浅析超声波液位计在核电厂循环水液位测量中的局限性

李树玲 汪文耀 冯灯

【摘 要】本文着重介绍了超声波液位计的测量原理，以及超声波液位计在核电厂循环水液位测量中的应用、运行及故障情况。

【关键词】超声波;液位计;核电

1  核电厂循环水液位测量简介

核电厂的循环水从海边取水口经过隧道输水至联合泵房前池，经过鼓形滤网提供给下游用户。鼓形滤网设计为垂直安装，主轴水平放置，水流流向为内进外出，污物拦截于鼓形滤网内侧，过滤的海水经过鼓形滤网后的流道进入下游取水口。

鼓形滤网的运行方式由滤网前后的三套液位计控制，每套液位计共2台，分别置于滤网前及滤网后，根据前后的液位计差值控制鼓形滤网的转速切换。从设计多元化考虑，三套液位计选用2类测量原理：超声波液位计、静压式液位计。

2  超声波液位计原理

超声波液位计是运用声波在不同介质中传播时的衰减、穿透能力和声阻抗不同的性质，在被测介质界面上产生反射和折射的原理工作的，反射回波被探头接收并转换成电信号，所测距离与传播时间成正比。

超声波液位计在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，且发射完超声波后换能器存在余振，期间不能检测反射回波，造成探头表面下的一小段區域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能正常检测，这一段区域称为测量盲区，盲区的大小与超声波液位计的量程有关。

3  现场使用及缺陷情况

自鼓形滤网投入运行以来，现场多次出现超声波液位计读数异常，测量数据不稳定。而液位有波动、跳变或死机导致鼓形滤网液位计信号不可用，且液位控制设备频繁起停或空转将会造成设备损坏，不利于机组的安全稳定运行。

深入分析超声波液位计在循环水液位测量中故障率高，主要有以下几点原因：

1）超声波探头入射空间位置狭小：

鼓形滤网后超声波液位计安装位置空间较小，狭小的空间会导致超声波在传输过程中出现很多干扰回波。例如某次并无液位时，即空罐，罐底因为斜坡的关系，声波被折射后并没有返回探头，所以无明显罐底信号。而在全量程测量区域里却有多个明显的假信号，但此时在这些位置上并无任何障碍物体，且这些假信号会随着液位的变化而发生幅值和位置的变化，进而使测量信号容易被误判。

这样的波形并不是良好的，其产生的主要原因是由于安装空间狭小引起的，而这种情况多出现在鼓形滤网后安装位置，同样在其他位置上安装的超声波探头，因下方空间较大，并无此干扰波形出现。

2）超声波液位计安装孔过长：

在楼板上开有水泥孔，超声波传感器安装在此水泥孔上方，传感器膜片与水泥孔上表面平行，在超声波液位计技术规范里对于传感器的安装短管要求是<520mm，从安装短管直径DN200开始（因为探头本身直径较大），传感器探头伸入短管内安装，在减去超声波本身结构长度145mm之后，其实际允许的安装短管长度需要<375mm，且底部最好为45°斜角，一方面增大接收回波面积，另一方面可以抑制对称的干扰回波。

而在循环水液位计测量中，安装孔深度为1200mm，远远超越了技术规范里对于传感器所允许的安装短管长度。过长的安装短管会增加回波噪声，在超声波液位计的波形图中呈现出很强的受噪声干扰状态：在超声波液位计用来实时抑制一些小幅度波动的干扰动态抑制曲线中可以看到，当回波信号强度超越仪表自动计算得来的动态抑制曲线时，就有可能被判断为液位回波。

这些干扰多来自于声波在安装短管内不断反射回弹。特别是当液位上升起来之后，随着液位越来越高，回波的强度也在增强，过长的安装短管造成的回波噪声也在增强。

3）有多个大幅值干扰回波：

每台机组中共有四台超声波液位计用来测量循环水液位，两台液位传感器安装在鼓形滤网前、两台液位传感器安装在鼓形滤网后。通过鼓形滤网前的传感器波形特征可以看出：在真实液位之前，有2个回波信号，分别位于距离传感器大致8000mm和10000mm处。而且随着液位提升这2个回波信号的具体位置不会变化、且在当其被液位覆盖后，即当真实液位达到并超过此距离时，这2个回波信号就消失了。

根据鼓形滤网剖面图，在超声波传播的主通道上，由于安装空间不够，导致超声波打到鼓形滤网的网片上，再由鼓形滤网网片反射回来，造成固定干扰回波。

4）低液位时时干扰较大：

从对其中一台鼓形滤网前超声波液位传感器的分析来看，4个干扰回波分别位于距离传感器大致7500mm;9500mm，11500mm和13500mm处。由于在超声波液位计安装位置的下方，即池底部有一定的倾斜角度，在液位较低时，探头发出的超声波会在此发生定向放射，无法返回到探头处。所以在低液位时，没有液位回波信号。并且干扰信号的位置及距离与其他几台超声波液位计基本相同，每个回波之间间距相等，判定其是由于鼓形滤网网片的干扰产生的多次回波。

所以低液位时没有正确的接收到回波信号，只有当液位上升到水泥底部坡度以上时发射出去的声波才能被正常接收到。

5）安装区域水汽重

超声波液位计安装在循环水水室上方的腔体内，由于海水的流速较快、流量较大，同时安装位置位于地平面以下较为密闭的空间内，通风效果较差、闷热潮湿，在介质流动过程中产生大量的水汽，导致在超声波传感器周围长期存在大量的凝露、水雾，尤其是在外界空气湿度也较大的季节，凝露问题更为突出，而凝露会阻碍超声波的发送、接收，造成非常强的干扰，导致循环水液位测量信号失效。

4  结论

超声波液位计的在鼓形滤网前后测量的局限性是由其测量原理决定的，因超声波液位计发射的是机械波，具有可压缩性，易被周围环境吸收;同时在安装区域的凝露，水雾、粉尘都会阻碍超声波的发射。另外超声波液位计安装在水泥盖板下方，传感器膜片与水泥孔上表面平行，而水泥预制板的厚度会造成超声波液位计原始噪音线过高，有效回波容易丢失。

参考文献：

[1] 韩平.超声波液位计在液位测量中的应用[J].中国仪器仪表，2011，第3期：32～34.

（作者单位：海南核电有限公司）