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液化气液位监控的超声波仪器系统
摘要
液化石油气（LPG）通常存储在一个高度增压缸罐，在那里它的液体水平由于安全原因而需要被准确地测量。目前，LPG的液位测量所使用的是体重秤。这种方法已经被应用于测量圆筒罐内LPG液位的检测过程中。在这项研究中，有一种新的方法，它是利用无创超声波仪表系统监测14公斤气缸LPG液位。该仪表系统把所设计的试验装置集成在一起。模块超声波传感器Truma。LC-V1.15是垂直地安装在气缸壁的外部试验装置的传感器保持件。超声波传感器发射超声波信号，然后这些信号将通过汽缸壁传播。反射回的信号由超声波传感器再次记录。超声波信号的挠度取决于介质的阻抗的类型。从收发信号模块所产生的信号被送往数据采集系统（DAQ），用于数据读取。输出电压信号由计算数据处理系统所处理，并给出气缸内LPG液位的结果。气缸中的液体水平的图像是使用基于JavaScript的模块构造出来的。图像显示液位百分比值并把（超级文本标记语言）HTML软件应用于这个程序的界面。所开发的仪表系统能够检测在气缸LPG的液位水平。
关键词：液化石油气 超声 液位监控 无创 Lamb波
1.介绍
LPG成为家用和商用能源燃料以及工业部门的最主要来源。基本上，相对于其他的液体燃料，LPG更灵活，并具有较低的污染并且存储空间小。每位客户对LPG的使用速率是不同的。不同的消费者对液化石油气的消费水平，在消费者中存在着不同的变化，因此需要良好的液化石油气钢瓶液位信息。大多数LPG用户，尤其是商业和工业部门，用于称重和机械仪器来确定LPG气缸内的确切液位（Priyaetal，2014）。此外，它们中的一些是通过检查内部的压力来测量LPG的量。然而，一些机械仪器操作需要将LPG排放到大气中。它可能被暴露到危险的境地或者爆炸或燃烧冷（Zakaria和Mustafa，2013）。因此，需要新的系统来更准确和安全地测量储存装置内的液化石油气水平。
液位测量仪已广泛应用于工业和商业领域。确定传感器类型对于验证测量效率非常重要。效率高低取决于影响选择的物理和应用变量（Morris和Langari，2012年 ）。选择标准包括物质的物理属性：温度，压力，化学性质，介质的比重，运动，声音或电子噪声，振动，罐的尺寸和形状。仪器的价格，外观，精度，响应速率，校准在选择测量仪器中也很重要（Singh et al，2011）。
有两种类型的液面测量方法，侵入性和非侵入性的。侵入式液位测量技术包括电容式，电阻式，浮球式机械和压力检测。这些技术被用于与液体直接接触的传感器检测液位。 然而，非侵入性技术意味着液体与仪器无接触，如磁性，声学，超声波和光学传感（Singh etal，2011）。 非侵入性技术比侵入性技术更为复杂，而且这些技术通常用于存在危险或危险状况并涉及安全要求的特定应用。
在压力容器、腐蚀性液体或封闭容器中测量液位时，需要一种非侵入性的测量。由于油罐条件的复杂，通常使用非侵入性的超声波最为适合。采用无创水平测量法检测液化石油气储罐内部的液体水平，并以简单的声学原理(Shin和Wu,2010)为基础进行水平检测。油箱的外表面被锤子敲打，以产生震源的表面波能量。用欧拉-伯努利梁部分(Chan 和Zhang, 1995)测量了被认为是机械振动触发并加载的横向振动。所产生的声音频率从该存储器中发出振动，作为存储中液位的信息。欧拉伯努利原理应用于数学建模计算，用于检测液化石油气缸内液体的水平。这个测量检测过程显示了钢瓶内液体的不可测量的水平，因为结果并没有精确到实际的水平(Shin和Wu, 2010)。
超声波是能穿透血管壁的最有效信号（Hao and Xiong，2010）。系统采用两种方法，即穿透法和超声波阻抗法。在穿透方法中，将两个超声换能器放置在血管壁外侧的两个相对位置处。面对面的位置使来自发射器（T1）的超声波通过液体传输到接收器（T2）。超声波阻抗法是基于传感器波在液体中传播时声阻抗的变化。液相的穿透衰减性能会影响超声波的穿透。当要测量更大半径（超过1米）的容器时，传输距离也会增加，任何气泡的存在都会干扰信号输出的可靠性（Hao and Xiong，2010）。理论上，当测量点处的介质不同时，超声回波的衰减范围也不同。从传感器穿透的信号受介质特性的影响。当超声换能器从容器外部穿透波时，一些能量将穿过容器内的介质，其余的将在容器壁内反射，产生衰减回波。当更多的能量转移到介质中时，更少的能量留在墙内，从而形成更短的回波（Licznerskietal。，2011）。中等条件下的衰减时间与血管壁厚度成比例地增加。当使用大频率时，衰减时间越短，反之亦然，可能的频率大约为1 MHz（Hao and Xiong，2010）。
超声波传感器的功能类似于用无线电或声波的回声测量粒子属性的声纳原理(Rajetal.2002)。当传感器同时发送和接收信号时，它也被称为收发器。超声波测试产生高频声波，它测量传感器发回的回声。超声波传感器计算发送波与接收回波之间的时间间隔，以确定物体的距离(奇克，2012)。发射器通常会在超声波(20 kHz-200 kHz)中发出高频声波，然后将电能转换成声音。后来变成回波，然后转换成电能，可以直接测量和显示。
超声波能量通过任何介质以波的形式传播。超声波穿过介质压力波的影响,这意味着分子或原子的弹性约束彼此会产生超压在通过媒介传播的波(Cheeke,2012;Petrauskas,2012).超声波特征类似于光特性,信号在传播在一条直线,不能没有介质传播。当超声波信号以直线传播时，它会遇到沿路径的障碍。当波遇到一个物体(奇克，2012)时，会出现衍射、折射、反射和衰减等现象。在本研究中，需要考虑反射和衰减(在传输过程中的吸收)。超声波传感器传输的超声波将通过气缸壁的介质和其内容进行传播。
已开发的超声波仪器系统能够使用超声波传感器更好地测量气瓶中的LPG残留物。本研究集中在开发系统基于超声波的灵敏度监测液化石油气存在和罐内液位的能力。实验已经完成，以确定超声波在穿过金属板时的最佳值。最佳值意味着当超声波是最敏感的时候，即当金属板旁边存在液体时。所需频率的最佳值为100e120 kHz，与声波技术相比，其最低值为1e2 MHz（Sakharov等人，2003年）。
2.方法
开发了一套完整的仪器系统来监测缸内液化石油气的液位。该系统由模块超声波传感器，超声波仪表装备，液化石油气钢瓶，数据采集系统（DAQ）和液化石油气液位监测程序组成。检测规范的仪器工具必须相互适用。图1显示了仪表系统整体设置的示意图。根据该图，超声波信号从收发器传输并通过气缸传播。信号在到达不同类型的介质之后会被再次接收，然后再由收发器接收。当超声波信号穿过圆柱体时，由于介质类型的不同，一些超声波能量会被反射，其中一些会消失在周围。由收发器收集的信号的强度取决于介质的类型而变化。
图1 超声仪器系统的总体设置
仪器台平台的设计主旨在于为仪器处理提供强大稳定的场地。 这些条件是必需的，因为在实验研究期间重缸将被放置在平台上。 稳定和稳定的位置也需要在实验过程中减少LPG在气缸中的移动，因为任何不需要的移动都可能干扰实验读数。图2显示了平台的机械设计和布置。
图2. 平台的设计和表面布置
2.1.传感器支架的研制
传感器支架设计用于将超声波传感器放置并安装在特定位置。传感器支架上垂直安装12个安装孔。传感器支架由PVC材料制成。图3显示了安装在传感器支架上的3个垂直传感器。
图3 垂直于传感器保持器传感器的安装
两个安装孔之间的距离是根据传感器套管的大小设定的，传感器套管的直径为2.6 cm，因此安装孔中心距为2.8 cm。传感器安装在机壳内，以保护传感器不受其灵敏度的影响。传感器支架被构造为可调，可以上下滑动，以使传感器对准需要的位置。传感器支架被支架固定，允许传感器支架移动。支架的高度为35.0厘米。一个连接器用于连接传感器支架部件到平台部分。它们的功能不仅是作为一个连接器，而且还确保传感器能够完美地连接到圆筒上。该机构的设计是为了确保连接器能够在水平运动中执行。超声波驱动电路内置在模块传感器中，驱动超声波收发器。驱动电路以电子形式产生一个信号脉冲。从收发器收集的所有数据都被发送到数据采集系统(DAQ)。将数据处理并转换成图像形式，以显示关于LPG气缸中LPG水平的信息。验证和测试圆筒的规格在表1中突出显示。
表一：验证和测试LPG气瓶的规格
2.2.传感器系统优化
超声波传感器的排列必须按正确的顺序排列。为了提高监测液位测量的效率，应认真对待这一过程。在传感器系统优化中需要考虑四个主要因素，即传输效应、反射效应、超声传感器布置和图像重建。
2.2.1.传输和反射效应
图4显示了超声波的透射和反射现象。当超声波信号到达气缸壁时，部分超声波将会反射回来，而剩余的超声波则通过气缸壁传递。由于超声波在钢瓶壁和钢瓶内的两种类型(气体或液体)中传播，所以需要知道气体、液体和钢介质的声阻抗值。利用反射系数(R)和透射系数(T)的计算公式(1)和(2)式(2)为液体和方程(3)和方程(4)分别计算出反映和传输的信号能量的量。超声传感器的波能事件系数为1，这是绝对的(Rajetal，2002)。
图4 超声波信号传输和反射
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根据等式（1）-（4）中的计算，通过气缸壁传播的超声波为12.19％，其余的87.81％的超声波能量反射回液体。 至于气体，透过气缸壁的超声波为0.001％，超声波能量的剩余99.99％反射回来。 气体（Z1），液体（Z2）和钢（Z3）的声阻抗值分别为0.430times;103 Rayl，1.494times;106 Rayl和46.0times;106 Rayl（Onda，2003）。 它表明，通过含有液体的圆筒的反射能量的百分比低于通过含有气体的圆筒的反射能量的百分比。
2.2.2. 超声波传感器系统
测量的输出信号是基于超声信号的振幅。由于信号的不同介质类型，振幅会发生变化。本研究中使用的超声波传感器模块可以显示电压振幅阅读当超声波信号发送,当传感器接收超声波信号。正如2.2.1中解释的一样,有不同的电压幅值,当超声波穿透不同类型的媒介。图5显示了不同的媒介Z1和Z2缸内容。基于方程(1)和方程(3),当Z2大于Z1,反射系数大于RZ2 RZ1。这证明了与液体介质相比，气体介质的超声收发器将接收到更高的电压信号幅度。
图5. 不同介质的气缸内容
2.2.3.超声波传感器的布置
超声波传感器是基于信号传输和反射理论而设计的。传感器的表面和气缸壁之间必须进行物理接触，以确保超声波信号直接穿透到测量点，传感器支架被设计用来容纳12个超声波传感器。超声波传感器安装在传感器套管上，传感器支架将牢牢地固定住。传感器支架设计在垂直的位置，平行于气缸壁，如图6所示。传感器排列成一条直线，从上到下，因为这是确定在气缸内液体水平存在的最佳安排。
图6. 传感器测量网格
2.2.4.图像网格配置
超声波传感器的布置将会影
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