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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。提高了液罐液位的检测精度。提高了液罐液位的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于无损检测
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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，本专利技术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。
[0005]本专利技术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：
[0006]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：
[0007]1)建立探头能量与等效占比面积模型；
[0008][0009]式中，r
s
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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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：
[0013]1.1)确定探头接收的总回波声压p
总
；
[0014]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：
[0015][0016][0017]式中，p
e
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；
[0018]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；
[0019][0020]式中，r
s
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。
[0021]进一步限定，所述步骤2)具体为：
[0022]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；
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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。
[0027]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：
[0028][0029]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。
[0030]进一步限定，所述步骤2.3)具体为：
[0031]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。
[0032]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。
[0033]进一步限定，所述等效占比面积的液罐液位计算公式为：
[0034]A＝a'
‑
Δd
[0035]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。
[0036]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
。
[0037]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0038]1、本专利技术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；采集液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，r
s
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：计算探头接收到的待测超声信号能量W：式中，p
e
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，r
s
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺西平，张跳跳，刘昱，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：