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    重庆时时彩2018放假: 一种超声检测充油瓷套内油位的方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201610143095.1

    申请日:

    2016.03.14

    公开号:

    CN105606181A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01F 23/296申请日:20160314|||公开
    IPC分类号: G01F23/296 主分类号: G01F23/296
    申请人: 陕西师范大学
    发明人: 王成会; 莫润阳; 马雪艳; 魏文君; 梁双龙
    地址: 710062 陕西省西安市长安南路199号
    优先权:
    专利代理机构: 西安永生专利代理有限责任公司 61201 代理人: 曹宇飞
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610143095.1

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.03.29|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    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pri并对其进行对数运算、(3)以回波次数i和回波相对幅度Δri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。

    权利要求书

    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pri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Δri为:
    Δri=lnpri
    pri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Δri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Δri,以回波次数i为横坐标、回
    波相对幅度Δri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:
    k = 1 i Σ 1 n 1 n p r ( i + 1 ) p r i = 1 i Σ 1 n ( Δr i + 1 - 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 = 1 + e k 1 - e 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 = 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:
    pr(i+1)=rprie-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:
    k b = l n k - 2 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°。

    说明书

    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pri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Δri为:

    Δri=lnpri

    pri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Δri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Δri,以回波次数i为横坐标、回
    波相对幅度Δri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:

    k = 1 i Σ 1 n 1 n p r ( i + 1 ) p r i = 1 i Σ 1 n ( Δr i + 1 - 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 = 1 + e k 1 - e 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 = 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 r i e - 2 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:

    k b = l n k - 2 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pri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 = p r p o = Z 2 - Z 1 Z 2 + Z 1 ]]>

    若用pr表示反射波声压幅值,po表示入射波声压幅值,pri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:

    pr1=rp0

    pr2=rpr1=r2p0

    pr3=rpr2=r3p0


    prn=rpr(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Δrn:

    Δr1=lnpr1,Δr2=lnpr2,...Δrn=lnprn

    (3)以回波次数I和回波相对幅度Δri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Δri,以回波次数i为横坐标、回
    波相对幅度Δri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:

    k = 1 i Σ 1 n 1 n p r ( i + 1 ) p r i = 1 i Σ 1 n ( Δr i + 1 - 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 = l n | Z 1 - Z 2 Z 1 + Z 2 | ]]>

    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 = 1 + e k 1 - e 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 = 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
    Px=P0e-αx得到在检测点处的各截面反射回波声压幅值为:

    pr1=rp0e-2αT,

    pr2=rpr1e-2αT=r2p0e-4αT

    pr3=rpr2e-2αT=r3p0e-6αT


    prn=rpr(n-1)e-2αT=rnp0e-2nαT

    式中,P0是初始声压幅值,x是传播距离,Px是声波传播到距离探头中心
    线x时的声压幅值,α为瓷套管壁材料的声衰减系数,Pr1为第1次界面反射回
    波信号的声压幅值,Pr2为第2次界面反射回波信号的声压幅值,Pr3为第3次
    界面反射回波信号的声压幅值,Prn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:

    k b = l n k - 2 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 = 1 + e k b 1 - e 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。

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    一种 超声 检测 充油瓷套内油位 方法
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