【摘要】：在石油、化工、航天等領(lǐng)域,密閉容器中的液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控和精確測量,是工業(yè)自動(dòng)化及安全生產(chǎn)的重要保障。在實(shí)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(shè)備和傳感器安裝在容器內(nèi)部,這對(duì)于一些特殊行業(yè)的液位測量,特別是容器內(nèi)儲(chǔ)放有高溫高壓、易燃易爆、高腐蝕性、強(qiáng)揮發(fā)性的液體時(shí),容易造成泄露事故,發(fā)生故障后維護(hù)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(huì)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(biāo)和可靠性要求的特殊測試場合提供研究基礎(chǔ)。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(duì)圓形活塞式換能器在容器壁中的輻射聲場進(jìn)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(chǔ)上,提出了能量圓的概念及其計(jì)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(chǔ)的回波聲壓計(jì)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(jìn)行了液位測量的仿真實(shí)驗(yàn),使用模型中的方法計(jì)算得出了回波聲壓的大小,并分析了其在整個(gè)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(duì)回波聲壓計(jì)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(dǎo)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(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),使得探頭表面的受力力度在整個(gè)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(chǔ)上,使用改進(jìn)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(shí)的液位測量問題。論文通過一系列的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn),模擬和驗(yàn)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(bǔ)。最后,根據(jù)理論模型的分析及仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)完成了超聲波液位儀的軟硬件總體方案,在此基礎(chǔ)上制作了樣機(jī),并使用該樣機(jī)對(duì)所建立的模型進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)共分為三個(gè)部分進(jìn)行。第一部分,使用直徑大小不同的兩種改進(jìn)后的雙晶單探頭換能器,分別在四組不同壁厚條件下,對(duì)容器內(nèi)部液位進(jìn)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(duì)回波聲壓的計(jì)算以及檢測分辨率的影響。實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jìn)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(duì)該方法的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中選用了兩組不同排列規(guī)則的傳感器進(jìn)行液位的檢測,詳細(xì)討論和分析了不同排列規(guī)則下的檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)需求。同時(shí),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(gè)檢測過程中,不需要保持在一個(gè)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(zhǔn)確和可靠。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：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(huì)有一些特殊的應(yīng)用場合，對(duì)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(jìn)劑貯儲(chǔ)放過程中，對(duì)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(yīng)用特性，使得被測液體必須處于一個(gè)大尺度、密閉、低溫、高壓環(huán)境電、磁等危險(xiǎn)部件，不能發(fā)生碰撞，對(duì)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(dòng)機(jī)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(fù)載，而且對(duì)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(huì)經(jīng)常性發(fā)生傳感器失效等故

中北大學(xué)學(xué)位論文：輻射法主要利用同位素衰減時(shí)產(chǎn)生的輻射射線，在穿透被測液化特性來實(shí)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(dòng)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(jì)、電導(dǎo)式液位開關(guān)、磁計(jì)、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)。

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本文編號(hào)：2731497