超聲傳播中遇到兩種不同聲阻抗物質構成的交介面( 即異質介面) 將發生反射、折射、透射及波型轉換多種現象，下面是小編爲大家推薦的一篇探究超聲回波衰減資訊的超聲液位檢測的論文範文，歡迎閱讀檢視。
目前，廣州地區有不少電纜終端爲充油瓷套型，即在交聯聚乙烯電纜絕緣上套裝應力錐、瓷套，密封后充滿硅油或其他絕緣介質[1 -2].瓷套內填充的硅油作爲絕緣和冷卻介質，與其他絕緣件等構成電纜終端的絕緣系統。充油電纜終端接頭一般沒有外置油壓補償裝置，漏油是困擾電纜執行安全的問題之一。終端內油量減少會導致電場分佈改變，嚴重時導致接頭擊穿[3].雖然現在乾式終端接頭正在投入使用，但充油終端的大量存在使得終端滲油在很長一段時間內還是一個需要解決的問題。滲漏是一個持續時間較長的過程，如果能夠在巡檢時對油麪高度進行檢測，就可判定該瓷套是否存在滲漏現象，以及所剩油量是否在安全高度範圍內。現行電纜終端內部油麪高度的檢測方法需要將電纜終端瓷套開啟來檢測油麪高度，這是一種離線檢測方法，因此無法在巡檢時帶電檢測油位。紅外法[4]雖可帶電觀測套管內油位，但受環境溫度和周圍紅外射線干擾等外界因素影響，檢測結果易出現偏差，存在一定侷限性。所以有必要尋求一種不開啟電纜終端就能檢測其油麪高度的有效方法，以確保電纜終端正常工作。
本文基於對超聲波在陶瓷/硅油介面、陶瓷/空氣介面的反射、透射及衰減特性的研究，提出了一種基於超聲回波衰減資訊的超聲液位檢測方法，模擬瓷套和實體瓷套實驗顯示了該方法的有效性。
1 終端油位超聲檢測的基本原理
超聲傳播中遇到兩種不同聲阻抗物質構成的交介面( 即異質介面) 將發生反射、折射、透射及波型轉換多種現象。同時由於聲波散射、吸收、聲束擴散等原因，聲波能量會衰減[5 -8].瓷套內某位置無油，則構成陶瓷/空氣( 簡稱固/氣) 介面，否則構成陶瓷/絕緣油( 簡稱固/液) 介面。超聲波在不同異質介面下的聲壓、聲強反射率和透射率差異取決於兩種介質聲阻抗[9 -10].
檢測時，按照圖 1 所示，將換能器耦合在瓷套管外壁某個位置，換能器發出超聲波，聲波在管壁中傳播，在管壁與內部介質構成的介面處發生發射和透射，一部分聲能反射回來，形成介面回波，另一部分聲能透射到管內介質中去。透過管壁在對超聲反射回波特性的分析可區分該位置是固/氣或固/液介面，進而確定絕緣油位置即液麪位置。
對瓷套內的固 / 氣和固 / 液介面，由聲波垂直入射到異質介面的聲壓反射率 r 可由式( 1) 計算【1】
考慮到電工陶瓷固體的聲阻抗 Z1近似爲 2. 6 ×107kg / m2s,空氣聲阻抗 Z2= 4. 3 × 102kg / m2s,絕緣油液體聲阻抗 Z2= 2. 4 × 106kg / m2s[9].計算可知，超聲波在固/氣介面的聲壓反射率r 約爲 100% ,而在固 / 液介面的聲壓反射率爲83% ; 固 / 氣介面聲能透射率爲 0. 006 6% ,而在固/液介面聲能透射率爲 30%.理論上利用這種差異可區分固/液、固/氣介面。
2 超聲檢測瓷套終端油位試驗
爲研究超聲方法確定高壓電纜終端瓷套內硅油液麪高度的可行性，本文在陝西省超聲學重點實驗室進行了油位超聲檢測試驗，爲方便尋找規律和對比，分別選用了兩種實驗樣品，一種爲仿圓柱曲面的陶瓷套管( 以柱形陶瓷杯代替) ,另一種樣品爲來自變電站現場的瓷套。
2. 1 試驗裝置
試驗所用儀器有： 超聲信號發生與接收器、數字示波器和超聲直探頭( 型號： 5PΦ10Z) .超聲信號發生與接收器產生高頻電脈衝信號，激勵超聲探頭，探頭中的壓電晶片將該電信號轉換成超聲信號，聲信號經蜂蜜耦合進入被檢樣品內並在樣品內傳播，遇到異質介面發生反射，反射波被超聲換能器接收並接入數字示波器觀察回波信號。
2. 2 結果及討論分析
2. 2. 1 固 / 氣、固 / 液介面回波高度變化 爲便於絕緣油的灌入，同時保證耦合狀態的一致性，選用壁厚均勻且厚度爲 2. 5 mm 的柱形陶瓷杯代替瓷套管，蜂蜜作爲耦合劑將超聲探頭耦合於圓柱外表面。相同檢測及靈敏度條件下，測定在瓷杯同一位置處未加油( 固/氣介面) 與加油後( 固/液介面) 第一次介面回波高度差異。考慮到瓷杯壁厚小，多次回波干涉破壞了回波幅度變化的單調性，因而主要考慮第一次介面回波高度的變化。
實驗發現，未加油時，調整第一次介面回波高度爲滿刻度的 60%,慢慢注入絕緣油，探頭位置、耦合及儀器狀態保持，當油位高出探頭所在水平高度後，讀取此時第一次介面高度位置，約爲滿刻度的 48%.可見，同一位置處固/氣、固/液第一次介面回波高度發生變化，且固/液介面的第一次介面回波高度較固/氣介面下降，下降比例爲20% ,用分貝表示的這種下降數爲【2】
其中，h1爲固 / 液介面第一次介面回波高度，h2爲固 / 氣介面第一次介面回波高度。
實驗表明，在良好穩定耦合條件下，固/氣介面與固/液第一次介面回波高度存在差異，絕緣油的加入，使介面回波高度下降。本次實驗測得固/液介面較固/氣介面第一次介面回波高度下降約20% ,前面理論計算固 / 氣、固 / 液介面聲壓發射率分別爲 100% 和 83%,差異爲 17%,與理論計算結果基本一致。程明等[4]在壁厚20 mm、直徑0. 3m 的圓柱陶瓷罐體上的實驗也表明，管內有變壓器油和沒有變壓器油相比，不僅回波信號高度下降，而且回波信號在頻域也有大幅度下降。值得注意的.是，超聲回波高度對耦合狀態敏感，尤其對曲面結構，耦合狀態穩定性不易保證，回波幅度 1 -2dB 的微小差異很容易被耦合不良引起的幅度差異所淹沒。可見，基於超聲介面第一次回波高度的變化確定液位的方法從理論上可行，但在實際操作中並不是非常有效，從而使其應用受限。
2. 2. 2 固 / 氣、固 / 液介面多次回波衰減特徵 爲研究超聲法在瓷套式終端油位檢測的有效性，取來自現場的一瓷套管，高 1 350mm,上端外徑180mm,壁厚 22mm,下端外徑 270mm,管內注入硅油高度約 50cm,見圖 2.在瓷套管的上端( 位置 1,固/氣介面) 和下端( 位置 2,固/液介面) 分別進行檢測。
當探頭置於圖 2 所示位置 1 時，固/氣介面產生多次介面回波，B1,B2,B3,…分別表示第 1 次，當探頭置於圖 2 所示位置 2,即固/液介面時，回波次數較固/氣介面明顯減少，從第 2 次反射回波就出現明顯的差異性，其高度下降顯着，第三次介面回波能量由於透射衰減幾乎消失( 見圖4) .這一點其實從陶瓷 / 絕緣硅油這一固 / 液介面的聲能透射率的計算也可理解，每次聲波入射到該固液介面一次，約 30% 的能量透射到絕緣油中去，僅經 3 次，能量就會衰減殆盡。與陶瓷/空氣這一固/氣介面聲能透射率 0. 006 6% 相比，衰減速度非常之快。保證耦合狀態良好，更換不同規格的超聲探頭，在以上兩個位置進行多次試驗，所得規律基本一致。若將兩種情況下的多次回波峯值點連接成曲線，可得固/液、固/氣介面回波幅度下降曲線，如圖 4 所示，兩條曲線斜率差異顯着，固/液介面衰減迅速。可見，陶瓷/硅油與陶瓷/空氣兩種介面上產生的介面回波次數和回波幅度高低有明顯的差異，且由多次介面回波峯構成的曲線斜率差異更是明顯。因而根據回波次數和回波峯構成的曲線斜率參數可作爲不同介面評判的依據。
3 結 語
由圓柱瓷杯試驗以及現場瓷套式終端試驗表明，在保持探頭與介面耦合良好的前提下，介面超聲回波衰減特性可以作爲陶瓷/空氣介面與陶瓷/硅油介面區分的標誌。由於瓷套式終端外形結構複雜，要將該方法用於實際執行中瓷套式終端油位的檢測，還需要對如下問題進行深入試驗研究：
1) 試驗中超聲探頭所放置的兩個位置是瓷套的傘羣起始與終了區域，外觀平整，探頭安放易於實現，耦合狀態也可得到保證; 但在中部兩傘羣之間區域，空間位置不僅狹小且是三維曲面，探頭難以與瓷套壁保持穩定、良好的耦合，所以要解決的第一個問題是超聲探頭與被檢瓷套的耦合問題。
2) 在役瓷套管壁沿管軸方向，厚度和外徑都不同，因曲率不同造成的耦合狀態變化和管壁厚度不同從而又會造成的聲程衰減變化等都會引起衰減規律擾動。所以需要對超聲檢測時整個瓷套範圍內由耦合、壁厚差異造成的誤差進行理論估算，透過給不同部位回波信號進行適當修正，以保證整個瓷套範圍評價的一致性。
3) 在瓷套各部位開展更加細緻、深入、系統的試驗研究，建立超聲在陶瓷/空氣介面與陶瓷/硅油介面回波衰減規律和頻域變化等資訊的數據庫，爲區分空氣/硅油介面設立可靠評定基準。
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