基于参考路径温度补偿的导波非侵入式液位测量技术

《Ultrasonics》：Non-invasive liquid-level gauging using guided waves with reference-paths based temperature compensation

　　

本文提出了一种基于贴在罐体外壁上的压电换能器产生和接收的超声导波的精确、非侵入式液位传感方法。所提出的方法利用干区和湿区之间的导波模态转换，导致在流体加载区域产生主导的准 Scholte (QS) 模态贡献。液位测量通过一种校准程序进行，该程序联合利用超声信号中选定 QS 贡献的差值飞行时间及其相关相位，且在估计阶段无需预先了解流体或板的机械属性。引入了一种基于参考路径测量的专门温度补偿策略，以减轻影响物理参数从而影响波传播的热漂移。在代表性铝罐上进行的实验表明，在所调查条件下，液位精度在 1 毫米量级。这些结果突出了 A0/QS 导波转换结合校准和基于参考路径的热补偿在紧凑、精确且完全非侵入式液位传感系统中的潜力。

引言
液位测量是许多工业系统中的关键功能，因为它直接影响库存管理、操作安全、任务自主性和过程控制。在航空航天应用中，这些要求尤为严格，因为机载仪器必须保持轻量化、可靠，并与严苛的环境和认证约束兼容。此外，侵入式传感解决方案通常不切实际，因为它们可能会使控制和维护复杂化。更普遍地说，进入飞机油箱仍然困难、劳动密集且潜在危险，这在一定程度上解释了对机器人和内窥镜检查与维护解决方案在如此受限环境中日益增长的兴趣 [1]、[2]。在这种情况下，开发精确的非侵入式测量策略具有相当大的实际意义。
传统的液位测量技术包括浮子式设备、电容探头、压力法以及光学或雷达方法 [3]、[4]、[5]。尽管这些技术已很成熟，但当需要考虑质量、可访问性、几何复杂性、维护或与腐蚀性或爆炸性流体兼容性相关的约束时，将它们集成到嵌入式航空油箱中可能会变得具有挑战性。在这方面，从结构外壁进行的测量特别有吸引力，因为它们减少了湿式部件的数量，简化了维护操作，并保持了罐体完整性。除了这些传统解决方案之外，其他基于波的传感概念也依赖不同的物理原理，例如电磁导波传感器，已被探索用于液位监测 [6]。
在非侵入式超声方法中，液位测量方法大致可分为两大类。第一类依赖于体波，通常通过脉冲回波测量 [7]、[8]、阻抗对比方法 [9] 或通过容器壁局部进行的基于回波能量的测量 [10]、[11]。这些方法具有吸引力，因为它们可以通过相对简单的仪器从密封容器外部实施。然而，它们本质上仍然是局部的，其性能可能会受到气泡散射和局部特征（如耦合条件）的影响。
第二类依赖于沿罐壁传播的超声导波。导波特别有吸引力，因为它们可以在板状结构中传播相对较长的距离，同时对局部边界条件和流体加载保持高度敏感 [12]。在半浸没板中，固体中的弹性运动与流体中的声学辐射之间的相互作用修改了色散关系，引入了泄漏 [13]、[14]、[15]，并可能产生界面主导的贡献，如准 Scholte (QS) 模态 [16]、[17]、[18]。这些特征使导波和泄漏波在非破坏性检测的更广泛框架中用于表征流体相关属性 [19]、研究流体 - 结构耦合以及检测浸没或部分加载结构中的缺陷 [20]、[21] 具有吸引力。它们也为超声液体传感和液位传感提供了自然的物理基础，正如基于杆中导波吸收的早期研究 [22] 或基于罐壁中 Lamb 波传播进行液体检测的研究 [23] 或更最近弯曲板波导 [24] 中所展示的那样，以及后来关于部分浸没板中模态转换和波相互作用的工作 [25]、[26]。
几种基于群速度 [27]、[28]、[29]、相速度 [30]、振幅变化 [31] 或频率偏移 [26] 的用于液位传感的超声导波策略已被报道。这些研究清楚地展示了导波在非侵入式测量中的潜力，但也表明在实际中鲁棒估计仍然具有挑战性。接收信号受环境变异性影响，而现有方法仍然依赖于与结构或流体参数相关的校准程序。温度变化特别会改变波的传播和换能器响应 [32]，从而在振幅、飞行时间 (ToF) 和相位相关可观测量中引起显著漂移。此外，换能器粘接众所周知会随老化发生显著变化 [33]，这进一步改变了信号振幅。这些局限性激发了开发在物理上扎实、最少依赖先验假设，并对热效应和老化具有鲁棒性的估计程序。
为解决这些局限性，本工作提出了一种基于先验校准的非侵入式超声导波液位估计方法，并专门设计为通过参考路径测量保持对温度变化的鲁棒性。所提出的方法利用了入射 A0 Lamb 模态在干区和湿区之间的三相线上的转换，在半浸没板中产生主导的准 Scholte 贡献 [25]、[26]。然后从超声信号中提取的两个互补可观测量推断液位，即差值 ToF 和相关的相位，两者都与湿式传播长度有关。所提出框架的一个关键特征是在估计阶段不需要对流体和板的机械属性进行先验假设，同时引入了一种专门的补偿策略以减轻热漂移。目标是实现毫米级的精度，并采用紧凑且完全非侵入式的传感配置。
本文其余部分组织如下。在第 2 节中，我们介绍了自由板和半浸没板中导波传播的理论要求，重点是通过泄漏的模态阻尼和模态可激发性。在第 3 节中，我们提出了校准测量原理，结合基于 ToF 的初步估计和基于相位的细化评估，以及基于额外参考传播路径的温度补偿程序。实验装置和协议在第 4 节中描述。所提出方法的实验验证在第 5 节中进行，在固定温度下评估方法性能，随后评估热效应和 50°C 范围内的补偿策略。

片段
理论背景
所研究的配置如图 1a 所示，由沿传播方向的两个不同区域组成：(i) 无牵引板区域，以及 (ii) 一侧由半无限流体加载的板，此处称为半浸没区域。在本工作中，罐壁被建模为 3 毫米厚的铝板，其特征为质量密度 ρ=2.78g/cm3，纵波速度 cL=6.32mm/μs，横波速度 cT=3.15mm/μs。流体为水，质量密度 ρf=1.0
校准方法
本节描述了用于超声导波液位测量的完整方法。首先从 ToF 获得液位估计，然后使用信号的相位进行更精确的估计。最后，详细介绍了基于参考路径的超声测量的温度补偿程序。
实验装置
由于实验限制，本研究中用水作为工作流体，因为其机械属性与航空燃料相当接近。使用实际燃料将需要防爆（ATEX 认证）环境，而我们的实验室不具备此条件。此外，实验活动的罐体设计必须与处理约束兼容，并与我们的气候箱内的集成兼容。因此，仅有两个传感器
结果与讨论
本节提出了所提出的超声液位测量方法的实验验证。结果分为两部分，以评估固定温度下的方法性能，并评估所提出的温度补偿策略。
结论
本文提出了一种基于超声导波的非侵入式液位测量方法，结合校准估计策略与显式的基于参考路径的温度补偿程序。所提出的方法依赖于贴在罐体外壁上的压电换能器，并利用两个互补的可观测量，即差值飞行时间和相应的修正瞬时相位，来估计半浸没传播长度

CRediT 作者贡献声明
Quentin Baudis：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Rapha?l Carpine：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Bastien Chapuis：验证，监督，项目管理，方法论，调查，形式分析

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Raphael Carpine 报告法国替代能源和原子能委员会提供了财务支持。Raphael Carpine 拥有颁发给法国替代能源和原子能委员会的专利 #3161737。Bastien Chapuis 拥有颁发给赛峰航空航天系统法国替代能源和原子能委员会的专利 #3315241。如果有

致谢
本工作是在与赛峰航空航天系统的合作项目中完成的。作者们感谢 Vincent Boucher、Gilles Delaitre 和 Philippe Portier 对项目的宝贵贡献。他们还希望感谢他们的同事 Vahan Baronian 和 Jér?me Laurent 提出的富有见地的讨论，这些讨论有助于改进本研究。

Quentin Baudis|Rapha?l Carpine|Bastien Chapuis
法国巴黎萨克雷大学，原子能委员会，List 实验室，F-91120，帕莱索，法国