超声前沿 | 管道中非接触液位超声检测

精准监测密闭管道内流体液位对于石化、污水处理等行业至关重要。近日， IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control在线发表美国Los Alamos National Laboratory的封面文章，用超声实现非接触式低液位检测，从脉冲回波到谐振与相控阵成像。

技术亮点

一、所提出的基于谐振的方法和楔块式相控阵成像技术，相较于传统的脉冲回波方法，能够更准确、可靠地检测管道内的低液位。

二、基于谐振的方法通过测量流体中激发管道谐振模式的衰减，楔块式相控阵成像技术（采用全聚焦法，TFM）验证了在管道内检测低液位的可行性。

三、结果表明，基于谐振和相控阵的技术在需要定期监测液位的工业应用中表现出了良好的检测效率。

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一、摘要

在密闭管道中实现准确的流体液位评估，对于污水处理、石化工厂等行业至关重要。传统的脉冲回波飞行时间（time-of-flight）测量方法依靠超声传感器来检测液位，但在低液位情况下，由于信号中存在多次回波叠加和管壁谐振的干扰，测量极具挑战。

尽管通过如基线去除和远离管道谐振频率的窄带滤波等信号处理策略，能够在一定程度上改善脉冲回波测量，但在低液位检测方面，挑战依然存在。在本研究中，本文首先识别了传统脉冲回波技术的局限性，并提出了一种基于谐振衰减的超声检测方法，即便在低液位情况下也能实现准确且灵敏的检测。该方法基于流体存在时对管道谐振的衰减效应，并通过时域有限元仿真和利用传感器阵列进行的管道谐振实验进行了数值和实验验证。然而，无论是脉冲回波还是谐振检测技术，在实际应用前都需要对管道系统进行精确校准。为了解决这一问题，本文进一步提出了一种基于楔块的相控阵成像技术，采用全聚焦成像方法（Total Focusing Method, TFM）进行流体液位检测。本文讨论了楔块材料选择与阵列定位中的挑战，并通过数值仿真验证了TFM在低液位可视化方面的有效性，同时设计了选择性滤除成像伪影的策略。本研究提出的超声检测技术在需要非接触式流体液位测量的工业应用中具有重要意义。

二、背景概述

在密闭水平管道系统中，非接触式流体液位检测对于污水处理、石化、食品、制药和核工业等领域至关重要，涉及流体监测、废物检测和管道维护等应用。相较于电容式或光学传感器，超声传感器因其无需直接接触液体、成本低、适用范围广等优势，被广泛用于非侵入式检测。

传统的超声脉冲回波技术虽然被商业化应用，但在低液位检测中存在挑战：

1、液体界面回波易受到管壁多次反射和谐振的干扰，尤其在低液位时，信号混叠严重。

2、高频超声波在流体中的衰减显著，低频虽可穿透，但信号易受谐振影响。

三、主要结果与验证

1、改进脉冲回波法提升低液位检测能力

采用基线去除与窄带滤波策略，显著改善了信号质量。可检测最低10 mm到15 mm液位，但极低液位下仍有一定误差。

图1.实验中对充满水的不锈钢管进行了脉冲回波测量。(a)实验装置（左）和脉冲回波配置示意图（右）。(b)对空管（上）、水位为30毫米（中）和15毫米（下）时的脉冲回波测量，使用短三周期激励脉冲捕获，并显示了与激励信号、流体-空气界面的失真回波以及30毫米水位时初始管壁反射相对应的(c)频谱。

图2.用于改进实验脉冲回波测量的(a)信号处理策略，使用15 mm水位和(b)结果（蓝色）和所有测量水位的预期（黑色）CC包络所接收的脉冲回波波形进行演示。

2、基于谐振衰减方法实现高灵敏度液位估计

通过监测特定谐振模式（如LT6模式）在液体存在时的衰减，成功估计5–40 mm范围内液位。使用单对传感器旋转实验与16阵元固定阵列实验，均验证了方法的准确性。

图3.实验演示基于共振技术的双换能器液位传感。(a)实验装置示意图，便于管道旋转(θ)，发射(T)-接收(R)换能器对安装在管道上。(b)当两个换能器分别位于液柱上方（θ=90°）和下方（θ=20°）时，25毫米水位接收到的波形及其对应的频率谱。(d)不同液位下，管道旋转(θ)时接收到的波形频谱幅度的变化。

图4.基于共振技术的流体液位传感实验演示，使用紧密排列的换能器阵列。(a)测试配置示意图，包含16个安装的换能器（左），以及实验中使用的5 MHz换能器阵列图示（右）。(b)接收波形在管道共振频率（4.93 MHz）下，来自15对相邻换能器的频谱幅度变化与换能器对所对角度(θ)的关系图，其中垂直角度(θ)用于校准空管的情况，(c)不同水位对应的校准频谱幅度曲线。

3、基于楔块相控阵成像（TFM）实现无需校准的液面成像

TFM成像技术在数值仿真中成功重建出低至5 mm的液面位置。通过优化楔块定位和抑制伪影策略，大幅提升成像清晰度。

图5.使用有限元模拟对管道中液位传感的TFM技术进行数值验证。(a)模拟快照显示了在10µs时位移场的倾斜压力波前（用紫色箭头标记）在25毫米水柱中的传播情况，该波前由16单元相控阵探头的第四个单元激发（用红色箭头标记），并叠加了管道几何形状以供参考的(b)LL–LL模式TFM图像。

图6.在抑制了由直接和全跳反射模式引起的图像伪影后，对(a)25 mm和(b)15 mm水位进行了过滤LL-LL模式TFM图像。

图7.管道中通过沿管周移动楔形10度来实现TFM的流体水平传感的数值结果。(a)在10 µs时位移场的模拟快照，展示了倾斜压力波前（用紫色箭头标记）在25毫米水柱中的传播，这是为了激发16单元相控阵探头的第四个单元（用红色箭头标记）。(b)用于后处理的图像区域示意图，以及(c)5毫米、(d)15毫米和(e)25毫米水位后的LL-LL模式TFM图像，在抑制了由直接反射和全跳反射模式引起的图像伪影后。TFM图像中的流体水平指示用白色箭头标记以供参考。

四、结论

为了开发高效可靠的管道非侵入性流体监测超声技术，深入了解将整体波通过薄壁传输到流体中的挑战至关重要。在这项工作中，本文提出了三种不同的方法来应对这些挑战，具体取决于应用需求：（1）信号处理方法以改进脉冲回波技术；（2）基于共振的超声技术；（3）基于楔形阵列成像技术。传统的脉冲回波技术存在困难，因为管道中的共振会导致入射波形失真，以及在低填充水平下，来自流体-空气界面的期望回波与初始管壁反射叠加。所提出的信号处理方法通过基线减除来抵消管道壁反射，并在远离管道共振频率的情况下进行窄带滤波，以最小化波形失真，从而提高了低液位时脉冲回波液位估计的准确性。然而，这种信号处理策略需要校准以获取有关初始管道壁反射的信息，以便进行基线减除。此外，在低液位时，处理后的脉冲回波测量中可能存在多个紧密相邻的回波，这仍可能误导用户。

尽管仍需校准换能器，但所提出的基于共振的技术通过量化管道中选定导模共振在流体存在下的衰减，提供了更可靠和准确的液位监测。这种共振衰减通过有限元模拟进行数值验证，方法是将安装在空管和充满流体的管道底部的发射-接收换能器对的响应进行比较。基于共振技术的有效性通过测量沿管道周长安装的一系列换能器之间紧密排列的换能器对的导模共振衰减进行了实验验证。本文强调，为了通过仅使用两个换能器（发射器和接收器）但允许管道旋转以模拟换能器阵列来提供可靠和准确的液位估计，该技术需要校准要求。

最后，为了减少校准需求并直接可视化液位，本文提出了一种基于TFM的楔形相控阵技术，用于直接成像管道内的液体柱。本文通过使用安装在钢楔上的线性阵列，利用二维有限元模拟获得的全矩阵捕获数据，验证了TFM方法。尽管TFM图像中的液位指示是可辨别的，但由于波从管-液界面反射产生的大量图像伪影可能会误导用户，尤其是在低液位时。然而，本文通过适当的楔形定位和选择性过滤这些不必要的反射模式，展示了TFM技术的有效性，能够在直径为6英寸的管道中指示低至5毫米的液位。进一步的参数研究将探讨阵元数量、阵元间距和激励频率对TFM图像的影响及实验验证，TFM成像可以提供出色的液位可视化效果，无需换能器校准，这与脉冲回波和共振技术不同，可直接在现场部署。

译者：陈炫敏

文章链接：https://doi.org/10.1109/TUFFC.2024.3525407