壓力對西門子超聲波液位計測量精度的影響

劉 超

(福陸(中國)工程建設有限公司，上海 200241)

0 引言

超聲波液位計因其安裝方便、經濟、測量精度高等特點，被廣泛應用于工程領域的液位測量，特別是在水和污水的處理工藝中。但是大部分的應用都是在常溫、常壓、敞口的容器中[1-3]。在某核電項目中，一些密閉、帶正壓的罐體設計選用了西門子LUT400系列分體式超聲波液位計對液位進行測量。在固體廢液系統(waste solid system,WSS)系統中，廢樹脂罐體上的超聲波液位計，最大工作壓力達到了1.5 kPa。由于在西門子的選型樣本上未明確壓力對ST-H超聲波換能器測量精度的影響，而廠家卻承諾最大壓力達到5 kPa對儀表的測量性能沒有影響。為了驗證可靠性，搭建了簡單的壓力試驗臺架，分別在常壓、 0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa、7.5 kPa壓力環境下，檢定西門子超聲波液位計的測量精度。該研究也為今后核電項目的選型提供有力的實踐依據。

1 試驗

1.1 試驗目的

超聲波液位計的工作原理是：由換能器(探頭)發出高頻超聲波脈沖遇到被測介質表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質表面的距離成正比。此距離值S、聲速C和傳輸時間T之間的關系可以表示為[4-5]：

(1)

超聲波是一種機械波，遇到大密度(氣-液-固)變化界面發生反射，傳播介質的溫度、壓力對測量的影響較大，因此一般不適用于高溫或帶壓力環境的液位測量[6]。特別是超聲波是通過壓電物質的振動來發射的，壓力太大時發聲部件會受影響。所以通常情況下，超聲波液位計用于敞口容器或水渠上測量常壓的液位。由于在核電項目中，在一些微正壓的容器內選用了超聲波液位計，實際生產中也未出現問題。為了進一步驗證探頭耐壓的能力，給今后項目提供更充分的選型依據，設計仿真試驗，檢測西門子超聲波換能器ST-H在幾組微正壓的壓力環境下測量值和實際液位值之間的誤差，從而判斷環境壓力對換能器的性能影響[7-9]。

1.2 試驗方法及配置

將兩個測量管連接在一起，形成一個連通器。在其中一個測量管上安裝超聲波換能器，另一個測量筒中安裝磁致伸縮液位計。在常壓條件下，通過閥門連接一個玻璃管液位計，用于比對測量管內液位的實際液面高度，以便矯正磁致伸縮液位計和超聲液位計測量讀數。

在測試的過程中，先將液位調整到需要測量的位置，再通過過濾減壓閥將壓縮空氣送入測量管內，由壓力變送器來測量氣相部分的壓力。在達到某個壓力的條件下，測試超聲波測量的讀數和回波曲線， 用于判斷精度和信號的強弱變化等情況。

測試環境條件為環境溫度：20℃ (超聲波的換能器的溫度為 27 ℃)；環境壓力為大氣壓；測量介質為水；測量儀表為超聲波液位變送器 LUT420+ST-H 。

測量的精度指標：±[1+0.17%(FS)]mm ；超聲波換能器的工作頻率為44 kHz。

其他參考儀表如下。壓力變送器MD3051的測量精度為0.2%。磁致伸縮液位計UAT100的精度等級為±3 mm，重復性為1 mm。玻璃管液位計的刻度精度為±1 mm。

1.3 試驗步驟

試驗步驟如下。

(1) 按照圖紙裝配好所有的設備，包括聯通器支架、三通、氣源、壓力變送器、磁致伸縮液位計以及超聲波換能器。

(2) 氣密性測試，通過過濾減壓閥，將輸出的壓力調節至1.5 kPa，保持1 h，壓力保持不變。

(3) 通過手動調節進氣閥門、排氣閥門、進水閥門、排水閥門，確認各個閥門工作正常，且便于調整。

(4) 將進氣閥關閉，將玻璃管與磁翻板的閥門聯通，測試并記錄在常壓條件下內外液面的差異；調整磁致伸縮液位計的讀數，使之與玻璃管液位計的讀數一致。在測試中，由于玻璃管的零點位置更低，調整磁致伸縮液位計的讀數，將最低點統一為 30 mm；將超聲波液位計的最低液位讀數也統一為30 mm。超聲波液位計的參數設定如下：低標定點1 818 mm，高標定點326 mm(測量范圍1 492 mm)。

(5) 差壓條件下的測試。

① 將液位調節至測量零點(距離換能器表面1 788 mm)，再次確認玻璃管、磁致伸縮液位計、超聲波液位計的讀數，記錄超聲波的距離數據、液位距離、玻璃管的液位距離，以及磁致伸縮液位計的數據。② 將液位調整到距離探頭947 mm的位置，記錄4個數據。③ 將液位調整到距離探頭335 mm的位置，記錄4個數據。④ 重復下行程測試。

(6) 壓力為0.5 kPa的條件測試，關閉玻璃管的聯通閥門。

① 將液位調整到0，調節過濾減壓閥的開度直到壓力變送器的讀數穩定在0.5 kPa。如果壓力變送器讀數偏大，關閉進氣閥門，通過調節針閥緩慢地將調低氣壓，直到壓力變送器的示值非常接近0.5 kPa。穩定1 min，確保壓力變送器的讀數穩定后再進行讀數，記錄超聲波液位計和磁致伸縮液位計的讀數。② 將液位調整至距離探頭947 mm的位置， 然后將氣壓調至0.5 kPa，直到讀數穩定。液位變化的過程中氣壓會發生變化，必須重新調節。③ 將液位調整至距離探頭0.335 m的位置，然后將氣壓調至0.5 kPa，直到讀數穩定。液位變化的過程中氣壓會發生變化，必須重新調節。④ 下行程的操作與前面的步驟一致。

(7) 壓力為1.5 kPa的條件測試。

測試的方法按照步驟(6)的操作，需要記錄上、下行程的數據。

(8) 壓力為5 kPa條件如上同樣測試。測試的方法按照步驟(6)的操作，需要記錄上、下行程的數據。

(9) 如果讀數的偏差值在1%以內繼續測試，測試至7.5 kPa。如果變化量超過5%，判定為不能繼續正常工作，記錄壓力讀數，分析差異的問題。

(10) 完成試驗并整理數據。

2 數據分析

在0 kPa、0.5 kPa、1.5 kPa、3 kPa、5 kPa和7.5 kPa這幾組壓力下，每個壓力點測試三次，取每個壓力點下ST-H換能器與玻璃管和磁致伸縮液位之間誤差最大的一組數據。誤差分析及重復性如表1所示。

表1 誤差分析及重復性

Tab.1 Error analysis and repeatability

分析誤差結果得出：在距離換能器最近的點產生的測量誤差最大，這與超聲波液位計測量原理有關。由于距離較近使得測量產生了雜波，導致的測量讀數存在較大的偏差[10]。但是從數據看重復性較好，而且不同壓力測點下誤差和重復性幾乎相近，所以可以判斷測量誤差幾乎與壓力變化無直接關系。

剔除距離換能器最近的測量點后，將磁致伸縮液位計的測量精度等級定為±3 mm。考慮到超聲波液位計誤差，計算精度得出五個壓力點下，上、下行程各自的平均誤差如表2所示。

表2 上、下行程測量精度

3 結束語

從試驗結果分析，西門子LUT400系列分體式超聲波液位計工作壓力在0～7.5 kPa范圍內能正常使用，且壓力環境下上行程的平均測量精度最大為0.72%，下行程平均測量精度為0.63%，滿足設計要求的±2.5%精度指數。從數據分析表明，隨著環境壓力增大，儀表的測量精度沒有因為環境壓力增大而相應地增大誤差，其本身的換能器ST-H能在密閉的微正壓環境下使用，未出現信號失真等嚴重問題，并能保證性能完整性。這充分證明了超聲波液位計能在環境壓力一定的情況下正常使用，為今后的核電項目中對于工作壓力在7.5 kPa范圍內的工程應用提供了試驗依據。