一种超声检测充油瓷套内油位的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于充油瓷套管的油位检测技术领域，具体涉及一种超声法检测充油瓷套 内油位的方法。
【背景技术】
[0002] 目前，各变电站的电缆终端都用充油瓷套管进行绝缘。但是，瓷套管内绝缘油会因 漏油而导致液位降低，油位过低电场分布会改变甚至发生击穿事故，因而必须经常在线监 测油位。由于瓷套管是外圆周分布有大量伞群的密闭结构，外形结构上的复杂性使传统的 外贴式液位计测量无法实现。目前在线解决此问题的方法主要是利用在陶瓷/空气界面和 陶瓷/油界面超声反射回波能量差异对瓷套内油位进行检测，但回波能量幅度差异易受表 面耦合、瓷套壁厚变化、瓷套壁内余振波干涉、绝缘油老化等影响使信号不稳定易出现误 判，严重时甚至掩盖这种差异甚至无法实现。
[0003] 鉴于上面方法的不足，本专利提出一种利用超声波在界面多次反射回波衰减特性 确定油位的方法。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种不受虚假回波干扰、灵敏度高、结果 可靠的超声检测充油瓷套内油位的方法。
[0005] 为解决上述问题，本发明采取的技术方案为:该超声检测充油瓷套内油位的方法 由以下步骤组成：
[0006] (1)采集界面的多次反射回波信号
[0007] 将超声换能器的超声探头在检测点处与瓷套管外壁耦合，并发射超声波进入瓷套 管壁，并在瓷套管壁内传播，按照常规方法提取η次界面反射回波信号，η为回波次数，且n> 1;
[0008] (2)提取η次界面反射回波的声压幅值pri并对其进行对数运算
[0009] 提取步骤(1)所接收的η次界面反射回波信号的声压幅值，按照下述公式对其进行 对数运算，得到第i次界面反射回波的相对幅度△ "为：
[0010] Ari = ln pri
[0011] pri是第i次界面反射回波信号的声压幅值，i为1，2,3···η;
[0012] (3)以回波次数i和回波相对幅度为坐标描点并进行线性拟合，计算反射声波 的平均声压衰减率fc
[0013] 根据步骤(2)得到i次回波的相对幅度△"，以回波次数i为横坐标、回波相对幅度 Δ"为纵坐标，形成一系列离散点，利用最小二乘拟合将这些点拟合成一条直线，所得直线 斜率为反射声波的平均声压衰减率?，表示为：
[0015] (4)利用反射声波的平均声压衰减率石计算瓷套管内介质的特性阻抗22根据步骤
(3)得到的反射声波的平均压衰减率/7值大小和公式 ，得到瓷套管内介质 的特性阻抗22为：
[0017] &为瓷套管壁材料的特性阻抗，Z2为瓷套管内介质的特性阻；
[0018] (5)评定瓷套管内介质
[0019] 将步骤(4)所得瓷套管内介质特性阻抗Z2与特定温度下空气的特性阻抗标准值进 行比较，若结果相近，即可判断出瓷套管内的介质为空气，否则为液体；
[0020] (6)瓷套管内液位确定
[0021] 若检测点的介质评定结果为液体，则在其相邻的伞裙上方重复步骤（1)~(5)进行 检测;若检测点的介质评定结果为气体，则在其相邻的伞裙下方重复步骤（1)~(5)进行检 测，直至确定瓷套管内液位的高度。
[0022] 考虑壁厚对检测结果的影响，在步骤(3)之后还包括步骤(a)，根据瓷套管壁厚变 化对反射声波的平均声压衰减率石进行补偿，得到壁厚补偿后的&，具体为：
[0023] (al)将瓷套管简化成空心圆锥台结构，其壁厚T随着高度发生变化，设定检测点与 瓷套管上端面的垂直距离为L，则壁厚T与检测点距瓷套管上端面的垂直距离L之间的关系 为：
[0025] h为瓷套管的总高度;R为瓷套管的最大壁厚;To为瓷套管的上端面对应的壁厚；
[0026] (a2)考虑声波在介质中的衰减，则在检测点处的第i+Ι次与第i次界面反射回波声 压幅值有下列关系：
[0028] 式中，α为瓷套管壁材料的声衰减系数；
[0029] (a3)根据步骤(3)的计算公式可得到壁厚补偿后的反射声波平均声压衰减率^ 为：
[0031] 上述超声探头采用纵波探头，频率为1.25~7.5MHz，晶片长度为4~8mm。
[0032] 上述纵波探头是纵波直探头或纵波小角度探头，纵波小角度探头的角度为6~8°。
[0033] 本发明的超声检测充油瓷套内油位的方法是利用超声在异质界面多次回波衰减 特性计算瓷套管内介质特性阻抗从而评定介质类型，实现充油瓷套内绝缘油位高度检测的 新方法，这种方法属于非介入型，没有安全隐患，操作简单方便，灵敏度高，而且克服了瓷套 厚度变化引起的误差。
[0034] 与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
[0035] 1)安全环保：由于测量探头和仪表都在容器外，无需再容器上开口，因此实施检测 操作时不接触瓷套内的液体，是一种完全非介入式超声检测方法，非常安全，而且也无需打 开瓷套，确保液体不会泄漏，污染环境。
[0036] 2)高灵敏:在队瓷套壁内介质性质的评定中，采用与空气标准特性阻抗比对的方 法，由于空气和油的阻抗差异是4~5个数量级，所以这种比对评定方法灵敏度极高。
[0037] 3)可靠:利用多次回波衰减率反演容器内介质的阻抗，由于该法利用多次反射回 波拟合衰减率，还对壁厚差异进行了灵敏度补偿，不仅克服了根据回波能量方法因液体声 速改变、瓷套壁厚变化等带来的回波能量影响及评判困难等局限性，还克服了单次回波信 号幅度差异小，易受耦合影响，同时还消除了容器壁余振，虚假回波等干扰，使之能够可靠 处理各种复杂的现场工况，得出稳定、可靠、准确的测量结果。
【附图说明】
[0038]图1是实施例1中在检测点处所采集的界面多次回波。
[0039]图2是两种介质界面上超声波多次回波形成原理图。
[0040]图3是瓷套管的壁厚补偿原理图。
[0041 ]具体实施方法
[0042]现结合附图对本发明的技术方案做进一步详述，但是不仅限于下述的实施方式。 [0043] 实施例1
[0044]本实施例以110KV瓷套充油式户外终端为例，超声检测充油瓷套内油位的方法由 以下步骤实现：
[0045] (1)采集界面的多次反射回波信号
[0046] 将超声换能器的超声探头在检测点（陶瓷壁厚T = 20.41_)处与瓷套管外壁耦合， 利用多功能超声信号发射接收卡内部发射电路发射电脉冲传到发射探头，激励发射探头的 压电晶片振动，发射超声波，超声波进入瓷套管壁并在瓷套管壁内传播，由于瓷套管与管内 介质的特性阻抗差异，超声波在瓷套管内壁与管内介质临接的界面上声波发生反射，如此 循环，形成界面多次反射回波，参见图1和2,声波在界面处反射回来后又被接收探头接收， 接收探头内的压电晶体片将反射波变为电信号，多功能超声信号发射接收卡内部的接收电 路将接收来自接收探头的电信号，并进行放大，检波;单片机对信号进行A/D转换，并将其输 送给信号处理器，如此循环，提取到界面上η次反射回波信号，η为回波次数，且η>1。
[0047] 本实施例中所选用的发射探头和接收探头均为7.5ΜΗζ、Φ 10的纵波直探头，其晶 片长度为6mm。
[0048] (2)提取η次界面反射回波声压幅值pri并对其进行对数运算
[0049] 信号处理器对所接收的η次界面反射回波信号进行分析，由于介质的特性阻抗Z = Pc是一个常数，其是由介质的性质(介质的密度P和介质中的声速c)决定的，因此，当超声波 由介质1垂直入射到另一种介质2中时，在两种介质形成的界面上发生多次反射，反射信号 功率与入射信号功率比值的对数称为回波损耗，这种损耗导致回波信号幅度的衰减，本实 施例中已知瓷套管的特性阻抗冗:、管内介质的特性阻抗Z 2 则在两种介质的界面处 声压反射率r可表示为：
[0051] 若用Pr表示反射波声压幅值，P。表示入射波声压幅值，pri为第i次界面反射回波声 压幅值，忽略壁厚衰减，则第1次、第2次、…第η次界面反射回波声压可依次表示为：
[0052] pri = rp〇
[0053] pr2 = rpri = r2p〇
[0054] pr3 = rpr2 = r3p〇
[0055] ···
[0056] prn = rpr(n-i)=rnp〇
[0057] 按照下述公式对其进行对数变换，得到各次回波的相对幅度Δ rn:
[0058] Δ rl - In Prl，A r2 - In Pr2，· · · A rn - In Prn
[0059] (3)以回波次数I和回波相对幅度为坐标描