基于超聲回波衰減信息的超聲液位檢測方法

　　超聲傳播中遇到兩種不同聲阻抗物質(zhì)構成的交界面( 即異質(zhì)界面) 將發(fā)生反射、折射、透射及波型轉換多種現象，下面是小編為大家推薦的一篇探究超聲回波衰減信息的超聲液位檢測的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　目前，廣州地區有不少電纜終端為充油瓷套型，即在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣上套裝應力錐、瓷套，密封后充滿(mǎn)硅油或其他絕緣介質(zhì)[1 -2].瓷套內填充的硅油作為絕緣和冷卻介質(zhì)，與其他絕緣件等構成電纜終端的絕緣系統。充油電纜終端接頭一般沒(méi)有外置油壓補償裝置，漏油是困擾電纜運行安全的問(wèn)題之一。終端內油量減少會(huì )導致電場(chǎng)分布改變，嚴重時(shí)導致接頭擊穿[3].雖然現在干式終端接頭正在投入使用，但充油終端的大量存在使得終端滲油在很長(cháng)一段時(shí)間內還是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。滲漏是一個(gè)持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)程，如果能夠在巡檢時(shí)對油面高度進(jìn)行檢測，就可判定該瓷套是否存在滲漏現象，以及所剩油量是否在安全高度范圍內�，F行電纜終端內部油面高度的檢測方法需要將電纜終端瓷套打開(kāi)來(lái)檢測油面高度，這是一種離線(xiàn)檢測方法，因此無(wú)法在巡檢時(shí)帶電檢測油位。紅外法[4]雖可帶電觀(guān)測套管內油位，但受環(huán)境溫度和周?chē)�紅外射線(xiàn)干擾等外界因素影響，檢測結果易出現偏差，存在一定局限性。所以有必要尋求一種不打開(kāi)電纜終端就能檢測其油面高度的有效方法，以確保電纜終端正常工作。

　　本文基于對超聲波在陶瓷/硅油界面、陶瓷/空氣界面的反射、透射及衰減特性的研究，提出了一種基于超聲回波衰減信息的超聲液位檢測方法，模擬瓷套和實(shí)體瓷套實(shí)驗顯示了該方法的有效性。

　　1 終端油位超聲檢測的基本原理

　　超聲傳播中遇到兩種不同聲阻抗物質(zhì)構成的交界面( 即異質(zhì)界面) 將發(fā)生反射、折射、透射及波型轉換多種現象。同時(shí)由于聲波散射、吸收、聲束擴散等原因，聲波能量會(huì )衰減[5 -8].瓷套內某位置無(wú)油，則構成陶瓷/空氣( 簡(jiǎn)稱(chēng)固/氣) 界面，否則構成陶瓷/絕緣油( 簡(jiǎn)稱(chēng)固/液) 界面。超聲波在不同異質(zhì)界面下的聲壓、聲強反射率和透射率差異取決于兩種介質(zhì)聲阻抗[9 -10].

　　檢測時(shí)，按照圖 1 所示，將換能器耦合在瓷套管外壁某個(gè)位置，換能器發(fā)出超聲波，聲波在管壁中傳播，在管壁與內部介質(zhì)構成的界面處發(fā)生發(fā)射和透射，一部分聲能反射回來(lái)，形成界面回波，另一部分聲能透射到管內介質(zhì)中去。通過(guò)管壁在對超聲反射回波特性的分析可區分該位置是固/氣或固/液界面，進(jìn)而確定絕緣油位置即液面位置。

　　對瓷套內的固 / 氣和固 / 液界面，由聲波垂直入射到異質(zhì)界面的聲壓反射率 r 可由式( 1) 計算【1】

　　考慮到電工陶瓷固體的聲阻抗 Z1近似為 2. 6 ×107kg / m2s,空氣聲阻抗 Z2= 4. 3 × 102kg / m2s,絕緣油液體聲阻抗 Z2= 2. 4 × 106kg / m2s[9].計算可知，超聲波在固/氣界面的聲壓反射率r 約為 100% ,而在固 / 液界面的聲壓反射率為83% ; 固 / 氣界面聲能透射率為 0. 006 6% ,而在固/液界面聲能透射率為 30%.理論上利用這種差異可區分固/液、固/氣界面。

　　2 超聲檢測瓷套終端油位試驗

　　為研究超聲方法確定高壓電纜終端瓷套內硅油液面高度的可行性，本文在陜西省超聲學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室進(jìn)行了油位超聲檢測試驗，為方便尋找規律和對比，分別選用了兩種實(shí)驗樣品，一種為仿圓柱曲面的陶瓷套管( 以柱形陶瓷杯代替) ,另一種樣品為來(lái)自變電站現場(chǎng)的瓷套。

　　2. 1 試驗裝置

　　試驗所用儀器有： 超聲信號發(fā)生與接收器、數字示波器和超聲直探頭( 型號： 5PΦ10Z) .超聲信號發(fā)生與接收器產(chǎn)生高頻電脈沖信號，激勵超聲探頭，探頭中的壓電晶片將該電信號轉換成超聲信號，聲信號經(jīng)蜂蜜耦合進(jìn)入被檢樣品內并在樣品內傳播，遇到異質(zhì)界面發(fā)生反射，反射波被超聲換能器接收并接入數字示波器觀(guān)察回波信號。

　　2. 2 結果及討論分析

　　2. 2. 1 固 / 氣、固 / 液界面回波高度變化 為便于絕緣油的灌入，同時(shí)保證耦合狀態(tài)的一致性，選用壁厚均勻且厚度為 2. 5 mm 的柱形陶瓷杯代替瓷套管，蜂蜜作為耦合劑將超聲探頭耦合于圓柱外表面。相同檢測及靈敏度條件下，測定在瓷杯同一位置處未加油( 固/氣界面) 與加油后( 固/液界面) 第一次界面回波高度差異�？紤]到瓷杯壁厚小，多次回波干涉破壞了回波幅度變化的單調性，因而主要考慮第一次界面回波高度的變化。

　　實(shí)驗發(fā)現，未加油時(shí)，調整第一次界面回波高度為滿(mǎn)刻度的 60%,慢慢注入絕緣油，探頭位置、耦合及儀器狀態(tài)保持，當油位高出探頭所在水平高度后，讀取此時(shí)第一次界面高度位置，約為滿(mǎn)刻度的 48%.可見(jiàn)，同一位置處固/氣、固/液第一次界面回波高度發(fā)生變化，且固/液界面的第一次界面回波高度較固/氣界面下降，下降比例為20% ,用分貝表示的這種下降數為【2】

　　其中，h1為固 / 液界面第一次界面回波高度，h2為固 / 氣界面第一次界面回波高度。

　　實(shí)驗表明，在良好穩定耦合條件下，固/氣界面與固/液第一次界面回波高度存在差異，絕緣油的加入，使界面回波高度下降。本次實(shí)驗測得固/液界面較固/氣界面第一次界面回波高度下降約20% ,前面理論計算固 / 氣、固 / 液界面聲壓發(fā)射率分別為 100% 和 83%,差異為 17%,與理論計算結果基本一致。程明等[4]在壁厚20 mm、直徑0. 3m 的圓柱陶瓷罐體上的實(shí)驗也表明，管內有變壓器油和沒(méi)有變壓器油相比，不僅回波信號高度下降，而且回波信號在頻域也有大幅度下降。值得注意的是，超聲回波高度對耦合狀態(tài)敏感，尤其對曲面結構，耦合狀態(tài)穩定性不易保證，回波幅度 1 -2dB 的微小差異很容易被耦合不良引起的幅度差異所淹沒(méi)�？梢�(jiàn)，基于超聲界面第一次回波高度的變化確定液位的方法從理論上可行，但在實(shí)際操作中并不是非常有效，從而使其應用受限。

　　2. 2. 2 固 / 氣、固 / 液界面多次回波衰減特征 為研究超聲法在瓷套式終端油位檢測的有效性，取來(lái)自現場(chǎng)的一瓷套管，高 1 350mm,上端外徑180mm,壁厚 22mm,下端外徑 270mm,管內注入硅油高度約 50cm,見(jiàn)圖 2.在瓷套管的上端( 位置 1,固/氣界面) 和下端( 位置 2,固/液界面) 分別進(jìn)行檢測。

　　當探頭置于圖 2 所示位置 1 時(shí)，固/氣界面產(chǎn)生多次界面回波，B1,B2,B3,…分別表示第 1 次，當探頭置于圖 2 所示位置 2,即固/液界面時(shí)，回波次數較固/氣界面明顯減少，從第 2 次反射回波就出現明顯的差異性，其高度下降顯著(zhù)，第三次界面回波能量由于透射衰減幾乎消失( 見(jiàn)圖4) .這一點(diǎn)其實(shí)從陶瓷 / 絕緣硅油這一固 / 液界面的聲能透射率的計算也可理解，每次聲波入射到該固液界面一次，約 30% 的能量透射到絕緣油中去，僅經(jīng) 3 次，能量就會(huì )衰減殆盡。與陶瓷/空氣這一固/氣界面聲能透射率 0. 006 6% 相比，衰減速度非常之快。保證耦合狀態(tài)良好，更換不同規格的超聲探頭，在以上兩個(gè)位置進(jìn)行多次試驗，所得規律基本一致。若將兩種情況下的多次回波峰值點(diǎn)連接成曲線(xiàn)，可得固/液、固/氣界面回波幅度下降曲線(xiàn)，如圖 4 所示，兩條曲線(xiàn)斜率差異顯著(zhù)，固/液界面衰減迅速�？梢�(jiàn)，陶瓷/硅油與陶瓷/空氣兩種界面上產(chǎn)生的界面回波次數和回波幅度高低有明顯的差異，且由多次界面回波峰構成的曲線(xiàn)斜率差異更是明顯。因而根據回波次數和回波峰構成的曲線(xiàn)斜率參數可作為不同界面評判的依據。

　　3 結 語(yǔ)

　　由圓柱瓷杯試驗以及現場(chǎng)瓷套式終端試驗表明，在保持探頭與界面耦合良好的前提下，界面超聲回波衰減特性可以作為陶瓷/空氣界面與陶瓷/硅油界面區分的標志。由于瓷套式終端外形結構復雜，要將該方法用于實(shí)際運行中瓷套式終端油位的檢測，還需要對如下問(wèn)題進(jìn)行深入試驗研究：

　　1) 試驗中超聲探頭所放置的兩個(gè)位置是瓷套的傘群起始與終了區域，外觀(guān)平整，探頭安放易于實(shí)現，耦合狀態(tài)也可得到保證; 但在中部?jì)蓚闳褐�間區域，空間位置不僅狹小且是三維曲面，探頭難以與瓷套壁保持穩定、良好的耦合，所以要解決的第一個(gè)問(wèn)題是超聲探頭與被檢瓷套的耦合問(wèn)題。

　　2) 在役瓷套管壁沿管軸方向，厚度和外徑都不同，因曲率不同造成的耦合狀態(tài)變化和管壁厚度不同從而又會(huì )造成的聲程衰減變化等都會(huì )引起衰減規律擾動(dòng)。所以需要對超聲檢測時(shí)整個(gè)瓷套范圍內由耦合、壁厚差異造成的誤差進(jìn)行理論估算，通過(guò)給不同部位回波信號進(jìn)行適當修正，以保證整個(gè)瓷套范圍評價(jià)的一致性。

　　3) 在瓷套各部位開(kāi)展更加細致、深入、系統的試驗研究，建立超聲在陶瓷/空氣界面與陶瓷/硅油界面回波衰減規律和頻域變化等信息的數據庫，為區分空氣/硅油界面設立可靠評定基準。

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