超聲波液位計對疏水管道液位高度的測量工藝研究及方法

 

液位高度的準確測量是疏水管道運行監測和實時控制的重要保障，監測不當不僅影響管道的安全運行，管道內壁還易出現嚴重腐蝕［１－２］。疏水管道因敷設面積大、規格尺寸多、對環境影響大等特點，不能實現全管段、全覆蓋的液位監測。

 

容器中通常采用磁翻板液位計、液差液位計、雷達液位計與超聲波液位計等儀器進行液位測量，其中超聲波液 位 計 以 價 格 低 廉、操 作 方 便、安 裝 靈 活（螺紋、法蘭、支架等連接方式）的優勢被廣泛應用。超聲波液位測量的方法有：螺紋式超聲波液位測量法、推進劑超聲波外測液位測量法以及采用“延時接收信號分離”的單片機外測液位測量方法［３－４］。但是超聲液位計配置場所固定、維護成本高，當管段處于監測盲區時（見圖１），只能采用熒光、射線等方法進行液位測量。因此，針對疏水管道的特點，仍需操作靈活、使用方便的液位檢測方法。筆者采用zui 常 見 的 數 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 超 聲儀對輸水管液位進行測量，結合疏水管道與超聲波傳播特點推導出液位高度計算公式，并對計算結果進行了校正，達到了方便快捷地測量液位的目的。

１ 檢測工藝

１．１ 檢測試件

　　試驗用管道的材料為３０４不銹鋼，規格（外徑×壁厚）為６０ｍｍ×２．６ｍｍ，并選用密封效果較好且材料均勻透明的冷鑲粉對管道兩側進行封堵，室溫（約２０℃）下在管道中加入不等量的水，以模擬不同液位高度的工況，其外觀如圖２所示。

 

１．２ 檢測方法

　　檢測儀 器 采 用 數 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 ＵＳＭ－３６超聲儀，為了兼顧檢測靈敏度與透射強度［５－６］，采 用５Ｐ６（探頭頻率５ ＭＨｚ，晶片直徑６ｍｍ）探頭，并以管壁一次 回 波 的８０％波 高 作 為 掃 查 靈 敏 度。采集不同液位高度的聲程數據，經推導公式計算得出液位高度，使用 Ｏｒｉｇｉｎ軟件對液位高度數據進行擬合，并通過擬合函數對推導公式進行校正，從而得到校正后的液位高度計算值。

 

２ 數字式 Ａ型脈沖反射超聲儀液位檢測

　　普遍使用的推進劑超聲波外測液位計［７］的檢測原理是：超 聲 儀 激 發 電 路 使 探 頭 產 生０°縱 波，縱 波經管壁透射進入管內水層中，再經水－空氣界面返回至超聲波探頭，如圖３所示。單片機接收電路記錄下超聲波往返的時間差，并將聲速對溫度進行校正，從而計算得出液位高度，如式（１）所示。

數字式 Ａ 型脈沖反射超聲儀液位檢測原理與推進劑超聲波外測液位計的檢測原理一致，同樣需要儀器記錄超聲波在水層中的傳播時間 Δｔ，所不同的是：

（１）推進劑超聲波外測液位計安裝位置固定，檢測區域不夠靈活；數字式 Ａ 型脈沖反射超聲儀使用普遍，操作方便，幾乎不受檢測區域的影響。

 

（２）推進劑超聲波外測液位計通過單片機系統采集超聲波往返時間 Δｔ，并將液位信息直接以數字形式直觀表現；Ａ 型脈沖反射超聲儀則將采集到的超聲 波 往 返 時 間 Δｔ 通 過 液 位 回 波 聲 程 表 現 出 來，即聲程Ｓ 為 Δｔ／２與儀器設置聲速的乘 積，因 此 液位高度Ｔ 也可表示為式（２）。

 

式中：Ｔ 為液位高度；Δｔ為超聲波在水層中傳播的往返時間；Ｓ 為水－氣界面回波聲程；Ｃ 為聲速，下標表示聲波在各材料中的聲速；ｄ 為管壁厚度。

 

３ 波形分析

　　液位回波 波 形 辨 識 是 數 字 式 Ａ 型 脈 沖 反 射 超聲儀液位檢測的基礎，穩定的聲壓和明顯的聲程信息可以提高液位回波波形的辨識。室溫下選擇受檢管段 無 水 一 側 的 管 壁 校 準 聲 速，即 Ｃ儀 器 ＝Ｃ鋼 ＝５８１２ｍ·ｓ－１，壁厚反射回波聲程為其真實聲程，并選擇無水（黑色線條）與液位高度１０ｍｍ（紅色與藍色線條）兩種 工 況，采 用 Ａ 型脈沖反射超聲儀對液位高度進行檢測，所得波形如圖４所示。

 

由圖４可以看 出，管 道 內 無 水 時，波 形 僅 為 壁厚的數次 回 波，一 次 壁 厚 回 波 波 高 約 為 ４５．５ｄＢ；液位高度１０ｍｍ 處的反射回波（藍色線條）遠離壁厚回波（紅色線 條），壁 厚 回 波 在 管 壁 內 多 次 反 射后形成 回 波 簇。在 實 際 測 量 時 發 現，管 內 液 面 的流動對超 聲 波 反 射 的 影 響 不 大［８］，但 隨 著 液 面 的流動，反射回波會 出 現 上 下 跳 動 現 象，這 可 以 提 高水－氣界面反射回 波 的 辨 識 度。經 測 量，１０ ｍｍ 高度 液 位 聲 程 約 為４０．０４ｍｍ，波 高 約 為３５．０ｄＢ，幾乎與管壁二次回 波 高 度 持 平，這 是 由 于：儀 器 設 置聲速Ｃ儀 器 ＝Ｃ鋼 ，且 Ｃ鋼 約 為 Ｃ水 的４倍，溫 度 等 條件一定時，超聲波 自 激 發 至 接 收 的 時 間 Δｔ為 固 定值，因此水－氣反射回波聲程比真實聲程較 遲 出 現，從而使得水－氣 回 波 不 受 壁 厚 回 波 干 擾，辨 識 度 較高。另外，反射回波 自 水 層 入 射 進 入 鋼 中，由 于 聲阻抗Ｚ水 ＜Ｚ鋼 ，水－鋼界面的反射回波聲壓與入射回波聲 壓 同 位 相，而 疊 加 形 成 駐 波，聲 壓 Ｐ透 射 ＝Ｐ反 射 ＋Ｐ入 射 ，探頭接收 到 的 透 射 波 聲 壓 升 高，因 此水－氣反射回波聲壓較高。

 

結論

　　在２０～６０ ℃溫 度 范 圍 內，采 用 數 字 式 Ａ 型 脈沖反射超聲儀，可以對疏水管道液位高度進行精確測量。該檢測方法、可靠，且經校正后的液位高度計算結果誤差在±１ｍｍ 范圍內。