[发明专利]冲击回波式液/料位探测方法及探测激振器

说明书

本发明是一种关于容器液/料位的连续测量及定点监测方法。

对于储液容器的液位测量，目前都采用浮子法或差压法，还有利用磁致伸缩、超声波、电容、射频导纳、微波雷达、光纤、辐射等方法，及音叉、振弦等基于频率或幅值的振动式测量方法。除辐射法外，上述方法都属于接触式测量，其仪器部件必需安装在容器内部，要么与液体介质接触，要么与容器内部上层空间的气相(如腐蚀性气体、粉尘)接触。因此，测量结果必然受容器内部工况、介质物性的影响。例如高粘度介质的粘结，会造成浮子动作失灵。而且，在不中断容器工作的前提下，仪器部件的拆装都非常困难，常因无法修复故障，使其工作寿命缩短。幅射法虽属非接触式测量，但会产生辐射污染，使用的很少。

对于储存固态、粉末介质(如粮食、粉尘)的容器的料位测量，目前多采用超声波、电容、射频导纳、微波雷达、辐射等方法。但因它们都是接触式测量，同样会受到工况、物性影响且难于维修。例如粉尘堆积的电极上，会导致电容式料位测量方法失效。

上述各种方法都是连续测量液/料位，得出定量的液/料位高度。而其中的浮子、音叉、插入杆等方法还可用于定点监测液/料位，定性地判断液/料位是否达到了标识高度。这些接触式测量方法用在定点监测的场合，仍然会存在上述缺陷。

本发明的目的在于给出一种利用冲击波、并分析波形中含有的回波成分，在储液/料容器外部探测其内液/料面位置的冲击回波式液/料位探测技术。

本发明基于波的反射/折射传播机理。对容器外壁进行激振，所产生的冲击波在容器内壁上的反射系数与介质接触状况有关。气相波阻抗远小于金属器壁的波阻抗，故在液/料位之上，内壁反射系数很大，冲击回波很强；液(固)相介质的波阻抗接近于金属器壁的波阻抗，故在液/料位之下，内壁折射系数大，反射系数很小，冲击回波几乎全部消失；在液/料位附近，是一个过渡区，回波存在但较弱。

连续测量液/料位时，先从容器顶部开始，用激振器在器壁外侧激振，产生冲击，同时用拾振器同步拾取冲击波形，计算机对冲击波形进行等周期采样，再利用小波变换将波形分解成一系列时/频域分布系数，然后利用小波重构算法得到原始波形的各阶逼近波形。由于冲击回波的存在，其中某一阶逼近波形中必然会出现一个峰值，即特征峰；激振器沿器壁向下移动一定距离，再进行激振、拾振、采样、分解、重构过程，其中某一阶逼近波形中再次出现特征峰，当仍有特征峰出现时就继续下移，进行激振、拾振、采样、分解、重构过程，直到逼近波形中的特征峰消失，说明该点的冲击波形中已没有回波成分，表明激振器已经下降到了液/料位之下，即到达了液/料面位置。测出激振器下降的总高度，并由容器总高度中减去这个下降高度，就是液/位的高度。

连续测量液/料位时，也可从容器底部开始，自下而上重复激振、拾振、采样、分解、重构过程。当逼近波形中的特征峰从无到有时，就说明激振器已经上升到了液/料面位置。测出激振器上升的总高度，就是液/料位的高度。

本发明不仅可以对储液/料容器内的液/料位进行连续测量，而且可以进行定点监测。例如对液/料位进行溢位监测和限位监测。此时，激振器被固定安装在器壁外的溢位口或限位口，即标识点处。不断地对器壁激振、拾振、采样、小波分解、重构，若重构后的某一阶逼近波形中总存在特征峰，表明液/料面尚未上升或下降到标识点高度；若特征峰消失了，表明液/料面已经上升甚至超过了标识点高度。这样，就能在容器外部定点、定性地监测容器内液/料面状态了。

本发明为了对容器的液/料位进行连续测量，设计了一种液/料位探测装置，主要包括计算机1、驱动电路2、位置伺服机构3和测试架4等四个单元。其中位置伺服机构单元由电机、导轨和传送带组成。测试架单元由激振器4-1和拾振器4-2组成。首先由计算机1发出指令信号，经驱动电路2放大，驱动位置伺服机构3，并拖动测试架4沿器壁一步一步上下爬动。当爬动完一步后，测试架4内的激振器4-1对容器外壁实施冲击，并由测试架内的拾振器4-2拾取冲击波形。然后将波形送入计算机1，由计算机对波形采样、分解和重构，分析是否存在特征峰，判断激振点位于液/料面之上还是之下。最后由计算机决定测试架继续爬动或是停止爬动。重复上述过程，直到特征峰从无到有、或从有到无，在这个转折点处的激振器位置就是液/料面位置。