超声波对疏水管道液位高度的测量

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(西安热工研究院有限公司，西安 710032)

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。

图1 液位测量的监测盲区示意

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。

笔者采用最常见的数字式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φ60 mm×2.6 mm，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。

图2 试件外观示意

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5Pφ6(探头频率5 MHz,晶片直径6 mm)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。

图3 超声波外测液位计检测原理示意

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)。

(1)

(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=5 812 m·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10 mm(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。

图4 无水与10 mm液位的检测波形

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45.5 dB；液位高度10 mm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40.04 mm，波高约为35.0 dB，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

当水层深度T=10 mm时，壁厚反射回波(红色线条)较无水工况时的数量减少且声压值降低，这是由于：已知钢的声阻抗Z钢=46.0M kg/(m2·s)，水的声阻抗Z水=1.48M kg/(m2·s)，空气的声阻抗Z空=0.000 4M kg/(m2·s)。由式(3),(4)可得到多次入射波的声强反射率

r=(Z水-Z钢)/(Z水+Z钢)

(3)

(4)

式中：r为入射波声压反射率；R为入射波声强反射率；n为同一入射波经反射后入射的次数。

当管道内无水时，超声波入射至钢-气界面；当管道内有水时，超声波入射至钢-水界面；由式(3),(4)可分别得到四次入射波声强反射率R4钢-气=0.999 728，R4钢-水=0.357 037。则4次入射波在钢-气与钢-水界面声压差Δ=10lg(R4钢-气/R4钢-水)=4.471 68 dB[9]。

因此同一入射波在钢-气界面与钢-水界面经过多次反射，钢-水界面的衰减较快而钢-气界面的衰减较慢。

4 样品测定

4.1 实际测量

室温(约20 ℃)下对不同高度液位进行测量，将测量得到的水-气液面回波声程代入式(2)计算得到液位高度，并与液位的测量高度进行比较，如表1所示。由表1可以看出，经A型脉冲发射超声仪检测得到的水-气界面回波，液位计算高度与实测高度误差在±2 mm范围内。

表1 液位高度的测量值与计算值的对比 mm

4.2 参数校正

图5 液位测量的计算结果与校正结果对比

为了减小液位计算高度与实测高度的偏差，以实测高度为基准对计算结果进行校正，如图5所示，黑点表示计算结果，红色线条为校正结果，校正函数如式(5)所示，置信度约为99%。

y=0.97x-0.31

(5)

将校正函数代入式(2)，可得校正后液位回波高度计算公式

x=[(S/C仪器-d/C钢)C水+0.31]/0.97

(6)

将测量结果重新代入式(6)，经校正后的计算结果如表1所示，由表1可以看出，液位计算高度经校正后偏差在±1 mm范围以内，检测灵敏度与推进剂超声波外测液位计的一致。

图6 温度对液位和声程检测结果的影响

4.3 温度对测量结果的影响

选择20～60 ℃非高温段温度区间，对液位(测量值为12 mm)进行测量，将测量结果代入式(6)得到计算结果，如图6所示。由图6可以看出，随着温度的升高，检测所得声程与液位高度计算值变化不大，分别在1 mm和0.2 mm内呈逐渐减小趋势，与实测深度12 mm相比，检测灵敏度仍在±1 mm范围内。文献[10]指出，钢与水的声速随温度t的变化如式(7),(8)所示

C钢=5 244×(1-0.128 7×10-3t)

(7)

C水=1 410+4.21t-0.037t2

(8)

由式(7),(8)可以看出，随着温度的升高，纵波在钢中声速逐渐降低，而在水中声速逐渐升高；且水的声速改变量大于钢，因此当温度在20～60 ℃区间时，声程的测量值逐渐减小；文献[11]指出，温度改变100 ℃，钢的声速改变量约为1%。室温时，C钢=5 812 m·s-1，C水=1 480 m·s-1。因此，60 ℃时钢的声速减小，约为5 777 m·s-1，水的声速增大，约为1 529 m·s-1；超声波在管壁中增加的传播时间约为2.7×10-9s，在水层中减少的传播时间约为2.6×10-7s，管壁中增加的传播时间较水中减少的传播时间小得多，可以忽略。水中减少的传播时间量与仪器设定声速V仪器的乘积，则为测量声程的减小量，且其值约为1.5 mm，由于公式及测量误差，声程测量值在1 mm范围变化则认为合理。因此，在20～60 ℃温度区间，温度对液位高度计算结果的影响不大。

5 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±1 mm范围内。