虑声波在介质中的衰减，则在检测点处的第i+1次与第i次界面反射回波声压幅值有下列关系：

p_r(i+1)＝rp_rie^-2αT

式中，α为瓷套管壁材料的声衰减系数；

(a3)根据步骤(3)的计算公式可得到壁厚补偿后的反射声波平均声压衰减率为：

${\stackrel{\‾}{k}}_b=ln\stackrel{\‾}{k}-2\mathrm{\α}T.$

3.根据权利要求1所述的超声检测充油瓷套内油位的方法，其特征在于：所述超声探头采用纵波探头，频率为1.25～7.5MHz，晶片长度为4～8mm。

4.根据权利要求3所述的超声检测充油瓷套内油位的方法，其特征在于：所述纵波探头是纵波直探头或纵波小角度探头，纵波小角度探头的角度为6～8°。