非介入式超声液位检测是超声波技术的一项重要应用,目前在石油、化工的生产和储运过程中都有广泛的应用,对生产过程的监控和安全有着十分重要的意义。它可以对易燃易爆、易挥发、有毒、强腐蚀性等液体的液位高度进行精确测量,特别是对密闭容器、大型压力容器等实施液位高度监测,以避免重大事故的发生。由于大多数易燃易爆、有剧毒的液体同时也具有很强的腐蚀性,所以需要在储罐内壁上添加防腐材料作为衬里;压力容器的器壁也有一定厚度,一般在几毫米到几十毫米不等,如固体火箭发动机中的燃料箱,各种耐酸、碱、盐液体储罐等。在对以上储罐进行非介入式超声液位检测时,探头发射声波在罐壁分界面处会发生反射和透射现象,储罐结构的复杂性使得声波在容器壁中发生多次反射和透射,最后能到达液体内部的有效声能量就很少;探头接收到的回波信号含有用信息的同时,可能还会夹杂各种因素产生的干扰噪声信号,有时回波信号甚至被噪声污染淹没,这会影响后期的信号识别和处理。声波在多层介质中传播时,由于在各界面上存在多次反射,透射到液体内部的声能量将有较大衰减。已有研究表明,声波通过周期性多层介质系统表现出明显的频率通带和禁带特性,即有些频率的声波能够完全通过,而有些频率的声波则较难通过。本论文针对全封闭高压反应器以及盛装危险液体或强腐蚀性、易挥发液体的密闭储罐,进行非介入式超声液位检测研究,采用传输矩阵方法计算了检测回波能量表达式,发现回波能量与声波的发射频率、检测材料的特性阻抗、中间层介质的厚度都有重要关系。文中重点研究了反射回波声强与入射声波频率之间的函数关系,计算了在待检测储罐结构一定时,探头发射声波的最佳入射频率,并进行了实验验证。研究表明:中间层介质对反射回波能量有着显著的影响,为得到较强的检测回波信号,发射频率的选择是非常必要的。超声检测系统(包括发射及放大电路、收发换能器、信号分析及处理模块等)确定后,针对不同结构、不同厚度的储罐,或者同厚度却盛装不同液体的储罐,需要选择合适的声波发射频率,方能达到较为理想的超声检测效果。实验结果与理论计算一致,由此为非介入式超声液位检测的频率选择提供了一条有效途径。