水位传感钢容器使用₀和Quasi-Scholte电波

文摘

本文提出一种使用的导波水位传感方法₀和quasi-Scholte模式。理论、数值计算和实验研究进行调查的一个属性₀和quasi-Scholte模式。色散曲线的比较研究显示,一侧的板在水中支持quasi-Scholte模式除了羊肉模式。此外,集团的速度₀和quasi-Scholte模式是不同的。它也发现,低频₀传播模式在一个自由板可以转换到quasi-Scholte模式当板一边在水里。基于速度差异和模式转换,水位传感方法。证据的概念,一个实验室的实验使用pitch-catch配置有两个压电传感器是专为传感铁壳船水位。实验结果表明,这两个传感器之间的旅行时间的增加线性增加水位与理论预测吻合较好。

1。介绍

在发电厂、水位监测的核心设施,如锅炉蒸汽鼓,冷凝器,和冷却管道,对电厂的安全经济运行至关重要。因此,有必要开发非破坏性技术的高精度、高可靠、实时监测水位钢铁血管。超声导波开辟了新的有效的无损评价(NDE)的机会,因为他们可以揭示小特性与导波之间的相互作用和结构,并提供大量的信息结构1- - - - - -4]。当固体波导浸在水里,traction-free边界条件变化和波在固体中的传播将相应地改变。当一个自由板浸在水里,板的平面外位移可以通过板水接口传输到水里1]。Worlton [5]扩展羔羊用实验观测和理论推导的色散曲线和锆铝盘子。宾汉et al。6)利用超声导波识别质量加载在船体。Na和茶室7]发现诈骗和凹陷的水下管道使用导波。陈等人。8)开发了一种损伤识别方法使用₀在水下结构模式评估腐蚀损害。Koduru和玫瑰(9]利用数组永久安装传感器来检测缺陷和避免从外部环境条件的影响,例如,水荷载和温度变化。皮斯通et al。10)进行实验研究使用脉冲激光器的结构健康监测浸铝盘子。Yapura和Kinra11]导出色散方程流体双分子层,然后给出了一个数值结果water-aluminum双分子层。男爵和Naili12]研究了fluid-loaded各向异性和均匀平面波导两侧的两种不同的液体使用的分析方法。Yu,田13)扫描激光多普勒振动计用于测量quasi-Scholte波单面water-immersed盘子。Banerjee和茶室14)开发分布式点源方法(DPSM)的超声波场模拟流体和固体界面;他们的方法也可以用来计算压力,流体速度和位移字段。

对于电厂来说,常用的水位测量方法包括压差计(15),超声波液位计(16,17),和雷达液位计(18]。差压计,水位决定从静态压强变化引起的水位变化。通常,有一个延迟确定后的水位水位的变化。此外,由于温度的变化可能会改变压力条件和其他操作条件。这些因素可能会导致大的水位传感中的错误。超声波液位计使用反射的超声波脉冲气液界面确定水位。在这种方法中,超声脉冲产生的传感器放置在容器的底部。基于反射波的旅行时间,水位确定。然而,大的错误可以从水面反射差引起的和复杂的散射波的容器。雷达液位计的原理类似于超声波液位计、雷达液位计时使用微波脉冲。 In this method, the sensors need to be installed in the container, and thus the sensor installation may influence the integrity of the container and cause leakage. In addition, the water vapor on the waveguide tube might influence the signal quality.

在本文中,我们提出一个水位传感方法对钢铁船使用的导波₀和quasi-Scholte模式。水位传感、两个压电换能器(压电)保税在容器表面在pitch-catch配置生成导波和测量。生成的导波传播在墙上的船。模式之间的转换₀在水和quasi-Scholte模式界面。基于速度之间的区别₀和quasi-Scholte模式,定量方法检测水位。通过概念验证实验中,人们已经发现,导波的旅行时间的船与水位的增加线性增加。此外,实验结果与理论预测吻合较好。发达的方法提供了几个优势。该方法有一个小误差小于3.7毫米,和传感器可以很容易地安装在容器的外表面而不影响结构完整性。此外,由于传感器不在容器,传感器可以很容易维护。此外,超声波液位计相比,我们的方法不依赖于穷人从水中反射边界和不受容器内的散射波的影响。

本文的其余部分组织如下。部分2介绍了导波的基本面,如特征方程和色散曲线自由板和板一边在水里。部分3礼物的验证₀模式自由板和quasi-Scholte模式在一侧的板在水中通过有限元模拟和实验。部分4介绍了水位传感方法和概念验证实验。部分5总结了论文的研究结果和未来的工作。

2。理论基础

2.1。免费的盘子

相当大的研究存在于导波的色散特性在自由各向同性板(1,2,13,19]。在本节中,导波的色散特性在一个自由与traction-free板边界条件。自由板(如图1(一)),顶部和底部表面的边界条件的板可以描述如下: 在哪里和是正常和剪切应力在板的上表面,分别。和是正常和剪切应力在底部板表面,分别。兰姆波的特征方程在自由板可以表示如下: 在哪里 , , , , 。k_z兰姆波的波数。d板厚度。ω和λ_波分别是圆频率和波长。c_l和c_年代分别是纵、横波的速度。ρ,μ,ν是密度、剪切模量和泊松比的板块,分别。通过求解(2),钢板的色散曲线(钢板的材料属性表中列出1)得到,如图2(一个)和2 (b)。在低频区域,群速度的年代₀模式是相对较高的。相比之下,群速度₀模式和变化极大地对频率相对较低。

2.2。盘子一边在水里

如图1 (b),当底部表面自由板是在水里,它的边界条件改变而自由板。nonviscosity假设下,底部表面的边界条件 在哪里是正常的位移在底部板表面。和正常的位移和应力在板水界面,分别。板的特征方程一边在水里可以组装和表达如下: 在哪里 和 。是散装速度在水中;和分别是散装刚度和水的密度。通过求解(4),1.2毫米厚钢板的色散曲线与一边在水里。如数据所示2 (c)和2 (d),基本的反对称和对称模式表示_{0 w}和S_{0 w}。色散曲线相比,自由板(图2(一个)),色散曲线为一盘一边在水里(图2 (c))清楚地表明另一种模式下,quasi-Scholte模式中,除了基本的反对称和对称模式。quasi-Scholte模式的色散行为在一边在水里的板是一样的模式中发现一个双面water-immersed板(20.]。quasi-Scholte模式是分散在低频区域;然而,随着频率的增加,模式逐渐接近非色散他模式(界面波在固体和液体界面)20.,21]。

3所示。仿真和实验研究

在前面的小节中,导波的频散曲线在一个自由板和一个盘子一边在水里理论上的研究。在本节中,quasi-Scholte和₀模式进一步通过有限元模拟和实验研究。

3.1。验证的一个₀在一个自由板模式

使用商业软件ANSYS进行有限元模拟分析的传播₀在一个自由板模式。板的截面有限元模型的建立使用2 d元素(8-node PLANE82)。表1给出了板的材料参数。板的厚度和长度是1.2毫米和100毫米,分别。为模拟弹性波在固体中使用有限元方法(FEM),采用ANSYS的瞬态分析。确保模拟的准确性,网格大小和积分时间步满足以下: 在哪里l_马克斯和l_最小值分别网格大小的最大值和最小值;λ_最小值是最小波长;n_最小值最小数量的元素在一个波长(通常n_最小值在8 ~ 10)的范围;c_年代表示横波的速度;和c_最小值弹性波的最小群速度。垂直加载应用的节点X= 0在顶部和底部表面,生成一个纯粹的一个₀模式。

图3显示仿真结果(位移)的向量场₀模式,当励磁5-count语气爆发在100千赫。从结果可以看出₀模式是反对称的。此外,垂直位移远远强于水平位移。位移信号在四个不同的位置(X= 20、40、60和80毫米的底部表面板)是绘制在图4。使用旅行时间和传播距离,我们可以计算的群速度₀模式,1.92毫米/μ年代,同意与理论速度1.925毫米/μ年代。

一个实验使用设置在图执行5(一个)波模式验证。两个压电陶瓷换能器(维度的7×7×0.2毫米)在pitch-catch配置采用。两个传感器之间的距离是150毫米。激励信号是2.5母语气爆发在100千赫。图6情节一个接收信号的希尔伯特包络。使用旅行时间从接收到的信号和两个传感器之间的距离,A的群速度₀模式计算,1.89毫米/μ年代。7比较了一₀模式从理论获得的速度,模拟和实验在50,100和150千赫。结果理论、模拟和实验吻合较好。

3.2。验证Quasi-Scholte模式一个盘子的一边在水里

有限元模拟分析quasi-Scholte的传播模式在执行一个盘子一边在水里。图8(一个)情节仿真设置的示意图。顶层是一个1.2毫米厚的钢板。底层是水和40毫米的深度。在有限元模型中,水层是使用耦合场创建的元素(FLUID29)。

图8 (b)显示仿真结果(压力场)当励磁5-count语气爆发在100千赫。在水层,可以看出有两种类型的海浪,海浪quasi-Scholte和压力波(P波)。quasi-Scholte模式传播板和水之间的界面,而P波只在水中传播。位移信号在四个不同的位置(X= 20、40、60和80毫米的底部表面板)是绘制在图9。使用旅行时间和传播距离,我们发现quasi-Scholte的群速度模式,1.86毫米/μ年代在100 kHz,同意与理论速度1.84毫米/μ年代。

一个实验也使用安装在图执行5 (b)波模式验证。两个压电陶瓷换能器(维度的7×7×0.2毫米)在pitch-catch配置采用。两个传感器之间的距离是150毫米。激励信号是2.5母语气爆发100千赫。图10情节希尔伯特包络的接收信号,当激励频率是100千赫。使用接收信号和两个传感器之间的距离,A的群速度₀模式,即1.85毫米/μ年代。11比较quasi-Scholte模式从理论获得的速度,模拟和实验在50岁,100年,150千赫。结果理论、模拟和实验吻合较好。

4所示。使用一个水位传感₀和Quasi-Scholte模式

本节提出了一种通过使用一个水位传感方法₀和quasi-Scholte模式。pitch-catch传感配置有两个压电陶瓷换能器采用。这个配置的理论预测水位和波的旅行时间之间的关系。概念证明的一个实验室进行实验。与理论预测和实验结果吻合较好,旅行时间和水位的增加线性增加。

4.1。理论预测

图12情节提出pitch-catch配置两个压电陶瓷传感器水位传感。全波传播路径(d_收发)由两部分组成:水的路径d_W和干燥的路径d_收发−d_W。在水中的路径d_W,quasi-Scholte模式在一侧的板在水中传播;在干燥的路径d_收发−d_W,一个₀在自由板模式传播。当水位变化时,它将直接改变部分干燥的路径d_收发−d_W和水的路径d_W。导波激励压电陶瓷作为quasi-Scholte离开模式在水中的道路d_W然后被转换成一个₀在干燥的路径模式d_收发−d_W。因此,传播时间在整个路径d_收发是由以下几点: 在哪里c_QS是quasi-Scholte模式群速度,是一个₀模式群速度t_收发在整个传播路径的传播时间d_收发。如果d_W= 0是底线,当水位d_W变化,时差Δ之间的关系t_收发在整个传播路径d_收发是由以下表达式:

见(7),水位d_W线性相关时差Δ吗t_收发。

4.2。为水位传感实验装置

一个实验使用配置在图执行12。板是1.2毫米厚钢与材料属性表中给出1。两个压电陶瓷换能器(维度的7×7×0.2毫米)保税pitch-catch配置板上有100毫米的距离。激励信号有2.5母语气破裂,产生的任意函数发生器(模型:美国泰克二自由度陀螺仪3022)。激励信号的振幅是10 V,即最大输出的函数发生器。这幅值,我们可以实现最优信噪比在我们当前的设备的能力。在这个水位传感测试,选择激发频率在130 kHz的概念。致动器的导波兴奋传播沿板。接收器,波是由一个示波器测量(美国泰克TDS 2022 b)。

4.3。数据分析使用伪Wigner-Vile分布(PWVD)

时频分析是描述信号的时间和频率域,指示信号的能量分布在时频空间(22- - - - - -27]。信号分析,本研究采用PWVD。50 mm水位的测量实验信号作为一个例子。接收到的波形在50 mm水位图给出(13日)。第二波的旅行时间的一个包的贡献₀和quasi-Scholte模式。由于低频₀和quasi-Scholte模式是高度分散的,这种色散效应可能会影响测量的波包的时间旅行。精确确定旅行时间在一定频率、时频分析是必要的。图13 (b)情节2 d PWVD的时频分布。图13 (c)阴谋在130 kHz PWVD提取结果。因此,第二波的旅行时间包可以确定在130千赫。

4.4。实验结果

研究水位之间的关系和接收到的信号,信号在接收机收集一系列水位从0毫米到100毫米10毫米的一个步骤。图(14日)情节四个代表信号当水位0,30岁,60岁,100毫米。如图(14日)随着水位的增加,波包逐渐转向右边,这意味着旅行时间逐渐增加。使用PWVD方法,旅游时间和时差Δt_收发在130千赫。图14 (b)Δ情节派生的时间差异t_收发关于水的水平d_W。应用线性拟合实验数据。拟合结果 与R²值为0.998,接近1。这意味着实验结果是在一个线性关系。理论预测源于(7)是 也在图绘制14 (b)。线性拟合系数非常接近的理论预测的误差为2.9%。此外,可以看出,实验结果与理论预测同意。水位传感的误差小于3.7毫米。我们的方法的精度可能会受到几个因素的影响包括传感器安装错误,结构损伤(腐蚀、生锈和裂纹),环境条件,波速度的错误,错误的时间差异。测量范围取决于驱动器和接收器之间的距离。在当前的设置中,距离是100毫米,因此测量范围是0 ~ 100毫米。

5。结论

本文提出一种通过使用一个水位传感方法₀和quasi-Scholte模式。水位传感方法采用pitch-catch传感配置一对压电换能器铁壳船保税。导波的旅行时间两个传感器之间的水位的影响。因此,通过测量时间旅行,可以找到容器中的水位。

本研究调查的区别导波在自由板和一个盘子一边。通过理论、数值计算和实验研究,证实了一个₀模式呈现在一个自由的板块和quasi-Scholte模式呈现在一个盘子一边在水里在低频率。此外,一个₀模式可以转换到quasi-Scholte模式,反之亦然。最后,quasi-Scholte模式的群速度小于一₀模式。基于这些发现,水位传感方法的发展,将群速度的优势quasi-Scholte和之间的区别₀模式。

水位传感方法采用一对压电换能器在pitch-catch配置保税船的表面。两个传感器之间的水位时,整个旅行路径可以分为两部分,(干路径₀与quasi-Scholte模式)和水路径(模式)。如果水位发生变化,干燥的路径和水路径的长度变化;因此,总旅行时间的变化。基于这一原则,可以预测水位通过时间旅行。证据的概念,我们实验证明使用导波水位传感。实验结果表明,波旅行时间和水位的增加线性增加,与理论预测吻合较好。

对于我们的方法,遥感分辨率可能受到波速度的影响,采样率的数据采集设备,和最小的时差,可以确定。灵敏度可以受波速度差异的影响₀模式和quasi-Scholte模式。在未来,我们将执行详细的参数研究与理论分析和实验,为了描述遥感分辨率和灵敏度,以及确定最优频率能提供最好的遥感分辨率和灵敏度。对于实际的应用程序来说,仍有一些挑战。我们的方法可以通过结构损伤的影响(腐蚀、生锈和裂纹),温度波动,传感器退化在恶劣环境条件。在未来,我们的目标是开发一种更健壮的系统与这些挑战考虑电厂的实际应用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢,感谢(1)国家自然科学基金(51134016,51134016)和(2)中央大学的基础研究基金(2016 xs25)。

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