超声液位检测频率选择的理论计算和实验研究

　　1引言

　　超声液位检测技术，是超声在工业中的一项重要应用。新的方法主要是采用非介人式超声回波液位检测，其在石油、化工行业的生产、储存过程中有着不可替代的作用。由于大多数易燃易爆、有剧毒的液体也具有强的腐蚀性，所以需要在储罐内壁上加防腐材料作为衬里;压力容器的器壁也有一定的厚度，一般在几毫米到几十毫米不等。超声液位检测时，声波要经容器壁中发生多次反射和透射，最后到达液体内部的有效声能量就很少;同时接收到的回波信号除含有用信息外，还会夹杂多种因素产生的干扰信号。如果回波信号很弱，就有可能被噪声信号污染淹没，影响后期的信号识别和处理。

　　已有研究标明，声波通过周期性多层介质系统会表现出明显的频率通带和禁带特性，即有些频率的声波能够完全通过，而有些频率的声波则不能通过[a，4〕，通过的声波受到中间介质层的材料、厚度及压力的影响，回波反射系数也发生较大变化川。近些年来，研究人员对超声液位检测进行的大量研究主要集中在温度补偿、声速校正和仪器的自动化上〔‘，v]。超声检测系统(包括发射及放大电路、收发换能器、信号分析及处理模块等)确定后，针对不同结构、不同厚度壁的储罐，或者同厚度壁却盛装不同液体的储罐，需要选择合适的声波发射频率，方能达到较为理想的超声检测效果，这也是自动化测量研究中一个需要解决的重要问题。

　　本文的宗旨是，利用传输矩阵方法风，〕，对非介人式(测试装置放置在储罐外部)超声液位检测的声传播特性进行分析，针对不同的检测对象结构，计算了相应的最佳人射声波频率，以便能够得到最强的回波信号。最后，作了相应的实验验证。

　　2理论

　　超声液位检测是利用声波在不同种类介质的分界面处发生反射的原理，并根据声速和时间的关系求出被测液体的高度。一种检测装置如图1所示，探头(收发两用型)发射的超声波经由前端匹配层、钢壁透射入罐内液体，在液面处发生反射，形成回波。回波信号再经过钢壁、匹配层后被探头接收。发射波有一部分残留在容器壁内部，形成余振或噪声信号;而液面反射回波经过钢壁时也会有同样的衰减，只有少部分声波能量被探头接收，构成对检测液位有用的信号。

　　现假设有n层理想均匀介质(液或固体组成)，声传播损耗不计，各层介质的分界面彼此平行。频率为f的平面波垂直人射到第一层介质上，将在第一和第二层介质分界面处，产生有回到第一层介质中的反射波以及到第二层介质中的透射波。则声波在第i层介质中的声波解可表示为: