超聲波液位計(jì)作為一種非接觸式物位測(cè)量?jī)x表，具有測(cè)量精度高、安裝簡(jiǎn)便、基本免維護(hù)等特點(diǎn)，常用于測(cè)量各種容器內(nèi)液體的液位。在核電機(jī)組運(yùn)行中，如安全殼地坑、疏水箱等容器由于其內(nèi)部介質(zhì)放射性高，使用超聲波液位計(jì)作為測(cè)量?jī)x表極大簡(jiǎn)化了后續(xù)儀表的維護(hù)工作，人員數(shù)量也得到有效控制。
超聲波液位計(jì)測(cè)量原理
當(dāng)聲波以垂直角度入射至介面時(shí)，其反射系數(shù)為兩種介質(zhì)的聲阻抗差與聲阻抗和的比值的平方。當(dāng)兩種介質(zhì)的聲阻抗相差較大時(shí)，即在界面處形成所謂的硬邊界，這是入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時(shí)好像彈性碰撞一樣，變成反向速度，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度相位改變180°。以空氣/水界面為例，水的聲阻抗與空氣的聲阻抗相差4個(gè)數(shù)量級(jí)，相差懸殊，因此當(dāng)聲波射入空氣/水界面時(shí)，聲波幾乎全部被反射。
超聲波液位計(jì)的測(cè)量原理及為回波測(cè)距，利用測(cè)量聲波從發(fā)射至接受的時(shí)間間隔，結(jié)合補(bǔ)償后的聲波聲速得到聲波傳輸?shù)木嚯xh。1/2h即為超聲波探頭距離界面的距離。利用已知的超聲波液位計(jì)安裝高度與超聲波至界面的距離作差，即可獲得當(dāng)前儲(chǔ)液裝置內(nèi)的液位高度。
超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片(或壓電陶瓷)制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收。同一塊壓電晶體既負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)射，也負(fù)責(zé)接收。因此，在發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)之間，需要一段時(shí)間使得壓電晶體從振蕩狀態(tài)恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)，然后才能開(kāi)始接收反射的超聲波信號(hào)，根據(jù)時(shí)域反射原理，這段時(shí)間代表了空間的一段距離，即盲區(qū)。在盲區(qū)內(nèi)，超聲波液位計(jì)是不能進(jìn)行測(cè)量的。一般超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍約大，其盲區(qū)就越大。
不同的超聲波頻率使用于不同量程的超聲波液位計(jì)。一般規(guī)律是量程越小，超聲波頻率越高；量程越大，超聲波頻率越低。這是因?yàn)槌暡ǖ哪芰吭诎l(fā)射和返回經(jīng)過(guò)的介質(zhì)中被衰減，低頻長(zhǎng)波的能量較大，可保證超聲波的能量在長(zhǎng)時(shí)間傳播過(guò)程中不至于衰減的太多。若超聲波能量太強(qiáng)，則被測(cè)頁(yè)面會(huì)產(chǎn)生大量空化氣泡，反而會(huì)降低回波的質(zhì)量，影響測(cè)量精度。需根據(jù)測(cè)量范圍的大小，選取合適的超聲波液位計(jì)。
1、回波曲線
超聲波液位計(jì)迅速連續(xù)地發(fā)射脈沖，并掃描它們的反射回波。收到回波的能量將根據(jù)它們的飛行時(shí)間排列。代表這種序列的圖形就稱為包絡(luò)曲線(如圖1所示)。回波曲線包含初始脈沖、衰減以及一個(gè)或多個(gè)回波，它們以飛行時(shí)間的長(zhǎng)短為序排列。要提高液位測(cè)量的可靠性，就要擴(kuò)大真實(shí)液位信號(hào)與其它所有干擾信號(hào)的區(qū)別。
圖1 超聲波液位計(jì)回波曲線
2、回波抑制曲線
超聲波脈沖在容器內(nèi)飛行傳輸過(guò)程中，遇到爬梯、梁、管道、焊縫、攪拌葉片等結(jié)構(gòu)物時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生回波，即雜波干擾信號(hào)。為了從回波曲線中甄別出真實(shí)的液位回波信號(hào)，超聲波液位計(jì)通常會(huì)設(shè)置一條隨時(shí)間變化(即空間上的距離變化)的濾波曲線，確定當(dāng)回波信號(hào)超出閾值時(shí)，才被認(rèn)定為有效回波，進(jìn)而進(jìn)入算法識(shí)別模塊后續(xù)處理。該回波抑制曲線，又稱為TVT時(shí)變閾值、干擾抑制曲線、罐體映像等，其目的在于通過(guò)閾值門限，濾除無(wú)用干擾雜波。如圖2所示。
圖2 超聲波液位計(jì)回波抑制曲線
超聲波液位計(jì)典型故障分析
超聲波液位計(jì)沒(méi)有可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)上主要分為超聲波探頭、信號(hào)變送處理、人機(jī)界面3個(gè)部分。根據(jù)結(jié)構(gòu)上這3個(gè)部分的集成情況，分為一體式和分體式兩種。從采用的接線方式上，可劃分為兩線制、三線制和四線制。兩線制為供電與信號(hào)輸出共用，采用24V直流電源供電，同時(shí)供電線路也作為m A信號(hào)的輸出線路；三線制為供電回路與信號(hào)回路獨(dú)立，采用24V直流電源供電，供電負(fù)端與信號(hào)負(fù)端共用一根芯線；四線制則為供電回路與信號(hào)回路完全隔離，使用直流或者交流電源供電，獨(dú)立信號(hào)回路回傳液位信號(hào)。
國(guó)外品牌E+H FMU系列、Vega系列、KROHNE系列和西門子系列在國(guó)內(nèi)有較高知名度；國(guó)產(chǎn)超聲波液位計(jì)品牌眾多，產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊。其中，E+H的FMU系列和Vega系列采用兩線制，西門子LUT400系列則采用四線制，使用220VAC電源供電，獨(dú)立mA信號(hào)輸出。
1、VEGA超聲波液位計(jì)跳滿
在某企業(yè)海水淡化系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，清水池A超聲波液位計(jì)(VEGASON 62)顯示滿液位，而真實(shí)液位約3m左右。該水處理系統(tǒng)的儲(chǔ)液罐多處于室外，當(dāng)室內(nèi)外溫差大時(shí)，超聲波探頭極易產(chǎn)生凝露，曾多次出現(xiàn)超聲波液位計(jì)輸出滿量程。對(duì)于清水池A超聲波液位計(jì)跳滿，維護(hù)人員拆卸該液位計(jì)檢查探頭，發(fā)現(xiàn)探頭并無(wú)明顯凝露，且安裝處無(wú)干擾源，因此懷疑為儀表回波抑制曲線未設(shè)置或設(shè)置不合適。
使用Pactware軟件，結(jié)合Hart調(diào)制解調(diào)器，連接超聲波液位計(jì)進(jìn)行回波曲線診斷。發(fā)現(xiàn)回波曲線在接近滿罐液位處存在結(jié)構(gòu)件導(dǎo)致的小干擾反射信號(hào)(如圖3所示)，且此臺(tái)超聲波液位計(jì)并未設(shè)置回波抑制曲線，導(dǎo)致該小干擾信號(hào)被當(dāng)成真實(shí)液位信號(hào)顯示。
圖3 VEGA超聲波液位計(jì)跳滿曲線
通過(guò)診斷軟件，查看該超聲波液位計(jì)的回波曲線，即可比較方便的定位故障機(jī)理。因此只需對(duì)接近滿罐處的雜波設(shè)置回波抑制曲線，濾除該雜波信號(hào)即可。超聲波液位計(jì)的干擾抑制最好在空罐情況下設(shè)置，可對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)干擾進(jìn)行抑制。處理本次故障時(shí)，因清水池液位已有3m左右，干擾抑制的范圍應(yīng)該盡量接近當(dāng)前液位，但不能超過(guò)該液位。通過(guò)回波曲線查看，真實(shí)液位回波距離在3.29m左右，對(duì)該超聲波液位計(jì)設(shè)距離3m內(nèi)的自動(dòng)回波抑制后，讀取回波曲線(見(jiàn)圖4)，發(fā)現(xiàn)滿罐處的小干擾信號(hào)被有效濾除，超聲波液位計(jì)顯示真實(shí)液位。
圖4 VEGA超聲波液位計(jì)回波曲線
2、西門子超聲波液位計(jì)跳變
某企業(yè)廢水、廢液處理系統(tǒng)以及非能動(dòng)堆芯冷卻系統(tǒng)中采用了西門子超聲波液位計(jì)測(cè)量部分容器內(nèi)液位。該批超聲波液位計(jì)為分體式液位計(jì)，變送器型號(hào)為L(zhǎng)UT400，超聲波探頭元件為STH，總計(jì)使用了19臺(tái)。在調(diào)試和預(yù)運(yùn)行過(guò)程中，該批次超聲波液位計(jì)出現(xiàn)了多次不同原因的跳變現(xiàn)象。
①因安裝原因?qū)е绿?/span>
超聲波探頭在正常工作時(shí)，受發(fā)射脈沖激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，從而發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)。在超聲波換能器正常工作時(shí)，探頭表面能感受到機(jī)械振動(dòng)。STH型探頭尺寸約為Φ51mm，而在廢水、廢液系統(tǒng)中，超聲波液位計(jì)是安裝于罐體上方立管上。立管尺寸為2英寸，部分探頭在安裝時(shí)與立管壁存在擠壓，摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致探頭元件中的超聲波換能器在脈沖振動(dòng)時(shí)與管壁干涉，晶體振動(dòng)不自由。從回波曲線上來(lái)看，元件收到擠壓、摩擦的情況下，超聲波液位計(jì)初始脈沖基波信號(hào)強(qiáng)度收到很大影響。另外根據(jù)STH手冊(cè)技術(shù)規(guī)格書，該型探頭元件的發(fā)射角為12°，過(guò)高的安裝立管導(dǎo)致不能滿足超聲波束發(fā)射角要求。進(jìn)而使得超聲波的回波質(zhì)量進(jìn)一步惡化。從而導(dǎo)致部分液位計(jì)跳變頻繁。
采取截短立管，并對(duì)立管內(nèi)壁進(jìn)行打磨處理后，超聲波回波曲線質(zhì)量得到明顯增強(qiáng)，跳變現(xiàn)象基本消除。
②空罐下跳變
廢液系統(tǒng)中，廢液暫存箱收集來(lái)自反應(yīng)堆安全殼冷卻、乏燃料池襯里泄露、設(shè)備和區(qū)域去污等廢水，共2臺(tái)不銹鋼水箱用于廢液后續(xù)處理前的暫存。每個(gè)廢液暫存箱設(shè)置一臺(tái)西門子超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)液位。調(diào)試期間設(shè)置超聲波液位計(jì)測(cè)量量程為0.468-5.777m，電流輸出設(shè)置為4mA對(duì)應(yīng)0.533m，20m A對(duì)應(yīng)5.309m。超聲波液位計(jì)調(diào)試完成后，液位在測(cè)量范圍內(nèi)顯示準(zhǔn)確，但在液體排空時(shí)，液位出現(xiàn)頻繁跳變。
檢查發(fā)現(xiàn)，罐體底部為錐形底，在罐體液位排空時(shí)，存在聚焦反射現(xiàn)象。空罐下，超聲波回音曲線在反射時(shí)因罐底聚焦反射現(xiàn)象，導(dǎo)致在某一個(gè)距離上回波強(qiáng)度會(huì)超出回波抑制曲線，且聚焦反射后被放大的回波信號(hào)并不固定，隨機(jī)出現(xiàn)在某個(gè)高度，從而造成識(shí)別算法在無(wú)真實(shí)液位回波的情況下，將被隨機(jī)放大的回波作為“真實(shí)”液位信號(hào)，導(dǎo)致頻繁跳變。
從故障液位計(jì)回波曲線(見(jiàn)圖5)上可以看出，空罐時(shí)因罐底聚焦反射現(xiàn)象產(chǎn)生的部分回波信號(hào)誤識(shí)別為真實(shí)液位回波，但故障回波幅值實(shí)際較真實(shí)液位回波的幅值相差較大，只需提升回波曲線的閾值，確保空罐情況下的干擾雜波不超出抑制曲線，保證此時(shí)超聲波液位計(jì)出現(xiàn)丟波報(bào)警，輸出報(bào)警電流，即可徹底解決該故障。維護(hù)人員通過(guò)設(shè)置自動(dòng)回波抑制，使液位計(jì)智能學(xué)習(xí)空罐的超聲返波信號(hào)。考慮到故障信號(hào)存在的隨機(jī)性，在自動(dòng)學(xué)習(xí)的回波抑制曲線基礎(chǔ)上，手動(dòng)適當(dāng)增加了抑制曲線高度幅值。經(jīng)驗(yàn)證，該方法有效解決了超聲波液位計(jì)空罐跳變故障，重新設(shè)置抑制曲線后，回波曲線如圖6所示。
圖5 故障超聲波液位計(jì)回波曲線
圖6 超聲波液位計(jì)設(shè)置抑制曲線后的回波曲線
③互相干擾導(dǎo)致的液位跳變
放射性廢液處理系統(tǒng)中的安全殼地坑液位測(cè)量使用3臺(tái)西門子LUT400型分體式超聲波液位計(jì)測(cè)量，顯示流入地坑的一回路泄漏量。由于地坑位置限制，3臺(tái)超聲波液位計(jì)元件部分安裝緊湊，1-WLS-LT034/036超聲波元件安裝法蘭位于低側(cè)，1-WLS-LT035(安全殼地坑液位變送器2)位置與1-WLS-LT034(安全殼地坑液位變送器1)和1-WLS-LT036(安全殼地坑液位變送器3)錯(cuò)開(kāi)，位于高側(cè)；如圖7所示。
圖7 安裝在現(xiàn)場(chǎng)的分體式超聲波液位計(jì)
在執(zhí)行安全殼地坑液位進(jìn)水試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)3臺(tái)超聲波液位計(jì)頻繁跳變。現(xiàn)場(chǎng)檢查每個(gè)超聲波元件的安裝符合安裝規(guī)范，周邊也無(wú)變頻器、電機(jī)等干擾源。檢查線路接線，均無(wú)問(wèn)題。地坑液位的這三臺(tái)超聲波元件的安裝位置較近，元件安裝法蘭幾乎挨在一起。判斷可能由于超聲波元件中的換能器產(chǎn)生的高頻脈沖聲波互相干擾，導(dǎo)致對(duì)某一元件而言，接受超聲波返波信號(hào)時(shí)會(huì)同時(shí)接收到其它2臺(tái)液位計(jì)返回的高頻脈沖信號(hào)，從而導(dǎo)致液位計(jì)軟件算法在判斷真實(shí)回波的時(shí)候出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致液位跳變的情況出現(xiàn)。
針對(duì)上述可能的故障原因，對(duì)安全殼地坑重新進(jìn)行了充排水試驗(yàn)，并在充排水期間，使用Pactware診斷軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1-WLS-LT035的超聲波回音曲線。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在安全殼地坑液位較低時(shí)，1-WLS-LT035的超聲波回音曲線質(zhì)量較好，液位返波清晰，幅值較大。隨著液位逐漸上升，在真實(shí)液位返波下方逐漸開(kāi)始出現(xiàn)一個(gè)虛假返波，隨著液位繼續(xù)上升，回音曲線中真實(shí)液位返波下方開(kāi)始出現(xiàn)第二個(gè)虛假返波。這兩個(gè)虛假返波隨著液位不斷上升，在回音曲線中的位置也同時(shí)在上升。整個(gè)地坑沖水過(guò)程中，隨著液位上升，真實(shí)回波的質(zhì)量在變差，信號(hào)強(qiáng)度逐漸變?nèi)酰欢鴥蓚€(gè)虛假回波的信號(hào)質(zhì)量卻在不斷增強(qiáng)。在液位接近于0.7-1m左右時(shí)(LT035設(shè)置液位量程為0.178-1.194m)時(shí)，復(fù)現(xiàn)了液位跳變的情況。此時(shí)智能液位計(jì)算法認(rèn)定的有效液面返波開(kāi)始在真實(shí)液位返波和虛假返波之間不斷切換，從而導(dǎo)致液位跳變故障的產(chǎn)生。地坑充排水試驗(yàn)驗(yàn)證了液位波動(dòng)是由于3臺(tái)超聲波液位計(jì)高頻脈沖聲波互相干擾；如圖8所示。
圖8 幾臺(tái)超聲波液位計(jì)高頻脈沖聲波互相干擾的回波曲線
針對(duì)超聲波液位計(jì)彼此干擾問(wèn)題，最妥善的處理方式為更換超聲波液位計(jì)安裝位置，物理上分隔3臺(tái)超聲波元件，以減輕聲波的互相干擾，或者更換液位計(jì)選型，選擇聲波沿固定導(dǎo)波桿傳播的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備已經(jīng)安裝，不具備改造條件的情況，從軟件識(shí)別算法和回波抑制著手消除液位計(jì)跳變?nèi)毕荨陌踩珰さ乜映渑潘囼?yàn)結(jié)果分析，回音曲線中真實(shí)液位返波隨著液位上升，信號(hào)幅值降低，質(zhì)量變差，在一定液位時(shí)信號(hào)質(zhì)量會(huì)低于虛假返波的質(zhì)量導(dǎo)致智能識(shí)別算法選擇虛假返波作為真實(shí)液面的返波。但是在整個(gè)過(guò)程中，真實(shí)波始終位于虛假返波之前。因此可改變超聲波液位計(jì)的識(shí)別算法，從第一個(gè)且信號(hào)最強(qiáng)的波(blf，best of first and largest echo)更改為第一個(gè)真實(shí)波(tf，true first echo)。從而使得識(shí)別算法始終選擇第一個(gè)脈沖聲波返波作為真實(shí)液位的返波信號(hào)，杜絕因虛假干擾返波的存在導(dǎo)致識(shí)別算法在真假返波選擇切換。使用tf識(shí)別算法，需要關(guān)注的是盡量避免在真實(shí)液面返波前方出現(xiàn)虛假回波干擾，如果真實(shí)返波前方出現(xiàn)了虛假回波，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)頻繁出現(xiàn)高漂的現(xiàn)象。因此，在更改識(shí)別算法之外，需適當(dāng)提高回波抑制曲線的增益(hover level)，盡量濾除真實(shí)返波前方的假波，同時(shí)又能使得在整個(gè)液位量程中，真實(shí)返波可以超出抑制曲線，被算法識(shí)別。經(jīng)過(guò)多次嘗試，將增益從60%增加為71%后，WLS-LT035液位跳變的故障排除，保持觀察72h，期間未再出現(xiàn)過(guò)液位跳變現(xiàn)場(chǎng)。問(wèn)題得到徹底解決。在其他2臺(tái)超聲波液位計(jì)LT034和LT036上也有出現(xiàn)，采取同樣方案處理后，地坑液位跳變的故障消除。
目前，采用回波測(cè)距原理的 超聲波液位計(jì)發(fā)展迅速，因其價(jià)格經(jīng)濟(jì)、無(wú)介質(zhì)接觸、精度高、安裝維護(hù)方便而得到廣泛運(yùn)用。各行業(yè)也開(kāi)始廣泛運(yùn)用國(guó)外及國(guó)產(chǎn)品牌的超聲波液位計(jì)。
在系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試中，若能熟練掌握使用超聲波液位計(jì)的診斷軟件，識(shí)別回波曲線中存在的問(wèn)題，對(duì)于處理此類型液位計(jì)的故障將會(huì)事半功倍。
作者：郭明、王超
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