超聲波對(duì)疏水管道液位高度的測(cè)量

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(西安熱工研究院有限公司，西安 710032)

液位高度的準(zhǔn)確測(cè)量是疏水管道運(yùn)行監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制的重要保障，監(jiān)測(cè)不當(dāng)不僅影響管道的安全運(yùn)行，管道內(nèi)壁還易出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕[1-2]。疏水管道因敷設(shè)面積大、規(guī)格尺寸多、對(duì)環(huán)境影響大等特點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)全管段、全覆蓋的液位監(jiān)測(cè)。

容器中通常采用磁翻板液位計(jì)、液差液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)與超聲波液位計(jì)等儀器進(jìn)行液位測(cè)量，其中超聲波液位計(jì)以價(jià)格低廉、操作方便、安裝靈活(螺紋、法蘭、支架等連接方式)的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。

圖1 液位測(cè)量的監(jiān)測(cè)盲區(qū)示意

超聲波液位測(cè)量的方法有：螺紋式超聲波液位測(cè)量法、推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位測(cè)量法以及采用“延時(shí)接收信號(hào)分離”的單片機(jī)外測(cè)液位測(cè)量方法[3-4]。但是超聲液位計(jì)配置場(chǎng)所固定、維護(hù)成本高，當(dāng)管段處于監(jiān)測(cè)盲區(qū)時(shí)(見(jiàn)圖1)，只能采用熒光、射線等方法進(jìn)行液位測(cè)量。因此，針對(duì)疏水管道的特點(diǎn)，仍需操作靈活、使用方便的液位檢測(cè)方法。

筆者采用最常見(jiàn)的數(shù)字式A型脈沖反射超聲儀對(duì)輸水管液位進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合疏水管道與超聲波傳播特點(diǎn)推導(dǎo)出液位高度計(jì)算公式，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校正，達(dá)到了方便快捷地測(cè)量液位的目的。

1 檢測(cè)工藝

1.1 檢測(cè)試件

試驗(yàn)用管道的材料為304不銹鋼，規(guī)格(外徑×壁厚)為φ60 mm×2.6 mm，并選用密封效果較好且材料均勻透明的冷鑲粉對(duì)管道兩側(cè)進(jìn)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。

圖2 試件外觀示意

1.2 檢測(cè)方法

檢測(cè)儀器采用數(shù)字式A型脈沖反射USM-36超聲儀，為了兼顧檢測(cè)靈敏度與透射強(qiáng)度[5-6]，采用5Pφ6(探頭頻率5 MHz,晶片直徑6 mm)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(shù)據(jù)，經(jīng)推導(dǎo)公式計(jì)算得出液位高度，使用Origin軟件對(duì)液位高度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并通過(guò)擬合函數(shù)對(duì)推導(dǎo)公式進(jìn)行校正，從而得到校正后的液位高度計(jì)算值。

2 數(shù)字式A型脈沖反射超聲儀液位檢測(cè)

普遍使用的推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)[7]的檢測(cè)原理是：超聲儀激發(fā)電路使探頭產(chǎn)生0°縱波，縱波經(jīng)管壁透射進(jìn)入管內(nèi)水層中，再經(jīng)水-空氣界面返回至超聲波探頭，如圖3所示。單片機(jī)接收電路記錄下超聲波往返的時(shí)間差，并將聲速對(duì)溫度進(jìn)行校正，從而計(jì)算得出液位高度，如式(1)所示。

圖3 超聲波外測(cè)液位計(jì)檢測(cè)原理示意

數(shù)字式A型脈沖反射超聲儀液位檢測(cè)原理與推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)的檢測(cè)原理一致，同樣需要儀器記錄超聲波在水層中的傳播時(shí)間Δt，所不同的是：

(1) 推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)安裝位置固定，檢測(cè)區(qū)域不夠靈活；數(shù)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(cè)區(qū)域的影響。

(2) 推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)采集超聲波往返時(shí)間Δt，并將液位信息直接以數(shù)字形式直觀表現(xiàn)；A型脈沖反射超聲儀則將采集到的超聲波往返時(shí)間Δt通過(guò)液位回波聲程表現(xiàn)出來(lái)，即聲程S為Δt/2與儀器設(shè)置聲速的乘積，因此液位高度T也可表示為式(2)。

(1)

(2)

式中：T為液位高度；Δt為超聲波在水層中傳播的往返時(shí)間；S為水-氣界面回波聲程；C為聲速，下標(biāo)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(shí)是數(shù)字式A型脈沖反射超聲儀液位檢測(cè)的基礎(chǔ)，穩(wěn)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(shí)。室溫下選擇受檢管段無(wú)水一側(cè)的管壁校準(zhǔn)聲速，即C儀器=C鋼=5 812 m·s-1，壁厚反射回波聲程為其真實(shí)聲程，并選擇無(wú)水(黑色線條)與液位高度10 mm(紅色與藍(lán)色線條)兩種工況，采用A型脈沖反射超聲儀對(duì)液位高度進(jìn)行檢測(cè)，所得波形如圖4所示。

圖4 無(wú)水與10 mm液位的檢測(cè)波形

由圖4可以看出，管道內(nèi)無(wú)水時(shí)，波形僅為壁厚的數(shù)次回波，一次壁厚回波波高約為45.5 dB；液位高度10 mm處的反射回波(藍(lán)色線條)遠(yuǎn)離壁厚回波(紅色線條)，壁厚回波在管壁內(nèi)多次反射后形成回波簇。在實(shí)際測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)液面的流動(dòng)對(duì)超聲波反射的影響不大[8]，但隨著液面的流動(dòng)，反射回波會(huì)出現(xiàn)上下跳動(dòng)現(xiàn)象，這可以提高水-氣界面反射回波的辨識(shí)度。經(jīng)測(cè)量，10 mm高度液位聲程約為40.04 mm，波高約為35.0 dB，幾乎與管壁二次回波高度持平，這是由于：儀器設(shè)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(shí)，超聲波自激發(fā)至接收的時(shí)間Δt為固定值，因此水-氣反射回波聲程比真實(shí)聲程較遲出現(xiàn)，從而使得水-氣回波不受壁厚回波干擾，辨識(shí)度較高。另外，反射回波自水層入射進(jìn)入鋼中，由于聲阻抗Z水

當(dāng)水層深度T=10 mm時(shí)，壁厚反射回波(紅色線條)較無(wú)水工況時(shí)的數(shù)量減少且聲壓值降低，這是由于：已知鋼的聲阻抗Z鋼=46.0M kg/(m2·s)，水的聲阻抗Z水=1.48M kg/(m2·s)，空氣的聲阻抗Z空=0.000 4M kg/(m2·s)。由式(3),(4)可得到多次入射波的聲強(qiáng)反射率

r=(Z水-Z鋼)/(Z水+Z鋼)

(3)

(4)

式中：r為入射波聲壓反射率；R為入射波聲強(qiáng)反射率；n為同一入射波經(jīng)反射后入射的次數(shù)。

當(dāng)管道內(nèi)無(wú)水時(shí)，超聲波入射至鋼-氣界面；當(dāng)管道內(nèi)有水時(shí)，超聲波入射至鋼-水界面；由式(3),(4)可分別得到四次入射波聲強(qiáng)反射率R4鋼-氣=0.999 728，R4鋼-水=0.357 037。則4次入射波在鋼-氣與鋼-水界面聲壓差Δ=10lg(R4鋼-氣/R4鋼-水)=4.471 68 dB[9]。

因此同一入射波在鋼-氣界面與鋼-水界面經(jīng)過(guò)多次反射，鋼-水界面的衰減較快而鋼-氣界面的衰減較慢。

4 樣品測(cè)定

4.1 實(shí)際測(cè)量

室溫(約20 ℃)下對(duì)不同高度液位進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量得到的水-氣液面回波聲程代入式(2)計(jì)算得到液位高度，并與液位的測(cè)量高度進(jìn)行比較，如表1所示。由表1可以看出，經(jīng)A型脈沖發(fā)射超聲儀檢測(cè)得到的水-氣界面回波，液位計(jì)算高度與實(shí)測(cè)高度誤差在±2 mm范圍內(nèi)。

表1 液位高度的測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比 mm

4.2 參數(shù)校正

圖5 液位測(cè)量的計(jì)算結(jié)果與校正結(jié)果對(duì)比

為了減小液位計(jì)算高度與實(shí)測(cè)高度的偏差，以實(shí)測(cè)高度為基準(zhǔn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正，如圖5所示，黑點(diǎn)表示計(jì)算結(jié)果，紅色線條為校正結(jié)果，校正函數(shù)如式(5)所示，置信度約為99%。

y=0.97x-0.31

(5)

將校正函數(shù)代入式(2)，可得校正后液位回波高度計(jì)算公式

x=[(S/C儀器-d/C鋼)C水+0.31]/0.97

(6)

將測(cè)量結(jié)果重新代入式(6)，經(jīng)校正后的計(jì)算結(jié)果如表1所示，由表1可以看出，液位計(jì)算高度經(jīng)校正后偏差在±1 mm范圍以內(nèi)，檢測(cè)靈敏度與推進(jìn)劑超聲波外測(cè)液位計(jì)的一致。

圖6 溫度對(duì)液位和聲程檢測(cè)結(jié)果的影響

4.3 溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

選擇20～60 ℃非高溫段溫度區(qū)間，對(duì)液位(測(cè)量值為12 mm)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果代入式(6)得到計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。由圖6可以看出，隨著溫度的升高，檢測(cè)所得聲程與液位高度計(jì)算值變化不大，分別在1 mm和0.2 mm內(nèi)呈逐漸減小趨勢(shì)，與實(shí)測(cè)深度12 mm相比，檢測(cè)靈敏度仍在±1 mm范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[10]指出，鋼與水的聲速隨溫度t的變化如式(7),(8)所示

C鋼=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，隨著溫度的升高，縱波在鋼中聲速逐漸降低，而在水中聲速逐漸升高；且水的聲速改變量大于鋼，因此當(dāng)溫度在20～60 ℃區(qū)間時(shí)，聲程的測(cè)量值逐漸減小；文獻(xiàn)[11]指出，溫度改變100 ℃，鋼的聲速改變量約為1%。室溫時(shí)，C鋼=5 812 m·s-1，C水=1 480 m·s-1。因此，60 ℃時(shí)鋼的聲速減小，約為5 777 m·s-1，水的聲速增大，約為1 529 m·s-1；超聲波在管壁中增加的傳播時(shí)間約為2.7×10-9s，在水層中減少的傳播時(shí)間約為2.6×10-7s，管壁中增加的傳播時(shí)間較水中減少的傳播時(shí)間小得多，可以忽略。水中減少的傳播時(shí)間量與儀器設(shè)定聲速V儀器的乘積，則為測(cè)量聲程的減小量，且其值約為1.5 mm，由于公式及測(cè)量誤差，聲程測(cè)量值在1 mm范圍變化則認(rèn)為合理。因此，在20～60 ℃溫度區(qū)間，溫度對(duì)液位高度計(jì)算結(jié)果的影響不大。

5 結(jié)論

在20～60 ℃溫度范圍內(nèi)，采用數(shù)字式A型脈沖反射超聲儀，可以對(duì)疏水管道液位高度進(jìn)行精確測(cè)量。該檢測(cè)方法、可靠，且經(jīng)校正后的液位高度計(jì)算結(jié)果誤差在±1 mm范圍內(nèi)。