CN113340380A - 一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面波模式转换测液面位置的方法，所述方法包括以下步骤：长方体波导杆垂直***液体底部，利用超声振动在波导杆表面激发表面波的模型；空气波导杆和浸液波导杆上接收到达的声波；在波导杆表面，沿声波传播路径取点的位移，分别得到空气波导杆中声表面波速度和浸液波导杆中斯通利波传播的速度。斯通利波到达波导杆底部的时间，结合表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置。本发明为测定液面位置提供了一种可靠的方法，为实现液面位置的在线检测提供指导依据。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测技术领域，特别是一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法。
背景技术
最传统液位测量方法为浮子法。这种方法主要是通过浮子会随着液位变低而降低的原理来测量的。具体测量方法为当液位增加或者在减少时，浮子会随着液位变化而变化。随着浮子的变化，浮子带动的电阻元件也会变化。而当液体极少时，液位将会变得很低，所以浮子也会随液位降低，也就带动了浮子上的电阻，在这个时候电阻阻值将会变得很大。在电路变得很大的情况下，电流会变得很小，指针会指向液位小的一边。另一种传统的测量液位的方法为霍尔元件进行测量。具体原理是当油箱内的燃油量增加或减少时，浮子会随着液位的变化而变化，也就会带动着浮子上的线性霍尔元件进行变化。当液体变得很少时，浮子就会随着液位的变低而降低。在这个时候浮子连杆上的磁铁将不会处在一个水平面上，在这个时候线性输出的霍尔元件与磁铁间的磁通量将会变大，从而引起分压电阻的变化，从而指向液位较少的一边。
超声类型是利用超声、空气耦合超声、浸没式超声传感器、引导超声经过的时间检测液位的方法。由于其使用简单、安全可靠，在许多应用中得到了广泛的应用。在使用空气耦合和浸没超声的情况下，需要定期进行维护。与此相反，超声引导方法只需要最小的维护量，并且可以鲁棒操作，因为超声波的来源很长一段时间内不需要暴露在液体罐中。引导超声有几种，如表面波、扭转波、横波等。我们特别关注表面波，主要存在于结构体表面中，沿波导杆表面传播。此外，表面波的速度相对于其他导波速度较慢，因此认为可以提高测量精度，这与测量设备的时间分辨率密切相关。此外，当表面波传播的波导浸入液体中时，表面波的速度降低。
但是，目前还并未有利用表面波模式转换测量液面位置的研究。液面位置测量在工业上经常会因为人为因素、仪器因素、环境因素等方面而产生误差，给生产应用带来不利，并且会一定程度上影响经济效益。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能用较少的测量参数较好的定位液面位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测的基于表面波模式转换检测液面位置的方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，包括以下步骤：
1)建立波导杆模型：长方体波导杆垂直***液体底部，利用超声振动在波导杆表面激发表面波的模型；
2)在空气波导杆上接收到达的声表面波；
3)根据步骤2)所获得的声表面波到达时刻，计算得到表面波的传播速度；
4)在浸液波导杆声波波传播路径逐点取位移，根据声波到达时刻与位置关系，得到声波在固-液表面传播的斯通利波的速度；
5)在浸液波导杆底部接收到达的斯通利波；
6)根据步骤5)所获得的斯通利波到达时刻，结合步骤3)和步骤4)所得到的表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置。
进一步的，所述表面波的模型中，通过不同点位移波形得到声波传播的速度。
进一步的，所述步骤3)中表面波在空气波导杆中传播速度具体方法如下：
表面波在波导杆表面传播时将会引起物体部分位移，通过测量声表面波到达时刻，得到空气波导杆中声表面波传播的速度。假设沿表面波传播方向取两个点x1和x2，其距离为Δx1＝x2-x1。表面波到达x1和x2的时间分别为t1，t2，其时间差为Δt1＝t2-t1，从而得到表面波在空气负载下的传播速度Vair＝Δx1/Δt1。
进一步的，所述步骤4)中斯通利波在固-液表面的传播速度具体方法如下：
在固-液表面传播的波为斯通利波。通过测量固-液表面声波的位移情况即可得出斯通利波在固-液表面的传播速度。沿斯通利波传播方向取两个点x3和x4，其传播距离为Δx2＝x4-x3；斯通利波到达x3和x4的时间分别为t3，t4，其时间差为Δt2＝t4-t3，从而得到斯通利波在固-液表面的传播速度Vliquid＝Δx2/Δt2。
进一步的，所述步骤6)根据斯通利波到达时刻、表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置，具体方法如下：
浸液波导杆底部接收到达的斯通利波的到达时刻为T，L为激发点距离波导杆底部的距离。假设H液体的深度，通过公式(L-H)/Vair+H/Vliquid＝T确定液面位置H，其中，Vair为表面波在空气波导杆的速度，Vliquid为表面波在液体波导杆的速度。
相比于现有技术，本发明的优点在于：由于表面波波在***液体中的波导杆中传播时，会由于液体的附加载荷，从而产生含有可用于判断液面位置的信息，通过预先测量的表面波在空气波导杆的传播速度，在固-液表面的传播速度和在声波到达浸液波导杆底部的时间便可以判断液面位置。本发明能用较少的测量参数较好的定位液面位置，且具有较高测量精度，可用于工业的在线监测。
附图说明
图1是本发明提供的利用表面波模式转换检测液面方法的一个实施例的流程示意图；
图2是液面测量模型示意图；
图3是声波传播波形。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
如图1所示，是本发明提供的利用表面波模式转换检测液面位置的一个实施例的流程示意图，一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，包括以下步骤：
1)建立波导杆模型：长方体波导杆垂直***液体底部，利用超声振动在波导杆表面激发表面波的模型；部分波导杆浸入液体中，声波激发位置置于空气中。
2)在空气波导杆上接收到达的声表面波；
3)根据步骤2)所获得的声表面波到达时刻，计算得到表面波的传播速度；沿表面波传播方向，在空气波导杆部分接收到表面波波形，计算表面波传播速度；表面波在波导杆表面传播时将会引起物体部分位移，通过测量声表面波到达时刻，得到空气波导杆中声表面波传播的速度。假设沿表面波传播方向取两个点x1和x2，其距离为Δx1＝x2-x1。表面波到达x1和x2的时间分别为t1，t2，其时间差为Δt1＝t2-t1，从而得到表面波在空气负载下的传播速度Vair＝Δx1/Δt1。
4)在浸液波导杆声波波传播路径逐点取位移，根据声波到达时刻与位置关系，得到声波在固-液表面传播的斯通利波的速度；在固-液表面传播的波为斯通利波。通过测量固-液表面声波的位移情况即可得出斯通利波在固-液表面的传播速度。沿斯通利波传播方向取两个点x3和x4，其传播距离为Δx2＝x4-x3；斯通利波到达x3和x4的时间分别为t3，t4，其时间差为Δt2＝t4-t3，从而得到斯通利波在固-液表面的传播速度Vliquid＝Δx2/Δt2。
5)在浸液波导杆底部接收到达的斯通利波；
6)根据步骤5)所获得的斯通利波到达时刻，结合步骤3)和步骤4)所得到的表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置。
浸液波导杆底部接收到达的斯通利波的到达时刻为T，L为激发点距离波导杆底部的距离。假设H液体的深度，通过公式(L-H)/Vair+-H/Vliquid＝T确定液面位置H，其中，Vair为表面波在空气波导杆的速度，Vliquid为表面波在液体波导杆的速度。
图2是液面测量模型示意图。其中波导杆直***容器底部，通过振动激发表面波，通过底部的接收器来接收声波；
图3是声波波传播波形。在浸液波导杆底部接收的波形图，纵坐标为声波位移，横坐标为时间；
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立波导杆模型：长方体波导杆垂直***液体底部，利用超声振动在波导杆表面激发表面波的模型；
2)在空气波导杆上接收到达的声表面波；
3)根据步骤2)所获得的声表面波到达时刻，计算得到表面波的传播速度；
4)在浸液波导杆声波波传播路径逐点取位移，根据声波到达时刻与位置关系，得到声波在固-液表面传播的斯通利波的速度；
5)在浸液波导杆底部接收到达的斯通利波；
6)根据步骤5)所获得的斯通利波到达时刻，结合步骤3)和步骤4)所得到的表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，其特征在于，所述表面波的模型中，通过不同点位移波形得到声波传播的速度。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤3)中表面波在空气波导杆中传播速度具体方法如下：
表面波在波导杆表面传播时将会引起物体部分位移，通过测量声表面波到达时刻，得到空气波导杆中声表面波传播的速度，假设沿表面波传播方向取两个点x1和x2，其距离为Δx1＝x2-x1，表面波到达x1和x2的时间分别为t1，t2，其时间差为Δt1＝t2-t1，从而得到表面波在空气负载下的传播速度Vair＝Δx1/Δt1。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤4)中斯通利波在固-液表面的传播速度具体方法如下：
在固-液表面传播的波为斯通利波，通过测量固-液表面声波的位移情况即可得出斯通利波在固-液表面的传播速度，沿斯通利波传播方向取两个点x3和x4，其传播距离为Δx2＝x4-x3；斯通利波到达x3和x4的时间分别为t3，t4，其时间差为Δt2＝t4-t3，从而得到斯通利波在固-液表面的传播速度Vliquid＝Δx2/Δt2。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面波模式转换检测液面位置的方法，其特征在于，所述步骤6)根据斯通利波到达时刻、表面波速度、斯通利波速度和声波激发的位置确定液面位置，具体方法如下：
浸液波导杆底部接收到达的斯通利波的到达时刻为T，L为激发点距离波导杆底部的距离，假设H液体的深度，通过公式(L-H)/Vair+H/Vliquid＝T确定液面位置H，其中，Vair为表面波在空气波导杆的速度，Vliquid为表面波在液体波导杆的速度。
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