一种变压器用超声波油位测量方法和设备与流程

1.本发明涉及液位测量领域，尤其是涉及一种变压器用超声波油位测量方法和设备。


背景技术：

2.变压器油位计用来监测变压器内部油量的变化情况，一般作为变压器的附件，在生产环节就完成安装。然而，有一些油位计在使用过程中可能损坏，造成变压器油位失去监测。近年来，利用超声波测量变压器储油柜内油位高度得到了广泛应用，但是，这类超声波油位计的技术要求尚不明确，且若这类油位计在变压器上的安装方法不得当，将导致最后测量的数据失真。
3.中国专利申请号cn201921739979.9提供了一种变压器油枕超声波油位计，包括超声波测量模块，数据显示通讯模块，电源模块。其中超声波测量模块与数据显示通讯模块相连，数据显示通讯模块与电源相连。超声波测量模块中集成有超声波发射、超声波接收、超声波分析子模块。数据显示通讯模块实现油位数据的本地显示和数据远传。电源模块用于向超声波测量模块及数据显示通讯模块供电。
4.上述申请实现了超声波法测量变压器油枕内油位高度，但是，并未说明超声波油位计安装位置的确定方法和测量的数据处理过程。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变压器用超声波油位测量方法和设备，通过确定超声波油位计优选安装位置，并根据采集到的回波信号实现油位测量。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明的一个方面，提供了一种变压器用超声波油位测量方法，包括如下步骤：
8.将超声波油位计设置在变压器油枕下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的优选安装位置，并确定所述优选安装位置处的油枕壁厚；
9.获取所述超声波油位计的回波信号并进行预处理并获取数字信号，基于所述数字信号和所述油枕壁厚，计算实时油位。
10.作为优选的技术方案，所述的优选安装位置的确定包括如下步骤：
11.在所述变压器油枕的正下方设置水平面；
12.在水平面上的多个位置测量水平面与所述超声波油枕间的垂直距离，选取垂直距离最小时对应的超声波油枕的位置作为备选安装位置，多次重复本步骤，获取多个备选安装位置；
13.测量各个备选安装位置处的回波信号强度，选取回波信号最强的备选安装位置作为所述优选安装位置。
14.作为优选的技术方案，将所述的超声波油位计设置在所述优选安装位置的过程包
括如下步骤：
15.在所述优选安装位置处涂抹耦合剂，将所述超声波油位计安装在绝缘杆的转换接头上，使所述绝缘杆从垂直方向上靠近所述优选安装位置，使所述超声波油位计上的磁性吸头吸附在所述优选安装位置处。
16.作为优选的技术方案，使用所述的绝缘杆在所述优选安装位置处涂抹耦合剂。
17.作为优选的技术方案，对所述的回波信号并进行预处理的过程包括如下步骤：
18.对接收到的回波信号进行放大及模数转换后获取数字信号；
19.针对所述数字信号进行降噪处理。
20.作为优选的技术方案，所述的降噪处理为基于时频分析的小波去噪处理。
21.作为优选的技术方案，所述的实时油位的计算过程包括如下步骤：
22.基于所述数字信号，计算超声波探头至变压器油液面的距离，基于所述油枕壁厚计算实时油位。
23.作为优选的技术方案，所述的超声波探头至变压器油液面的距离的获取包括如下步骤：
24.基于所述数字信号，使用渡越时间算法和温度补偿，计算发射波和回波间的时延，基于所述时延计算超声波探头至变压器油液面的距离。
25.作为优选的技术方案，回波的到达时间点的确定过程包括如下步骤：
26.基于超声波信号的相关性、相似性和窄带性特点计算发射波与回波的互相关函数，并提取所述互相关函数的包络，将所述包络中的极大值点作为回波到达的时间点。
27.作为优选的技术方案，所述的超声波探头至变压器油液面的距离采用下式获取：
[0028][0029]
其中，δd为超声波探头至变压器油液面的距离，c为光速，δt为经过渡越时间算法和温度补偿得到的时延。
[0030]
本发明的另一个方面，提供了一种变压器用超声波油位测量设备，所述测量设备设置在变压器油枕下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的位置，所述测量设备包括：
[0031]
超声发射模块；
[0032]
超声波换能器，与所述超声发射模块连接，用于发射超声波；
[0033]
超声接收模块，用于获取回波，并产生模拟信号；
[0034]
数据处理模块，与所述超声接收模块连接，用于基于所述模拟信号，通过放大和模数转换获取数字信号，对所述数字信号进行降噪和温度补偿，计算发射波和回波间的时延，计算超声波探头至变压器油液面的距离，基于预设的油枕壁厚获取实时油位。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0036]
(1)保证油位测量的准确性：现有方法没有给出超声油位计安装的最佳位置，不同于现有技术，本发明将超声油位计安装在变压器油枕下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的优选安装位置，其中，平行能够保证液面与发射接收平面平行，距离最小能够在油枕倾斜或形状不规则的情况下测量到实际的液位，提高测量的准确性。
[0037]
(2)对回波信号进行处理，提高测量精度：油枕里面的结构比较复杂，回波信号很
复杂，使用传感器进行回波测量的时候对基线噪声进行降噪，并进行温度补偿，提高了测量精度。
附图说明
[0038]
图1为实施例中变压器用超声波油位测量方法的流程图；
[0039]
图2为实施例中变压器用超声波油位测量设备的结构示意图；
[0040]
图3为实施例中绝缘杆的结构示意图，
[0041]
其中，1、超声波发射模块，2、超声波换能器，3、超声接收模块，4、数据处理模块，5、绝缘连杆，6、绝缘连杆嵌入口，7、绝缘连杆螺栓，8、连接头，9、螺孔，10、油枕厚壁。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
如图1所述，本实施例提供了一种变压器用超声波油位测量方法，规范超声波油位计的技术要求，并针对其特点提出了切实可行的安装方法，得到准确的油位高度数据。本方法包括如下步骤：
[0045]
步骤s1，将超声波油位计设置在变压器油枕下方与水平面平行且距离变压器油枕距离最小的优选安装位置，并确定优选安装位置处的油枕壁厚。
[0046]
具体的，超声波油位计的安装过程包括如下步骤：
[0047]
步骤s11，在变压器油枕的正下方设置水平面，并使用水平尺对水平面的设置进行检查，保证其水平程度；
[0048]
步骤s12，将测距仪置于水平面上测量其距离变压器油枕底部的距离，并移动测距仪，记录测距仪所测最小距离的位置，并用可固定的激光笔将最小距离的位置标记出来，作为安装位置1；
[0049]
步骤s13，重复步骤s11和步骤s12，在变压器的油枕底部至少找到2个不同的安装位置；
[0050]
步骤s14，使用超声波回波信号测试工具，测量各个安装位置处的回波信号强度，选择回波信号最强的位置作为优选安装位置；
[0051]
步骤s15，优选安装位置涂抹上耦合剂，如果安装位置过高，可借助绝缘杆将耦合剂涂抹在优选安装位置处；
[0052]
步骤s16，将超声波油位计的传感器涂抹上耦合剂，涂抹后将其用固定安装在最佳位置上，如果安装位置过高或需要不停电安装则需要使用绝缘杆，绝缘杆与油位计的连接可转换的连接头8，或其他可便于拆卸的方法，具体的，绝缘杆的结构示意图如图3所述，绝缘杆包括绝缘连杆5，绝缘连杆5通过绝缘连杆前入口6与连接头8卡接，连接头8与绝缘连杆5通过多个绝缘连杆螺栓7连接，连接头8的顶部设有螺孔9；
[0053]
步骤s17，使用测厚仪将变压器油枕的壁厚测量，作好记录并将其输入至超声波油
位计的常规设置中。以扣除壁厚厚度；
[0054]
步骤s18，连接测试平台观测油位的测试数据，至其能稳定的测量并发送数据，安装结束。
[0055]
步骤s2，获取超声波油位计的回波信号并进行预处理并数字信号，基于数字信号和油枕壁厚，计算实时油位。
[0056]
发明的油位计的核心器件是使用了一种非接触式测量的超声波换能器，其具体参数如下：
[0057]
换能器的工作电压为5v-48v。
[0058]
换能器的中心频率20khz-50khz。
[0059]
换能器的灵敏度70-80db(v/(m/s))。
[0060]
测量时的发射强度量程范围20-2000mm。
[0061]
输出信号4-20ma。
[0062]
输出方式rs485。
[0063]
优选的，换能器计算回波信号到达的时间点的确定方法如下：
[0064]
将包络峰值法和互相关函数法相结合，利用超声波信号的相关性(回波信号仅幅值大小随距离变化)、相似性(同一位置不同目标的回波信号波形相似)和窄带性(回波信号频率为以谐振频率为中心的窄带)的特点，计算发射波与回波的互相关函数，并采用改进的fft算法直接提取互相关函数的包络，检索发射信号和回波信号互相关函数包络的极大值，该极大值点即为回波到达的时刻，从而准确得出回波前沿到达的时间。
[0065]
具体的，油位高度的测量流程包括如下步骤
[0066]
变压器超声波油位计采用超声波脉冲回波法测量变压器油位高度，其油位高度测量流程如图所示。超声发射模块驱动换能器发出超声波，超声波在油介质中传播到达与空气的交界处发生发射，反射波被接收模块接收，回波信号经放大和调理处理后送入adc采集得到数字信号，对数字信号采用基于时频分析的小波去噪方法进行降噪处理，利用渡越时间算法辅以系统温度补偿，计算发射波和回波之间的时延，从而利用精确得到超声波探头到绝缘油界面的距离，完成油位高度测量。
[0067]
本发明的方案与现有技术相比，可以直接给出油枕内的油位高度，且超声波换能器所发射出的声波能穿透油枕的壁厚，并能产生可以计算时间的回波信号，所用的信号提取方法，可以避免变电站内各种局部放电、振动、电晕等异响对回波信号的干扰，能够得到准确的油位高度。
[0068]
实施例2
[0069]
如图2所述，本实施例提供了一种变压器用超声波油位测量设备，用于透过4-10mm厚的油枕厚壁10测量油界面的位置，测量设备包括：
[0070]
超声发射模块1；
[0071]
超声波换能器2，与超声发射模块1连接，用于发射超声波；
[0072]
超声接收模块3，用于获取回波，并产生模拟信号；
[0073]
数据处理模块4，与超声接收模块3连接，用于基于所述模拟信号，通过放大和模数转换获取数字信号，对数字信号进行降噪和温度补偿，计算发射波和回波间的时延，计算超
声波探头至变压器油液面的距离，基于预设的油枕壁厚获取实时油位。
[0074]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：将超声波油位计设置在变压器油枕下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的优选安装位置，并确定所述优选安装位置处的油枕壁厚；获取所述超声波油位计的回波信号并进行预处理并获取数字信号，基于所述数字信号和所述油枕壁厚，计算实时油位。2.根据权利要求1所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，所述的优选安装位置的确定包括如下步骤：在所述变压器油枕的正下方设置水平面；在水平面上的多个位置测量水平面与所述超声波油枕间的垂直距离，选取垂直距离最小时对应的超声波油枕的位置作为备选安装位置，多次重复本步骤，获取多个备选安装位置；测量各个备选安装位置处的回波信号强度，选取回波信号最强的备选安装位置作为所述优选安装位置。3.根据权利要求1所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，将所述的超声波油位计设置在所述优选安装位置的过程包括如下步骤：在所述优选安装位置处涂抹耦合剂，将所述超声波油位计安装在绝缘杆的转换接头上，使所述绝缘杆从垂直方向上靠近所述优选安装位置，使所述超声波油位计上的磁性吸头吸附在所述优选安装位置处。4.根据权利要求3所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，使用所述的绝缘杆在所述优选安装位置处涂抹耦合剂。5.根据权利要求1所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，对所述的回波信号并进行预处理的过程包括如下步骤：对接收到的回波信号进行放大及模数转换后获取数字信号；针对所述数字信号进行降噪处理。6.根据权利要求5所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，所述的降噪处理为基于时频分析的小波去噪处理。7.根据权利要求1所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，所述的实时油位的计算过程包括如下步骤：基于所述数字信号，计算超声波探头至变压器油液面的距离，基于所述油枕壁厚计算实时油位。8.根据权利要求7所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，所述的超声波探头至变压器油液面的距离的获取包括如下步骤：基于所述数字信号，使用渡越时间算法和温度补偿，计算发射波和回波间的时延，基于所述时延计算超声波探头至变压器油液面的距离。9.根据权利要求8所述的一种变压器用超声波油位测量方法，其特征在于，回波的到达时间点的确定过程包括如下步骤：基于超声波信号的相关性、相似性和窄带性特点计算发射波与回波的互相关函数，并提取所述互相关函数的包络，将所述包络中的极大值点作为回波到达的时间点。10.一种变压器用超声波油位测量设备，其特征在于，所述测量设备设置在变压器油枕
下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的位置，所述测量设备包括：超声发射模块(1)；超声波换能器(2)，与所述超声发射模块(1)连接，用于发射超声波；超声接收模块(3)，用于获取回波，并产生模拟信号；数据处理模块(4)，与所述超声接收模块(3)连接，用于基于所述模拟信号，通过放大和模数转换获取数字信号，对所述数字信号进行降噪和温度补偿，计算发射波和回波间的时延，计算超声波探头至变压器油液面的距离，基于预设的油枕壁厚获取实时油位。

技术总结
本发明涉及一种变压器用超声波油位测量方法和设备，所述方法包括如下步骤：将超声波油位计设置在变压器油枕下方与水平面平行且距离所述变压器油枕距离最小的优选安装位置，并确定所述优选安装位置处的油枕壁厚；获取所述超声波油位计的回波信号并进行预处理并获取数字信号，基于所述数字信号和所述油枕壁厚，计算实时油位。与现有技术相比，本发明可以直接给出油枕内的油位高度，且超声波换能器所发射出的声波能穿透油枕的壁厚，并能产生可以计算时间的回波信号，所用的信号提取方法，可以避免变电站内各种局部放电、振动、电晕等异响对回波信号的干扰，能够得到准确的油位高度。度。度。


技术研发人员：邓先钦 丁敏 苏磊 熊鸣翔 王劭菁 彭伟 高凯 陈璐 徐鹏
受保护的技术使用者：华东电力试验研究院有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/10/6