【摘要】：在石油、化工、航天等領(lǐng)域,密閉容器中的液位的實時監(jiān)控和精確測量,是工業(yè)自動化及安全生產(chǎn)的重要保障。在實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中,一般要根據(jù)具體的測量環(huán)境來選取適合生產(chǎn)需求的測量方法。傳統(tǒng)的液位測量方法眾多,其檢測技術(shù)穩(wěn)定可靠,測量精度高,但這些方法一般都需要提前將部分或全部的檢測設備和傳感器安裝在容器內(nèi)部,這對于一些特殊行業(yè)的液位測量,特別是容器內(nèi)儲放有高溫高壓、易燃易爆、高腐蝕性、強揮發(fā)性的液體時,容易造成泄露事故,發(fā)生故障后維護難度大且成本過高。超聲波檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的非接觸和非浸入式測量,不會破壞容器的物理結(jié)構(gòu)和完整性,因此,論文基于超聲阻抗法提出了一種新的側(cè)入射超聲波液體界位測量模型,為滿足更高性能指標和可靠性要求的特殊測試場合提供研究基礎。首先,論文中使用基于近軸近似理論的多元高斯聲束模型,對圓形活塞式換能器在容器壁中的輻射聲場進行了模擬仿真,分析了超聲波束在固體中的傳播形狀和傳播特征,在此基礎上,提出了能量圓的概念及其計算方法,并根據(jù)固態(tài)介質(zhì)和液態(tài)介質(zhì)的超聲阻抗的不同特性,建立了以基爾霍夫近似理論為基礎的回波聲壓計算模型以及液位的確定方法。并通過MATLAB仿真,模擬了使用三種不同超聲阻抗的液體介質(zhì),分別在四組不同的壁厚條件下進行了液位測量的仿真實驗,使用模型中的方法計算得出了回波聲壓的大小,并分析了其在整個檢測過程中的變化特征,比較了三種不同液體的超聲阻抗對回波聲壓計算的影響。然后,討論了該模型中影響液位測量精度的主要因素,提出了消除這些不利影響的有效方法或優(yōu)化措施。為了解決超聲波探頭和容器壁之間的耦合不佳所導致的測量不穩(wěn)定和不可靠的問題,論文提出了兩種優(yōu)化方案。第一種方案,是在普通檢測探頭的基礎上進行了改進,使得探頭表面的受力力度在整個檢測過程中能保持均勻,保證了探頭和容器壁間耦合的一致性,能夠提高檢測的穩(wěn)定性和可靠性。第二種方案,在上述模型的基礎上,使用改進的多晶片(多探頭)組合換能器,并利用回波能量的平衡性原理來解決耦合條件不佳時的液位測量問題。論文通過一系列的MATLAB仿真實驗,模擬和驗證了該解決方案的可行性和有效性,該方法可以與第三章中的測量方法形成互補。最后,根據(jù)理論模型的分析及仿真實驗,設計完成了超聲波液位儀的軟硬件總體方案,在此基礎上制作了樣機,并使用該樣機對所建立的模型進行了一系列的實驗驗證,實驗共分為三個部分進行。第一部分,使用直徑大小不同的兩種改進后的雙晶單探頭換能器,分別在四組不同壁厚條件下,對容器內(nèi)部液位進行了測量,結(jié)合聲場的特性,討論和分析了不同大小的換能器對回波聲壓的計算以及檢測分辨率的影響。實驗結(jié)果表明,在靜態(tài)條件下,本論文所討論的測量模型,其檢測誤差總體上約小于±5mm,可以滿足設計要求。第二部分,使用了英國CLASS公司生產(chǎn)的PLI-D型液位儀,在相同的測試條件下進行了檢測,測量結(jié)果符合其本身的精度說明,檢測誤差基本保持在5~10mm的范圍內(nèi),略高于本論文中的測量方法的誤差。第三部分,使用多晶片(多探頭)組合換能器,同樣在四組不同壁厚條件下,對該方法的實用性進行了驗證。實驗中選用了兩組不同排列規(guī)則的傳感器進行液位的檢測,詳細討論和分析了不同排列規(guī)則下的檢測結(jié)果的準確性和有效性。實驗結(jié)果表明,該方法能夠有效地克服因耦合條件不佳所帶來的檢測問題,檢測誤差也小于±5mm,滿足設計需求。同時,該方法降低了傳感器的耦合要求,使得入射聲束的能量在整個檢測過程中,不需要保持在一個連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài),使得檢測操作更加方便靈活,檢測過程更加容易控制,檢測結(jié)果也更加穩(wěn)定、準確和可靠。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH816.2
【圖文】：

位測量的研究意義及背景在石油、化工、能源、航天等領(lǐng)域，通常會有一些特殊的應用場合，對液位測量儀器提出了特殊的要求[1,2]。例如在航天器的研制生產(chǎn)中，液體推進劑貯儲放過程中，對液體燃料的液位監(jiān)測是非常重要的[3,4]。由于其易燃易爆、超力等應用特性，使得被測液體必須處于一個大尺度、密閉、低溫、高壓環(huán)境電、磁等危險部件，不能發(fā)生碰撞，對于液位的測量方式以及測量原理都提要求[5-8]。例如，目前航天發(fā)動機采用的液位傳感器是專門定制的電容分節(jié)式傳感器和傳感器[9-11],圖 1.1 所示。由于其測量精度差，重量和體積較大，安裝不便，這了航天器的負載，而且對直接接觸的物料帶來了巨大的安全隱患。即使內(nèi)部傳感器，但由于溫度跨度大、易被腐蝕等原因，會經(jīng)常性發(fā)生傳感器失效等故

中北大學學位論文：輻射法主要利用同位素衰減時產(chǎn)生的輻射射線，在穿透被測液化特性來實現(xiàn)液位的測量，這些常見的射線包括 射線、 射線 是各種液位傳感器安裝比較示意圖。示意圖中大致包含了：投變送器、振動棒式料位及液位開關(guān)、音叉式料位開關(guān)、光電液位浮子式液位開關(guān)變送器、浮球液式位計、電導式液位開關(guān)、磁計、鍋爐水位控制器、超聲波液位開關(guān)變送器、電容式液位開關(guān)變送器、傾斜開關(guān)探頭、膜片料位開關(guān)、阻旋式料位開關(guān)。

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 王中華;容器壁厚的超聲監(jiān)測[J];中國設備管理;1991年08期

2 ;日本發(fā)展核電站退役設備[J];國外核新聞;1985年02期

3 曾贊文;周聽清;樊自建;;內(nèi)部爆炸作用下水介質(zhì)容器壁部動態(tài)響應數(shù)值模擬[J];工程爆破;2010年03期

4 王祥能;;合理確定壓力容器壁厚[J];化學工程與裝備;2010年01期

5 沈曉明;;中空成型容器壁厚均勻性探討[J];上海包裝;2006年02期

6 武東生;白廷柱;劉秉琦;周斌;劉洋;;光學窗口后向回波能量模型及特性研究[J];北京理工大學學報;2013年07期

7 葉承勇;;在用壓力容器壁厚校核參數(shù)選取[J];機電技術(shù);2014年02期

8 王繼常;第八講 : 真空系統(tǒng)設計[J];真空;1999年01期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 張斌;側(cè)入射超聲波液體界位檢測建模及關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中北大學;2017年

相關(guān)碩士學位論文 前9條

1 劉春龍;壓電式超聲波換能器測試方法的研究與設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

2 胡負稷;基于多諧振模態(tài)的寬帶縱振換能器研究[D];中國艦船研究院;2017年

3 唐立赫;用于DVL的換能器阻抗測試裝置設計與實現(xiàn)[D];哈爾濱工程大學;2015年

4 邵博函;基于數(shù)值傳熱的高溫液體容器壁厚監(jiān)測系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

5 肖成建;水溶液中痕量镅在容器壁上的吸附研究[D];中國工程物理研究院;2005年

6 榮杰;高頻超聲理療儀驅(qū)動電源設計[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

7 劉盛英杰;定向多探頭隨機超平面局部敏感哈希[D];華中師范大學;2017年

8 賈龍飛;對置式換能器陣聲場性能仿真與實驗[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

9 胡善峰;超聲波高效清洗電子連接器相關(guān)技術(shù)研究[D];安徽工業(yè)大學;2017年

本文編號：2731497