CN108362358A - 瓷套管液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

瓷套管液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电缆终端的瓷套管液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质，该方法包括发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；根据反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。通过计算超声波在传输过程中的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，以补偿后的反射波特征信息进行液面位置判断，可有效避免瓷套管壁厚度不均匀导致的反射波衰减问题，准确判断瓷套管内部的液面位置。

Description

瓷套管液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质
技术领域
本发明涉及电力电缆技术领域，特别是涉及一种瓷套式终端液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
高压电缆户外瓷套式终端是电力电缆行业普遍使用的一种终端形式，高压电缆户外瓷套式终端采用瓷套管作为外绝缘，瓷套管与应力锥之间一般充入绝缘油作为绝缘油，起绝缘、散热冷却、灭弧、缓冲减震等作用。但瓷套式终端在使用过程中，可能出现温度分布不均匀，局部发热异常的问题，这一现象是由终端内的填充介质绝缘油的损耗或泄露导致的。由于绝缘油的损耗或泄露导致的能量积累，或由于电缆故障而发生的高压击穿现象，都可能引发瓷套式终端的爆炸。瓷套式终端本身防爆水平相对较弱，一旦发生爆炸，爆炸能量会将陶瓷碎片以抛物线抛出，对周围设备、建筑造成破坏，甚至威胁人员生命安全。所以瓷套管内绝缘油液位的监测成为巡检中迫切需要解决的问题。
传统的检测方法从瓷套管外壁利用超声信号检测瓷套管内绝缘油液位的方法，但由于瓷套管壁厚度不均匀，从而通过传统的方法进行检测会导致测量不准确，检测可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可以克服瓷套管壁厚度不均匀而导致检测不准确的瓷套式终端液位检测方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种电缆终端的瓷套管液位检测方法，包括以下步骤：
发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；
接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；
根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；
根据反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
上述电缆终端的瓷套管液位检测方法，通过发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；根据反射波数据计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；根据反射波特征信息，判断终端内部液面位置。通过根据提取的反射波数据计算超声波在传输过程中的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，从而针对补偿后的反射波特征信息进行液面位置判断，可有效避免瓷套管壁厚度不均匀导致的反射波衰减问题，可准确判断瓷套管内部的液面位置，提高了检测可靠性。
在一个实施例中，在发送超声激励信号至超声波探头的步骤之前，还包括以下步骤：
根据电缆终端的瓷套管建立仿真模型，提取仿真模型的节点位移；
根据节点位移分析得到不同波形及频率的信号在电缆终端瓷套管内的传播规律和能量衰减规律，根据不同波形及频率的信号的传播规律和能量衰减规律，确定所需超声激励信号的波形和频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成超声激励信号。
在一个实施例中，接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据的步骤之后，还包括以下步骤：
根据反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调整；
若是，则根据反射波数据对超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头；
若否，则进行根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息。
在一个实施例中，根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，包括：
根据瓷套管与电缆终端的垂直距离，计算瓷套管的管壁厚度；
根据待检测点对应的管壁厚度和反射波数据计算超声波在瓷套管壁内传播的衰减率；
根据衰减率对管壁厚度进行补偿后，计算补偿后的衰减率，根据补偿后的衰减率对反射波进行补偿。
在一个实施例中，提取补偿后反射波的特征信息，包括：
通过小波软阈值对补偿后的反射波进行滤波处理；
提取滤波处理后反射波的特征信息。
在一个实施例中，在接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据的步骤之后，根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息的步骤之前，还包括以下步骤：
接收超声波在瓷套管内传播产生的折射波并根据折射波提取得到折射波数据；
根据反射波数据和折射波数据计算超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率；
根据超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率计算瓷套管内介质的特性阻抗；
根据反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果，为：根据反射波特征信息和瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
在一个实施例中，根据反射波特征信息和瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果的步骤，包括以下步骤：
根据反射波特征信息，构建幅值下降速度特征函数；
根据幅值下降速度特征函数，计算瓷套管检测点对应的函数特征值；
根据函数特征值和瓷套管内介质的特性阻抗判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
一种电缆终端的瓷套管液位检测装置，包括：
超声波发射模块，用于发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；
数据提取模块，用于接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；
补偿模块，用于根据反射波数据计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；
液面判断模块，用于根据反射波特征信息，判断终端内部液面位置。
一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行电缆终端的瓷套管液位检测方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行电缆终端的瓷套管液位检测方法的步骤。
上述电缆终端的瓷套管液位检测装置、计算机设备和存储介质，通过发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；根据反射波数据计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；根据反射波特征信息，判断终端内部液面位置。通过对提取反射波数据计算超声波在传输过程中的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，从而针对补偿后的反射波特征信息进行液面位置判断，可有效避免瓷套管壁厚度不均匀导致的反射波衰减问题，可准确判断瓷套管内部的液面位置，提高了检测可靠性。
附图说明
图1为一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测方法的流程图；
图2为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测方法的流程图；
图3为一实施例中电缆终端的瓷套管结构示意图；
图4为一实施例中通过有限元分析电缆终端瓷套管的仿真模型流程图；
图5为一实施例中电缆终端瓷套管仿真模型网格划分示意图；
图6为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测方法的流程图；
图7为一实施例中电缆终端的瓷套管筒化模型反射波衰减补偿原理图；
图8为一实施例中利用小波对反射波进行去噪的流程图；
图9为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测方法的流程图；
图10为一实施例中电缆终端的瓷套管液位超声检测原理图；
图11为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测方法的流程图；
图12为一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测装置的流程图；
图13为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测装置的流程图；
图14为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测装置的流程图；
图15为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测装置的流程图；
图16为另一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测装置的流程图；
图17为一实施例中电缆终端的瓷套管液位检测软件模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电缆终端的瓷套管液位检测方法，包括以下步骤：
步骤S130，发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波。
将超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头根据超声激励信号的波形和频率等信息向电缆终端的瓷套管内发射与超声激励信号相对应的超声波，即操作人员可通过对超声激励信号进行设置以控制超声波探头发射对应的超声波。
步骤S140，接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据。
超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波后，超声波会在瓷套管内进行传播，并形成界面多次反射回波，通过接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波，产生的反射波包括超声波在固气界面产生的反射波和超声波在固液界面产生的反射波，并根据反射波提取得到反射波数据，反射波数据包括所提取反射波的波峰数，以及各反射波波峰的对应峰值。
步骤S170，根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息。
反射波数据还包括反射信号电压和反射波声压，根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，反射信号电压Vr与激励信号电压V0之间存在关系：
Vr＝rV0
将Vr与V0比值的对数为回波衰减率，用k表示，则
式中pr，p0分别为反射波、入射波声压。由于声波在探头与内管壁界面间发生多次反射回波，每次界面反射回波的声压：
Pr1＝rP0e-2αT，Prn＝rnP0e-2αT
传播距离与声压的关系：
Px＝P0e-αx
式中，P0是初始声压，x是传播距离，Px是声波传播到距离探头中心线x时的声压，α为瓷套管壁材料的声衰减系数，pr1为第一次接收到的反射波对应的反射波声压，prn为第n次接收到的反射波对应的反射波声压，pr(n-1)为第n-1次接收到的反射波对应的反射波声压。由于电缆终端的瓷套管伞裙形态复杂、厚度不均匀，且超声波在瓷套管内传播时会因扩散、散射、内摩擦等造成能量衰减，通过上述计算原理分析可计算得到超声波在瓷套管内传播的衰减率，再根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后的反射波特征信息。
步骤S180，根据反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
通过计算得到超声波在瓷套管内传播的衰减率对反射波进行补偿后，提取补偿后的反射波的特征信息，根据提取到的特征信息对瓷套管内部的液面位置进行判断得到判断结果，反射波特征信息为由于电缆终端瓷套管界面结果变化引起反射波信号微小变化的有效特征信息，根据提取到的特征信息可判断在测试点对应的瓷套管内部是否为液态，再此基础上再缩小测量范围，再通过特征信息判断瓷套管内绝缘油的位置是否符合标准油面位置。
上述电缆终端的瓷套管液位检测方法，通过发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据；根据反射波数据计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；根据反射波特征信息，判断终端内部液面位置。通过根据提取的反射波数据计算超声波在传输过程中的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，从而针对补偿后的反射波特征信息进行液面位置判断，可有效避免瓷套管壁厚度不均匀导致的反射波衰减问题，可准确判断瓷套管内部的液面位置，提高了检测可靠性。
在一个实施例中，如图2所示，在步骤S130之前，该方法还包括步骤S110和步骤S120。
步骤S110，根据电缆终端的瓷套管建立仿真模型，提取仿真模型的节点位移。
操作人员可针对实际测量环境自行设置超声波激励信号的波形和频率，也可通过建立电缆终端瓷套管的仿真模型，根据电缆终端的内部结构，确定超声激励信号的波形和频率，以提高测量准确性。如图3所示，根据电缆终端的瓷套管实物图和结构示意图，通过三维制图软件建立电缆终端瓷套管几何模型，具体建立过程如图4所示，根据有限元仿真计算要求，网格尺寸Δd与声波波长λ应满足如下关系式：
按照以上要求生成电缆终端瓷套管仿真模型网格划分示意图，如图5所示。
其中，λmin为声波的最小波长。而波长与频率的关系为：
建立近似1:1的数值计算模型，终端各组成材料均为各向同性均匀介质，且各部分物性参数均为常数。有限元仿真以施加集中力的方式在检测位置对应的节点上激励信号，根据研究内容设置其他相关参数，从计算结果中提取整个模型的节点位移。
步骤S120，根据节点位移分析得到不同波形及频率的信号在电缆终端瓷套管内的传播规律和能量衰减规律，根据不同波形及频率的信号的传播规律和能量衰减规律，确定所需超声激励信号的波形和频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成超声激励信号。
根据提取得到的节点位移分析得到不同波形及频率的信号在电缆终端瓷套管内的传播规律和能量衰减规律，根据不同波形及频率的信号的传播规律和能量衰减规律，确定所需超声激励信号的波形和频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成超声激励信号，将生成的超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头再根据生成的超声激励信号向电缆终端的瓷套管内发射与超声激励信号相对应的超声波。在一个实施例中，还可根据仿真模型分析电缆终端瓷套管的特殊结构，以指导设计专用超声波探头，以及吸收层选取，为信号补偿算法提供依据，可解决发射信号衰减、噪音大的问题。
在一个实施例中，如图2所示，在步骤S140之后，该方法还包括步骤S150和步骤S160。
步骤S150，根据反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调整。
在接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据后，根据反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调节，在所得到的反射波数据不能用于对瓷套管内液面位置进行准确判断时，则需要根据得到的反射波数据分析是否需要切换超声激励信号，以及对超声激励信号进行调整。
步骤S160，若是，根据反射波数据对超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头。
在根据反射波数据判断需要对发射的超声波进行调节时，根据反射波数据对超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头根据调整后的超声激励信号对所发射的超声波进行相应的调整，以实现对瓷套管内液面位置进行准确判断。具体地，可通过调整超声激励信号的波形、频率和功率，从而调整超声波的波形、频率和功率，将调整后的超声激励信号发送至超声波探头后，超声波探头对发射的超声波进行相应的调整，再根据调整后的超声波接收在瓷套管内产生的反射波，并根据重新接收的反射波提取反射波数据。通过对超声激励信号进行调整，可在提高对发射的超声波调整便利性的基础上，提高对瓷套管液面位置的判断准确性。
在根据反射波数据判断不需要对发射的超声波进行调节时，即通过当前超声波在瓷套管内传播产生的反射波可用于准确判断瓷套管内液面位置时，则直接根据当前超声波在瓷套管内传播产生的反射波提取反射波数据，根据反射波数据极端超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿。
在一个实施例中，如图6所示，步骤S170中根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，包括步骤S171至步骤S173。
步骤S171，根据瓷套管与电缆终端的垂直距离，计算瓷套管的管壁厚度。
在实际测量中，电缆终端瓷套管的管壁厚度T是变化的，电缆终端瓷套管的筒化模型如图7所示，T随检测位置不同发生变化，设检测点距离瓷套管上端面垂直距离为L，则T和L有下列关系：
式中T0为上端面瓷套壁厚。
步骤S172，根据待检测点对应的管壁厚度和反射波数据计算超声波在瓷套管壁内传播的衰减率。
当超声波探头在瓷套管外壁不同位置处扫查时，考虑距离衰减，某一检测位置处所得多次反射波各峰值点对应的衰减率为：
式中，k1'为第一次接收到的反射波各峰值点对应的衰减率，α为瓷套管壁材料的声衰减系数，T为管壁厚度，r为反射率，k'n第n次接收到的反射波各峰值点对应的衰减率，P0为入射波初始声压，pr1为第一次接收到的反射波对应的反射波声压，prn为第n次接收到的反射波对应的反射波声压，pr(n-1)为第n-1次接收到的反射波对应的反射波声压。
步骤S173，根据衰减率对管壁厚度进行补偿后，计算补偿后的衰减率，根据补偿后的衰减率对反射波进行补偿。
根据得到的衰减率考虑厚度补偿后，计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，具体为：
根据超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率对反射波进行补偿，可克服信号衰减、壁厚不均匀等问题，提高了液面位置判断的准确性。
在一个实施例中，如图6所示，步骤S170中提取补偿后反射波的特征信息，包括步骤S174和步骤S175。
步骤S174，通过小波软阈值对补偿后的反射波进行滤波处理。
在选择小波基函数对超声波检测电缆终端瓷套管内液面位置时，并非所有的小波基函数都适合，不同的小波基具有不同的时频特性，同一信号运用不同的小波基进行分析往往表现出不同的结果，因此需要对各种小波基进行比较，以选出适合用于超声波检测电缆终端瓷套管内液面位置的小波基。具体地，通过比较各种小波基的重要性质及其处理信号的实际效果来判定小波基的适用性，具体分析处理过程为：
首先对实际信号进行小波分解，选择小波并确定分解层次为N，则噪声部分通常包含在高频中，然后对小波分解的高频系数进行门限阈值量化处理，最后根据小波分解的第N层低频系数和经过量化后的1-N层高频系数进行小波重构，达到消除噪声的目的，即抑制信号的噪声，在实际信号中恢复真实信号。小波去噪的实现流程图如图8所示。阈值选取准则的确定是小波阈值去噪过程中较为关键的因素。
对于小波去噪流程中的阈值操作，除了阈值函数的选取之外，另一重要的步骤就是阈值选取准则的确定。阈值选取准则主要有以下四种：(1)Rigrsure；(2)Sqtwolog；(3)Heursure；(4)Minimaxi。具体情况如下表1所示。
表1 阈值选取准则
对于表1的四种阈值选取准则，经过研究发现，Sqtwolog.采用的是固定阈值形式，它在噪声为白噪声的情况下对信号进行去噪可以得到较为理想的结果，但它的阈值风险要比理想选取风险大；Rigrsure是一种软阈值估计器，它通过选取小于的阈值来减少阈值风险，通过最小化风险的估计，可以计算自适应于数据的阈值；Heursure是启发式阈值选择，是最优预测变量阈值选择；Minimaxi则产生一个最小均方差的极值，而不是无误差。
具体地，对加噪信号选择不同小波基做处理后的去噪信号，不同小波基的统计特征是不同的，统计特征包括均值、标准方差和均方差，不同小波基的统计特征如表2所示，统计特性中标准方差的大小可以作为评价信号去噪好坏的指标之一，其值越小说明去噪效果越好。
表2 加噪信号及不同小波基去噪信号的统计特性
由表2可知，Db6小波在去噪信号的某些统计特性方面优于haar和Db4小波；从去噪的图形方面则优于其它三者，其图形的平滑性更优；而且Db6小波对信号进行去噪处理时，能够在基本不损失信号主要能量的同时能有效的滤除干扰噪声。进一步地，通过用不同的小波函数不断的实验和反复的分析比较，确定了Db小波系中的Db6小波函数作为小波阈值去噪过程中的小波基函数。通过对小波基进行分析与比较，选择Db小波系中的Db6小波函数对补偿后的反射波进行滤波处理，提高对补偿后的反射波滤波的可靠性，从而提高液面位置判断的准确性。
步骤S175，提取滤波处理后反射波的特征信息。
通过Db小波系中的Db6小波函数对补偿后的反射波进行滤波处理后，提取滤波处理后反射波的特征信息，反射波特征信息为由于电缆终端瓷套管界面结果变化引起反射波信号微小变化的有效特征信息，具体地，通过Db6小波对进行滤波处理后的反射波信号进行小波分解，相应可以提取到6个尺度上的细节信号和近似信号。从细节分解信号上明显可以看出在某固定时刻信号出现了较大波动，显示结构出现了异变或者损伤。并且通过发生时间，可进一步判断反射波的具体位置。
在一个实施例中，如图9所示，在步骤S140之后，步骤S170之前，该方法还包括步骤S210至步骤S230。
步骤S210，接收超声波在瓷套管内传播产生的折射波并根据折射波提取得到折射波数据。
当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的交界面上，只有其中一部分声波透过界面传播到另一介质中，这部分透过交界面继续传播的声波称为折射波。接收超声波在瓷套管内传播产生的折射波，并根据折射波提取得到折射波数据，通过提取到的折射波数据可计算超声波在瓷套管内传播的声能透射率。
步骤S220，根据反射波数据和折射波数据计算超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率。
在一个实施例中，如图10所示，将超声波探头耦合在瓷套管外壁某个检测位置，通过管壁在对超声反射波特性的分析可区分该检测位置是固-气或固-液界面，进而确定绝缘油位置即液面位置。声压反射率即反射声压与入射声压之比，用式子可表示为
其中，r为声压反射率；p'为反射声压；p为入射声压。
声压反射率的大小与超声波的入射角、超声波的反射角、介质声阻抗率以及第一种介质的厚度有关，当入射介质较厚时，则：
其中，Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗；α为超声波的入射角；α1为超声波的反射角；Z为介质声阻抗率。
声压透过率即折射波的声压与入射波的声压之比，用式子可表示为:
其中，RT为声压透射率，P2为折射波的声压，P为入射波的声压。
声压透过率RT与超声波的入射角、折射角、介质声阻抗率Z以及第二种介质的厚度有关，当第二种介质较厚时：
其中，α为超声波的入射角；β为超声波的折射角；Z1为第一种介质的声阻抗；Z2为第二种介质的声阻抗；α为超声波的入射角。
在实际测量中，当瓷套管内某位置无绝缘油时，则构成陶瓷-空气界面，即固气界面，当否则构成陶瓷-绝缘油界面，即固液界面。超声波在不同异质界面下的声压、声强反射率和透射率差异取决于两种介质声阻抗。
对瓷套内的固气和固液界面，在超声波垂直入射到异质界面的声压反射率，即入射角α＝0(超声波波在界面上垂直入射时)，α＝α1＝0，则反射率的公式可以简化，则可由下式计算：
Z1为沿超声波入射方向第一介质的声阻抗，Z2分别为沿声波入射方向第二介质的声阻抗。
另外，超声波在管壁界面处声能透射率可用下式计算：
考虑到电工陶瓷固体的声阻抗Z1近似为2.6x107kg/m2s，空气声阻抗Z2＝4.3x102kg/m2s，绝缘油液体声阻抗Z2＝2.4x106kg/m2s。
计算可知，超声波在固气界面的声压反射率约为100％，而在固液界面的声压反射率为83％；固气界面声能透射率为0.0066％，而在固液界面声能透射率为30％。
步骤S230，根据超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率计算瓷套管内介质的特性阻抗。
由于瓷套管器壁材料一定，即Z1为已知且保持不变，所以多次反射波声压衰减率由瓷套管容器内介质即Z2决定，根据计算得到的超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率，并结合瓷套管的管壁厚度T和考虑厚度补偿后超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率计算瓷套管内第二种介质的特性阻抗Z2为：
根据求得的第二种介质的特性阻抗与空气介质标准特性阻抗值进行比较，可判断瓷套管内介质性质为“液相”还是“非液相”，在此基础上，再对瓷套管内部的液面位置进行准确判断，通过根据超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率计算瓷套管内第二种介质的特性阻抗，可对瓷套管内的液面位置进行初步判断，以缩小检测范围，进一步准确判断瓷套管内的液面位置。
在计算得到瓷套管内第二种介质的特性阻抗后，如图9所示，则步骤S180为步骤S280。
步骤S280，根据反射波特征信息和瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
在根据计算得到的超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率，并结合瓷套管的管壁厚度T和考虑厚度补偿后超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率计算得到瓷套管内第二种介质的特性阻抗后，根据瓷套管内第二种介质的特性阻抗可判断检测位置对应的瓷套管内介质性质为“液相”还是“非液相”，根据判断结果，可进一步缩小检测范围，再根据后续检测瓷套管内的液面位置进行精确判断。
在一个实施例中，如图11所示，步骤S280包括步骤S282、步骤S284和步骤S286。
步骤S282，根据反射波特征信息，构建幅值下降速度特征函数。
由于超声波在陶瓷-空气界面与陶瓷-绝缘油界面的反射折射特性不同，两种情况下，超声波探头接收到的反射波波形存在明显差异。在反射率更高的界面处，超声波探头应接收到次数更多、幅值更高的反射波。由此构建“幅值下降速度特征函数”μ为：
其中，n≤min{陶瓷-空气界面反射波波峰数，陶瓷-绝缘油界面反射波波峰数}，Kn代表第n个峰的峰值。
步骤S284，根据幅值下降速度特征函数，计算瓷套管检测点对应的函数特征值。
根据计算得到的超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率可知超声波在陶瓷-空气界面的反射率更高，那么对于足够大的n，Kn在两个反射波波形中的取值将表现出明显差异。通过对油面位置为标准高度的瓷套管进行标定，分别确定陶瓷-空气与陶瓷-绝缘油界面分别对应的判别特征值μa和μs，根据μ的定义，显然μa＜μs。在一个实施例中，通过在检测过程中实时计算出检测位置所对应的函数特征值μ，与μa、μs进行比较，并假设允许相对误差为e％。
步骤S286，根据函数特征值和瓷套管内介质的特性阻抗判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
根据瓷套管内介质的特性阻抗判断检测位置对应的瓷套管内介质性质为“液相”还是“非液相”后，再通过构建幅值下降速度特征函数，可准确判断瓷套管内的液面位置是否符合标准液面位置。在一个实施例中，具体判断过程为：
若μ≤μa(1+e％)，则检测位置对应的水平面处，瓷套管内为空气，即油面低于检测水平面。
若μ≥μs(1+e％)，则检测位置对应的水平面处，瓷套管内为绝缘油，即油面高于检测水平面。
若μa(1+e％)＜μ＜μs(1+e％)，则瓷套管内油面可能恰好位于超声波探头所覆盖的高度范围上，此时则进一步验证相邻两伞群处测得的μ值。
在一个实施例中，如图12所示，提供了一种电缆终端的瓷套管液位检测装置，包括超声波发射模块30、数据提取模块40、补偿模块70、液面判断模块80。
超声波发射模块30，用于发送超声激励信号至超声波探头，超声激励信号用于控制超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波。
将超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头根据超声激励信号的波形和频率等信息向电缆终端的瓷套管内发射与超声激励信号相对应的超声波。
数据提取模块40，用于接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据。
超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波后，超声波会在瓷套管内进行传播，并形成界面多次反射回波，通过接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波，产生的反射波包括超声波在固气界面产生的反射波和超声波在固液界面产生的反射波，并根据反射波提取得到反射波数据。
补偿模块70，用于根据反射波数据计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息。
反射波数据还包括反射信号电压和反射波声压，根据反射波数据计算超声波在瓷套管内传播的衰减率，再根据衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后的反射波特征信息。
液面判断模块80，用于根据反射波特征信息，判断终端内部液面位置。
根据提取到的特征信息可判断在测试点对应的瓷套管内部是否为液态，再此基础上再缩小测量范围，再通过特征信息判断瓷套管内绝缘油的位置是否符合标准油面位置。
在一个实施例中，如图13所示，电缆终端的瓷套管液位检测装置还包括模型建立模块10和超声激励信号确定模块20。
模型建立模块10，用于根据电缆终端的瓷套管建立仿真模型，提取仿真模型的节点位移。
操作人员可针对实际测量环境自行设置超声波激励信号的波形和频率，也可通过建立电缆终端瓷套管的仿真模型，根据电缆终端的内部结构，确定超声激励信号的波形和频率，以提高测量准确性。
超声激励信号确定模块20，用于根据节点位移分析得到不同波形及频率的信号在电缆终端瓷套管内的传播规律和能量衰减规律，根据不同波形及频率的信号的传播规律和能量衰减规律，确定所需超声激励信号的波形和频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成超声激励信号。
根据提取得到整个模型的节点位移，即可分析不同波形及频率的信号在电缆终端瓷套管中的传播规律和能量衰减规律。从而确定检测所需的激励源波形及频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成对应的超声激励信号，将生成的超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波。
在一个实施例中，如图13所示，电缆终端的瓷套管液位检测装置还包括超声波判断模块50和超声波调整模块60。
超声波判断模块50，用于根据反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调整。
在接收超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据反射波提取得到反射波数据后，根据反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调节，
超声波调整模块60，用于根据反射波数据对超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头。
在根据反射波数据判断需要对发射的超声波进行调节时，根据反射波数据对超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头，超声波探头根据调整后的超声激励信号对所发射的超声波进行相应的调整，以实现对瓷套管内液面位置进行准确判断。
在一个实施例中，如图14所示，电缆终端的瓷套管液位检测装置中补偿模块70包括管壁厚度计算模块71、衰减率计算模块72和反射波补偿模块73。
管壁厚度计算模块71，用于根据瓷套管与电缆终端的垂直距离，计算瓷套管的管壁厚度。
在实际测量中，电缆终端瓷套管的管壁厚度T是变化的，电缆终端瓷套管的筒化模型如图7所示，T随检测位置不同发生变化，设检测点距离瓷套管上端面垂直距离为L，则T和L有下列关系：
式中T0为上端面瓷套壁厚。
衰减率计算模块72，用于根据待检测点对应的管壁厚度和反射波数据计算超声波在瓷套管壁内传播的衰减率。
当超声波探头在瓷套管外壁不同位置处扫查时，考虑距离衰减，计算某一检测位置处所得多次反射波各峰值点对应的衰减率。
反射波补偿模块73，用于根据衰减率对管壁厚度进行补偿后，计算补偿后的衰减率，根据补偿后的衰减率对反射波进行补偿。
根据得到的衰减率考虑厚度补偿后，计算超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率对反射波进行补偿，可克服信号衰减、壁厚不均匀等问题，提高了液面位置判断的准确性。
在一个实施例中，如图14所示，电缆终端的瓷套管液位检测装置中补偿模块70包括滤波模块74和特征信息提取模块75。
滤波模块74，用于通过小波软阈值对补偿后的反射波进行滤波处理。
通过比较各种小波基的重要性质及其处理信号的实际效果来判定小波基的适用性，选择Db小波系中的Db6小波函数对补偿后的反射波进行滤波处理，提高对补偿后的反射波滤波的可靠性，从而提高液面位置判断的准确性。
特征信息提取模块75，用于提取滤波处理后反射波的特征信息。
通过Db6小波对进行滤波处理后的反射波信号进行小波分解，相应可以提取到6个尺度上的细节信号和近似信号。从细节分解信号上明显可以看出在某固定时刻信号出现了较大波动，显示结构出现了异变或者损伤。并且通过发生时间，可进一步判断反射波的具体位置。
在一个实施例中，如图15所示，电缆终端的瓷套管液位检测装置还包括折射波接收模块91、计算模块92、特性阻抗计算模块93。
折射波接收模块91，接收超声波在瓷套管内传播产生的折射波并根据折射波提取得到折射波数据。
接收超声波在瓷套管内传播产生的折射波，并根据折射波提取得到折射波数据，通过提取到的折射波数据可计算超声波在瓷套管内传播的声能透射率。
计算模块92，根据反射波数据和折射波数据计算超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率。
声压反射率即反射声压与入射声压之比，声压反射率的大小与超声波的入射角、超声波的反射角、介质声阻抗率以及第一种介质的厚度有关。声压透过率即折射波的声压与入射波的声压之比，声压透过率与超声波的入射角、折射角、介质声阻抗率以及第二种介质的厚度有关。
特性阻抗计算模块93，根据超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率计算瓷套管内介质的特性阻抗。
由于瓷套管器壁材料一定，即Z1为已知且保持不变，所以多次反射波声压衰减率由瓷套管容器内介质即Z2决定，根据计算得到的超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率，并结合瓷套管的管壁厚度T和考虑厚度补偿后超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率计算瓷套管内第二种介质的特性阻抗Z2。
在此实施例中，液面判断模块80用于根据反射波特征信息和瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
在根据计算得到的超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率，并结合瓷套管的管壁厚度T和考虑厚度补偿后超声波在待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率计算得到瓷套管内第二种介质的特性阻抗后，根据瓷套管内第二种介质的特性阻抗可判断检测位置对应的瓷套管内介质性质为“液相”还是“非液相”，根据判断结果，可进一步缩小检测范围，再根据后续检测瓷套管内的液面位置进行精确判断。
在一个实施例中，如图16所示，液面判断模块80包括函数构建模块82、特征值计算模块84和液面位置判断模块86。
函数构建模块82，用于根据反射波特征信息，构建幅值下降速度特征函数。
由于超声波在陶瓷-空气界面与陶瓷-绝缘油界面的反射折射特性不同，两种情况下，超声波探头接收到的反射波波形存在明显差异。在反射率更高的界面处，超声波探头应接收到次数更多、幅值更高的反射波。由此构建“幅值下降速度特征函数”。
特征值计算模块84，用于根据幅值下降速度特征函数，计算瓷套管检测点对应的函数特征值。
通过对油面位置为标准高度的瓷套管进行标定，分别确定陶瓷-空气与陶瓷-绝缘油界面分别对应的判别特征值μa和μs，根据μ的定义，显然μa＜μs。在一个实施例中，通过在检测过程中实时计算出检测位置所对应的函数特征值μ，与μa、μs进行比较，并假设允许相对误差为e％。
液面位置判断模块86，用于根据函数特征值和瓷套管内介质的特性阻抗判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
根据瓷套管内介质的特性阻抗判断检测位置对应的瓷套管内介质性质为“液相”还是“非液相”后，再通过构建幅值下降速度特征函数，可准确判断瓷套管内的液面位置是否符合标准液面位置。
上述电缆终端的瓷套管液位检测装置各模块可分别采用电缆终端的瓷套管液位检测方法中的具体实现方式实现对应的功能，在此不做赘述。
在一个实施例中，如图17所示，提供了一种电缆终端的瓷套管内绝缘油液位检测软件，包括人机界面模块和控制与计算模块，其中人机界面模块可实现波形和结果显示、键盘输入等功能，操作人员可通过人机界面模块键盘输入测量命令或远程输入。控制与计算模块可实现超声波发射、超声波增益控制、波形识别和液位判断，系统接受测量命令后，CPU(中央处理器，Central Processing Unit)启动发射控制模块，通过定时器发出发射脉冲信号触发超声发射电路，该脉冲信号的前沿同时启动高速AD(模拟数字，Analog Digital)采集电路。发射结束后，CPU从采集系统存储器中开设时间窗搜索回波数据。根据回波波形自动切换发射脉冲电源和放大增益倍数；在获取理想反射波波形的基础上，识别反射各峰值，根据各峰值对瓷套管内绝缘油液位进行判断。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行电缆终端的瓷套管液位检测方法的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行电缆终端的瓷套管液位检测方法的步骤。
上述电缆终端的瓷套管液位检测装置、计算机设备和存储介质，通过对提取反射波数据计算超声波在传输过程中的衰减率，根据衰减率对反射波进行补偿，从而针对补偿后的反射波特征信息进行液面位置判断，可有效避免瓷套管壁厚度不均匀导致的反射波衰减问题，可准确判断瓷套管内部的液面位置，提高了检测可靠性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送超声激励信号至超声波探头，所述超声激励信号用于控制所述超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；
接收所述超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据所述反射波提取得到反射波数据；
根据所述反射波数据计算所述超声波在所述瓷套管内传播的衰减率，根据所述衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；
根据所述反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
2.根据权利要求1所述的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，在所述发送超声激励信号至超声波探头的步骤之前，还包括以下步骤：
根据所述电缆终端的瓷套管建立仿真模型，提取所述仿真模型的节点位移；
根据所述节点位移分析得到不同波形及频率的信号在所述电缆终端瓷套管内的传播规律和能量衰减规律，根据所述不同波形及频率的信号的传播规律和能量衰减规律，确定所需超声激励信号的波形和频率，并根据确定的超声激励信号的波形和频率生成超声激励信号。
3.根据权利要求1所述的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，所述接收所述超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据所述反射波提取得到反射波数据的步骤之后，还包括以下步骤：
根据所述反射波数据判断是否需要对发射的超声波进行调整；
若是，则根据所述反射波数据对所述超声激励信号进行调整，并将调整后的超声激励信号发送至超声波探头；
若否，则进行所述根据所述反射波数据计算所述超声波在所述瓷套管内传播的衰减率，根据所述衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息。
4.根据权利要求1所述的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，所述根据所述反射波数据计算所述超声波在所述瓷套管内传播的衰减率，根据所述衰减率对所述反射波进行补偿，包括：
根据所述瓷套管与电缆终端的垂直距离，计算所述瓷套管的管壁厚度；
根据所述待检测点对应的管壁厚度和反射波数据计算所述超声波在所述瓷套管壁内传播的衰减率；
根据所述衰减率对所述管壁厚度进行补偿后，计算补偿后的衰减率，根据补偿后的衰减率对反射波进行补偿。
5.根据权利要求1所述的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，所述提取补偿后反射波的特征信息，包括：
通过小波软阈值对补偿后的反射波进行滤波处理；
提取滤波处理后反射波的特征信息。
6.根据权利要求1所述的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，在所述接收所述超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据所述反射波提取得到反射波数据的步骤之后，所述根据所述反射波数据计算所述超声波在所述瓷套管内传播的衰减率，根据所述衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息的步骤之前，还包括以下步骤：
接收所述超声波在瓷套管内传播产生的折射波并根据所述折射波提取得到折射波数据；
根据所述反射波数据和所述折射波数据计算所述超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率；
根据所述超声波在瓷套管内固气界面的声压反射率和声能透射率，以及固液界面的声压反射率和声能透射率计算所述瓷套管内介质的特性阻抗；
所述根据所述反射波特征信息，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果，为：根据所述反射波特征信息和所述瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
7.根据权利要求6所示的电缆终端的瓷套管液位检测方法，其特征在于，所述根据所述反射波特征信息和所述瓷套管内介质的特性阻抗，判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果的步骤，包括以下步骤：
根据所述反射波特征信息，构建幅值下降速度特征函数；
根据所述幅值下降速度特征函数，计算瓷套管检测点对应的函数特征值；
根据所述函数特征值和所述瓷套管内介质的特性阻抗判断瓷套管内部的液面位置得到判断结果。
8.一种电缆终端的瓷套管液位检测装置，其特征在于，包括：
超声波发射模块，用于发送超声激励信号至超声波探头，所述超声激励信号用于控制所述超声波探头向电缆终端的瓷套管内发射对应超声波；
数据提取模块，用于接收所述超声波在瓷套管内传播产生的反射波并根据所述反射波提取得到反射波数据；
补偿模块，用于根据所述反射波数据计算所述超声波在所述待检测点对应的瓷套管内传播的衰减率，根据所述衰减率对反射波进行补偿，提取补偿后反射波的特征信息；
液面判断模块，用于根据所述反射波特征信息，判断终端内部液面位置。
9.一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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