CN115727926A - 基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，属于无损检测技术领域，其包括：1)建立探头能量与等效占比面积模型；2)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，并计算超声信号能量；3)将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。本发明只需要采集探头接收到的液罐单侧的超声信号能量即可进行液位判断，不需要通过采集液罐壁是否有回波进行液位判断的，不受液罐直径和体积的影响，提高了液罐液位的检测精度。
Description
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，具体为基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法。
背景技术
大多数具有腐蚀性、易燃易爆等液体需要被存储在非透明的液罐中，在储存液体的过程中为了定量控制液位，需要对液罐的液位进行检测，传统的接触式液位检测，例如：差压式液位测量(根据流体静力学的原理P1-P2＝Hρgv)、光纤液位测量(根据光学技术)、激光液位测量(利用电磁波原理)以及雷达液位测量(根据微波技术)等，由于具有液罐破坏性或者检测精度差，已无法满足储液类液罐的检测需求，超声检测技术使得非接触式检测成为一种重要的液位检测方式，超声液位检测主要利用超声波的折射、反射衰减原理，无需对液罐进行过开孔等破坏液罐的操作，且超声液位检测操作简单、易掌握、准确度高因而使用范围广。
但是现有技术中的超声液位检测技术存在一定的局限性，其通过观测与探头接触面平行的液罐壁是否有回波来进行液位的判断，但是如果液罐直径过大，回波会被噪声掩盖无法检测，导致液位的定位误差较大。
发明内容
针对上述所描述的现有技术中的超声液位检测技术的回波会被噪声掩盖无法检测，导致液位的定位误差较大的问题，本发明提出了基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法。
本发明基于探头能量与内壁上等效面积的关系进行液位检测，提高了液位检测的辨识精度并减小液位检测误差，能够精确的对液位进行定位；其具体技术方案如下：
基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，包括以下步骤：
1)建立探头能量与等效占比面积模型；
式中，rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m；
2)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，并计算超声信号能量；
3)将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。
进一步限定，所述步骤1)建立探头能量与等效占比面积模型的具体过程为：
1.1)确定探头接收的总回波声压p总；
1.2)根据探头接收的总回波声压p总计算探头接收到的待测超声信号能量W：
式中，pe为探头表面的有效声压，pa；p总为探头接收到的总回波声压，pa；T为探头接收总回波声压的平均时间，s；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；s1为探头发射端面的面积，m2；ρ0为液罐的密度，kg/m3；c0为液罐的声速，m/s；
1.3)根据探头接收到的待测超声信号能量W建立探头能量与等效占比面积模型；
式中，rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m。
进一步限定，所述步骤2)具体为：
2.1)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，对采集的超声信号进行变分模态分解，得到固有模态函数；
2.2)确定固有模态函数与超声信号的相关系数，通过快速傅里叶变换得到各固有模态函数的频谱图；
2.3)根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数分为纯固有模态函数、噪声固有模态函数以及含噪固有模态函数；
2.4)舍弃噪声固有模态函数，对含噪固有模态函数进行小波阈值去噪，得到去噪后的含噪固有模态函数；
2.5)将纯固有模态函数和去噪后的含噪固有模态函数进行重构，计算重构后的超声信号能量，即为液罐探测位置的超声信号能量。
进一步限定，所述步骤2.2)中固有模态函数与超声信号的相关系数确定过程为：
式中，r为固有模态函数与超声信号的相关系数，无量纲；X为探头采集的超声信号，V；Y为固有模态函数，V；N为X和Y的采样点数，个；其中，X和Y的采样点数是相等的。
进一步限定，所述步骤2.3)具体为：
根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数与超声信号的相关系数大于0.8且固有模态函数的频谱图包含于探头工作频率范围内的模态分为纯固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数小于0.15且固有模态函数的频谱图不包含于工作频率范围内的模态分为噪声固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数≤0.8且≥0.15以及固有模态函数的频谱图包含于工作频率范围内的模态分为含噪固有模态函数。
进一步限定，所述步骤3)具体为：基于无液体区域和投射区域重合部位的面积与探头接收到的待测超声信号能量之间的等效关系，将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。
进一步限定，所述等效占比面积的液罐液位计算公式为：
A＝a'-Δd
A为投影区域对应的液罐液位高度，m；a'为投射区域的高度，m；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m。
进一步限定，所述W有和W无的标定过程为：当液罐中无液体时，将探头水平放置在液罐标定位置对应的外壁上，向液罐中不断地加入液体，当探头接收到的超声信号能量开始变化时，记录此时的超声信号能量为W无，继续加入液体，直至探头接收到的超声信号能量不再变化，记录此时的超声信号能量为W有。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其包括建立探头能量与等效占比面积模型；采集液罐探测位置的超声信号；根据无液体区域和投射区域重合部位的面积与探头计算的待测超声信号能量之间的等效关系，将采集的液罐探测位置的超声信号能量代入探头能量与等效占比面积模型中，计算无液体区域和投射区域重合部位的高度，根据无液体区域和投射区域重合部位的高度确定液罐液位。本发明只需要采集探头接收到的液罐单侧的超声信号即可进行液位判断，不需要通过采集液罐壁是否有回波进行液位判断的，不受液罐直径和体积的影响，提高了液罐液位的检测精度。
2、本发明对探头采集液罐探测位置的超声信号进行去噪处理后得到液罐探测位置的超声信号，舍弃噪声固有模态函数，尽可能提取出只包含超声波的回波信号，减少随机噪声对结果准确性的影响，减少液位检测的误差，提高液位检测的精准性。
3、本发明的方法克服了传统液位检测方法的不足，无需对液罐进行打孔等操作，可直接从液罐壁的侧面进行采集信号，具有操作简单、成本低、效率高、适用范围广、检测结果准确合理等特点，适于推广应用。
附图说明
图1为本发明的等效占比面积模型图；
图2为本发明的矩形活塞辐射声压示意图；
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1
本实施例基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其包括以下步骤：
1)建立探头能量与等效占比面积模型；
rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m；
2)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，并计算超声信号能量；
3)将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。
实施例2
本实施例基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，实施例1中的步骤1)建立探头能量与等效占比面积模型的具体过程为：
计算探头发射的超声波束第一次到达液罐内壁时的平均声压：
式中，
为探头发射的超声波束第一次到达液罐内壁时的平均声压，pa；P0为超声波束的初始入射声压，pa；
为超声波束的衰减系数，无量纲；L为液罐的厚度，m；Rw为液罐内壁的反射系数，无量纲，s1为探头发射端面的面积，m2；s2为投射区域的面积，m2；
第一次到达液罐内壁的超声波束在探头表面任意一点的声压为：
参见图1和图2，式中，Pd为第一次到达液罐内壁的超声波束在探头表面任意一点的声压，pa；s2为投射区域的面积，m2；
为探头发射的超声波束第一次到达液罐内壁时的平均声压，pa；λ为超声波波长，m；k为波数，无量纲；h为探头发射端面的长度，m；a为探头发射端面的宽度，m；r探头表面一点P位于距投影区域坐标原点距离，m；θ为r与z轴夹角，度；
为旋转角，度；
对探头的发射端面进行积分
得到第一次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压
＝为：
式中，
＝为第一次到达液罐内壁的超声波束被探头接收所接收到的回波声压，pa；s2为投射区域的面积，m2；λ为超声波波长，m；
为探头发射的超声波束第一次到达液罐内壁时的平均声压，pa；L为液罐的厚度，m；h为探头发射端面的长度，m；a为探头发射端面的宽度，m；
经过液罐外壁反射后，探头发射的超声波束第二次到达液罐内壁时的平均声压：
式中，pL2为经过液罐外壁反射后，探头发射的超声波束第二次到达液罐内壁时的平均声压，pa；
＝为第一次到达液罐内壁的超声波束被探头接收所接收到的回波声压，pa；Rwse为液罐与探头界面的反射系数，无量纲；
为超声波束的衰减系数，无量纲；L为液罐的厚度，m；
经过液罐外壁反射后，第二次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压：
p'L2＝pL2(rsRwg+(1-rs)Rwl)
式中，p'L2为经过液罐外壁反射后，第二次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压，pa；pL2为经过液罐外壁反射后，探头发射的超声波束第二次到达液罐内壁时的平均声压，pa；rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；Rwg为液罐与气体界面的反射系数，无量纲；Rwl为液罐与液体之间的反射系数，无量纲；
依次类推，得到经过液罐外壁反射后，第n次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压：
1.1)探头接收到的总的回波声压：
式中，p总＝为探头接收到的总的回波声压，pa；
＝为第一次到达液罐内壁的超声波束被探头接收所接收到的回波声压，p；p'L2为经过液罐外壁反射后，第二次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压，pa；pLn'为经过液罐外壁反射后，第n次到达液罐内壁的超声波束被探头接收到的回波声压，pa；s1为探头发射端面的面积，m2；P0为超声波束的初始入射声压，pa；λ为超声波波长，m；L为液罐的厚度，m；h为探头发射端面的长度，m；a为探头发射端面的宽度，m；rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；Rwse为液罐与探头界面的反射系数，无量纲；Rwg为罐与气体界面的反射系数，无量纲；i为回波次数，次；
为超声波束的衰减系数，无量纲；Rwl为液罐与液体界面的反射系数，无量纲；
1.2)根据探头接收的总回波声压p总＝计算探头接收到的待测超声信号能量W：
式中，pe为探头表面的有效声压，pa；p总＝为探头接收到的总回波声压，pa；T为探头接收总回波声压的平均时间，s；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；s1为探头发射端面的面积，m2；ρ0为液罐的密度，kg/m3；c0为液罐的声速，m/s；
1.3)建立探头能量与等效占比面积模型；
式中，rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m。
实施例1)中的步骤2)具体为：
2.1)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，对采集的超声信号进行变分模态分解，得到固有模态函数；
2.2)确定固有模态函数与超声信号的相关系数，通过快速傅里叶变换得到各固有模态函数的频谱图；
2.3)根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数分为纯固有模态函数、噪声固有模态函数以及含噪固有模态函数；
2.4)舍弃噪声固有模态函数，对含噪固有模态函数进行小波阈值去噪，得到去噪后的含噪固有模态函数；
2.5)将纯固有模态函数和去噪后的含噪固有模态函数进行重构，计算重构后的超声信号能量，即为液罐探测位置的超声信号能量；
其中，超声信号能量p计算公式如下：
式中，p为超声信号能量，J；X(k)为探头采集的超声信号的离散傅里叶变换；j表示第j个采样点数，个；N为超声信号的采样点数，个；
在步骤3)计算的过程中，本步骤中计算的超声信号能量p等于探头能量与等效占比面积模型中的待测超声信号能量W。
具体的，步骤2.2)中固有模态函数与超声信号的相关系数确定过程为：
式中，r为固有模态函数与超声信号的相关系数，无量纲；X为探头采集的超声信号，V；Y为固有模态函数，V；N为X和Y的采样点数，个；其中，X和Y的采样点数是相等的。
具体的，步骤2.3)为：
根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数与超声信号的相关系数大于0.8且固有模态函数的频谱图包含于探头工作频率范围内的模态分为纯固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数小于0.15且固有模态函数的频谱图不包含于工作频率范围内的模态分为噪声固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数≤0.8且≥0.15以及固有模态函数的频谱图包含于工作频率范围内的模态分为含噪固有模态函数。
实施例1)中的步骤3)具体为：根据无液体区域和投射区域重合部位的面积与探头接收到的超声信号能量之间的等效关系，将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位；等效占比面积的液罐液位计算公式为：
A＝a'-Δd
A为投影区域对应的液罐液位高度，m；a'为投射区域的高度，m；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m。
上述实施例1和实施例2中的W有和W无的标定过程为：当液罐中无液体时，将探头水平放置在液罐标定位置对应的外壁上，向液罐中不断地加入液体，当探头接收到的超声信号能量开始变化时，记录五组超声信号能量值，对该五组超声信号能量值进行去燥处理后求其平均值，得到超声信号能量为W无，继续加入液体，直至探头接收到的超声信号能量不再变化，记录五组超声信号能量值，同样对该五组超声信号能量值进行去燥处理后求其平均值，得到超声信号能量为W有。
上述实施例中探头的中心频率为0.5MHz，探头是晶片尺寸为13*30mm的矩形结构，探头的发射/接收频率为100Hz、脉冲电压为100V、增益为+8dB，采样频率为5G S/s、采样时间为20μs、采样平均次数为2000次。每次在采集超声信号时保持探头不动，减少不同位置的散射系数不同带来误差影响，采用的耦合剂为硅脂，实验过程中保持探头与液罐壁之间耦合良好，同时确保施加在探头上的力是相同的，避免由于耦合造成误差，探头完全在液体上方和探头完全在液体下方的信号采集次数不少于五组。
采用直径为1m、高度为1m、厚度为0.01m的半圆柱液罐，采用频率为0.5MHz的超声波探头，探头中心位于地面高度50cm处，探头高度为3cm，为了尽可能保证实验条件相同，利用夹具将探头固定在液罐壁外侧，使用硅脂作为耦合剂，使得探头和液罐壁耦合良好。
仪器装置连接将Panametrics-NDT 5077PR超声波脉冲发射/接收仪通过Tektronix-DPO5034B数字示波器，再将中心频率为0.5MHz的探头与超声波脉冲发射/接收仪连接后置于液罐壁外侧面，使接探头与液罐壁用耦合剂(硅脂)耦合接触，探头发射超声波脉冲信号后接收到回波信号，通过与超声波脉冲发射/接收仪连接的示波器对回波信号进行采样：
首先在采集点涂抹均匀耦合剂(硅脂)并将探头放置于采集点上，利用夹具进行固定，保证探头与容器壁外侧表面紧密贴合且探头每次受到的压力相同，以便获取较好的回波信号；
标定获取W有和W无；
通过探头采集液罐探测位置的超声信号能量；
对超声信号能量按照步骤2.1)-2.5)进行去噪处理，参见表1，表中固有模态函数用IMF表示，计算固有模态函数与超声信号的相关系数；去燥后得到超声信号能量；
表1：固有模态函数与超声信号的相关系数
将超声信号能量代入探头能量与等效占比面积模型中，参见表2，得到超声信号能量随液位的变化值。
表2：超声信号能量随液位的变化值
通过表2可以看出，对于该实验，误差小于3毫米，部分数据显示可达到0.3mm的误差，其中去除测量误差外，本发明可以实现对较为微小变化的液位的精准定位。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立探头能量与等效占比面积模型；
式中，rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m；
2)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，并计算超声信号能量；
3)将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。
2.如权利要求1所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述步骤1)建立探头能量与等效占比面积模型的具体过程为：
1.1)确定探头接收的总回波声压p总；
1.2)根据探头接收的总回波声压p总计算探头接收到的待测超声信号能量W：
式中，pe为探头表面的有效声压，pa；p总为探头接收到的总回波声压，pa；T为探头接收总回波声压的平均时间，s；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；s1为探头发射端面的面积，m2；ρ0为液罐的密度，kg/m3；c0为液罐的声速，m/s；
1.3)根据探头接收到的待测超声信号能量W建立探头能量与等效占比面积模型；
式中，rs为无液体区域和投射区域重合部位的面积与投射区域面积的比值，无量纲；投射区域是指探头在液罐内壁面上的投射区域；W有为标定的液罐中充满液体时探头接收的超声信号能量，J；W无为标定的液罐中无液体时探头接收的超声信号能量，J；W为探头接收到的待测超声信号能量，J；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m；a'为投射区域的高度，m；h'为投射区域的长度，m。
3.如权利要求1或2所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
2.1)通过探头采集液罐探测位置的超声信号，对采集的超声信号进行变分模态分解，得到固有模态函数；
2.2)确定固有模态函数与超声信号的相关系数，通过快速傅里叶变换得到各固有模态函数的频谱图；
2.3)根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数分为纯固有模态函数、噪声固有模态函数以及含噪固有模态函数；
2.4)舍弃噪声固有模态函数，对含噪固有模态函数进行小波阈值去噪，得到去噪后的含噪固有模态函数；
2.5)将纯固有模态函数和去噪后的含噪固有模态函数进行重构，计算重构后的超声信号能量，即为液罐探测位置的超声信号能量。
4.如权利要求3所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述步骤2.2)中固有模态函数与超声信号的相关系数确定过程为：
式中，r为固有模态函数与超声信号的相关系数，无量纲；X为探头采集的超声信号，V；Y为固有模态函数，V；N为X和Y的采样点数，个；其中，X和Y的采样点数是相等的。
5.如权利要求3所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述步骤2.3)具体为：
根据固有模态函数与超声信号的相关系数以及固有模态函数的频谱图对固有模态函数进行分类，将固有模态函数与超声信号的相关系数大于0.8且固有模态函数的频谱图包含于探头工作频率范围内的模态分为纯固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数小于0.15且固有模态函数的频谱图不包含于工作频率范围内的模态分为噪声固有模态函数；将固有模态函数与超声信号的相关系数≤0.8且≥0.15以及固有模态函数的频谱图包含于工作频率范围内的模态分为含噪固有模态函数。
6.如权利要求3所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：基于无液体区域和投射区域重合部位的面积与探头接收到的待测超声信号能量之间的等效关系，将步骤2)计算的超声信号能量代入步骤1)中的探头能量与等效占比面积模型中，计算等效占比面积的液罐液位。
7.如权利要求6所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述等效占比面积的液罐液位计算公式为：
A＝a'-Δd
A为投影区域对应的液罐液位高度，m；a'为投射区域的高度，m；Δd为无液体区域和投射区域重合部位的高度，m。
8.如权利要求1所述的基于探头能量在液罐内壁上等效占比面积的液位检测方法，其特征在于，所述W有和W无的标定过程为：当液罐中无液体时，将探头水平放置在液罐标定位置对应的外壁上，向液罐中不断地加入液体，当探头接收到的超声信号能量开始变化时，记录此时的超声信号能量为W无，继续加入液体，直至探头接收到的超声信号能量不再变化，记录此时的超声信号能量为W有。
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