超声波液位计对疏水管道液位高度的测量工艺研究及方法

 

液位高度的准确测量是疏水管道运行监测和实时控制的重要保障，监测不当不仅影响管道的安全运行，管道内壁还易出现严重腐蚀［１－２］。疏水管道因敷设面积大、规格尺寸多、对环境影响大等特点，不能实现全管段、全覆盖的液位监测。

 

容器中通常采用磁翻板液位计、液差液位计、雷达液位计与超声波液位计等仪器进行液位测量，其中超声波液 位 计 以 价 格 低 廉、操 作 方 便、安 装 灵 活（螺纹、法兰、支架等连接方式）的优势被广泛应用。超声波液位测量的方法有：螺纹式超声波液位测量法、推进剂超声波外测液位测量法以及采用“延时接收信号分离”的单片机外测液位测量方法［３－４］。但是超声液位计配置场所固定、维护成本高，当管段处于监测盲区时（见图１），只能采用荧光、射线等方法进行液位测量。因此，针对疏水管道的特点，仍需操作灵活、使用方便的液位检测方法。笔者采用zui 常 见 的 数 字 式 Ａ 型 脉 冲 反 射 超 声仪对输水管液位进行测量，结合疏水管道与超声波传播特点推导出液位高度计算公式，并对计算结果进行了校正，达到了方便快捷地测量液位的目的。

１ 检测工艺

１．１ 检测试件

　　试验用管道的材料为３０４不锈钢，规格（外径×壁厚）为６０ｍｍ×２．６ｍｍ，并选用密封效果较好且材料均匀透明的冷镶粉对管道两侧进行封堵，室温（约２０℃）下在管道中加入不等量的水，以模拟不同液位高度的工况，其外观如图２所示。

 

１．２ 检测方法

　　检测仪 器 采 用 数 字 式 Ａ 型 脉 冲 反 射 ＵＳＭ－３６超声仪，为了兼顾检测灵敏度与透射强度［５－６］，采 用５Ｐ６（探头频率５ ＭＨｚ，晶片直径６ｍｍ）探头，并以管壁一次 回 波 的８０％波 高 作 为 扫 查 灵 敏 度。采集不同液位高度的声程数据，经推导公式计算得出液位高度，使用 Ｏｒｉｇｉｎ软件对液位高度数据进行拟合，并通过拟合函数对推导公式进行校正，从而得到校正后的液位高度计算值。

 

２ 数字式 Ａ型脉冲反射超声仪液位检测

　　普遍使用的推进剂超声波外测液位计［７］的检测原理是：超 声 仪 激 发 电 路 使 探 头 产 生０°纵 波，纵 波经管壁透射进入管内水层中，再经水－空气界面返回至超声波探头，如图３所示。单片机接收电路记录下超声波往返的时间差，并将声速对温度进行校正，从而计算得出液位高度，如式（１）所示。

数字式 Ａ 型脉冲反射超声仪液位检测原理与推进剂超声波外测液位计的检测原理一致，同样需要仪器记录超声波在水层中的传播时间 Δｔ，所不同的是：

（１）推进剂超声波外测液位计安装位置固定，检测区域不够灵活；数字式 Ａ 型脉冲反射超声仪使用普遍，操作方便，几乎不受检测区域的影响。

 

（２）推进剂超声波外测液位计通过单片机系统采集超声波往返时间 Δｔ，并将液位信息直接以数字形式直观表现；Ａ 型脉冲反射超声仪则将采集到的超声 波 往 返 时 间 Δｔ 通 过 液 位 回 波 声 程 表 现 出 来，即声程Ｓ 为 Δｔ／２与仪器设置声速的乘 积，因 此 液位高度Ｔ 也可表示为式（２）。

 

式中：Ｔ 为液位高度；Δｔ为超声波在水层中传播的往返时间；Ｓ 为水－气界面回波声程；Ｃ 为声速，下标表示声波在各材料中的声速；ｄ 为管壁厚度。

 

３ 波形分析

　　液位回波 波 形 辨 识 是 数 字 式 Ａ 型 脉 冲 反 射 超声仪液位检测的基础，稳定的声压和明显的声程信息可以提高液位回波波形的辨识。室温下选择受检管段 无 水 一 侧 的 管 壁 校 准 声 速，即 Ｃ仪 器 ＝Ｃ钢 ＝５８１２ｍ·ｓ－１，壁厚反射回波声程为其真实声程，并选择无水（黑色线条）与液位高度１０ｍｍ（红色与蓝色线条）两种 工 况，采 用 Ａ 型脉冲反射超声仪对液位高度进行检测，所得波形如图４所示。

 

由图４可以看 出，管 道 内 无 水 时，波 形 仅 为 壁厚的数次 回 波，一 次 壁 厚 回 波 波 高 约 为 ４５．５ｄＢ；液位高度１０ｍｍ 处的反射回波（蓝色线条）远离壁厚回波（红色线 条），壁 厚 回 波 在 管 壁 内 多 次 反 射后形成 回 波 簇。在 实 际 测 量 时 发 现，管 内 液 面 的流动对超 声 波 反 射 的 影 响 不 大［８］，但 随 着 液 面 的流动，反射回波会 出 现 上 下 跳 动 现 象，这 可 以 提 高水－气界面反射回 波 的 辨 识 度。经 测 量，１０ ｍｍ 高度 液 位 声 程 约 为４０．０４ｍｍ，波 高 约 为３５．０ｄＢ，几乎与管壁二次回 波 高 度 持 平，这 是 由 于：仪 器 设 置声速Ｃ仪 器 ＝Ｃ钢 ，且 Ｃ钢 约 为 Ｃ水 的４倍，温 度 等 条件一定时，超声波 自 激 发 至 接 收 的 时 间 Δｔ为 固 定值，因此水－气反射回波声程比真实声程较 迟 出 现，从而使得水－气 回 波 不 受 壁 厚 回 波 干 扰，辨 识 度 较高。另外，反射回波 自 水 层 入 射 进 入 钢 中，由 于 声阻抗Ｚ水 ＜Ｚ钢 ，水－钢界面的反射回波声压与入射回波声 压 同 位 相，而 叠 加 形 成 驻 波，声 压 Ｐ透 射 ＝Ｐ反 射 ＋Ｐ入 射 ，探头接收 到 的 透 射 波 声 压 升 高，因 此水－气反射回波声压较高。

 

结论

　　在２０～６０ ℃温 度 范 围 内，采 用 数 字 式 Ａ 型 脉冲反射超声仪，可以对疏水管道液位高度进行精确测量。该检测方法、可靠，且经校正后的液位高度计算结果误差在±１ｍｍ 范围内。