一種超聲檢測充油瓷套內(nèi)油位的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于充油瓷套管的油位檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲法檢測充油瓷套 內(nèi)油位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，各變電站的電纜終端都用充油瓷套管進行絕緣。但是，瓷套管內(nèi)絕緣油會因 漏油而導(dǎo)致液位降低，油位過低電場分布會改變甚至發(fā)生擊穿事故，因而必須經(jīng)常在線監(jiān) 測油位。由于瓷套管是外圓周分布有大量傘群的密閉結(jié)構(gòu)，外形結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性使傳統(tǒng)的 外貼式液位計測量無法實現(xiàn)。目前在線解決此問題的方法主要是利用在陶瓷/空氣界面和 陶瓷/油界面超聲反射回波能量差異對瓷套內(nèi)油位進行檢測，但回波能量幅度差異易受表 面耦合、瓷套壁厚變化、瓷套壁內(nèi)余振波干涉、絕緣油老化等影響使信號不穩(wěn)定易出現(xiàn)誤 判，嚴重時甚至掩蓋這種差異甚至無法實現(xiàn)。
[0003] 鑒于上面方法的不足，本專利提出一種利用超聲波在界面多次反射回波衰減特性 確定油位的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種不受虛假回波干擾、靈敏度高、結(jié)果 可靠的超聲檢測充油瓷套內(nèi)油位的方法。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:該超聲檢測充油瓷套內(nèi)油位的方法 由以下步驟組成：
[0006] (1)采集界面的多次反射回波信號
[0007] 將超聲換能器的超聲探頭在檢測點處與瓷套管外壁耦合，并發(fā)射超聲波進入瓷套 管壁，并在瓷套管壁內(nèi)傳播，按照常規(guī)方法提取η次界面反射回波信號，η為回波次數(shù)，且n> 1;
[0008] (2)提取η次界面反射回波的聲壓幅值pri并對其進行對數(shù)運算
[0009] 提取步驟(1)所接收的η次界面反射回波信號的聲壓幅值，按照下述公式對其進行 對數(shù)運算，得到第i次界面反射回波的相對幅度△ "為：
[0010] Ari = ln pri
[0011] pri是第i次界面反射回波信號的聲壓幅值，i為1，2,3···η;
[0012] (3)以回波次數(shù)i和回波相對幅度為坐標描點并進行線性擬合，計算反射聲波 的平均聲壓衰減率fc
[0013] 根據(jù)步驟(2)得到i次回波的相對幅度△"，以回波次數(shù)i為橫坐標、回波相對幅度 Δ"為縱坐標，形成一系列離散點，利用最小二乘擬合將這些點擬合成一條直線，所得直線 斜率為反射聲波的平均聲壓衰減率?，表示為：
[0015] (4)利用反射聲波的平均聲壓衰減率石計算瓷套管內(nèi)介質(zhì)的特性阻抗22根據(jù)步驟
(3)得到的反射聲波的平均壓衰減率/7值大小和公式 ，得到瓷套管內(nèi)介質(zhì) 的特性阻抗22為：
[0017] &為瓷套管壁材料的特性阻抗，Z2為瓷套管內(nèi)介質(zhì)的特性阻；
[0018] (5)評定瓷套管內(nèi)介質(zhì)
[0019] 將步驟(4)所得瓷套管內(nèi)介質(zhì)特性阻抗Z2與特定溫度下空氣的特性阻抗標準值進 行比較，若結(jié)果相近，即可判斷出瓷套管內(nèi)的介質(zhì)為空氣，否則為液體；
[0020] (6)瓷套管內(nèi)液位確定
[0021] 若檢測點的介質(zhì)評定結(jié)果為液體，則在其相鄰的傘裙上方重復(fù)步驟（1)~(5)進行 檢測;若檢測點的介質(zhì)評定結(jié)果為氣體，則在其相鄰的傘裙下方重復(fù)步驟（1)~(5)進行檢 測，直至確定瓷套管內(nèi)液位的高度。
[0022] 考慮壁厚對檢測結(jié)果的影響，在步驟(3)之后還包括步驟(a)，根據(jù)瓷套管壁厚變 化對反射聲波的平均聲壓衰減率石進行補償，得到壁厚補償后的&，具體為：
[0023] (al)將瓷套管簡化成空心圓錐臺結(jié)構(gòu)，其壁厚T隨著高度發(fā)生變化，設(shè)定檢測點與 瓷套管上端面的垂直距離為L，則壁厚T與檢測點距瓷套管上端面的垂直距離L之間的關(guān)系 為：
[0025] h為瓷套管的總高度;R為瓷套管的最大壁厚;To為瓷套管的上端面對應(yīng)的壁厚；
[0026] (a2)考慮聲波在介質(zhì)中的衰減，則在檢測點處的第i+Ι次與第i次界面反射回波聲 壓幅值有下列關(guān)系：
[0028] 式中，α為瓷套管壁材料的聲衰減系數(shù)；
[0029] (a3)根據(jù)步驟(3)的計算公式可得到壁厚補償后的反射聲波平均聲壓衰減率^ 為：
[0031] 上述超聲探頭采用縱波探頭，頻率為1.25~7.5MHz，晶片長度為4~8mm。
[0032] 上述縱波探頭是縱波直探頭或縱波小角度探頭，縱波小角度探頭的角度為6~8°。
[0033] 本發(fā)明的超聲檢測充油瓷套內(nèi)油位的方法是利用超聲在異質(zhì)界面多次回波衰減 特性計算瓷套管內(nèi)介質(zhì)特性阻抗從而評定介質(zhì)類型，實現(xiàn)充油瓷套內(nèi)絕緣油位高度檢測的 新方法，這種方法屬于非介入型，沒有安全隱患，操作簡單方便，靈敏度高，而且克服了瓷套 厚度變化引起的誤差。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：
[0035] 1)安全環(huán)保：由于測量探頭和儀表都在容器外，無需再容器上開口，因此實施檢測 操作時不接觸瓷套內(nèi)的液體，是一種完全非介入式超聲檢測方法，非常安全，而且也無需打 開瓷套，確保液體不會泄漏，污染環(huán)境。
[0036] 2)高靈敏:在隊瓷套壁內(nèi)介質(zhì)性質(zhì)的評定中，采用與空氣標準特性阻抗比對的方 法，由于空氣和油的阻抗差異是4~5個數(shù)量級，所以這種比對評定方法靈敏度極高。
[0037] 3)可靠:利用多次回波衰減率反演容器內(nèi)介質(zhì)的阻抗，由于該法利用多次反射回 波擬合衰減率，還對壁厚差異進行了靈敏度補償，不僅克服了根據(jù)回波能量方法因液體聲 速改變、瓷套壁厚變化等帶來的回波能量影響及評判困難等局限性，還克服了單次回波信 號幅度差異小，易受耦合影響，同時還消除了容器壁余振，虛假回波等干擾，使之能夠可靠 處理各種復(fù)雜的現(xiàn)場工況，得出穩(wěn)定、可靠、準確的測量結(jié)果。
【附圖說明】
[0038]圖1是實施例1中在檢測點處所采集的界面多次回波。
[0039]圖2是兩種介質(zhì)界面上超聲波多次回波形成原理圖。
[0040]圖3是瓷套管的壁厚補償原理圖。
[0041 ]具體實施方法
[0042]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳述，但是不僅限于下述的實施方式。 [0043] 實施例1
[0044]本實施例以110KV瓷套充油式戶外終端為例，超聲檢測充油瓷套內(nèi)油位的方法由 以下步驟實現(xiàn)：
[0045] (1)采集界面的多次反射回波信號
[0046] 將超聲換能器的超聲探頭在檢測點（陶瓷壁厚T = 20.41_)處與瓷套管外壁耦合， 利用多功能超聲信號發(fā)射接收卡內(nèi)部發(fā)射電路發(fā)射電脈沖傳到發(fā)射探頭，激勵發(fā)射探頭的 壓電晶片振動，發(fā)射超聲波，超聲波進入瓷套管壁并在瓷套管壁內(nèi)傳播，由于瓷套管與管內(nèi) 介質(zhì)的特性阻抗差異，超聲波在瓷套管內(nèi)壁與管內(nèi)介質(zhì)臨接的界面上聲波發(fā)生反射，如此 循環(huán)，形成界面多次反射回波，參見圖1和2,聲波在界面處反射回來后又被接收探頭接收， 接收探頭內(nèi)的壓電晶體片將反射波變?yōu)殡娦盘?，多功能超聲信號發(fā)射接收卡內(nèi)部的接收電 路將接收來自接收探頭的電信號，并進行放大，檢波;單片機對信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并將其輸 送給信號處理器，如此循環(huán)，提取到界面上η次反射回波信號，η為回波次數(shù)，且η>1。
[0047] 本實施例中所選用的發(fā)射探頭和接收探頭均為7.5ΜΗζ、Φ 10的縱波直探頭，其晶 片長度為6mm。
[0048] (2)提取η次界面反射回波聲壓幅值pri并對其進行對數(shù)運算
[0049] 信號處理器對所接收的η次界面反射回波信號進行分析，由于介質(zhì)的特性阻抗Z = Pc是一個常數(shù)，其是由介質(zhì)的性質(zhì)(介質(zhì)的密度P和介質(zhì)中的聲速c)決定的，因此，當超聲波 由介質(zhì)1垂直入射到另一種介質(zhì)2中時，在兩種介質(zhì)形成的界面上發(fā)生多次反射，反射信號 功率與入射信號功率比值的對數(shù)稱為回波損耗，這種損耗導(dǎo)致回波信號幅度的衰減，本實 施例中已知瓷套管的特性阻抗冗:、管內(nèi)介質(zhì)的特性阻抗Z 2 則在兩種介質(zhì)的界面處 聲壓反射率r可表示為：
[0051] 若用Pr表示反射波聲壓幅值，P。表示入射波聲壓幅值，pri為第i次界面反射回波聲 壓幅值，忽略壁厚衰減，則第1次、第2次、…第η次界面反射回波聲壓可依次表示為：
[0052] pri = rp〇
[0053] pr2 = rpri = r2p〇
[0054] pr3 = rpr2 = r3p〇
[0055] ···
[0056] prn = rpr(n-i)=rnp〇
[0057] 按照下述公式對其進行對數(shù)變換，得到各次回波的相對幅度Δ rn:
[0058] Δ rl - In Prl，A r2 - In Pr2，· · · A rn - In Prn
[0059] (3)以回波次數(shù)I和回波相對幅度為坐標描